В настоящее время в мировой науке значимы и перспективны исследования, выполняемые на стыке медицинской науки и информационно-вычислительных технологий. В Самарском государственном медицинском университете это приоритетная задача. В результате победы в конкурсе Министерства образования и науки Российской Федерации и Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации для реализации задач в данной отрасли в СамГМУ был создан Центр прорывных исследований «Информационные технологии в медицине» (директор – проф. А.В. Колсанов) под руководством ректора университета, академика РАН Геннадия Петровича Котельникова.
Первой задачей была разработка обучающих компьютерных программно-аппаратных комплексов. В рамках этой работы были подготовлены узкие специалисты – инженеры компьютерной графики с глубокими знаниями нормальной и патологической анатомии человека. Результатом труда данных специалистов совместно с коллективом морфологов стало создание трехмерной полигональной модели анатомии человека высокого реализма, значительно превосходящей зарубежные аналоги по детализации и достоверности.
Следующим этапом работы стало изучение алгоритмов практической деятельности врача с позиции теории игр, что подвело научную базу под создание обучающих программ, таких, например, как приложение «2D Виртуальный хирург». Исполненная в виде веб-приложения, данная программа дает возможность освоить этапы выполнения хирургических вмешательств в виде последовательности действий, запомнить названия хирургических инструментов, понять их предназначение.
Опыт в создании анатомических моделей и учебных алгоритмов позволил коллективу Самарского государственного медицинского университета приступить в рамках выполнения гранта Министерства образования и науки Российской Федерации к созданию серии хирургических симуляторов «3D Виртуальный хирург» – эндоскопической хирургии и гинекологии с открытым операционным полем (рис. 1, 2).
Для повышения степени реализма был разработан специальный тензометрический стенд, при помощи которого были изучены усилия, необходимые для смещения, деформации, повреждения различных тканей брюшной полости человека, что дало возможность запрограммировать систему обратной тактильной связи с высокой степенью достоверности. Трехмерная сцена, реализованная в симуляторе, включает весь отдел брюшной полости, а также специальную тренировочную среду. В симуляторе реализованы базовые эндохирургические навыки (задания на координацию «рука-глаз», разъединение и соединение, фиксацию и экспозицию тканей, завязывание узлов, гемостаз), а также лапароскопическая ревизия брюшной полости.
В направлении развития технологий дополненной реальности ведется проект «Автоплан» (грант Минпромторга РФ) – система автоматического контроля и планирования техники выполнения операций. Целью проекта является создание модульной системы планирования операций на персонифицированных трехмерных моделях, полученных в ходе томографического исследования, а также принятие решения о тактике операции с использованием системы дополненной реальности. В результате выполнения проекта создан аппаратно-программный комплекс, позволяющий выводить непосредственно во время операции дополнительные данные конкретного пациента (КТ, МРТ, УЗИ, пульс, давление и др.), а также осуществлять привязку к конкретному органу. Таким образом, хирург будет иметь возможность увидеть реконструкцию внутренних структур человека с привязкой к конкретной части тела без рассечения мягких тканей. Данная технология позволит значительно снизить риск ятрогенных повреждений, что в свою очередь приведет к снижению количества интра- и послеоперационных осложнений. К тому же система сокращает сроки выполнения оперативного вмешательства и будет способствовать более высокому качеству выполнения операций. Симулятор хирургии с открытым операционным полем служит для развития базовых хирургических навыков, а также отработки техники выполнения различных хирургических доступов. Данный симулятор опередил время – в настоящее время подобные комплексы только создаются ведущими производителями США (рис. 3).
Принципиально новым стал и педагогический подход к созданию симулятора. Целью симуляционного обучения на разрабатываемых симуляторах стало овладение не только мануальными техническими навыками. Обучаемый должен осознавать свое наличие в лечебной среде, свою неразрывную связь с оперируемой пациенткой, с ее патологическим состоянием. Для этого лечебные кейсы реализованы в виде задач. Доктору предлагается не только выполнить технические действия, но и оценить клиническую ситуацию, принять верное тактическое решение. Действия оператора не просто изменяют виртуальные ткани и определяют его оценку за работу, они могут ухудшать состояние виртуального пациента, провоцируют развитие у него осложнений, с которыми далее придется бороться. Это, несомненно, повышает реализм симуляции и значимость такого обучения в целом.
Полученный опыт позволил коллективу Самарского государственного медицинского университета подготовить атлас трехмерной анатомии человека. Разработанный атлас человеческого тела «InbodyAnatomy» является уникальным по анатомическому, топографическому и клиническому наполнению и включает более 12 слоев и систем человеческого тела (всего более 3000 полигональных 3D объектов), модели связочного аппарата, внутриорганные структуры, кровеносные сосуды, иннервацию, пути оттока лимфы, протоки, долевое и сегментарное строение внутренних органов. В атласе также смоделировано более 100 типичных патологических состояний основных органов, включено около 4 Гб диагностической информации. Все модели в атласе представлены с естественными фотографическими текстурами (рис. 4–6).
В настоящее время на базе атласа изготовлен единственный в мире 3D- виртуальный анатомический стол – программно-аппаратный комплекс в виде анатомического препаровочного стола с возможностью интерактивной работы с трехмерной моделью человеческого тела. Стол может быть использован в качестве визуального обучающего материала в широком кругу естественно-научных дисциплин, таких как анатомия, патологическая анатомия, оперативная хирургия, рентгенология и др. (рис. 7).
Кроме того, в СамГМУ под курацией кафедры оперативной хирургии организована виртуальная хирургическая клиника, совмещающая инновационные разработки кафедры в сфере симуляционных технологий и технологий дополненной реальности. Обучение в виртуальной хирургической клинике позволяет будущим врачам познакомиться с устройством реальной клиники от приемного покоя до операционной, проводить манипуляции и операции на 3D-симуляторах и тренажерах без риска причинения вреда реальным больным.
Использование современных технологий дает возможность сформировать новые стандарты преподавания в медицинских вузах и повысить его качество. Молодой специалист, прошедший курс обучения в виртуальной хирургической клинике, будет увереннее чувствовать себя в реальной операционной и, соответственно, сможет лучше выполнить операцию.
На кафедре акушерства и гинекологии ИПО совместно с кафедрой оперативной хирургии и клинической анатомии с курсом инновационных технологий на клинической базе кафедры ООО «ИДК» разработана программа проведения мастер-классов по лапароскопической гинекологии («Внутриматочная эндоскопическая хирургия», «Общие принципы лапароскопии», «Хирургическое лечение генитального эндометриоза», «Трансвагинальная гидролапароскопия», «Лапароскопия в онкогинекологии»). Программа обучения ориентирована на слушателей из различных регионов России с использованием вышеперечисленных компьютерных технологий, анимальных моделей (свиньи, собаки) и работы в лапароскопической операционной. Программа апробирована в течение 5 лет, постоянно совершенствуется, усложняются тестовые контрольные вопросы, дополняются ситуационные задачи, оптимизируется возможность доведения до совершенства полученных практических навыков. В период с 2009 по 2014 г. было проведено 25 мастер-классов. Обучено более 200 специалистов из городов России: Самара, Тольятти, Челябинск, Новороссийск, Саратов, Пенза, Саранск, Краснодар, Оренбург и др. По итогам обучения выдаются удостоверения государственного образца (72 ч).
В настоящее время в рамках гранта Министерства образования и науки Российской Федерации подготовлен программный комплекс, который позволяет научно-педагогическим коллективам разрабатывать свои собственные кейсы, алгоритмы и сценарии для симуляторов.
13 октября 2013 г. инновационные проекты Самарского государственного медицинского университета были представлены ректором, академиком РАН Геннадием Петровичем Котельниковым на Совете ректоров медицинских и фармацевтических вузов России, основным вопросом которого было обсуждение концепции симуляционного образования в медицинских вузах страны. Министр здравоохранения Российской Федерации В.И. Скворцова высоко оценила разработки самарских ученых. Кроме того, в ноябре 2013 г. профессор А.В. Колсанов представлял разработки ученых СамГМУ на Московском международном форуме инновационного развития «Открытые инновации», а в декабре 2013 г. – в Брюсселе на демонстрационном стенде компании «Майкрософт» «IT-технологии на службе медицины».
Таким образом, опыт информационно-вычислительных исследований в медицинском вузе с обязательной интеграцией с Центрами биомоделирования и интерактивной визуализации может принести реальные плоды, а также стать платформой для дальнейшего становления и развития непрерывного профессионального образования, в том числе и на кафедрах акушерства и гинекологии.
