п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Россия
Самарская область, Россия
п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Россия
Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.39 Животноводство
Цель исследования – разработать и внедрить в образовательный процесс аграрных вузов по дисциплине «Анатомия животных» новый обучающий продукт – интерактивный анатомический 3D-атлас коровы. Процесс цифровизации сфер деятельности животноводства в целом и ветеринарии в частности острее ставит вопрос о внедрении в образовательный процесс современных средств обучения, компьютерных тренажеров, создании новых форм образования, связанных с заменой образовательных технологий. Для достижения поставленной цели был произведен убой трех коров – аналогов по возрасту, живой массе и линейной принадлежности; было выполнено анатомическое препарирование; проведена морфометрия, включающая позиционные данные всех анатомических структур организма коров черно-пестрой породы в норме; затем созданы карты текстур и эластических слоев тканей органов, полученных при помощи тензометрического стенда. Для математического моделирования и создания трехмерной модели коровы применяли компьютерную томографию, сканирование препарированных анатомических структур. Созданная модель позволила построить программно-аппаратный комплекс для виртуальной работы с трехмерной моделью коровы. Анатомический 3D-атлас коровы расширил сферу применения обучающего материала от визуального знакомства с анатомическим материалом и получения текстовой информации до проверки качества полученных знаний и автоматической обработки результатов; кроме изучения строения тела животного на макроскопическом уровне можно перейти и на микроскопический уровень; также есть возможность сравнения анатомических объектов между собой (включая норму и патологию). Точность строения организма 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.
атлас, корова, интерактивность, модель, комплекс
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. Баймишев, Х. Б. Морфология венозной системы акроподия крупного рогатого скота : монография. - Кинель : РИО Самарской ГСХА, 2018. - 165 с.
2. Бурых, М. П. Воксельное анатомическое моделирование внутренних органов человека / М. П. Бурых, Р.С. Ворощук // Клиническая анатомия и оперативная хирургия. - 2006. - Т. 5, №5. - С. 115-118.
3. Колсанов, А.В. Вариантная трехмерная анатомия почечных артерий. Клиническое применение / А.В. Колсанов, В.Д. Иванова, А.К. Назарян [и др.] // Морфологические ведомости. - 2016. - Т.24, №4. - С. 46-52.
4. Котельников, Г. П. Инновационная деятельность СамГМУ: инфраструктура, подготовка кадров, форми-рование прорывных проектов, трансфер технологий в практику, участие в российской и региональной ин-новационной экосистеме / Г. П. Котельников, А. В. Колсанов // Наука и инновации в медицине. - 2016. - №1. - С. 8-13.
5. Котельников, Г. П. Новые методологические подходы в анализе и синтезе морфологических данных (anatomia in silico) / Г. П. Котельников, А. В. Колсанов, В. Д. Иванова [и др.] // Морфология. - 2017. - Т.152, №4. - С. 74-78.
6. Нурушев, М. Ж. Возрастная биология органов внутренней секреции и гемоцитопоэза : монография / М. Ж. Нурушев, Б. П. Шевченко, М. С. Сеитов [и др.]. - Кокшетау : АО «Кокше-Полиграфия», 2011. - 140 с.
7. Рубан, Е. О. Новое поколение учебного оборудования // Оперативная хирургия и клиническая анато-мия. - 2017. - Т.1, №1. - С. 53-58.
8. Фатеев, И. Н. Компьютерное моделирование в медицине. Опыт работы лаборатории института разви-тия личности «Интеллект» // Профильное обучение в системе дополнительного образования детей: про-блемы, поиски, пути решения : мат. Всероссийской науч.-практ. конф. - Оренбург, 2006. - С. 96-98.
