Применение технологии виртуального проектирования для разработки медицинских диагностических систем

УДК 004.946

DOI 10.21685/2072-3059-2016-3-5

А. Ю. Тычков

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕДИЦИНСКИХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Аннотация.

Актуальность и цели. Виртуальные медицинские диагностические системы предназначены для освоения операций по основам функциональной диагностики и техническому обслуживанию оборудования на персональных компьютерах. Показана возможность разработки новых медицинских систем в условиях виртуальной реальности с использованием пакета прикладных программ Biomedical Toolkit.

Материалы и методы. Для разработки виртуальных медицинских диагностических систем используется среда графического проектирования Biomedical Toolkit, а также основы схемотехнического проектирования изделий медицинского назначения.

Результаты. Приведена классификация медицинских симуляторов, их достоинства и недостатки. На основе среды графического проектирования виртуальных медицинских систем Biomedical Toolkit продемонстрированы возможности разработки виртуальных медицинских диагностических симулято-ров на персональных компьютерах. Показаны основные достоинства предлагаемой среды графического проектирования для разработки виртуальных медицинских диагностических систем.

Выводы. Предложенная концепция разработки виртуальных медицинских диагностических систем с использованием приложения Biomedical Toolkit является готовым решением для работы с медицинскими данными и оперативного анализа сигналов сложной формы.

Ключевые слова: среда графического проектирования, виртуальная реальность, сигналы сложной формы

A. Yu. Tychkov

APPLICATION OF VIRTUAL DESIGN TECHNOLOGIES FOR THE DEVELOPMENT OF MEDICAL DIAGNOSTIC SYSTEMS

Abstract.

Background. Virtual medical diagnostic systems are designed for mastering the basics of functional diagnostics operations and maintenance of equipment on personal computers. The article shows a possibility of developing new medical systems in virtual reality using the Biomedical Toolkit applications

Materials and methods. To design virtual medical diagnostic systems, the Biomedical Toolkit graphic development environment, as well as the basics of circuit design of medical products, were used.

Results. A classification of medical simulators has been given, their advantages and disadvantages have been shown. The feasibility of virtual medical diagnostic simulators development on personal computers using the Biomedical Toolkit graphic development environment for health systems has been demonstrated. The basic

advantages of the proposed graphie development environment for the design of virtual medieal diagnostic systems have been shown.

Conclusions. The proposed eoneept of the development of virtual medieal diagnostic systems using the Biomedieal Toolkit applieations is a ready solution for medieal data handling and operational analysis of eomplex waveforms.

Key words: graphieal development environment, virtual reality, eomplex waveforms.

Введение

Рассмотрены теоретические и практические вопросы разработки виртуальных медицинских диагностических систем с использованием современных информационных технологий и программных продуктов компании National Instrument.

Для развития здравоохранения виртуальные медицинские диагностические системы помогут решить важные задачи [1-3]:

- повышение качества подготовки врачей и среднего медицинского персонала, в том числе технического, для обслуживания медицинской техники;

- повышение качества оказания медицинской помощи населению;

- рост удовлетворенности пациентов медицинским обслуживанием;

- развитие и совершенствование новых образцов медицинской техники на базе разработанных симуляторов.

Таким образом, разработка и совершенствование медицинских симуляторов является важной социально-экономической задачей.

Медицинские системы/симуляторы делятся на [4]: простые физические модели анатомических структур (модели костей и тренажеры) и сложные устройства, манекены с высокой механической и виртуальной реальностью.

Виртуальная реальность (в контексте известных медицинских систем) представляет собой имитацию физиологического состояния человека с сопровождением осязательной, акустической и тактильной информации о действиях, проводимых специалистом на симуляторе [5]. Существует множество видов виртуальных медицинских систем, предназначенных для различных направлений [1]: хирургия, гинекология и стоматология. Известные виртуальные медицинские системы для диагностических целей в большинстве своем относятся к категории визуализирующих, основанных на 3Б-представ-лении исследуемых органов и тканей (например, ультразвуковые, томографические, лапараскопические и др.). Обзор измерительных (индикаторных и регистрируемых) диагностических систем/симуляторов показал, что на рынке они представлены единичными решениями: для измерения артериального давления (АД), кардиосигналов и энцефалографических сигналов и др. [6].

Все известные медицинские системы/симуляторы имеют определенные особенности, которые могут быть рассмотрены с точки зрения их достоинств и недостатков. Совместно с медицинским оборудованием используют манекены людей и отдельных частей организма. С точки зрения достоинств, манекены позволяют наглядно продемонстрировать сложный операционный процесс. С точки зрения недостатков, на первых курсах обучения будущим специалистам необходимо и достаточно правильно разбираться в технических (функциональных) возможностях оборудования еще до начала его применения в клинической практике. Адекватное применение диагностического оборудования специалистом позволит не только автоматизировать процесс изме-

рения, но и повысить оперативность и точность измерения основных параметров жизнедеятельности.

Предлагается разрабатывать в соответствии с формулированной проблемой виртуальные медицинские диагностические системы (ВМДС), включающие в себя виртуальные элементы и узлы регистрации и обработки кар-диосигналов, энцефалографических и речевых сигналов, измерения артериального давления и пульса, а также узлы акустического воздействия (внешний раздражитель). Также разрабатываемые ВМДС могут быть использованы в качестве отдельных основных узлов, выполняющих функции кардиографа, энцефалографа, тонометра и аудиометра, на которых операции с манекенами полностью будут заменены на удобный понятийный интерфейс на персональном компьютере.

Разработанные ВМДС будут представлять собой готовые программные решения для использования обучающимися в медицинских учреждениях различного профиля, в том числе в симуляционных центрах, на персональных компьютерах или могут быть реализованы в виде программно-аппаратных медицинских систем на платформе PXI (PCI extensions for Instrumentation bus) National Instruments с использованием соответствующих библиотек: FPGA, Sound and Vibration, LabVIEW Multicore Analysis and Sparse Matrix Toolkit, LabVIEW Digital Filter Design Toolkit, LabVIEW Mathscript RT Module и DAQ Assistant.

Для разработки ВМДС предложено использовать среду разработки лабораторных виртуальных приборов LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). LabView компании National Instruments представляет собой среду прикладного графического программирования, используемую в качестве стандартного инструмента для проведения измерений, анализа их данных и последующего управления приборами и исследуемыми объектами [7].

Разработка ВМДС будет осуществляться при поддержке регионального центра технологий National Instruments кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета [8] и выполняется впервые.

Использование приложения Biomedical Toolkit для виртуального проектирования медицинских систем

Среди большого количества известных программных продуктов компании National Instruments приложение LV Biomedical Toolkit предназначено специально для обработки и анализа медицинских сигналов и может быть использовано для разработки ВМДС [9].

Согласно проведенному обзору [4-6] и собственным исследованиям [10, 11] приложение LV Biomedical Toolkit позволяет работать как в режиме реального времени, используя аппаратные средства National Instruments, так и с загружаемыми файлами медицинских сигналов, хранящимися на серверах или загружаемых из различных баз данных. С помощью приложения Biomedical Toolkit возможно:

- регистрировать и обрабатывать кардиографические сигналы;

- определять уровень артериального давления;

- реконструировать медицинские изображения и т.д.

Достоинством приложения является его наглядная визуализация, представленная в графическом виде, а также широкая функциональность и простота в использовании [9].

Рассмотрим приложение Biomedical Toolkit для разработки ВМДС на примере определения уровня АД.

Диалоговое окно приложения Biomedical Toolkit для определения уровня АД приведено на рис. 1. В представленном окне визуализируется сам сигнал пульсовой волны и результаты измерений (систолическое и диастоличе-ское давление), вычисленные по методу Котельникова.

Рис. 1. Диалоговое окно приожения Biomedical Toolkit для определения уровня АД

Ввод сигнала пульсовой волны в приложении Biomedical Toolkit может осуществляться как в режиме реального времени с помощью узла сбора данных, так и загружаться из базы данных. Диалоговое окно ввода сигнала пульсовой волны и корректировки его параметров приведено на рис. 2.

При разработке ВМДС Biomedical Toolkit может быть использовано как самостоятельное приложение, так и вспомогательный узел, выполняющий этапы регистрации (ввода) и отображения медицинских сигналов и изображений.

С использованием приложения Biomedical Toolkit разработан виртуальный прибор измерения АД (рис. 3) [9].

Разработанный ВМДС [10, 11] состоит из следующих основных узлов:

- узел накачки и регулирования давления в манжете;

- узел обработки и анализа сигнала пульсовой волны;

- узел сброса результатов измерения.

Первый узел осуществляет процесс накачки давления в манжету (рис. 4). В узле сигнал снимается с датчика АД и поступает на датчик обработки сигналов. Устройство сбора данных состоит из датчика артериального давления и интерфейса сбора данных.

Рис. 2. Диалоговое окно ввода сигнала пульсовой волны и корректировки его параметров

Рис. 3. ВП измерения АД, реализованный с использованием приложения Biomedical Toolkit

Рис. 4. Узел накачки и регулирования давления в манжете

Второй узел реализует этап обработки сигнала пульсовой волны (рис. 5).

Рис. 5. Узел обработки и анализа сигнала пульсовой волны

На данном этапе считываются значения с датчика давления и сводятся в таблицу. Процесс обработки сигнала начинается с удаления шума, что достигается путем использования фильтра Баттерворта 2-го порядка. По отфильтрованному сигналу строится кривая, аппроксимированная по полиному второй степени порядка. Построенная кривая вычитается из поступающих данных при вычислении пиков сигнала. По результатам обработки измеряется значения систолического и диастолического давления по методу Котельнико-ва и заносятся в таблицу.

Третий узел ВМДС измерения АД выполняет сброс результатов измерения. Схема узла ВМДС сброса данных приведена на рис. 6. Данный узел ВП необходим для принудительного завершения процесса измерения и аварийных ситуациях работы устройства.

Рис. 6. Узел сброса результатов измерения

Таким образом, в статье разработан ВМДС с использованием среды виртуальной реальности Biomedical Toolkit [10, 11], который позволяет продемонстрировать процесс измерения АД, отображения результатов в виде

систолического, диастолического давления и может быть использован в качестве медицинского диагностического симулятора измерения АД.

Заключение

Таким образом, в работе впервые введено понятие «виртуальные диагностические системы/симуляторы», которые могут быть реализованы как готовые программные решения на персональных компьютерах в среде Labview или в виде программно-аппаратных медицинских систем на платформе PXI (National Instruments), включающие виртуальные приборы и узлы, которые по функциональному назначению полностью имитируют работу систем диагностики состояния здоровья человека и предназначены для освоения обучающимися в медицинских учреждениях различного профиля и си-муляционных центрах основам функциональной диагностики и операций по техническому обслуживанию диагностического оборудования.

Изучено и применено для разработки ВМДС приложение Biomedical Toolkit, достоинством которого является наглядная визуализация и широкая функциональность основных узлов для анализа медицинских сигналов, и которые может быть использовано в качестве отдельного приложения или составного узла ВМДС.

Список литературы

1. Медицинские симуляторы: история развития, классификация, результаты применения, организация симуляционного образования / М. Е. Тимофеев, С. Г. Шапо-вальянц, В. Г. Полушкин, А. А. Валиев, Л. Н. Валеев, Р. Т. Гайнутдинов,

B. А. Андряшин, Р. Х. Зайнуллин // Вестник Новгородского государственного университета. - 2015. - № 2 (85). - C. 114-122.

2. Портал Федеральных государственных образовательных стандартов. - URL: http://fgosvo.ru/fgosvpo/7/6/1 (дата обращения: 12.02.2016).

3. Концепция симуляционного обучения в системе медицинского образования в Российской Федерации. - М. : Изд-во Первого МГМУ им. И. М. Сеченова, 2013. - 38 с.

4. Горшков, М. Д. Классификация симуляционного оборудования / М. Д. Горшков, А. В. Федоров // Виртуальные технологии в медицине. - 2012. - № 2 (8). -

C. 23-25.

5. Антюшин, А. О. Использование технологий виртуальной реальности для определения профессиональной пригодности и подготовки кадров опасных профессий / А. О. Антюшин // Виртуальная и дополненная реальность - 2016: состояние и перспективы : сб. науч.-метод. материалов, тезисов и статей конференции / под общ. ред. д.т.н., проф. Д. И. Попова. - М. : Изд-во ГПБОУ МГОК, 2016. -C. 36-48.

6. Портал Virtumed - виртуальные медицинские симуляторы и тренажеры. - URL: http://www.virtumed.ru (дата обращения: 24.03.2016).

7. Тревис, Дж. LabVIEW для всех / Дж. Тревис. - М. : ДМК пресс, 2005. - 537 с.

8. Официальный сайт Пензенского государственного университета. - URL: http:// www.pnzgu.ru (дата обращения: 02.04.2014).

9. Сайт приложения LabView Biomedical Toolkit. - URL: http://sine.ni.com/nips/cds/ view/p/lang/ru/nid/211023 (дата обращения: 12.03.2016).

10. Tychkov, A. Yu. The development of the arterial pressure registration device with the increased efficiency of work / A. Yu. Tychkov // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 1 (33). - C. 92-98.

11. Tyckov, A. Yu. The software solution of the problems of the biomedical information processing / A. Yu. Tyckov // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе : сб. тр. 4 Всерос. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых. - Вып. 1 (4). - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - С. 51-54.

References

1. Timofeev M. E., Shapoval'yants S. G., Polushkin V. G., Valiev A. A., Valeev L. N., Gaynutdinov R. T., Andryashin V. A., Zaynullin R. Kh. Vestnik Novgorodskogo gosu-darstvennogo universiteta [Bulletin of Novgorod State University]. 2015, no. 2 (85), pp. 114-122.

2. Portal Federal'nykh gosudarstvennykh obrazovatel'nykh standartov [Portal of Federal state educational standards]. Available at: http://fgosvo.ru/fgosvpo/7/6/1 (accessed 12.02.2016).

3. Kontseptsiya simulyatsionnogo obucheniya v sisteme meditsinskogo obrazovaniya v Rossiyskoy Federatsii [The conception of simulation training in the system of medical education in the Russian Federation]. Moscow: Izd-vo Pervogo MGMU im. I. M. Sechenova, 2013, 38 p.

4. Gorshkov M. D., Fedorov A. V. Virtual'nye tekhnologii v meditsine [Virtual technologies in medicine]. 2012, no. 2 (8), pp. 23-25.

5. Antyushin A. O. Virtual'naya i dopolnennaya real'nost' - 2016: sostoyanie i perspek-tivy: sb. nauch.-metod. materialov, tezisov i statey konferentsii [Virtual and augmented reality - 2016: the condition and prospects: collected methodological materials, theses and articles of the conference]. Moscow: Izd-vo GPBOU MGOK, 2016, pp. 36-48.

6. Portal Virtumed - virtual'nye meditsinskie simulyatory i trenazhery [Virtumed portal -virtual medical simulators and trainers]. Available at: http://www.virtumed.ru (accessed 24.03.2016).

7. Trevis Dzh. LabVIEW dlya vsekh [LabVIEW for everybody]. Moscow: DMK press, 2005, 537 p.

8. Ofitsial'nyy sayt Penzenskogo gosudarstvennogo universiteta [The official site of Penza State University]. Available at: http:// www.pnzgu.ru (accessed 02.04.2014).

9. Saytprilozheniya LabView Biomedical Toolkit [The site of LabView's plug-in - Biomedical Toolkit]. Available at: http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/ru/nid/211023 (accessed 12.03.2016).

10. Tychkov A. Yu. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2015, no. 1 (33), pp. 92-98.

11. Tychkov A. Yu. Modeli, sistemy, seti v ekonomike, tekhnike, prirode i obshchestve: sb. tr. 4 Vseros. nauch.-prakt. konf. studentov i molodykh uchenykh [Models, systems, networks in economics, engineering, nature and society: proceedings of $th All-Russia scientific and practical conference of students and young scientists]. Issue 1 (4). Penza: Izd-vo PGU, 2013, pp. 51-54.

Тычков Александр Юрьевич

кандидат технических наук, заместитель директора научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований, Пензенский государственный университет

E-mail: tychkov-a@mail.ru

Tychkov Aleksandr Yur'evich Candidate of engineering sciences, deputy director of the research institute for basic and applied studies, Penza State University

УДК 004.946 Тычков, А. Ю.

Применение технологии виртуального проектирования для разработки медицинских диагностических систем / А. Ю. Тычков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2016. - № 3 (39). - С. 53-61. БОТ 10.21685/2072-3059-2016-3-5