Компьютерное моделирование работы органов в чем заключается
Обновлено: 07.07.2024
Развитие 3D технологии в свете медицины началось совсем недавно, однако скорость, с которой развивается эта среда, потрясает.
В настоящее время все больше и больше медицинских отраслей применяет технологии 3D моделирования, для того чтобы отслеживать те или иные показатели.
Первым случаем с применением 3D технологий в медицине стала имплантация органа, сделанного с помощью компьютерной томографии и 3D-принтером в 1999 году.
Моделирование позволяет с высокой точностью воссоздавать разные прототипы органов, протезов и имплантов. Использование компьютерной томографии и моделирование органов на компьютере позволяет врачам сильнее углубиться в строение тех или иных частей тела и позволяет более точно проследить происходящее с ними.
С помощью распечатанных моделей молодое поколение врачей может учиться, не подвергая риску жизни пациентов.
Основными направлениями 3D моделирования на данный момент являются:
Протезирование – в настоящее время является одной из самых важных
и широко развивающихся областей. Многие ученые считают, что именно протезирование может являться ключем для так называемого секрета долголетия. Огромную часть в изучении данного процесса занимают Япония и США. Так, например, в Японии медицинское моделирование объединили с робототехникой для того, чтобы восстановить подвижность протезов. В 2019 году были проведены первые испытания, согласно которым, напечатанную на 3D принтере модель руки подключили с помощью высокоточных каналов к нервным окончаниям, что позволило пациенту в полной мере пользоваться новообретенным протезом.
Стоматология. Эта сфера деятельности развивается уже очень давно и именно она является самой распространенной и часто встречаемой в человеческой жизни. По статистике около 45% людей в возрасте от 20 до 55 пользовались коронками. С помощью современных 3D технологий врач может получить максимально четкий и точный снимок зуба и создать долговечную коронку, которая будет идеально подходить под нужный слот.
Имплантация. В данном случае подразумевается создание и калибровка внутренних органов человеческого организма. Эта область медицины давно стояла в приоритете у врачей, однако только сейчас, с расширением медицинских технологий, у медиков появилась возможность развивать данную сферу. Широкое распространение данная технология получила на востоке. В Южной Корее, Китае и Японии процедуры с использованием имплантов являются уже обыденностью. В основном все импланты изготавливаются из сплава титана. Считается что это самый лучший материал, который можно использовать для изготовления имплантов, т.к. он один из немногих практически не отторгается организмом. Ассимиляция живых тканей с имплантами из подобных сплавов практически всегда происходит безболезненно.
Самым главным инструментом в 3D моделировании является высокоточный принтер, который используется для создания и изготовления необходимых частей.
Созданием подобных принтеров сейчас занимаются компании по всему миру, в том числе и в России. Так, в нашей стране к 2020 году планируется создание и выпуск особого SLM-принтера, принцип печати которого заключается в технологии плавки металлического порошка. Данный способ позволит сильно сократить затраты времени на печать при этом не нанося удар по качеству. Такой аппарат, по заявлению его создателей, будет в 2-3 раза быстрее и эргономичнее чем нынешние аналоги и будет стоить в разы дешевле зарубежных моделей.
Важным компонентом 3D моделирования и печати является и ПО, которое необходимо для создания и построения правильных и четких моделей. На данный момент на рынке существует несколько крупных 3D модуляторов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки перед остальными.
В основе создания 3D моделей в компьютерной среде является томография, которая позволяет делать снимки, а потом переводить эти снимки в координаты, по которым в последствии будет создаваться нужная модель.
Использование данной технологии широко применяется не только для печати, но и для отдельного компьютерного моделирования. Созданная таким образом модель любой части тела доступна для изучения и способна показать врачам полную картину болезни и поражения.
В данный момент технология 3D моделирования в медицине развивается в положительном быстром темпе. Появляются новые технологии, новые сплавы и новые способы внедрения. Все это делает позитивную среду для использования протезирования и имплантирования в новых сферах. Так, например, за последние несколько лет начали появляться первые операции по замене сердца человека на напечатанную модель, которая будет так же служить ему верой и правдой. Внедрение новых технологий позволяет появиться надежде на колоссальные изменения, которые позволят полностью моделировать и модифицировать человеческое тело.
Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Рущенко Н.Г., Тозик В.Т., Меженин А.В.
В статье рассматриваются вопросы получения трехмерных моделей органов человека на основе томографических данных. Обсуждается один из методов вычисление Фурье-образа проекций.
Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Рущенко Н.Г., Тозик В.Т., Меженин А.В.
Исследование возможностей малоракурсной томографической прямой 3D реконструкции параметров индуцированных оптоэлектронных полей излучения непрозрачных объектов Свойства регуляризованного алгоритма Гершберга-Папулиса в задаче веерной томографии Методы и средства оптико рентгеновской 3D диагностики процессов сублимации в композиционных материалах Система трехмерной томографической диагностики параметров плазменных образований в условиях ближнего космоса Методы и средства малоракурсной томографической диагностики параметров потоков ионных и плазменных двигателей КЛА i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Текст научной работы на тему «Компьютерное моделирование органов человека»
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРГАНОВ ЧЕЛОВЕКА Н.Г. Рущенко, В.Т. Тозик, А.В. Меженин
В статье рассматриваются вопросы получения трехмерных моделей органов человека на основе томографических данных. Обсуждается один из методов — вычисление Фурье-образа проекций.
В настоящее время ЗБ-реконструкция внутренних органов человека на основе рентгенографии, ультразвуковых исследований, компьютерной и магнитно-резонансной томография получает все большее распространение и является актуальной задачей. Применение этих современных методов исследования позволяет врачу рассмотреть и оценить состояние органов и организма в целом. При этом, к примеру, при постановке вопроса о хирургической операции врач может реально увидеть оперируемый орган на экране компьютера и оценить объем хирургического вмешательства.
На кафедре ИКГ совместно с научно-исследовательским институтом им. Г.И. Турнера проводятся исследования в этой области.
Рассмотрим этапы получения трехмерных компьютерных моделей.
Первый этап - получение исходной морфометрической информации. Для этого используются клинико-инструментальные методы исследования (рентгенография, ультразвуковое исследование, компьютерная и магнитно-резонансная томография и др.). Полученные в результате проведенного исследования количественные данные используются на втором и третьем этапах для создания компьютерных моделей, имеющих установленные при морфометрии параметры и расположенные в виртуальном пространстве.
Второй этап создания компьютерной модели заключался в построении плоскостной двухмерной модели органа человека в трех проекциях.
Третий этап - трехмерная реконструкция и создание объемной компьютерной модели.
Второй и третий этапы планируется выполнить с использованием специально разработанного программного обеспечения и системы трехмерного моделирования 3ds max [1].
Созданные компьютерные модели могут быть продемонстрированы на дисплее, повернуты в любой плоскости и распечатаны на принтере в виде фотографий. Используя возможности программы 3ds max, можно перемещать компьютерные модели в виртуальном пространстве, что позволяет сдвинуть или удалить отдельные элементы модели для изучения особенностей топографии области. Кроме этого, планируется, используя систему инверсной кинематики, моделировать поведение элементов позвоночника при его лечении.
Трехмерные компьютерные модели могут быть полезны для повышения эффективности рентгенодиагностических методик, при планировании хирургических вмешательств. Кроме этого, возможно их использование как наглядных пособий не только в учебном процессе, но и различных научных исследованиях.
Использование преобразования Фурье для SD-реконструкция объектов
Геометрия исходных данных (2Б-проекций) при исследовании объектов томографическими методами [2] может быть получена расположением зоны 2Б-проекций по образующим к цилиндрической поверхности, на осевой линии которой расположен исследуемый объект. В диаметрально противоположных направлениях позиционируется
источник излучения. Рассмотрим математический аппарат, который может быть использован в этом случае [3].
В каждой проекции регистрируемая интенсивность поля излучения -/(х, у) ^/(г). Для реконструкции в первом приближении выбирается функция в виде
В2 ( х, у ) = | ¡и ( х; у; £ ) dz , здесь (х, у)- двумерная функция проекции, Ь -
толщина объекта в направлении просвечивания, ¡и(х; у; г) - линейный (массовый) коэффициент ослабления по объему контролируемого образца. Если плотности внутренних локальных объектов постоянны, то последнее соотношение можно упростить:
ла изделия, и1- коэффициент ослабления материала локального объекта, I (х; у^) -
размер локального объекта в направлении просвечивания, к - их число в направлении просвечивания. Нормализованные функции проекций -
ё ( Р ) = | / ( г ( Р - гГ) dl , в том числе и одномерные ё (г; в), ё (р), «вычле-
няемые» из двумерных, должны удовлетворять условию
Точность реконструкции формы поверхности в этом варианте определяется точностью восстановления границ сечений, поэтому разработан следующий способ реконструкции сечений и контуров исследуемых объектов.
• Для данного сечения вычисляются Фурье-образы проекций при числе отсчетов в каждой проекции, в несколько (3-6) раз превышающих линейный формат матрицы изображения сечения. В соответствии с теоремой о сечениях формируется «двумерный Фурье-спектр».
• По кольцевым гармоникам производится интерполяции в зонах отсутствия отсчетов. Так как спектры реальных проекций содержат дополнительные отсчеты, то процедуру интерполяции можно оптимизировать, используя зоны дополнительных отсчетов, и таким образом оптимизировать двумерный спектр Фурье - «выгладить» его.
• Наборы одномерных спектров проекций пересчитываются в функции проекций, оптимизируется ядро алгоритма свертки. Для данного класса задач ядро оказывается достаточно «низкочастотным», в общем случае его Фурье-образ в области главного максимума имеет вид
здесь а - константа, выбираемая в пределах (0,9-2,4).
• После нормализации всех функций проекций (реальных и вычисленных) для данного сечения производится реконструкция каждого сечения с помощью стандартной
процедуры - сверточного алгоритма, включающего вычисление одномерных сверток проекций с выбранным ядром и процедуру обратного проецирования. Таким образом, формируется заданное количество сечений, при этом все вычислительные процедуры реализуют только одномерные преобразования: вычисление прямых, обратных преобразований Фурье от функций проекций, интерполяция по кольцевым гармоникам в двумерном Фурье спектре, операция свертки. Это сокращает время реконструкции, алгоритмы могут быть реализованы на стандартных ПК. В то же время фактически оказывается вычисленным ЭБ-массив, определяющий конфигурацию локального объекта и его ориентацию в пространстве.
Рассмотренный математический аппарат положен в основу разрабатываемого программного обеспечения, которое в настоящее время находится в стадии отладки.
1. ЭёБ Мах 9: трехмерное моделирование и анимация / В.Т. Тозик, А.В. Меженин. -СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 1056 с.: ил.
2. Рущенко Н.Г. Исследование и разработка методов решения задачи синтеза высокооднородного магнитного поля в МР- томографе. Автореферат дисс. канд.техн.наук -СПб: ИТМО,2004.
3. Филонин О.В., Шадрунов А. А. Цифровые методы обработки в компьютерной томографии / Тр. межд. симп. «Надежность и качество». Пенза, 2004. С. 257-261.
Может ли компьютерное моделирование помочь в решении проблем людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями? Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Нидерландов и Великобритании на протяжении последних нескольких лет ведут исследования, цель которых — сократить риск осложнений после установки пациентам стента — специального распирающего каркаса, который помещается в коронарные сосуды и призван восстановить кровоснабжение сердца. Последний месяц один из авторов проекта, аспирант кафедры высокопроизводительных вычислений Университета ИТМО Павел Зун провел в Университете Шеффилда, где продолжал работу по построению модели роста ткани внутри сосуда после установки в нем стента и выстраивал совместную работу с учеными-биологами. О деталях совместной работы и о том, почему сегодня построение компьютерных моделей для медицины является одной из самых перспективных областей, он рассказал ITMO.NEWS.
Чтобы полностью обеспечить ткани и органы всеми необходимыми веществами и кислородом, нужна не только разветвленная сеть артерий, которые эту доставку к сердцу и обеспечивают, но и ее правильная работа. Коронарные артерии снабжают ткани самого сердца. Патологические изменения в этих артериях ведут к ухудшению работы системы кровоснабжения сердца. Следствием таких изменений и нарушений становятся различные сердечно-сосудистые заболевания, в первую очередь ишемия и острый коронарный синдром. Эти заболевания и сопутствующие повреждения сердечной мышцы — миокарда — обычно бывают вызваны патологическим сужением коронарных сосудов.
Долгое время для лечения суженных участков коронарных сосудов было применимо только хирургическое вмешательство со вскрытием грудной клетки. Однако в последние десятилетия появились и начали широко использоваться менее травматичные методы, позволяющие получить доступ к суженному сосуду, введя катетер в артерию. Одним из них является коронарное стентирование сосудов.
Стентирование коронарных артерий является одной из наиболее безопасных и эффективных процедур восстановления нормального просвета артерий, имеющих атеросклеротические изменения. Стент представляет собой сетчатый цилиндрический металлический каркас, разворачиваемый в закупоренном участке артерии и удерживающий ее от повторного сужения. После установки стент естественным образом покрывается тканью внутренней выстилки сосуда.
Однако установка стента не всегда проходит успешно, в некоторых случаях развивается рестеноз — осложнение, которое характеризуется чрезмерным разрастанием ткани и повторным сужением просвета артерии. На сегодняшний день причины рестеноза изучаются, ведутся исследования по оптимизации конфигурации стента и процедуры лечения для снижения частоты осложнений.
Как в этом может помочь компьютерное моделирование?
Одним из способов в определении причин развития рестеноза является проведение опытов с использованием клеточных культур и модельных животных. Подобные исследования, например, ведутся в Университете Шеффилда. Однако в понимании причин развития рестеноза, а также впоследствии разработке более эффективного дизайна стента, который позволит снизить процент осложнений, может помочь и компьютерное моделирование.
Соответствующими исследованиями занимаются специалисты Института наукоемких компьютерных технологий Университета ИТМО, которые совместно с коллегами из Амстердамского университета в Нидерландах и Университета Шеффилда в Великобритании, последние несколько лет работают над построением модели нежелательного роста ткани внутри сосуда после установки в нем стента — распирающего каркаса.
Модель может помочь понять, почему в некоторых случаях ткани слишком интенсивно прорастают сквозь стент и сосуд повторно сужается, то есть происходит рестеноз, поясняет Павел Зун, аспирант кафедры высокопроизводительных вычислений Университета ИТМО. Воспроизводя этот процесс, ученые научились моделировать клеточный рост артериальной стенки, физические взаимодействия, возникающие из-за того, что стент растягивает сосуд, а также то, как лекарственные вещества со стента проникают вглубь тканей.
В рамках проекта последний месяц Павел Зун провел в Университете Шеффилда, где работал над дальнейшим улучшением модели и валидацией результатов, полученных в ходе компьютерного моделирования.
«Процесс разработки модели выглядит следующим образом: сначала ученые ставят эксперименты. Например, они берут клетки и высаживают их в чашки Петри, а затем смотрят, как эти клетки ведут себя под воздействием течений, как они мигрируют и так далее. На основе данных, которые получены из большого количества экспериментов, строится гипотеза о том, какие механизмы влияют на поведение клеток. А, в свою очередь, на основе этой гипотезы строится модель: мы устанавливаем определенные правила поведения клеток в модели в зависимости от того, что мы хотим проверить. После этого мы проверяем, насколько поведение клеток в модели с определенным набором правил соответствует тому, что происходит в реальности, — рассказывает Павел Зун. — Таким образом, моя работа в Шеффилде заключалась в поиске экспериментальных данных, а также в выстраивании сотрудничества с учеными-биологами. Ведь мы можем построить модель, а они могут поставить соответствующие эксперименты in vitro, на клеточных культурах, или на животных, in vivo. В дальнейшем эти эксперименты могут быть использованы для валидации и подтверждения наших моделей».
Одним из основных факторов, вызывающих остановку роста ткани в сосуде, является восстановление клеток внутренней выстилки сосуда — эндотелия. Таким образом, чтобы описывать процессы, происходящие в сосуде, необходимо знать, в том числе как происходит миграция клеток эндотелия после установки стента и, соответственно, проходит процесс заживления. Это можно изучить, высадив эти клетки в экспериментальную установку, имитирующую стентированный участок сосуда, и поняв, как они будут перемещаться там под действием течений, добавляет он. Изучая эти процессы, можно получить траектории движения клеток, что и реализуют исследователи при построении компьютерных моделей. И, как отмечает Павел Зун, за последнее время ученым удалось добиться достаточно неплохой точности модели.
Компьютерная модель
«Например, с помощью моделирования мы видим, что между помещенными на поверхность установки ребрами, имитирующими элементы стента, возникают завихрения текущей сквозь установку жидкости. Это влияет на траектории миграции клеток, и мы можем высказать предположение, почему это происходит, — объясняет исследователь. — Соответственно, на основе моделирования мы можем предложить новый дизайн эксперимента, чтобы проверить это предположение. Если это предположение будет корректным, это повлияет на дизайн стентов, что в будущем позволит уменьшить риск осложнений после операций».
Риск осложнений после установки первых стентов, которые начали применяться в 90-х годах прошлого века, достигал 20%. Современные устройства помогли свести этот показатель до пяти случаев из ста. Однако, учитывая, что стентирование коронарных сосудов является одной из самых распространенных операций в современной медицинской практике, дальнейшее улучшение дизайна стентов и сокращение риска осложнений и сегодня является актуальной задачей для исследователей, говорит Павел Зун.
Сегодня ученые продолжают работать над улучшением модели. В ближайшей перспективе исследователи собираются проверить еще одну гипотезу, согласно которой на ускорение заживления артерии после стентирования может повлиять покрытие стента специальным веществом, подавляющим Rho-ассоциированную протеинкиназу в клетках (ROCK), отвечающую за реакцию клеток на локальное направление течения крови. Этот механизм ученые также реализуют в модели и по итогам работы проверят, насколько она будет соответствовать экспериментальным исследованиям.
Перспективы
Построение модели роста ткани внутри сосуда после установки в нем стента является частью работы, которую в последние несколько лет проводят ученые из Амстердама и Петербурга. Ранее в исследовании, опубликованном в журнале Philosophical Transactions A, они представили концепцию «виртуальной артерии», показав, что эта мультимасштабная компьютерная модель объединит в себе несколько подмоделей, описывающих участки сердечно-сосудистой системы в разном приближении. Разработчики считают, что детальная имитация человеческой артерии позволит глубже изучить заболевания сосудов и создаст альтернативу испытаниям лекарств на животных.
Полноценная виртуальная артерия, по мнению ученых, позволит изучать более широкий спектр сердечно-сосудистых заболеваний, совместив в себе несколько разноуровневых моделей. На первом уровне разработчики воспроизводят кровоток по всему телу. Углубляясь, они переходят к трехмерному участку кровеносного сосуда. На самом низком уровне рассматриваются взаимодействия между клетками внутри артериальной стенки. Таким образом, шаг за шагом ученые подходят к более точному воспроизведению сложных природных процессов.
Сейчас ученые Университета ИТМО продолжают сотрудничество с научной группой Амстердамского университета, а также со специалистами Университета Шеффилда. Кроме того, недавно было налажено сотрудничество с исследователями Политехнического университета Милана, которые также занимаются моделированием течений в стентированных сосудах, рассказывает Павел Зун.
По его словам, сегодня построение компьютерных моделей для медицины является одной из интересных и перспективных задач. Именно в этой области в последнее время появляется большое количество новых проектов, в реализации которых могут применить свои силы перспективные магистранты и аспиранты.
«Заниматься моделированием именно в области биохимии, медицины очень интересно, потому что модели в данной области развиты пока не настолько, как, например, в физике или в неорганической химии. Это очень сложные системы, поэтому здесь пока существует непаханное поле для исследований. Да, уже в 90-е были попытки моделирования систем в этой области, но тогда, разумеется, мощность компьютеров не позволяла делать сложные модели, — говорит Павел Зун. — Пока самое главное, чего не хватает в этой области, — это люди. Сейчас такими исследованиями занимаются немного магистрантов и аспирантов. Между тем, сегодня существует очень много проектов по этой тематике, поэтому спрос на квалифицированных специалистов очень большой».
Моделирование - это исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (живых и неживых систем, инженерных конструкций, разнообразных процессов - физических, химических, биологических и др.) и конструируемых объектов (для определения, уточнения их характеристик, рационализации способов построения).Для моделирования сложных систем и процессов, например, биологических, используется теория больших систем, модели сложных динамических систем живой природы. Применяются для моделирования биологических структур, функций и процессов на разных уровнях организации живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, организменном и популяционно-биоценотическом. Возможно также моделирование различных биологических феноменов, а также условий жизнедеятельности отдельных особей, популяций, экосистем.
В биологии применяются в основном три вида моделей: биологические, физико-химические и математические (логико-математические).
Описание задач и их решений с помощью компьютерного моделирования : 1. Задача - Как исследовать строение оригинала если его нет в действительности?
В реальном времени нужный для науки оригинал может уже не существовать или же существовать, но в разных частях света ( например вымирание Динозавров ) и чтобы собрать общую картину похожую на оригинал нам будет необходимо компьютерное моделирование.
2. Задача - Как наглядно изучить свойства и взаимосвязи в организме?
С помощью компьютерного моделирования мы можем создавать наглядные примеры внутренних органов и всего организма в целом.
3. Задача - Оригинал либо очень велик, либо очень мал, как его исследовать?
Чтобы рассмотреть модель клетки мы можем использовать компьютерное моделирование и узнать строение досконально.
4.Задача - Исследование может привести к гибели организма, как можно исследовать организм не нанося ущерб?
При помощи компьютерного моделирования мы можем создать модель всех внутренних органов и исследовать их не нанося ущерб здоровью организма.
Вывод : Компьютерное моделирование очень важно для будущего науки в Биологии, так как с помощью него мы можем исследовать все аспекты жизнедеятельности организма, изучать строение живых существ даже если их уже не существует.
Читайте также: