СИСТЕМА 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ ТОРАКОСКОПИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРИ ОПУХОЛЕВЫХ ПОРАЖЕНИЯХ ЛЕГКИХ

Цымбалюк Н.Н ¹, Маркина С.Э²

¹Студент; ²кандидат технических наук, доцент, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина

СИСТЕМА 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ ТОРАКОСКОПИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРИ ОПУХОЛЕВЫХ ПОРАЖЕНИЯХ ЛЕГКИХ

Аннотация

Данная система откроет новые возможности врачам-хирургам в вопросах проведения торакоскопической операции. Такое моделирование операционного процесса направлено на создание возможности выработки тактики хирургического вмешательства на этапе диагностики.

Ключевые слова: хирургия, 3D моделирование, торакоскопия, пульмонология.

Tsymbaliuk N.N.¹, Markina S.S.²

¹Student; ²candidate of engineering science, docent, Ural Federal University named after the first President of Russia B. Yeltsin;

SYSTEM OF 3D SIMULATION OF THORASCOPIC OPERATIONS IN VIEW OF TUMOROUS LESIONS OF LUNGS

Abstract

The system opens new possibilities for surgeons in problems of thoracoscopic operation. The simulation of the operational process is aimed at creating the possibility of developing an approach of surgical intervention at the point of diagnosis. 

Keywords: surgery, 3D simulation, thoracoscopy, pulmonology. 

По данным официальной статистики в России, в среднем каждый год регистрируется 115 000 новых случаев выявления туберкулеза, из них в 2,5% случаев, (приблизительно у 3 000 зарегистрированных) выявлены образования в легких -  туберкуломы, имеющей в рентгеновском изображении сходство с опухолью, чем и обусловлено ее название. Туберкулома представляет собой округлое инкапсулированное образование аморфного казеоза в легких, чаще единичное, реже множественное, различных размеров (от 2 до 8 см в диаметре).

Для удаления туберкуломы требуется торакоскопическая операция. Данная операция представляет собой высокую сложность и требует практической профессиональной подготовки хирургов. [1]

Для помощи в подготовке к торакоскопической операции был создан программный продукт, апробированный специалистами из Уральского НИИ фтизиопульмонологии, который может быть использован в пульмонологии при подготовке к торакоскопической операции с выявленной туберкуломой  на этапе диагностической оценки поражения легких.

Программа работает с первичными КТ-данными формата DICOM, которые могут быть получены при сканировании пациента на компьютерном томографе. КТ-данные загружаются в программу для построения трехмерной реконструкции органа.

На данном этапе важно обеспечить высокое качество аксиальных срезов изображения, которое зависит от градиента плотности изображения на фоне окружающих тканей. Так, за счет естественной разницы плотности, хорошо визуализируются скелет и легкие, что позволят с высоким качеством построить трехмерные реконструкции. У специалистов появляется возможность проводить виртуальные операции. Программа позволяет работать отдельно с изображениями легких или  ребер с позвоночником, путем их отключения. [2] Оперативное вмешательство осуществляется путем прокалывания легкого 3-мя манипуляторами, каждому из которых соответствует оптическая трубка, хирургические зажим и ножницы. В программе учтено, что при первом прокалывании легкое уменьшается в объеме примерно наполовину по причине выхода из него воздуха. При этом происходит его смещение в грудной клетке в направлении, зависящем от выбранного врачом положения больного во время операции.

Такое моделирование операционного процесса направлено на создание возможности выработки тактики хирургического вмешательства на этапе диагностики. Пространственное визуальное восприятие патологического процесса и взаимосвязанность его с окружающими тканями позволяют, в соответствии с особенностями распространения очага, произвести выбор адекватной тактики для проведении торакоскопической операции. Моделирование операционного процесса и/или анатомических структур позволяет дифференцировать признаки и детали, которые дают возможность составить и проверить хирургу предоперационную концепцию не только в отношении характера патологических изменений, но и в отношении выбора тактики проведения операции, объема предстоящей работы  и  прогнозирования наиболее вероятных рисков предстоящей операции.

Итак, работа хирурга с программой заключается в следующем:

Первым этапом виртуальной хирургической операции, также как и реальной, является "интраоперационная ревизия" - визуальный осмотр области интереса с разных сторон. Виртуально мы имеем возможность доступа к тем или иным зонам, к которым затруднен доступ во время оперативного вмешательства, с помощью изменения прозрачности тканей и произвольно подводимых секущих.

На втором этапе выбирается область исследования, которая будет использована для построения.  Первичные КТ-данные загружаются в программу для построения трехмерной реконструкции  интересующей области. Программа позволяет выбирать цветовую  шкалу, что дает возможность выделить  необходимые структуры в цвете (рис. 1).

Рис. 1 - Пример трехмерной визуализации туберкуломы

Затем нужно "взять манипуляторы", свести их в точку внутри туберкуломы и, воспользовавшись возможностями программы, рассчитать углы между манипуляторами (рис. 2). Программа позволяет хирургам визуально проконтролировать, чтобы манипуляторы не проходили через костную ткань пациента и были расположены максимально удобно при будущей операции.

Рис. 2 - Моделирование торакоскопической операции на легких

Моделируя процесс операции, специалист имеет возможность проводить различные манипуляции с полученным на мониторе изображением, например, поворачивать в различных плоскостях, увеличивать или уменьшать изображение, делать срезы и т.д. Данные манипуляции позволяют увидеть внутреннюю структуру органа и внутриорганные образования.

Хирург, пользуясь данными о стадии болезни и расположения туберкуломы, полученными с помощью программы моделирования операционного процесса, виртуально, на мониторе компьютера, проводит шаг за шагом операцию, путем прокалывания легкого манипуляторами, производит необходимые действия с полученными изображениями, наблюдая отдельные сегменты легких, строение бронхов, анализирует анатомические последствия на воспроизведенном визуальном теле пациента. Несомненно, что данный способ моделирования торакоскопической  операции на легкие позволит повысить вероятность её успешного проведения.[3]

Таким образом, данный программный продукт помогает составить план предполагаемого оперативного врачебного вмешательства на основании конкретных данных, полученных в процессе моделирования торакоскопической операции, тем самым уменьшая риск врачебных ошибок.

Разработка технологии 3D-визуализации on-line-моделирования оперативного вмешательства по лечению органа, пораженного туберкулезом, имеет большое значение для повышения квалификации кадров (дидактическая цель), причем как для специалистов-медиков, так и для студентов, профильными предметами которых являются информатика и системотехника, на примере создания и развития интеллектуально-информационных систем.