Современные информационные технологии/2. Вычислительная техника и программирование

Д.т.н. Павлов С.В., Журавська Ю.О., д.т.н. Романюк О.Н.

Вінницький національний технічний університет, Україна

Перспективні напрямки використання комп’ютерної графіки в медицині

У даній роботі описані можливості для застосування комп'ютерної графіки, візуалізації та віртуальних середовищ у медичній галузі для поліпшення охорони здоров'я та принесення користі пацієнтам. Описані найперші розробки, що застосовують комп’ютерну графіку, сучасні інновації та майбутні перспективні технології.

Вступ

Медицина - надзвичайно важлива галузь, яка має впливове значення в людському житті. Різноманітність і складність, притаманні невирішеним медичним проблемам, активізували розвиток багатьох природних і технічних наук. Із початку зародження комп'ютерної графіки медична сфера була однією з найбільш важливих галузей застосування, яка має низку різноманітних завдань дослідження [1]. Окремі графічні інструменти та методи стали незамінними в сучасній медицині, де медичні системи візуалізації - лише один з яскравих прикладів.

Метою даної роботи є огляд застосувань інструментів і методів комп’ютерної графіки у медичній галузі.

Огляд застосувань елементів комп’ютерної графіки в медицині

Розвиток комп’ютерної графіки знайшов різноманітні застосування у різних галузях медицини. Наведемо основні галузі плідної співпраці даних дисциплін.

Медичні системи 3D-візуалізації, такі як рентген, магнітний резонанс або ядерні сканери, були революційними розробками сучасної діагностики, які використовуються в медичній галузі, починаючи з ранніх 70-х років. Ці методи надають уявлення про майже всі частини людського тіла. Прикладами застосування даних методів є рання діагностика пухлин та захворювань серця, акушерське ультразвукове сканування.

Нова галузь комп’ютерної графіки - об’ємний рендеринг, застосовується при геометричній реконструкції анатомічних структур, наприклад, кісток або внутрішніх органів, плануванні операцій, дизайні протезів [2, 3].

Інформація про людські органи використовується для обчислення їх розмірів з подальшим відтворенням на і 3D-принтерах. Штучні органи у подальшому імплантуються хірургами.

Реконструкції допомагають клініцистам спланувати оперативне втручання, оскільки при проведенні попереднього моделювання застосовується інформація, яка відповідає представленню про людське тіло в межах конкретної задачі лікаря [1].

З підтримкою у реальному часі проведення рендерингу складних форм та об’ємів стає можливим інтерактивні дослідження та аналіз надвеликої кількості медичних даних. При цьому застосовуються системи віртуальної реальності для інтерактивних обстежень тіла людини. Це дозволяє проводити дистанційні операції, до яких залучають декількох лікарів, що можуть знаходитись у різних місцях. Це здійснюється за допомогою тактильних і робототехнічних інтерфейсів [3].

Комп’ютерна томографія - це рентгенографічний метод діагностування, який дозволяє отримувати зображення частин тіла, органів і систем людини у поперечній площині, та надалі реконструювати зображення за допомогою отриманої інформації.

Мультизрізова томографія дозволяє оцінити не тільки анатомічні, але і функціональні особливості органів та утворень, визначити характер їх кровопостачання, отримуючи при цьому відповідні зображення. Обробка даних подібним чином дозволяє будувати тривимірне зображення досліджуваної ділянки та досягнути високої якості діагностування.

Мультиспіральне сканування дозволяє отримувати повний об’єм даних досліджуваної області з розширеною можливістю тривимірної реконструкції, дослідження судин, органів та тканин у різних фазах введення препаратів [1].

Сучасний розвиток програмного та апаратного забезпечення дозволяє виконати повне занурення в середовище тіла людини в режимі реального часу моделювання. Таким чином, можливим є проведення віртуальних операцій, у тому числі і з метою навчання за допомогою складних пристроїв введення, таких як віртуальні скальпелі або стилуси [3].

Оскільки сканери рентгену та магнітного резонансу мають обмежене використання, висока точність отримання даних є основною для деяких сфер застосування. З початку розвитку медичної візуалізації сегментація та виділення ознак не втратили своєї значущості та на даний момент застосовуються в технології комп’ютерного зору [1].

Ілюзія повного медичного робочого середовища може бути створена за допомогою обладнання віртуальної реальності. Сучасні пристрої виведення, такі як дисплеї, розташовані на голові лікаря, та екрани, під’єднані до зондів, є перспективними інструментами для вивчення поведінки організму та роботи медичних працівників. Розробляються дисплеї окулярів, що мають велике розширення, в якості кінцевих пристроїв для передавання візуальної інформації до хірурга [1, 2].

Різноманітне застосування та постійний розвиток елементів комп’ютерної графіки у медичній галузі дозволяє стверджувати про її першорядну роль в сучасному розвитку загальної системи охорони здоров’я.

Висновок

Будучи головним проектувальником наступних поколінь медичного обладнання та систем моделювання, комп'ютерна графіка допоможе удосконалити сучасну систему охорони здоров'я. Це забезпечить істотний внесок у підвищення ефективності медичної галузі, у розвиток суспільства та сучасного життя загалом.

Література:

1. Vidal F.P. Principles and Applications of Computer Graphics in Medicine // F.P. Vidal, F. Bello, K.W. Brodlie. Computer Graphics, vol.25 (2006), n.1, p.113-137.

2. Transparency (or Translucency) Rendering [Електронний ресурс]. Режим доступу - https://developer.nvidia.com/content/transparency-or-translucency-rendering

3. Gross M.H. Computer Graphics in Medicine: From Vizualization to Surgery Simulation // M.H. Gross Computer Graphics, New York, v.32, n.1, p.53-56, Feb.1998.