Русский English

Колсанов А.В., Воронин А.С., Яремин Б.И., Чаплыгин С.С., Назарян А.К., Юнусов Р.Р., Шорохов Е.С., Мурушиди М.Ю., Буканов В.О.

Виртуальные и симуляционные технологии в медицинском образовании

Самарский государственный медицинский университет

Введение. Современные тенденции медицинского образования предлагают использование симуляционной техники, позволяющей достичь максимальной степени реализма при имитации разнообразных клинических сценариев, а также отработки технических навыков отдельных диагностических и лечебных манипуляций [2].

В настоящее время при обучении специалистов в медицинских вузах России и практическом здравоохранении, а также и в мировой практике, явно выражен ряд проблем, имеющих ключевое значение и определяющих качество оказания медицинской помощи населению:

– всё более ограничивается доступность, как биологического материала, так и возможность обучения при непосредственной работе с пациентами, что необходимо для обучения врачей-хирургов и врачей других специальностей;

– неудовлетворительно низка скорость внедрения в практику прогрессивных методик проведения операций и соответствующего инструментария;

– невозможность объективной и стандартизированной оценки качества операций, выполняемых обучаемым, невозможность достоверно учесть все детали произведенных манипуляций, в том числе скрытые повреждения;

В рамках реализации данного проекта создан комплекс позволяющий моделировать операционный процесс максимально приближенный к условиям реальной операционной, за счет:

- применения в обучении технологий виртуальной реальности и реалистичной обратной тактильной связи;

- создания учебных материалов на основе современных технологий 3D моделирования и интерактивного взаимодействия;

- разработки возможности индивидуализации модели человеческого тела на основе данных о физиологии и топографии конкретного пациента;

- возможности оперативного распространения новых хирургических методик в электронном виде, через сеть Интернет, включая виртуальные модели новых инструментов и операционных ситуаций[5,8].

Симуляция - это искусство имитировать реальность. Это может быть последовательность событий и действий или мыслительный процесс. Симуляционное обучение - один из эффективных способов научиться управлять ошибками [1].

Очень важно, чтобы в ходе решения поставленной конкретной задачи были задействованы различные типы симуляционного обучения: деятельность, визуализация, прослушивание.

Цель исследования: создание аппаратно-программного комплекса (далее АПК) для 3D моделирования операционного процесса, и учебно-методические модули для системного обучения врача-хирурга методикам открытой хирургии с небольшим размером операционного поля, эндоваскулярной хирургии и эндоскопической хирургии на этапах додипломного и последипломного образования в СамГМУ на кафедре оперативной хирургии и клинической анатомии с курсом инновационных технологий.

Материалы и методы исследования. В настоящий момент в России и в мире отсутствуют прямые аналоги предлагаемого Комплекса. Непрямые аналоги Комплекса имеют ряд ограничений и не удовлетворяют ожиданиям потенциальных потребителей [4].

В настоящее время симуляторы используются для обучения и объективной оценки обучающихся во многих областях деятельности человека, предполагающих высокие риски.

В России ведутся разрозненные исследования по созданию систем 3D симуляции для различных областей науки и промышленности. И не ведутся активные научные и практическими исследованиями в направлении интегрирования систем 3D имитации, имитации физических процессов и свойств, систем обратной связи и манипуляторов, обеспечивающих двунаправленное взаимодействие оператора и моделируемой системы. Также не решается вопрос применения подобных интегрированных систем в образовании и иных отраслях.

Применение фантомного и симуляционного обучения видится как приемлемое и необходимое направление в учебном процессе. Для обеспечения высокого качества практической подготовки слушателей только наличия тренажеров недостаточно. Необходимо использование определенных педагогических технологий, обеспечивающих преемственность системы отработки и совершенствования практических навыков и подготовку к выполнению профессиональной деятельности на всех этапах обучения слушателя [3].

Внедрение современных тренажерных комплексов нового поколения, создание базовых учебных центров, плавно перекидывают мостик от имитации в клинику к реальному пациенту. Важным вопросом для организации практического обучения является качественный и быстрый обмен информацией между образовательным учреждением и работодателем, обеспечение практического занятия всеми необходимыми ресурсами, тщательная постановка задачи обучения. Классификация симуляторов основана на практическом применении и технологиях, лежащих в основе симуляции.

Типы симуляторов:

1) компьютерные манекены. В них существует возможность отменять или модифицировать заложенные модели по желанию инструктора. В таких симуляторах заложены физиологические и фармакологические компьютерные модели, автоматически реагирующие на вмешательства и лекарственные средства. Симуляторы для отработки практических умений. Данные устройства позволяют симулировать выполнение практических умений, как правило, с очень высокой механической реалистичностью, их конструируют в виде частей тела. Это симуляторы для отработки навыков фибробронхоскопии, колоноскопии, гастроскопии, лапароскопии, спинномозговой пункции, венозного доступа и др. виртуальная реальность. Для вывода информации о пациенте и другой визуальной информации используются компьютерные мониторы.

2) экранные симуляторы. Существует множество компьютерных программ, моделирующих различные клинические условия на персональных компьютерах. Модели со специфическими задачами. Данные симуляторы имеют вид анатомических зон организма, к ним относятся тренажеры для пункции вен, выполнения инъекций, манекен для базовой сердечно-легочной реанимации и др.

Преимущества обучения на манекенах, тренажерах, имитаторах:

- реалистичное обучение без риска для пациента;

- длительность учебного процесса не ограничена;

- количество повторов не ограничено;

- без первичного стресса для обучающегося;

- объективная оценка действий обучающегося.

Использование образовательных программ на основе симуляционных технологий позволяет повысить профессионализм медицинского персонала, что положительно отражается на качестве оказания экстренной медицинской помощи и ухода за пациентами.

Результаты и их обсуждение

Созданный АПК, включает в себя специализированные манипуляторы, имитирующие инструменты используемы при операциях открытой хирургии с небольшим размером операционного поля, эндоваскулярной хирургии и эндоскопической хирургии, и обеспечивающие реалистичную обратную связь. Программный комплекс, позволяющий визуализировать области человеческого тела, позволяющий имитировать физические свойства, различные ситуации и реакции тканей, органов и человеческого организма на операционные действия, и обеспечивающий поддержку обратной связи. Так же в состав АПК входят учебно-методические модули, включающие основные методики операций открытой хирургии с небольшим размером операционного поля, эндоваскулярной хирургии и эндоскопической хирургии, и позволяющие обучать врача-хирурга этим методикам, позволяющие воспроизводить различные операционные ситуации, и оценивать действия выполняемые врачом-хирургом, дополнение АПК предоставляющее возможность распространения через сеть Интернет информации по имитации новых методик и инструментария, а так же позволяющее проводить дистанционное обучение.

Создание АПК, как технической и методической основы, для качественно нового уровня подготовки врачей хирургов на этапах додипломного и последипломного образования, позволило:

- применять в обучении технологий виртуальной реальности и реалистичной обратной тактильной связи;

- создавать учебные материалы на основе современных технологий 3D моделирования и интерактивного взаимодействия;

- разработать возможности индивидуализации модели человеческого тела на основе данных о физиологии и топографии конкретного пациента;

- расширить возможности оперативного распространения новых хирургических методик в электронном виде, через сеть Интернет, включая виртуальные модели новых инструментов и операционных ситуаций [7].

Дополнительно, созданный АПК применим в качестве основы для систем обучения и повышения квалификации специалистов в иных областях, где методики требуют применения средств телеметрии и манипуляторного управления или частично фиксированного инструментария, что позволит создать манипуляторы, симулирующие необходимые органы управления, и применить платформу для 3D моделирования [6].

Отечественные прямые и непрямые аналоги АПК отсутствуют. Зарубежные прямые аналоги не производятся. Существуют частичные и непрямые аналоги, которые значительно уступают предлагаемому к разработке комплексу по функциональности.

Информация по технологиям, использованным в производстве зарубежных непрямых аналогов не доступна по причине коммерческой тайны. Но на основе экспертного анализа доступной информации и образцов сделан вывод, что доступные на рынке частичные и непрямые аналоги комплекса, практически полностью базируются на проприетарных технологиях, включая как аппаратную, так и программную составляющие.

Высокий уровень использования проприетарных технологий в составе непрямых аналогов является значительным преимуществом для комплекса, так как, закрытость проприетарных технологий делает их крайне дорогими в развитии, в результате чего, имеющиеся решения целиком или частично отстают от возможностей современных аппаратных и программных технологий, что так же делает стоимость существующей продукции конкурентов более высокой, чем стоимость комплекса.

Помимо этого, существующая продукция конкурентов сильно ограничена в возможностях расширения и не позволяет расширять учебно-методическое наполнение сторонними производителями, а так же не позволяет перевести существующую продукцию на русский язык.

Данное положение предоставляет значительные преимущества для заявленного комплекса, для разработки которого доступен целый ряд развитых технологий, применение которых позволит сделать процесс создания, производства и развития комплекса более качественным и экономически эффективным [4].

Ключевые отличия и новизна технологий применяемых для создания АПК заключаются в следующем:

- высокая детализация моделирования, достаточная для использования АПК на старших курсах вуза и для практикующих хирургов;

- возможность моделирования и отработки нештатных ситуаций, патологических особенностей пациентов, и возможность имитации новых проблем, возникающих в результате ошибочных или неаккуратных действий и в результате случайного фактора;

- реалистичный уровень качества обратной тактильной связи и без ухудшения качества обратной связи в процессе эксплуатации;

- эффективное применение для целей медицины современных аппаратных и программных технологий и стандартов по работе с аппаратным обеспечением, по виртуализации и моделированию;

- возможности по дополнению методических материалов в составе АПК;

- расширяемость АПК и возможность использовать АПК, как основу для иных систем обучения, возможность привлечь другие предприятия, учебные заведения и энтузиастов к последующему развитию АПК.

Выводы

Данная работа осуществлена в рамках реализации проекта «Создание аппаратно-программного комплекса «Виртуальный хирург» для 3D моделирования операционного процесса и учебно-методических модулей для системного обучения врача-хирурга методикам открытой хирургии с небольшим размером операционного поля, методикам эндоваскулярной хирургии и эндоскопической хирургии на этапах додипломного и последипломного образования», проект реализуется при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Таким образом, виртуальный симулятор, конечно, не подменяет традиционные формы обучения в виде лекций, просмотра видео и мультимедийных материалов, ассистенций на операциях и т.д., однако, прежде чем допустить молодого специалиста к самостоятельному выполнению операционных вмешательств, ему необходимо отрабатывать практические навыки и умения на тренажере - симуляторе.


Список использованных источников:

1. Каган И.И. Рентгеноанатомические различия венечного синуса сердца по данным прижизненной коронарной аортографии// Морфологические ведомости. - 2011. - №3. - С. 39-44.

2. Филимонов В.И. Анатомия живого человека: Руководство для врачей. - М.: Медицина. - 2006, 368 с.

3. Robert B. Trelese Anatomical Informatics// Millennial Perspectives on a Newer Frontier – 2011. - Vol.9, - №2/11. – Р. 269-278.

4. Reidenberg J.S. The new face of gross anatomy// Ana.Rec. – 2012. Vol.1, №1/35. – Р. 29-34.

5. Rosse C. Motivation and organizational principles for anatomical knowledge representation// The Digital Anatomist symbolic knowledge base. – 2009. Vol.13, №15. – Р. 103-104.

6. Russell S. Artificial intelligence: A modern approach// Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall. – 2008. Vol. 3, №1/5. – Р. 1103-1104.

7. Schenk М.Р. Going digital: Image preparation for biomedical publishing// Anat. Rec. (New Anat) . – 2010. - Vol.4, №3/5. – Р. 78-83.

8. Schwartz E.L. Computational anatomy and functional architecture of striate cortex: A spatial mapping approach to perceptual coding// Vision Res – 2008. - Vol.5, №20/5. – Р. 645-649.


03.04.2013 20:05:00