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.
