Авторы: Денисов О. Е., Левашов И. А., Кузьмин А. В.

В последнее время в высших учебных заведениях активно меняется форма подачи обучающего материала. Это происходит за счет следующих факторов.

Во-первых, за счет переноса обучающего материала на цифровую основу. Это связано с тем фактом, что бумажные книги обладают рядом недостатков, например, существенным физическим весом и объемом, также для их хранения требуется отводить большие площади помещений. При конвертации этих книг в электронный формат вышеперечисленные проблемы полностью устраняются. Уже сейчас значительный объем различных видов учебной литературы для вузов переведен в цифровой формат.

Во-вторых, форма подачи материала также претерпевает качественные изменения. Эти изменения связаны с разработкой моделей изучаемых процессов и систем, ориентированных на интерактивное обучение. К ним можно отнести использование специальных программ, например, для моделирования лабораторных работ или конкретных практических задач, проверки знаний в виде тестов и пр. Таким образом, процесс обучения значительно увеличивает свою эффективность.

Говоря о медицинских вузах, отметим, что изменения учебного процесса в них происходят в основном за счет оцифровки классических учебников, что никак не устраняет их недостатки, которые будут рассмотрены ниже. Современные технологии позволяют не только переносить страницы книг на экраны электронных устройств, но и изменять сам материал таким образом, чтобы он находился в виртуальной реальности, т.е. так, чтобы обучающийся мог непосредственно взаимодействовать с изучаемым материалом. Это достигается путем создания специальных программных сред, в которых возможно смоделировать те или иные физиологические процессы или создать систему визуализации объемных объектов для более детального и наглядного их изучения. В нашей работе речь пойдет о создании информационной системы визуализации и изучения объектов в такой базовой дисциплине медицины, как анатомия человека.

В настоящее время процесс изучения анатомии человека состоит из двух этапов. На первом из них обучающийся получает первичную информацию из иллюстрированных литературных источников - анатомических атласов и учебников. Затем, на втором этапе, он допускается к работе с нативными препаратами. При этом переход сразу ко второму этапу без предварительного изучения данных о схеме строения препарата и специфике изучаемого отдела может сводить на нет усвоение материала.

 Атласы и учебники, необходимые на первом этапе обучения, обладают рядом недостатков, которые заключаются в следующем:

• количество иллюстраций не всегда достаточно для полного пространственного понимания изучаемого объекта;
• некоторые органы имеют специфическое внутреннее строение, обусловленное их функционалом (например, височная кость черепа имеет множество каналов, в которых проходят нервы и кровеносные сосуды);
• изучение локализации объекта относительно рядом расположенных образований также может вызывать трудности, причем не только на иллюстрациях, но и непосредственно на трупном материале;
• медленная скорость поиска информации.

Таким образом, создание информационной системы визуализации и изучения объектов при соответствующих поставленных целях позволит избавиться от указанных недостатков.

Подобный тип работы не является абсолютно уникальным. Идея создания трехмерных моделей человека или частей его тела используется уже давно, особенно в индустрии видеоигр, где зачастую необходимы очень точные трехмерные модели всевозможных объектов. Внедрение информационных технологий в медицину также имеет значительное число успешных примеров, таких как специализированные программы для обучения хирургии [1,2], трехмерные обучающие модели [3], модели возрастных изменений анатомических отделов [4] и атлас анатомии человека [5].

Сравнительно недавно стали появляться проекты в области естествознания, такие как Zygote Body (изначально проект Google), японский проект Anatomography. Останавливаясь подробнее на недостатках этих проектов, можно отметить следующее:

1. недостаточная проработанность и точность;
2. отсутствие поддержки русского языка и, соответственно, русской
3. анатомической номенклатуры;
4. они не всегда соответствуют специфике изучения анатомии человека;
5. Anatomography не обладает удобным и интуитивным интерфейсом.

Создание представляемой информационной системы визуализации и изучения анатомии человека предусматривает разработку программного продукта, который включает возможности современного трехмерного атласа, в том числе следующие функции:

• вращение изучаемого объекта по трем осям;
• приближение/отдаление камеры;
• возможность создания срезов для понимания внутреннего строения;
• цветовая визуализация (подсветка анатомических образований органа);
• согласование с современной анатомической номенклатурой, как международной (на латинском языке), так и национальной (на русском и английском языках);
• наличие учебного текста для каждой модели;
• описание и визуализация физиологических процессов, связанных с этим органом;
• возможность наблюдать некоторые аномальные/патологические изменения анатомических объектов.

В ходе работы были созданы модели нескольких наиболее сложных по строению костей черепа - височной кости и верхней челюсти, они представлены на рис. 1 и 2. Помимо этого была разработана специальная программа для работы с этими моделями.

Рис. 1. Модель височной кости в двух проекциях

Модели костей создавались с максимальной точностью на основе томограмм и анатомических препаратов с последующей доработкой мелких деталей в программе 2.5 - моделирования zBrush 4R4. В ходе создания моделей проводилось несколько консультационных бесед с сотрудниками кафедры анатомии и кафедры стоматологии МИ ПГУ. а качество готовых моделей было тщательно сверено с материалами из нескольких классических источников - атласа анатомии человека Р. Д. Синельникова. Я. Р. Синельникова и учебника по анатомии человека М. Р. Сапина. Полученные трехмерные модели, состоящие из 1,5-2 миллионов полигонов, были упрощены с помощью программы MeshLab до 5-8 тысяч полигонов с сохранением точной топологии, для этого была использована технология карт нормалей.

Рис. 2. Модель верхней челюсти в двух проекциях

Программа для работы с моделями была разработана на базе бесплатного пакета Microsoft XNA Studio в программной среде Microsoft Visual Studio 2008. Механизм отображения ЗБ-моделей базируется на Direct X 9.

Итак, в ходе проделанной работы, помимо создания двух достоверных и высокоточных моделей костей черепа, был разработан прототип информационной системы для изучения этих моделей и ее основные интерфейсные решения. Дальнейшая работа включает наполнение системы новыми моделями, совершенствование и наращивание функциональных возможностей. Разработка систем подобного рода и их интеграция в учебный процесс являются несомненным свидетельством того, что научно-технический прогресс не обходит стороной и сферу российского образования, создавая основу для повышения его качества и конкурентоспособности как внутри страны, так и за рубежом. Особенно важно это для медицинского образования, т.к. оно напрямую связано с качеством предоставляемых медицинских услуг и здравоохранения в целом.

Список литературы

1. Моделирование разреза при симуляционном обучении базовым навыкам лапаротомии / А. В. Колсанов, Р. Р. Юнусов, А. В. Иващенко, А. В. Кузьмин, А.Е. Голованов. А. С. Черепанов. Д. Ю. Зайцев // Информационно-управляющие системы. - 2013,-№6.-С. 79-84. 
2. Алгоритмы определения видимости объектов сцены при симуляционном обучении базовым навыкам лапароскопии / А. В. Кузьмин, А. В. Иващенко, Н. А. Горбаченко, М. Г. Милюткин, А. В. Колсанов, Р. Р. Юнусов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 3. - С. 45-57.
3. Бодан, О. Н. Разработка визуальной модели сердца для обучения студентов-медиков / О. Н. Бодан, А. В. Кузьмин, А. Н. Митрошин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2007. - № 2. - С. 3-10.
4. Математическая модель возрастных параметров хирургической анатомии верхнечелюстной пазухи / Е. С. Григорькина, С. В. Сергеев, В. В. Смогунов, А.В. Кузьмин, Н. А. Волкова // Российская оториноларингология. - 2013. - № 6. - С. 181-189.
5. Inbody Anatomy. - Самара: СамГМУ, 2013. - URL: http://inbody.pro

Источник: «Модели, системы, сети в экономике, технике и природе»