Создание системы 3D-визуализации сердца по результатам ЭхоКГ DOI: 10.29188/2712-9217-2024-10-4-33-37

21

ВВЕДЕНИЕ

За последние 30 лет 3D-технологии при эхокардиографических исследованиях стремительно развились, и в настоящее время получили широкое распространение. В России трехмерная эхокардиография впервые начала проводиться в 1998 году в Научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева, где в 2007 году стали применять новый метод количественного анализа конфигурации митрального клапана – Mitral Valve Quantification.

Создаются и исследуются технологии 3Dвизуализации, применяемые при планировании хирургических вмешательств. В таких технологиях трехмерные модели органов и систем формируются при анализе изображений, полученных с помощью медицинской аппаратуры.

Разработка системы генерации персонализированной трехмерной модели сердца по результатам проведения эхокардиографии имеет ряд значительных преимуществ. Компьютерная анатомическая модель сердца пациента должна быть создана на основе готовой 3D-модели сердца здорового среднестатистического человека. Предполагается, что готовая модель будет видоизменяться в зависимости от вводимых в протокол ультразвукового исследования данных: размеров камер сердца, степеней недостаточности клапанов, наличия зон нарушения сократимости миокарда и т.п. Таким образом будет возможно получить индивидуализированное трехмерное изображение сердца пациента и провести предварительную виртуальную хирургическую коррекцию патологии. Ожидается, что автоматизированные хирургические операции с использованием компьютерных технологий позволят лучше планировать оперативные вмешательства, ускорят их и дополнят образовательный процесс врачей-хирургов.

РЕШАЕМАЯ ПРОБЛЕМА

Кардиохирургическая операция – это трудоемкая процедура, для проведения которой специалист должен длительно обучаться и владеть необходимыми навыками на высоком уровне. Зачастую для таких манипуляций требуются большие временные затраты. Например, средняя продолжительность операции на митральном клапане составляет от 3 до 6 часов, однако длительность может быть различной и зависит от клинико-диагностической картины болезни каждого конкретного пациента. Также индивидуально оценивается возможность использования малоинвазивных технологий, позволяющих значительно сократить реабилитационный период и время пребывания в стационаре. Таким образом, каждый пациент требует индивидуального и тщательного подхода при диагностике и лечении кардиологической патологии. Именно поэтому в России в рамках национального проекта «Продолжительная и активная жизнь» уже стартовала программа «Борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями», на которую в 2025 году заложено 11,6 млрд. рублей. При этом особое внимание уделено именно профилактике и диагностике заболеваний сердца. В проекте системы 3D-визуализации сердца по данным ЭхоКГ предлагается генерировать персонализированную 3D-модель и, таким образом, учитывать локализацию, характер и структурные особенности патологии каждого конкретного кардиологического пациента при планировании хирургического вмешательства. Предполагается, что возможность предварительной операции в виртуальном режиме не только сократит длительность хирургической процедуры, снизит риск интраи послеоперационных осложнений, но и поможет решить проблему технических трудностей и временных затрат при обучении врачейдиагностов и кардиохирургов.

НОВИЗНА

В настоящее время используются отдельные технологии 3D-визуализации сердца. Это, прежде всего, 3D-эхокардиография с использованием специальных датчиков. Изображение получают тремя методами: Real-time или live 3D-визуализация, Multi-beat ЭКГ-синхронизированная визуализация и Multiplane-изображение. На основе этого были разработаны и стали применяться такие технологии, как Mitral Valve Quantification для оценки митрального клапана, 3D-моделированная миосептэктомия при гипертрофической кардиомиопатии. Подобные технологии применяются в некоторых научно-практических центрах, например, в Научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева и Республиканском научно-практическом центре «Кардиология» МЗ РБ соответственно. Однако опрос специалистов ЭхоКГ-диагностики показал, что изображения при 3D-эхокардиографии недостаточно реалистичны и информативны, поскольку не выглядят как фотография анатомического препарата сердца. При создании проекта было решено уделить особое внимание фотографичности будущих 3D-моделей сердца, сделать их более наглядными как для диагностов, так и для хирургов. Планируется создать полноценную базу с 3D-моделями различных патологий и возможностью подключения VR-оборудования для проведения предварительных виртуальных хирургических операций. Необходимо, чтобы эту программу можно было установить в любом медицинском учреждении, где есть персональные компьютеры.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Создан прототип программы для генерации персонализированной 3D-модели сердца по данным проведенного эхокардиографического исследования. Записано видео с демонстрацией функционала этой программы. Прототип содержит окно ввода логина и пароля врача, страницу главного меню, переход на страницу с протоколом исследования и кнопкой просмотра 3D-моделей в различных режимах; вкладку «хирургия» с кнопкой выхода в VR-режим для проведения виртуальной операции; вкладку «обучение» для тренировочных измерений на УЗИ-изображениях из базы. Для визуальной части прототипа использованы:

• Готовая трехмерная модель сердца «Beating Heart» со стока sketchfab.com (ник автора на информационном ресурсе – jalmer);
• Образцы 3D-моделей сердца, сосудов и органов средостения, созданных в программе VR Concept (одобрен доступ к демо-версии программы);
• Бланк протокола ЭхоКГ, используемый в НМИЦ кардиологии им. Чазова;
• Онлайн-сервис Figma для разработки интерфейса программы.

Для дальнейшей разработки программы планируется организовать команду разработчиков и распределить роли в соответствии с модулями: frontend-разработка – для создания меню программы, полей ввода данных, backend-разработка – для обработки введенных данных, 3D-моделирование – для создания 3D-моделей, математическое моделирование – для создания алгоритмов модификации 3D-моделей. Также необходимо пригласить консультанта-эксперта в области ЭхоКГ и кардиохирургии.

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Планируется разработка компьютерной программы с возможностью составления протокола УЗИ сердца и автоматической генерацией персонализированной трехмерной модели сердца пациента. У врача УЗИ будет возможность внести правки или скорректировать полученную модель в ручном режиме, сравнить ее с 2Dили 3D-изображением с экрана аппарата. Модифицированная в соответствии с параметрами УЗИ-протокола 3D-модель будет использоваться для диагностики и предварительной виртуальной хирургической коррекции патологий. Банк 3D-моделей различных патологий сердца станет основой для повышения качества обучения кардиохирургов и врачей-диагностов. С помощью этой технологии будет сокращено время хирургических операций, улучшено качество этих операций и подготовки медперсонала к ним, процент выживаемости после операций повысится, а обучение врачей станет более информативным и эффективным.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОДОЛЖЕНИЯ РАБОТЫ

Возможно создание базы проведенных эхокардиографических исследований с 3D-моделями для научных проектов, обучения диагностов, хирургов и подготовки к аналогичным операциям. Внедрение VR-режима для проведения виртуальных хирургических манипуляций позволит также использовать программу в симуляционных центрах для врачей. Также потребуется внедрить навигацию с дополненной реальностью при проведении хирургической операции. Это 3D-очки, в которых хирург будет видеть пошаговые инструкции, обозначения структур органов и названия тканей прямо во время вмешательства. Все это будет отображаться поверх реальных органов. В дальнейшем программа может быть дополнена аналогичным функционалом для проведения УЗИ кровеносных сосудов и подготовки к операциям в сосудистой хирургии.

ВЫВОДЫ

Поскольку в настоящее время большое значение уделяется персонализированной медицине, профилактике и диагностике кардиологических заболеваний на государственном уровне, необходимо создать комбинированную образовательно-диагностическую платформу, которая объединит научно-исследовательский и практический опыт, позволит основательно и индивидуально подойти к исследованию и хирургическому лечению каждого пациента. Технология 3D-визуализации сердца по результатам эхокардиографии во многих случаях может стать массовым и доступным решением при диагностике, выборе способов коррекции кардиологических состояний, длительности операций и сложностей при обучении врачей-хирургов и диагностов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сливнева И.В., Сокольская Н.О. Трехмерная эхокардиографическая модель функциональной митральной недостаточности. Креативная кардиология 2019;13(3):229-40. [Slivneva I.V., Sokolskaya N.O. Three-dimensional echocardiographic model of functional mitral insufficiency. Kreativnaya kardiologiya = Creative cardiology 2019;13(3):229-40. (In Russian)]. https://doi.org/10.24022/1997-3187-2019-13-3-229-240.

2. Щаденко С.В., Горбачева А.С., Арсланова А.Р., Толмачев И.В. 3D-визуализация для планирования операций и выполнения хирургического вмешательства (cas-технологии). Бюллетень сибирской медицины 2014;13(4):165-71. [Shchadenko S.V., Gorbacheva A.S., Arslanova A.R., Tolmachev I.V. 3D visualization for planning operations and performing surgical interventions (cas-technologies). Byulleten' sibirskoy meditsiny = Bulletin of Siberian Medicine 2014;13(4):165-71. (In Russian)].

3. Голухова Е.З., Машина Т.В., Какучая Т.Т., Бакулева А.А. Первый опыт применения в России методики Mitral Valve Quantification в кардиохирургической практике. Креативная кардиология 2010;4(1):61-7. [Golukhova E.Z., Mashina T.V., Kakuchaya T.T., Bakuleva A.A. First experience of using the Mitral Valve Quantification method in cardiac surgery practice in Russia. Kreativnaya kardiologiya = Creative cardiology 2010;4(1):61-7. (In Russian)].

4. Бокерия Л.А. Состояние сердечно-сосудистой хирургии в Рос- сийской Федерации – 2021. Пресс-служба ФГБУ «НМИЦ ССХ им. А. Н. Бакулева» Минздрава России 2022. [Электронный ресурс]. [Bokeria L.A. State of cardiovascular surgery in the Russian Federa- tion – 2021. Press service of the Federal State Budgetary Institution «A.N. Bakulev National Medical Research Center of Cardiovascular Surgery» of the Ministry of Health of the Russian Federation 2022. [Electronic resource]. (In Russian)]. URL: https://bakulev.ru/news/glavnoe/sostoyanie-serdechno-sosudistoy-khirurgii-v-rossiyskoy-federatsii-2021.

5. Толстихина А.А., Машина Т.В., Мрикаев Д.В., Джанкетова В.С., Громова О.И., Голухова Е.З. Возможности методики Mitral Valve Quantification в кардиохирургии. Альманах клинической медицины 2017;45(8):635-43. [Tolstikhina A.A., Mashina T.V., Mrikaev D.V., Dzhanketova V.S., Gromova O.I., Golukhova E.Z. Possibilities of the mitral valve quantification method in cardiac surgery. Al'manakh klinicheskoy meditsiny = Almanac of Clinical Medicine 2017;45(8):635-43. (In Russian)]. https://doi.org/10.18786/2072-0505-2017-45-8-635-643.

6. Законопроект № 727320-8. О федеральном бюджете на 2025 год и на плановый период 2026 и 2027 годов. [Электронный ре- сурс]. [Bill No. 727320-8. On the federal budget for 2025 and for the planning period of 2026 and 2027. [Electronic resource]. (In Russ- ian)]. URL: https://sozd.duma.gov.ru/bill/727320-8#bh_histras.

7. 3D-технологии в хирургии гипертрофической кардиомиопатии. РНПЦ «Кардиология». [Электронный ресурс]. [3D technologies in surgery of hypertrophic cardiomyopathy. Republican Scientific and Practical Center «Cardiology». [Electronic resource]. (In Russian)]. URL: https://www.cardio.by/3d-tehnologii-v-hirurgii-gipertroficheskoy-kardiomiopatii.

8. Mankad S. Anatomy of the Mitral Valve and Quantification of Mitral Regurgitation. Mayo Clinic 2016.

9. Amir H Sadeghi, Wouter , Frank Van Schaagen, Frans B S Oei, Jos A Bekkers, Alexander P W M Maat, Edris A F Mahtab, Ad J J C Bogers, Yannick J H J Taverne, «Immersive 3D virtual reality imaging in planning minimally invasive and complex adult cardiac surgery». Eur Heart J Digit Health, 2020 Nov 23;1(1), Frank Van Schaagen, Frans B S Oei, Jos A Bekkers, Alexander P W M Maat, et al. Immersive 3D virtual reality imaging in planning minimally invasive and complex adult cardiac surgery. Eur Heart J Digit Health 2020;1(1):62-70. https://doi.org/10.1093/ehjdh/ztaa011.

10. Goldstone AB, Woo YJ. Surgical treatment of the mitral valve. Sabiston and Spencer Surgery of the Chest 2016:1384-1492. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-24126-7.00080-6.