p.g.t. Ust'-Kinel'skiy, Samara, Russian Federation
Samara, Russian Federation
p.g.t. Ust'-Kinel'skiy, Samara, Russian Federation
Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.39 Животноводство
The purpose of the study is the development and introduction into the subject «Animal Anatomy» innovative educa-tional device – interactive anatomical 3D-Atlas of the cow provided at agricultural higher school training process». The rapid process of digitalization of all spheres of activity of animal husbandry in General and veterinary medicine in particular raises the need of introduction modern teaching AIDS into the educational process, computer simula-tors, the creation of new forms of education associated with the educational technologies upgrading. For this pur-pose three cows were slaughtered of the same age, live weight and gender; anatomical dissection and morphome-try including typical positional data of all anatomical structures of black-and-white cows. Then case records of tex-tures and elastic layers of tissues of organs measured by strain gauge were created. Computer tomography and scanning of anatomic dissection were used for mathematical modeling and creation of a three-dimensional model of a cow. The created model allowed building of a hardware and software system for virtual work with a three-dimensional model of a cow. Anatomical 3D-Atlas cows expanded the range of training material use from visual familiarity with the anatomical material and acquired record to test of the quality of knowledge and automatic pro-cessing of the results; in addition anatomic body study and microanatomy is being provided and besides it is also possible to compare anatomical objects with each other (including normal range and pathology). The accuracy of demonstrating the organism of a cow, the granularity of huge anatomical information, its storage, as well as the rap-id search and quality of pathological samples make the developed Atlas unique in anatomical, topographic and clinical content.
atlas, cow, interactivity, model, complex
Знание ветеринарным врачом индивидуальной анатомии с позиций трехмерной топографии органных структур каждого конкретного животного становится лидирующей задачей на пути решения вопросов высококачественной помощи, оказываемой в современной ветеринарной практике. Морфология животных, изучающая макро- и микроскопическое строение тела разных видов животных является фундаментальной дисциплиной при подготовке специалистов в аграрных вузах и содержит огромный объем материала, требующий упорядоченного изучения и детализированного усвоения.
Нарастающее число учебников и атласов по анатомии животных, к сожалению, не способствует улучшению качества знаний обучающихся. Двухмерные иллюстрации не дают необходимой объемной детализации изучаемой области. В условиях постоянно сокращающейся почасовой нагрузки таких фундаментальных дисциплин, как анатомия животных, студенты сельскохозяйственных вузов вынуждены перерабатывать прежний, весьма объемный и сложный для восприятия, поток учебной информации за более короткое время. Нарастающее с каждым годом количество учебно-методических пособий, учебных руководств и атласов по «анатомическим дисциплинам», к сожалению, не в состоянии как-либо помочь в быстром и качественном познании предмета. Зачастую даже стиль изложения мешает правильному восприятию изучаемой области или отдельного органа, а иллюстративный материал не обеспечивает необходимое расположение и масштаб анатомического объекта. Детали строения и положения органа, его формы и взаимоотношения органов даже успевающие студенты плохо усваивают. Будущие ветврачи, зоотехники в конечном итоге обладают узостью мышления и совершают ошибки в трактовке состояния здоровья животных, диагностике и последующем лечении. Изрядная сложность «анатомических дисциплин» и вместе с тем жизненно необходимая информация о строении организма коровы, так необходимые в клинической и производственной практике, может компенсироваться в процессе препарирования (анатомирования) трупов животных. Однако современное состояние законодательства ставит аграрные вузы в крайне затруднительное положение при юридическом оформлении трупного материала на мясокостных заводах. Качество трупов животных не позволяет производить полноценное препарирование
большому контингенту студентов.
Стремительный процесс цифровизации сфер деятельности животноводства в целом и ветеринарии в частности все острее ставит вопрос о внедрении в образовательный процесс современных средств обучения, компьютерных тренажеров, создании новых форм образования, связанных с заменой образовательных технологий [1, 2, 3, 4]. Перевод текста массы учебно-методических пособий в цифровой формат делает его доступным широкому кругу студентов, но не решает вопрос времени, которое будет затрачено на изучение, и не решает вопрос визуализации анатомических объектов. Необходима новая методика в изучении анатомии животных, основанная на системе визуализации анатомических объектов по данным интроскопии: компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ) и других методов исследования [7, 8]. Новый раздел морфологии, где представлено виртуальное животное с характерными пропорциональными соотношениями и анатомической достоверностью живого животного с полным объемом изображений макроскопической и микроскопической морфологии организма – это вычислительная анатомия или anatomia in silico [3, 6].
Цель исследований – разработать и внедрить в образовательный процесс аграрных вузов по дисциплине «Анатомия животных» новый обучающий продукт – интерактивный анатомический 3D-атлас коровы.
Задачи исследований:
- выбрать комплекс программных средств для моделирования учебно-практического процесса;
- подготовить исходный материал по 11 системам органов крупного рогатого скота;
- разработать интерфейс и провести сканирование костей скелета на 3D-сканере с последующей обработкой с помощью программ ZBrash и Autodesk 3Ds Max;
- подготовить текстуры разных органов методом биофиксации биоматериалов;
- преобразовать анатомические препараты после сканирования в цифровую форму;
- смоделировать точное расположение кровеносных сосудов, нервов во взаимосвязи со структурами различных органов и областями тела животного;
- смоделировать патологические изменения в органах, создать текстуры и описательную часть с интеграцией трехмерных моделей;
- написать код для функционала, создать программный продукт 3D-атласа на электронном носителе.
Материалы и методы исследований. Для достижения цели исследований выполнено анатомическое препарирование, проведена морфометрия, включающая позиционные данные всех анатомических структур организма коровы черно-пестрой породы в норме. Созданы карты текстур и эластических свойств тканей органов, полученных при помощи тензометрического стенда.
Проведен клинико-диагностический анализ результатов ультразвукового дуплексного сканирования с цветным картированием, мультиспиральной компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии. Использован нейросетевой анализ.
Компьютерную томографию каждого органа, костей выполняли на базе 64-срезового томографа Toshiba Aquilion 64 в Клиниках Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ). Полученные данные с помощью системы передачи и архивирования DICOM конвертировали далее в полигональную модель. Ультразвуковое сканирование выполнено также на базе клиник СамГМУ на мультифункциональном аппарате General Electric.
Для математического моделирования и создания трехмерной модели коровы применяли сканирование препарированных анатомических структур организма коровы 3D-сканером Solutionix Regscan III с последующей обработкой отсканированных объектов с помощью 3D-редактора Autodesk Maya. 3D-сканер Solutionix Rexcan III – это оптическая 3D измерительная система с высоким разрешением (до 5 Мп) и точностью (0,007 мм), с низкими показателями зашумления. На препарированный труп устанавливали метки совмещения, регистрируя которые 3D-сканер формировал единую систему координат и таким образом производил оцифровку объекта и давал возможность получить полные трехмерные копии без дополнительной сборки-сшивки отдельных элементов.
В дальнейшем элементы сессии сканирования были экспортированы в программу для ЭВМ ezScan7 с последующей обработкой моделей в редакторе Autodesk Maya.
Результаты исследований. Активное междисциплинарное взаимодействие представителей разных наук с привлечением инновационных компьютерных технологий позволило создать на кафедрах «Анатомия, акушерство и хирургия» Самарского государственного аграрного университета, «Оперативная хирургия и клиническая анатомия с курсом инновационных технологий» Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ) и на базе Центра прорывных исследований «Информационные технологии в медицине» (ЦПИ «ИТ в медицине») высоко реалистичную низкополигональную модель коровы и на ее основе атлас трехмерной анатомии «In body Anatomy». Созданная модель позволила построить программно-аппаратный комплекс для виртуальной работы с трехмерной моделью коровы – интерактивный анатомический 3D-атлас коровы. Он существенно расширил сферу применения обучающего материала от визуального знакомства с анатомическим материалом и получения текстовой информации до проверки качества полученных знаний и автоматической обработки результатов. От строения организма коровы на макроскопическом уровне можно перейти на микроскопический уровень, также есть возможность сравнения различных анатомических объектов между собой (включая норму и патологию), изучения дополнительных диагностических материалов (данные КТ, МРТ, УЗИ). Именно микроскопический уровень, патология и диагностические данные существенно отличают данный обучающий продукт от зарубежных разработок.
Интерактивный анатомический 3D-атлас коровы был протестирован на практических занятиях по анатомии животных, клинической анатомии у студентов 2-3 курсов. Расширена и детализирована база данных по анатомическим объектам с учетом требований дисциплины «Анатомия животных», что позволило использовать интерактивный атлас не только на этапе завершения изучения классической анатомии, но и сделало возможным применение его уже с первых занятий по этой дисциплине. Учитывая сложность и объемность учебного материала по анатомии, который ложится в основу изучения клинической анатомии, патологической анатомии, судебно-ветеринарной медицины и других клинических дисциплин, приходится использовать в основном аналитический метод обучения. В результате целостный организм животного разделяется на системы, затем на отдельные органы. Клиническая анатомия, как и другие клинические дисциплины, нуждается в синергетическом восприятии определенных областей тела животного, в которых задействованы различные системы органов, взаимодействующие в живом организме комплексно (синергетически) в своем возникновении, развитии и функционировании, а не изолированно. Такое восприятие изучаемого материала дает трехмерный анатомический атлас, который включает 4 режима работы:
1) «Просмотр». Для интерактивной работы с 3D-объектами. Этот режим предусмотрен для визуального знакомства с изолированными анатомическими объектами. База включает 14 систем органов или более 4000 3D-объектов и постоянно пополняется. На монитор или экран телевизора можно вывести любую анатомическую структуру виртуального животного. Изображение можно приближать и вращать во всех плоскостях. Например, из мышечной системы можно выделить группу мышц, изучить положение отдельной мышцы в этой группе. Затем ее изолировать и подключить костные структуры данной области или весь скелет в целом, чтобы визуализировать точки прикрепления мышцы на костях. Можно вывести строение скелетной мышцы на гистологический уровень, а также рассмотреть источники кровоснабжения и иннервации этой мышцы, последовательно подключая соответствующие системы. Сколько времени в реальности займет обычное препарирование на трупном материале даже в плане подхода к отдельной группе мышц? Можно, конечно же, добавить еще и микроскопию со всеми процессами проводки материала по спиртам, изготовлению гистологических срезов и окрашиванию материала. С помощью интерактивного анатомического
3D-атласа студенты могут практиковать препарирование без использования трупа животного, то есть анатомировать цифровое тело. Такое цифровое препарирование позволяет выполнять его и поэтапно, и произвольно в течение нескольких секунд. Можно последовательно удалить кожный покров, послойно мышцы и кости, чтобы изучить систему органов или отдельно какой-либо орган. Можно показать скелетотопию органа. Цифровой формат позволяет проводить манипуляции и в обратной последовательности. Можно сразу выделить и изучить изолированно любой внутренний орган, затем добавить соседние органы, кости, затем постепенно нарастить мышцы и кожный покров – и виртуальное животное снова готово к анатомированию. Процесс цифрового анатомирования позволяет увидеть организм животного с совершенно уникальной точки зрения – изнутри, путем выделения и удаления части 3D-изображений.
Все анатомические 3D-объекты имеют подробное текстовое описание с указанием всех анатомических названий (на латинском и английском языках) в соответствии с международной анатомической номенклатурой (рис. 1).
Рис. 1. Пример послойного разбора анатомической модели
2) «Сравнение». Для сравнения парных органов, нормы и патологии, а так же различных патологий между собой. В базу данных атласа внесены смоделированные патологические состояния основных органов, включено около 4 Гб диагностической информации. Более 100 типичных патологических изменений позволяют создавать пользовательские сцены. Сцена – это комбинация для иллюстрирования самых редких анатомических случаев, которые встречаются в учебных пособиях на уровне текстового описания. Интерактивный анатомический стол 3D-атласа дает возможность изучения комплексного строения тела животного при акте дыхания, при сокращении различных отделов сердца, пульсации сосудов, перистальтике внутренних органов, то есть в непрерывном физиологическом движении анатомических структур. Возможность познания формы и ее изменения при функциональных нагрузках существенно дополняет классическую анатомию (рис. 2).
Рис. 2. Органы пищеварения в норме
3) «Диагностика». Для получения дополнительной диагностической информации, а именно данные КТ, МРТ, УЗИ. Имеется информативный фото- и видеоматериал. Внесенные данные по патологии и диагностические показатели ультразвукового исследования, компьютерной и магнитно-резонансной томографии дают возможность использования интерактивного анатомического
3D-атласа не только студентам, но и слушателям циклов повышения квалификации. Режим «Диагностика» позволяет интерактивно изучать диагностическую информацию: компьютерные и магнитно-резонансные аксиальные, фронтальные и поперечные срезы, а также просматривать ультразвуковые изображения по 8 позициям датчика для каждого органа.
4) «Проверка знаний». Для составления тестов для проверки качества полученных знаний. Преподаватели классической и клинической анатомии имеют возможность использовать анатомический атлас в качестве медиа сопровождения и лекционного курса, и практических занятий. Программное обеспечение стола позволяет самостоятельно создавать тесты для студентов по текущим и пройденным темам. Любой вопрос может быть привязан к 3D-модели, а в качестве ответа на вопрос студенту предлагается выбрать правильный анатомический объект в 3D-сцене.
Заключение. Интерактивный анатомический 3D-атлас позволяет перевести изучение анатомических дисциплин в новое русло, потому что помогает студентам лучше представить сложную пространственно-временную организацию систем органов, гетерогенность, индивидуальность, подвижность практически всех уровней живого организма животного. Он допускает манипуляции с виртуальным животным в пространстве и во времени. Становится разумной альтернативой традиционному препарированию, потому что дает возможность многократного удаления и восстановления объемных слоев тела животного и взаимоотношений органо-сосудисто-нервных образований. Обеспечивает полный цикл изучения анатомических дисциплин – от визуализации анатомических объектов до проверки качества полученной информации с последующей автоматической обработкой результатов тестирования.
Точность строения коровы, структурированность огромного массива анатомической информации, ее хранение, а также быстрый поиск и качество патологических образцов делают разработанный атлас уникальным по анатомическому, топографическому и клиническому наполнению.
В принципе данные вычислительной анатомии применяются не только в учебном процессе, но и в клинической практике и научно-исследовательской работе. Прочное усвоение анатомических знаний дает возможность их практического применения с правильным и адекватным воздействием на организм животных в процессе лечения. Морфология животных, не теряя актуальности фундаментального изучения строения животного, становится одной из бурно развивающихся дисциплин.
1. Baimishev, Kh. B. (2018). Morfologiia venoznoi sistemi akropodiia krupnogo rogatogo skota [Morphology of the venous system of acropodia in cattle]. Kinel: PC Samara State Agricultural Academy [in Russian].
2. Buryh, M. P., & Voroshchuk, R. S. (2006). Vokselinoe anatomicheskoe modelirovanie vnutrennikh organov che-loveka [Voxel anatomical modeling of human internal organs]. Klinicheskaia anatomiia i operativnaia hirurgiia - Clinical anatomy and operative surgery, 5, 5, 115-118 [in Russian].
3. Kolsanov, A. V., Ivanova, V. D., & Nazaryan, A. K. et al. (2016). Variantnaia trekhmernaia anatomiia pochech-nikh arterii klinicheskoe primenenie [Variant three-dimensional anatomy of renal arteries clinical application]. Mor-fologicheskie vedomosti - Morphological statements, 24, 4, 46-52 [in Russian].
4. Kotelnikov, G. P., & Kolsanov, A. V. (2016). Innovacionnaia deyatelinost SamSMU: infrastruktura, podgotovka kadrov, formirovaniie prorivnikh proektov, transfer tekhnologii v praktiku, uchastie v rossiiskoi i regionalinoi inno-vacionnoi ekosisteme [Innovation Samara state medical University: infrastructure, training, the formation of break-through projects, technology transfer into practice, participation in national and regional innovation ecosystem]. Nauka i innovacii v medicine - Science and Innovations in Medicine, 1, 8-13 [in Russian].
5. Kotelnikov, G. P., Kolsanov, A. V., Ivanov, V. D., Yaremin, B. I., Chaplygin, S. S., & Nazaryan, A. K. (2017). Noviie metodologicheskie podhody v analize i sinteze morfologicheskikh dannikh (anatomia in silico) [New meth-odological approaches in the analysis and synthesis of morphological data (area of in silico)]. Morfologiia - Mor-phology, 152, 4, 74-78 [in Russian].
6. Nurushev, M. Zh., Shevchenko, B. P., Seitov, M. S., Goncharov, A. G., & Baymishev, H. B. (2011). Vozrastnaia biologiia organov vnutrennei sekrecii i gemocitopoeza [Age-related biology of the organs of internal secretion and hemocytometer]. Kokshetau: Kokshe-Polygraphy [in Russian].
7. Ruban, E. O. (2017). Novoe pokolenie uchebnogo oborudovaniia [New generation of educational equipment]. Operativnaia hirurgiia i klinicheskaia anatomiia - Operative surgery and clinical anatomy, 1, 1, 53-58 [in Russian].
8. Fateev, I. N. (2006). Kompiuternoe modelirovanie v medicine. Opyt raboty laboratorii instituta razvitiia lichnosti «Intellekt» [Computer modeling in medicine. Laboratory experience of the Institute of personality development «In-tellekt»]. Profile training in the system of additional education of children: problems, searches, solutions '06: mate-riali Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferencii - materials of the All-Russian scientific and practical confer-ence. (pp. 96-98). Orenburg [in Russian].
