Skip to Content

Разработка базовых принципов взаимодействия с воксельной моделью в трехмерном пространстве в хирургическом симуляторе

ID: 2015-12-3883-A-5833
Оригинальная статья (свободная структура)
ГБОУ ВПО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского» Минздрава России, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина»

Резюме

Важной проблемой современного медицинского обучения является формирование у студентов соответствующих практических навыков. Однако для этого приходится применять различного рода фантомы, которые при тренировке например, стоматолога, или оториноларинголога (операции на ухе), будут непоправимо испорчены. Кроме того фантомы не дают стандартизации условий обучения, не позволяют вопроизвести различные анатомические варианты строения, адекватно оценить выполненную обучающимся работу. В статье описывается возможность переноса оперативных вмешательств на твердых структурах (зубы, кости), проводимых при помощи бормашины в виртуальную реальность. При этом важнейшим для обучения является наличие в подобных симуляторах тактильной обратной связи, реалистично имитрующей ощущения от взаимоедйствия инструмента и объекта при действиях обучающегося. В работе сформулирвоан воксельный подход к формированию виртуальных моделей объекта оперативного вмешательства и хирургического инструмента и разработаны базовые принципы взаимодействия с ними.

Ключевые слова

виртуальная реальность, виртуальная хирургия, хирургический симулятор, симуляционные технологии в обучении, гаптик-устройства, тактильная обратная связь, визуализация воксельных данных, компьютерная томография

Статья

Введение

В настоящее время для отработки практических навыков, составляющих значительную часть таких медицинских профессий, как оториноларингология и стоматология используются различного рода препараты, фантомы и т.п., при этом тренировки приводят к порче препаратов и фантомов, что приводит к дороговизне подобного подхода. В оториноларингологии, отработка практических навыков при операциях на костных структурах уха возможна только на трупном материале, что накладывает значительные ограничения. Активное развитие науки и техники (особенно компьютерной графики) позволяет перенести большую часть процесса обучения в виртуальную реальность (ВР) [1]. В компьютерной графике ВР позволяет интерактивно взаимодействовать с трехмерным пространством, созданным компьютером. Традиционное обучение заменяется симуляционным курсом, в котором сложные хирургические манипуляции могут быть многократно выполнены обучающимся в виртуальном пространстве.

При работе с костными структурами важнейшим вопросом оказываются тактильные ощущения хирурга [2]. Работа по этим структурам производится в настоящий момент при помощи бормашины с набором боров [3, 4, 5]. Современные средства ВР дают нам возможность тактильного взаимодействия с виртуальными предметами при помощи устройств, называемых «гаптиками» (haptics) [6, 7].

Цель работы – создание аппаратно-программного комплекса (АПК) хирургического симулятора с тактильной обратной связью. При помощи гаптик-устройств будет реализована навигация в трехмерном пространстве, а также реалистичная визуализация трехмерных объектов; возможности их изменения путем сверления виртуальными борами различного размера и качества; имитация кровотечения из твердых структур при сверлении; работа двумя руками (например, стоматологическим зеркалом и бормашиной или отсосом и бормашиной) с двух гаптик-устройств. В качестве моделей возможно использовать цифровые томограммы с высоким разрешением.

Источник данных для создания модели

В качестве источника данных для моделирования костных структур, участвующих в симуляции оперативного вмешательства, используются данные компьютерной рентгеновской томографии высокого разрешения. DICOM (англ. Digital Imaging and Communications in Medicine) — отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов. Именно в этом формате хранятся данные, представленные компьютерным томографом после проведения исследования. DICOM опирается на ISO-стандарт OSI, поддерживается основными производителями медицинского оборудования и медицинского программного обеспечения

В избранном нами для реализации фреймворке H3DAPI за работу с файлами DICOM отвечает модуль MedX3D, который разработан для поддержки стандарта на визуализацию медицинских данных в рамках X3D.

Создание воксельной модели твердого тела и ее визуализация

Простейшим вариантом работы с воксельным массивом является непосредственное его использование. В этом случае инструмент так же может быть представлен в виде воксельного тела. Преимуществом данного подхода является предельная простота обнаружения столкновений, сводящаяся к сравнению значений в вокселях: если один и тот же воксель принадлежит и моделируемому объекту, и инструменту, значит произошло столкновение. Кроме того, при таком подходе сохраняются все данные о внутреннем устройстве моделируемого объекта, а редактирование сводится к простому изменению значения в вокселях, затронутых работой алгоритма имитации удаления костной ткани.

Отсечение данных о мягких тканях в такой модели производится по уровню граничной плотности – фактически происходит бинаризация данных DICOM по заданному уровню плотности. Для выделения модели костных структур применяется простейший, но, в данном случае, достаточный способ сегментации данных - применение к данным своего рода пороговой функции, отсекающей все воксели, значение в которых меньше значения поглощения кости для компьютерных рентгеновских томограмм. такое пороговое значение выбирается эмпирически на основе конкретных данных исследования и зависит как от свойств самих костных структур, так и от характеристик использованного для получения снимков оборудования

Отображение объёмных данных подразумевает использование непосредственно данных воксельного массива для формирования изображения моделируемого объекта. Наиболее популярным из таких способов является рэйкастинг. Суть метода заключается в бросании лучей из точки зрения пользователя, проходящих через массив данных, и вычисление интеграла по ходу луча до тех пор, пока его значение не превысит некоторое пороговое. В этом случае значение интеграла представляет собой данные о прозрачности и цвете. Значения в каждом вокселе получаются путём интерпретации данных компьютерной томограммы с использованием специальной передаточной функции. К достоинствам данного метода можно отнести возможность формирования картинки высокого качества, а также «автоматическое» отображение скрытых структур данных, которые могут просвечивать через поверхности. Однако непосредственное применение данного подхода весьма ресурсоёмко.

Виртуальный инструмент должен иметь в данном мире свое представление для реализации как работы (отработка коллизий в пространстве), так и его визуализации. Визуализация в этом случае также происходит быстрым путем изображения данного примитива в сцене средствами OpenGL. Для представления же инструмента в сцене нами выбран воксельный метод, в виртуальный мир помещается инструмент, также состоящий из вокселов и для каждого из них рассчитывается взаимодействие с моделью и другими элементами этого мира. Этот метод длительный и ресурсоемкий, однако он выбран нами как наиболее точный и дающий широкие возможности для реализации указанных эффектов

Создание методов взаимодействия виртуального инструмента и трехмерной модели

В рамках реализации алгоритма симуляции работы с твердыми телами в виртуальном пространстве необходимо обрабатывать взаимодействие виртуального инструмента с моделируемым объектом. Вычисление силы обратной связи, создаваемой на устройстве тактильного ввода-вывода является важным фактором, определяющим качество симуляции.

Вычисление силы обратной связи нами решено с использованием классической модели, состоящей из пружины и демпфера. Пружина в данном случае призвана имитировать жёсткость моделируемого объекта. Демпфер в свою очередь призван стабилизировать систему управлению, создавая своего рода отрицательную обратную связь.

Параметры обозначенной системы подбираются таким образом, чтобы при взаимодействии с твёрдыми объектами у пользователя создавалось адекватное ощущение, и в то же время, чтобы система управления оставалась стабильной, т.е. не возникало неуправляемых вибраций и подобных процессов.

Авторами было рассмотрено несколько различных способов обнаружения столкновений и расчёта силы обратной связи. В ходе тестирования было обнаружено, что ни один из рассмотренных ранее способов, основанных на известных алгоритмах, не позволял достичь удовлетворительного качества. По этой причине авторами было принято решение о разработке собственного способа обнаружения столкновений.

Разработанный авторами способ позволил избавится от многих проблем, присущих более или менее классическим алгоритмам подобного рода. Однако, новый алгоритм оказался весьма требователен к аппаратным ресурсам. По этой причине для реализации разработанного механизма обработки была применена технология OpenMP для обечпечения SIMD обработки. Полученные результаты свидетельствовали как о высоком качестве алгоритма, так и о значительном выигрыше в плане производительности при использовании массовой многопоточности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проводимых НИОКР по данной теме нами создан прототип хирургического симулятора с тактильной обратной связью, использующий специальные устройства ввода-вывода (гаптики) и формирующий реалистичное трехмерное стереоскопическое изображение с возможностью реалистичной имитации сверления костных структур бормашиной. Нами разработана методика воксельного представления модели, взятой из файла DICOM в трехмерном пространстве; теоретически обоснованы методики визуализации воксельной модели; решены задачи представления инструмента в пространстве и нахождения коллизий в виртуальном пространстве воксельных моделей инструмента и рабочего объекта. В выбранном нами воксельном представлении мира была построена модель инструмента, разработан способ определения ее коллизий в виртуальном мире, учитывающий возможные перемещения данной модели для каждого из составляющих ее вокселей. Данный метод является ресурсоемким, однако он позволяет создавать более точные и реалистичные ощущения, за счет возможности предсказывать будущие коллизии при движении в определенном направлении. Нами построены также математические модели, реализующие удаление вокселей из объектов при их взаимодействии, что открывает возможности для изменения и деформации воксельных моделей в виртуальном мире. Созданы различные модели наиболее распространенных используемых инструментов (боров хирургических бормашин). Нами реализована также на этом этапе тангенциальная сила, возникающая при работе бормашиной с твердыми структурами, что придает дополнительную реалистичность нашей методике симуляции хирургических вмешательств.

Литература

1.      von Sternberg N., Bartsch M.S., Petersik A., Wiltfang Sibbersen J.W., Grindel T., Tiede U., Warnke P., Heiland M., Russo P.A.J., Terheyden H., Pohlenz P., Springer I. Learning by doing virtually // International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery.- 2007. - Vol. 36(5). – pp. 386-390.

2.      Pohlenz P., Gröbe A., Petersik A., von Sternberg N., Pflesser B., Pom-mert A., Höhne K.H., Tiede U., Springer I., Heiland M. Virtual dental sur-gery as a new educational tool in dental school // Journal of Craniomaxillo-facial Surgery. – 2010. – Vol. 38(8). – pp. 560-564.

3.      Arora A., Swords C., Khemani S., Awad Z., Darzi A., Singh A., Tolley N. Virtual reality case-specific rehearsal in temporal bone surgery: A prelim-inary evaluation // International Journal of Surgery – 2014. – Vol.12(2). -  pp. 141-145.

4.      Francis H.W, Malik M.U., Diaz Voss Varela D.A., Barffour M.A., Chien W.W., Carey J.P., Niparko J.K., Bhatti N.I. Technical skills improve after practice on virtual-reality temporal bone simulator // Laryngoscope. – 2012. – Vol. 122(6). – pp. 1385-1391.

5. Bakr M.M., Massey W.L., Alexander H. Evalution of Simodont haptic 3D virtual reality dental training simulator. International journal of dental clinics. 2013; Vol. 5: 1-6.

6. Pohlenz P., Gröbe A., Petersik A. et al. Virtual dental surgery as a new educational tool in dental school. Journal of Craniomaxillofacial Surgery. 2010. Vol. 38(8): 560-564

7. Luciano C. Banerjee P. DeFanti T. Haptics-based virtual reality periodontal training simulator. Virtual Reality. 2009. Vol.2(13): 69-85.

0
Ваша оценка: Нет



Оптимальный хостинг для Drupal, Wordpress, Joomla, Битрикс и других CMS, быстрые и надежные сервера, круглосуточная техподдержка Яндекс.Метрика