Анатомическое строение наружного носа в свете новых информационных технологий

Актуальность. Научные исследования, посвященные развитию и внедрению новых информационных технологий в различных отраслях знаний, в том числе и в медицине в настоящее время занимают приоритетное положение в развитие науки и техники [Приказ Президента Российской Федерации от 21 мая 2006 года (Пр-843 и ПР-842), Распоряжение Президиума РАМН № 14−09/40 от 27.07.06.].

Несмотря на то, что анатомия наружного носа изучена достаточно хорошо, развитие ринохирургии требует от клиницистов точных персонифицированных знаний о строении наружного носа. Размеры и форма наружного носа являются важным диагностическим признаком в антропологических исследованиях, так как отличаются высокой изменчивостью: расовой, возрастно-половой, индивидуальной [Б. А. Никитюк, 1983]. До настоящего времени анатомия наружного носа изучалась классическими методами и работ посвященных применениям современных информационных технологий крайне мало. Компьютерные программы, применяемые в изучении анатомии, и реже — в хирургии, использовали плоские изображения различных анатомических областей и структур. Качество таких изображений является недостаточным для понимания сложных пространственных взаимоотношений анатомических структур. Существуют программы также позволяющие производить морфометрические исследования (Plastic Designer, производитель Nausoft LLCImage-Pro Plus, производитель Media CyberneticsMetaVision, производитель MetaVision), однако они либо узко специализированы, либо не имеют возможности визуализации объемных реконструкций. Удобным инструментом, позволяющим проводить измерения и планировать операции, является система бесконтактных измерений и построения трехмерной модели поверхности тела пациента [Knyaz V.A., Sibiryakov A.V., 1998; Knyaz V.A., Zheltov S.U., 2000; H.A. Адамская, Г. Г.

Кармазановский, В. А. Князь, И. А. Косова. 2005]. Вместе с тем данный метод не отображает топографо-анатомических взаимоотношений.

С другой стороны для решения задач биологии и медицины разработано множество компьютерных пакетов, содержащих изображения внутренних органов, сосудов и нервов, других анатомических структур. [Ackerman MJ, Banvard RA. 2000]. Компьютерные модели, используемые в пакетах, как правило, двухмерные, но встречаются и трехмерные реконструкции. Трехмерные реконструкции содержат такие программы как, 3D-Body Adventure (США), Advantage Windows (США), ADAM (Великобритания), Corps Human (Франция). Наиболее известная программа Body Voyage (США) [Amirrezvani А., 1997], созданная в рамках исследования Visible Human Project (США), была построена по данным 1800 одномиллиметровых поперечных срезов человеческого тела. Точечная трехмерная модель одного тела человека потребовала 15 гигабайт компьютерной памяти. В основе большинства указанных программ лежит использование как художественных графических пакетов с записью всех точек всех поверхностей в пространстве, так и данных Visible Human Project [Bushyhead AL, Bouvier M, Benson AN., 1995; Beylot P, Gingins P, Kalra P, Thalmann NM, Maurel W, Thalmann D, Fasel J., 1996]. Данные продукты не отображают индивидуальных особенностей тела пациента и являются, по сути, анатомическими атласами, созданными на основе одного масштабного исследования.

В то же время современные способы диагностики с использованием ультразвука, компьютерной томографии, ядерного магнитного резонанса позволяют определить локализацию патологического очага с точностью до 1 мм. Чаще всего результатом исследований является срез по плоскости, проходящий через этот очаг и содержащий изображения артерий, вен, нервов и других элементов, лежащих в данном срезе. Однако автоматически опознать большинство из них не представляется возможным вследствие подобия форм и размеров. Описана методика виртуального предоперационного планирования с использованием данных компьютерной томографии, заключающаяся во внесении изменений в каждый скан при помощи программы NIH Image 1.62 и последующей визуализацией на автономной рабочей станции в виде трехмерной реконструкции [Stamm Т., Meyer U., Meier N., Ehmer U., Joos U., 2002]. Следует отметить, что подобные методики требуют тесного сотрудничества рентгенолога и хирурга.

Проводились работы по адаптации инженерных систем твердотельного моделирования для целей медицинской визуализации и морфометрии, однако данные системы не имеют возможностей для работы с форматом DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), который в настоящее время является основным медицинским коммуникационным стандартом для передачи изображений.

Трехмерная векторная модель анатомических структур — это математическое описание формы и взаиморасположения анатомических образований в пространстве, которое не может быть выполнено иными способами [А.А. Лойт, 2004]. В связи с этим, требуется создание индивидуализированных моделей, позволяющих осуществлять в виртуальной среде анализ анатомических структур на любом уровне и имитировать ход хирургического воздействия с максимальной анатомической достоверностью, актуально и имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Индивидуальные модели позволят с наименьшим риском производить хирургические вмешательства на структурах носа, наиболее адекватно подходить к вопросу об удалении того или другого образования и делать это в соответствии с особенностями анатомического строения. Существует необходимость наглядного индивидуального прогнозирования возможного объема хирургического вмешательства с целью построения новой, наиболее физиологичной формы носа. С точки зрения собственно анатомических исследований трехмерная виртуальная среда дает возможность накопления не только результатов, но и самого субстрата исследования, что при исследовании прижизненной анатомии невозможно достичь никакими другими способами. В настоящий момент публикаций об оборудовании и программном обеспечении, обладающими такими возможностями применительно к ринологическим исследованиям в специализированной печати не встречено. Для детального изучения анатомических структур и обеспечения проведения исследований необходимо достаточное количество объектов исследования, находящихся в постоянном доступе. Следует отметить, что прижизненное исследование утомительно для пациента, а это затрудняет его повторение и может привести к артефактам измерений. При исследовании прижизненной анатомии это условие возможно обеспечить только наличием достаточно крупного виртуального архива индивидуальных анатомических моделей. Публикаций, подтверждающих существование подобных архивов, в специализированной печати нами также не встречено.

Внедрение современных технологий диагностики и лечения предъявляет дополнительные требования к уровню подготовки медицинских специалистов. Возрастающее значение приобретает также стандартизация лечебно-диагностического процесса. В этой связи все острее ощущается потребность в создании новых программ обучения и повышения квалификации врачей с учетом все более широкого распространения в нашем обществе современных информационных технологий. Поскольку знание нормальной анатомии и топографической анатомии невозможно без освоения рентгенанатомического аспекта и большое значение играет умение специалиста распознать зрительный образ, создание электронных обучающих и исследовательских баз радиологических изображений является насущной потребностью времени. При этом базой изображений является электронный продукт в виде электронного архива, включающий качественные радиологические изображения в удобной для просмотра на персональном компьютере форме, созданный с целью обучения и проведения научных исследований. Примером обучающей базы изображений в Интернет может послужить ресурс EURORAD, созданный под патронажем Европейской Ассоциации Радиологов. Радиологическое Общество Северной Америки (крупнейшее в мире) также приступило к созданию собственной базы изображений в Интернет. Коммерчески доступна обширная база радиологических изображений фирмы MEDIOL и другие. Таким образом, электронные базы радиологических изображений могут быть использованы различными способами: как источник современных знаний (обучение) и как материал для научных исследований.

Цель исследования.

Создать информационно-программный комплекс, основанный на данных компьютерной томографии и индивидуального компьютерного моделирования хирургической анатомии наружного носа, как метода исследования анатомии человека и средства оптимизации выполнения оперативных вмешательств.

Задачи исследования.

1. Адаптировать современное программное обеспечение для использования КТ при изучении анатомии наружного носа.

2. Создать методику генерации индивидуальной компьютерной модели средней трети лица для использования ее как метода исследования анатомии человека и при выполнении оперативных вмешательств.

3. Обосновать достоверность метода виртуальной антропометрии.

4. Сформировать базу данных индивидуальных компьютерных моделей по хирургической анатомии наружного носа.

5. Дать практические рекомендации по правомочному использованию полученных данных как метода исследования в анатомии и при планировании оперативных вмешательств в области носа.

Соответствие диссертационного исследования шифру специальности.

Данная тема соответствует П. 8 Паспорта специальностей научных работников «Исследование строения живого человека с применением разнообразных клинических и инструментальных факторов» по шифру 14.00.02 — анатомия человека от 1 июля 2002 года.

Новизна исследования.

Впервые создан программный комплекс обеспечивающий исследования анатомических структур в трехмерном виртуальном пространстве.

Впервые определен количественный критерий оценки анатомической реалистичности трехмерного моделирования. Доказана обратная пропорциональность значения коэффициента реалистичности и оценки качества виртуальной анатомической модели, выраженной в баллах.

Впервые обоснована необходимость применения формата 3ds для сохранения и передачи анатомической информации о трехмерных объектах.

Впервые создана индивидуализированная компьютерная база изображений анатомических структур средней трети лица и наружного носа, дополненная трехмерными векторными моделями и оснащенная средствами визуализации и виртуальной антропометрии.

Впервые определены у лиц различных краниоморфных типов расстояния между субназальной точкой и линией, соединяющей дакрильные точки для брахицефалов 4,7 ± 0,35 см, для мезоцефалов — 5,31 ± 0,36 см, долихоцефалов — 4,17 ± 0,33 смрасстояние между назолатеральными точкамидля брахицефалов 3,35 ± 0,21 см, для мезоцефалов — 3,38 ± 0,23 см, долихоцефалов — 3,7 ± 0,18 смрасстояние между подглазничными отверстиями для брахицефалов 5,4 ± 0,22 см, для мезоцефалов — 5,08 ± 0,18 см, долихоцефалов — 4,08 ± 0,24 смдакрильная ширина для брахицефалов 2,95 ± 0,3 см, для мезоцефалов — 2,87 ± 0,31 см, долихоцефалов — 2,5 ± 0,2 см.

Впервые были рассчитаны нестандартные показатели: площадь ограниченная дакрильными и назолатеральными точками, площадь ограниченная дакрильными точками и точками пересечения вертикалей, опущенных через подглазничные отверстия с линией проходящей через субназальную точкуразность между этими площадями.

Впервые у лиц различных краниоморфных типов выявлены анатомически и клинически значимые различия нестандартных показателей. Впервые доказано, что площадь ограниченная дакрильными и назолатеральными точками максимальна у долихоцефалов (16,9 ± 0,81 см2) и минимальна у брахицефалов (15,4 ± 0.69 см2) — площадь ограниченная дакрильными точками и точками пересечения вертикалей опущенных через подглазничные отверстия с линией проходящей через субназальную точку максимальна у мезоцефалов (21,1 ± 0,65 см2) и минимальна у долихоцефалов (18,62 ± 0,77 см2) — разность между площадями максимальна у брахицефалов (3,99 ± 0,95 см2) и минимальна у долихоцефалов (1,99 ± 0,6 см").

В ходе исследования впервые была определена путем сравнения результатов с классическими морфометрическими методами высокая достоверность метода виртуальной антропометрии.

Научно — практическое значение работы.

Создан многофункциональный программный комплекс, обеспечивающий совместимость диагностического оборудования, средств визуализации, моделирования и измерения анатомических структур в трехмерном пространстве.

На практике определены технические требования к разработке систем виртуальной реальности применительно к анатомическим исследованиям.

Выработаны количественные критерии определения анатомической реалистичности трехмерного моделирования.

Разработан и обоснован алгоритм и техника выполнения построения трехмерных векторных моделей анатомических структур области носа.

Вследствие применения формата 3ds улучшено качество визуализации анатомических структур и обеспечена корректная передача трехмерных анатомических объектов между программными пакетами сторонних разработчиков.

Подтверждена эффективность выполнения нового метода виртуальной антропометрии, как средства оптимизации ринохирургических вмешательств снижающего нагрузку на пациента в период предоперационного обследования.

Создана индивидуализированная компьютерная база изображений анатомических структур средней трети лица и наружного носа, дополненная трехмерными векторными моделями и оснащенная средствами визуализации и виртуальной антропометрии.

Положения, выносимые на защиту.

Методика генерации индивидуальной векторной трехмерной модели строения наружного носа является технически выполнимой и не предусматривает привлечение врача — рентгенолога и программиста.

Применение формата 3ds улучшает качество визуализации анатомических структур при применении векторных форматов и обеспечивает корректную передачу трехмерных анатомических объектов. и.

Индивидуализированная компьютерная база радиологических изображений анатомических структур средней трети лица и наружного носа, дополненная трехмерными векторными моделями и оснащенная средствами визуализации и виртуальной антропометрии может применяться для научных исследований в виртуальной среде в области анатомии.

Существуют различия размеров между субназальной точкой и линией, соединяющей дакрильные точкирасстояния между назолатеральными точкамирасстояния между подглазничными отверстиями и дакрильной ширины у лиц различных краниоморфных типов.

Площадь ограниченная дакрильными и назолатеральными точками максимальна у долихоцефалов и минимальна у брахицефаловплощадь ограниченная дакрильными точками и точками пересечения вертикалей опущенных через подглазничные отверстия с линией проходящей через субназальную точку максимальна у мезоцефалов и минимальна у долихоцефаловразность между площадями максимальна у брахицефалов и минимальна у долихоцефалов.

Реализация результатов исследования.

Работа была выполнена в отделе клинической и экспериментальной хирургии (зав. отделом — доктор медицинских наук, профессор А.А.Воробьев) Волгоградского научного центра РАМН и администрации Волгоградской области (директор — академик РАМН, доктор медицинских наук, профессор В.И.Петров), на кафедре оперативной хирургии и топографической анатомии (зав. кафедрой — доктор медицинских наук, профессор А.А.Воробьев) Волгоградского государственного медицинского университета (ректор — академик РАМН, доктор медицинских наук, профессор В.И.Петров), при участии специалистов отдела лучевой диагностики Волгоградского областного кардиологического центра и сотрудников кафедры систем автоматического проектирования и поискового конструирования Волгоградского государственного технического университета.

Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедрах анатомии человека, оперативной хирургии и топографической анатомии Волгоградского государственного медицинского университета и в лечебном процессе городской клинической больницы № 1 г. Волжского.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Новые технологии в медицине» (Волгоград, 2004, 2005) — X научнопрактической конференции в рамках международной выставки «Медицина и здоровье-2004"(Пермь, 2004) — Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» (Волгоград, 2006) — Всероссийской научной конференции «Анатомо-физиологические аспекты современных хирургических технологий» (Санкт-Петербург, 2006).

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из которых две в ведущих, рецензируемых ВАК РФ изданиях.

Структура и объём диссертации.

Диссертация выполнена на 124 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, иллюстрирована 34 рисунками. Работа состоит из введения, обзора литературы, главы описания материалов и методов исследования, главы собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов.

Список литературы

содержит 148 источников (93 на русском и 55 на иностранных языках).

ВЫВОДЫ.

1. Разработанный программный комплекс для исследования прижизненной анатомии наружного носа отвечает современным требованиям к системам научной визуализации, создает дополнительные возможности изучения прижизненной анатомии наружного носа, что особенно важно для выполнения индивидуального предоперационного анатомического моделирования.

2. Разработанная методика создания индивидуальной анатомической компьютерной модели наружного носа технически выполнима, не предусматривает привлечение врача — рентгенолога и программиста, позволяет применять трехмерные векторные модели для исследования прижизненной анатомии и использовать полученные данные при планировании хирургических вмешательств.

3. Созданная компьютерная база анатомических данных, включающая в себя данные прижизненной рентгеновской компьютерной томографии и созданные на их основе трехмерные векторные модели наружного носа с прилегающими анатомическими областями, может применяться для научных исследований в виртуальной среде в области анатомии.

4. При использовании как классических антропометрических методов, так и метода виртуальной антропометрии доказано, что расстояние между субназальной точкой и линией, соединяющей дакрильные точки имело близкие значения для лиц мезои долихоцефалического типа (5,31 ± 0,36 см. и 5,17 ± 0,33 см.) и несколько меньшее значение у брахицефалов (4,7 ± 0,35 см.) Наибольшая дакрильная ширина была определена у лиц брахии мезоцефалического типа (2,95 ± 0,3 см. и 2,87 ± 0,31 см.). В 3 группе (долихоцефалы) ее длина была несколько меньше (2,5 ± 0,2 см). Расстояние между подглазничными отверстиями достоверно различалась во всех трех группах. Ширина основания носа была близка у лиц брахи и мезоцфалического типа (3,35 ± 0,21 и 3,38 ± 0,23) и максимальна у долихоцефалов (3,7 ± 0,18). Площадь ограниченная дакрильными и назолатеральными точками у лиц мезои долихоцефалического типов была сопоставима (16,3 ± 0,55 см и 16,9 ± 0,81 см .) и имела наименьшее значение у брахицефалов (15,4 ± 0,69 см" .) Наибольшая площадь ограниченная дакрильными точками и точками пересечения вертикалей, опущенных через подглазничные отверстия с линией проходящей через субназальную точку достигалась у мезоцефалов (21,1 ± 0,65 см.). Ее минимальное значение наблюдалось у лиц долихоцефалического типа (18,62 ± 0,77 см). Разность между площадями была достоверно меньше у лиц долихоцефалического типа.

5. При сопоставлении результатов краниометрии выполненной классическими морфометрическими методами на живых людях, на трупах и полученных методом виртуальной антропометрии подтверждена полная достоверность данных виртуальной антропометрии, что подтверждает в свою очередь корректную передачу трехмерных анатомических объектов форматом 3ds.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1) Индивидуальное трехмерное моделирование анатомических структур в векторном формате повышает совместимость программных средств с диагностическим оборудованием, обеспечивая возможность:

— создания телемедицинских сетей интегрированных с базами данных и экспертными системами.

— просмотр и различные манипуляции с уже созданными моделями без потери качества изображения.

— использования для обучения врачей различных специальностей в системе последипломного образования, как объекты хирургического премоделирования.

— разработки индивидуальных иммобилизирующих устройств и имплантантов полностью в виртуальной среде при помощи CAD систем, -создания стереотаксических систем, интеллектуального инструмента и г роботизированных хирургических систем.

— проведения краниометрических исследований полностью в виртуальной среде, обеспечивая количественную оценку эстетических показателей в трехмерном пространстве, снижая нагрузку на пациента в период предоперационного обследования.

— моделирования различных этапов оперативных вмешательств, путем экспорта данных в формате 3ds в графический редактор 3D Studio Мах, или аналогичный.

— облегчает создание проектов, аналогичных Visible Human Project (США) и превосходящих их по своим характеристикам накопления результатов, и материалов исследования, что при исследовании прижизненной анатомии невозможно достичь никакими другими способами.

2) Показаниями к применению индивидуального трехмерного моделирования анатомических структур являются сложные комбинированные деформации наружного носа, в случаях повышенных требований к функциональным и эстетическим результатам и необходимости моделирования индивидуальных иммобилизирующих устройств и имплантантов.

3) Противопоказания к выполнению индивидуального трехмерного моделирования анатомических структур не отличаются от таковых для исследования методом компьютерной томографии.

4) При планировании хирургических вмешательств на наружном носе необходимо учитывать тип строения головы, так как площадь ограниченная дакрильными и назолатеральными точками у лиц мезо — и долихоцефалического типов сопоставима и имеет наименьшее значение у брахицефалов. Наибольшая площадь ограниченная дакрильными точками и точками пересечения вертикалей, опущенных через подглазничные отверстия с линией проходящей через субназальную точку определяется у мезоцефалов. Ее минимальное значение наблюдается у лиц с долихоцефалическим типом головы. Разность между площадями, то есть возможность наибольшего расширения апертуры операционной раны наблюдается у лиц брахицефалического типа. Его минимальное значение наблюдается у долихоцефалов.