УДК 681.518 (075.32)

К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СИСТЕМ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В МОРФОЛОГИИ

© 1999 г. А. И. Гаврилов

В статье рассматривается один из возможных подходов к построению медицинских информационно-справочных систем, основанный на применении многослойных пространственных моделей объектов. В результате сопоставления целей и задач пространственного моделирования в геоинформационных системах (ГИС) и медицине (анатомии человека) выработаны рекомендации по выбору инструментальных средств, реализующих предложенный подход при разработке прикладных медицинских систем.

Перспективы развития информационных технологий в области медицины во многом определяются эффективностью применяемых средств обработки визуальной информации. Наиболее широкое распространение в настоящее время получили системы компьютерной реконструктивной томографии, компьютерной рентгенографии и системы рендеринга трехмерных графических моделей, применяемые, например, для проведения "виртуальных" операций и автоматизации диагностики в клинических исследованиях. Специализированный характер подобных систем обработки изображений не позволяет использовать их в качестве инструментального средства разработки новых приложений. Разработчики новых систем автоматизации медицинских исследований опираются в основном на универсальные среды разработки: Delphi, C++Builder и т.д. В связи с этим представляется актуальной задача адаптации известных инструментальных средств визуального моделирования, подходов к организации визуальных данных, применяемых для разработки САПР и информационных систем в других областях науки, в производстве и управлении.

Для автоматизации задач визуального моделирования в медицине разработчикам систем необходимо, как правило, решить следующие проблемы:

• Выбрать адекватную графическую модель;
• Создать атрибутивное описание объектов модели;
• Выбрать или разработать средства отображения, хранения и редактирования графических и атрибутивных данных;
• Связать в единую интегрированную модель графические объекты и их атрибутивные описания, т. е. создать "технологическую" модель, с которой будет работать создаваемая система;
• Обеспечить эффективный переход между описаниями исследуемых объектов, принятыми в предметной области, и их описаниями в "технологической" модели;
• Создать средства анализа и обработки данных, представленных в модели;
• Обеспечить ввод визуальных данных в систему, интерпретацию и вывод результатов обработки данных по модели.

Дополнительно необходимо обеспечить качество визуализации моделей, быстродействие системы, надежность хранения информации и ряд возможных специфических требований.

Создание эффективной автоматизированной системы невозможно без привлечения квалифицированных специалистов в области прикладного программирования и предметных специалистов, имеющих медицинское образование. Для разработки и внедрения новой системы требуются значительные материальные и временные затраты.

При этом необходимо обратить внимание на то, что большинство указанных проблем совмещения и манипулирования графическими и атрибутивными данными (в единой интегрированной модели) уже решено в инструментальных пакетах разработки географических информационных систем (ГИС). ГИС основана на пространственной модели, состоящей из нескольких тематических слоев. С каждым графическим объектом слоя связано собственное атрибутивное описание, хранящееся во встроенной или внешней базе данных (БД).

Инструментальная ГИС включает средства создания и редактирования новых тематических слоев, отдельных объектов, выборочной визуализации слоев, измерений и расчетов на модели, средства программирования новых аналитических задач. Решены также проблемы ввода и цифрового кодирования изображений непосредственно от первичного источника визуальных данных, проблемы векторизации растровых изображений, совмещения слоев пространственной модели в единой координатной системе, и т.д. Большинство современных ГИС имеют средства трехмерного моделирования [1].

Наиболее универсальные свойства имеют CAD-системы, например, AutoCADMap (в то же время, для своего основного назначения - ведения территориальных кадастров - они уступают по качеству пакетам ARCInfo, MGE, Mapinfo и др.).

ГИС применяются в десятках городов и регионов России. В основе ГИС - электронная карта города (рис. 1), имеющая слои наземных сооружений, подземных коммуникаций, рельефа, дорог, речной сети. В каждый слой можно вносить изменения или дополнения. На рис. 1 можно видеть окно выбора слоев для просмотра и редактирования. ГИС имеет средства анализа, позволяющие, например, определить геометрические размеры объекта или территории, выделить цветом объекты, обладающие общими (заданными в качестве параметра поиска) атрибутами. ГИС позволяют создавать электронные кадастры (земельный, градостроительный) и на их основе решать важнейшие задачи управления городом: прокладывать новые подземные коммуникации, не повреждая имеющиеся; оптимизировать транспортные потоки [2].

Рис. 1

Таким образом, инструментальный пакет ГИС практически является готовым средством разработки и управления графической векторной моделью, не обязательно топографического типа.

Слоями пространственной модели могут быть любые подсистемы сложного объекта (системы объектов), например, функциональные подсистемы организма человека.

Разработчик простой визуальной модели средствами ГИС может иметь обычную пользовательскую квалификацию (примером является появление в последние годы множества электронных планов, путеводителей, схем зданий и т.д., изготовленных учениками средних школ).

Необходимо, однако, учитывать высокую стоимость инструментального пакета ГИС, и соответственно, нецелесообразность его приобретения для разовых работ. Кроме того, адекватность средств ГИС для решения, например, задач визуализации в медицине вызывает сомнения и в связи с очевидным нерациональным использованием большинства специализированных ресурсов программных пакетов.

Оптимальным решением представляется разработка и последующее использование для решения широкого круга задач визуализации в медицине более адаптированных к предметной области инструментальных систем, заимствующих архитектурные свойства ГИС, в т.ч. общий подход к представлению пространственной модели и организации режимов поиска данных (коротко: "слой - графические объекты - связанные текстовые атрибуты"). Для реализации подобной информационной модели могут применяться и обычные средства разработки программных приложений, например, Delphi.

Такие системы в медицине могут использоваться, в частности, для создания учебных и справочных пособий, например, анатомических атласов).

Рассмотрим пример подробнее. В настоящее время широкое применение находят гипертекстовые справочники, основанные на множестве "горизонтальных" и межуровневых гиперссылок в текстовом документе, включающем также иллюстрации, гиперссылки через графические объекты (автофигуры, элементы векторного рисунка) и различные встроенные OLE-объекты (диаграммы, видеоролики, звук). Для электронного анатомического атласа более эффективна иная модель организации данных: переходы от объединяющей графической модели к просмотру атрибутивного описания представленных на ней объектов. Функциональные подсистемы организма человека могут представляться отдельными тематическими слоями, отображаемыми отдельно или совместно путем наложения векторных изображений. В процессе обучения при наведении курсора на любой графический объект на экран должно выводиться текстовое описание характеристик объекта (или запускаться параллельное приложение, имеющее вид текстового справочника). Для повышения эффективности поиска информации в системе целесообразно предусмотреть дополнительные (не только пространственные) связи объектов данных и соответствующие средства поиска.

Общая архитектура электронного анатомического атласа представлена на рис. 2.

На основе приведенной архитектуры могут быть реализованы не только простые анатомические атласы, но и более сложные медицинские системы:

• Расчетно-аналитическая система: включает дополнительные средства расчета геометрических характеристик объектов, областей изображения; средства геометрического моделирования, позволяющие анализировать и демонстрировать на экране движение крови по сосудам, распространение заражений, опухолей и другие динамические процессы.
• Система анализа рентгеновских снимков: включает развитые средства ввода и оцифровки полутоновых изображений, средства сегментации, распознавания образов и автоматической векторизации растровых объектов, дополнительные расчетно-аналитические программные модули.

Можно представить множество различных аспектов применения модели организации визуальных данных, заимствованной из инструментальных ГИС-пакетов. Несмотря на ограниченные возможности модели, разработка на ее основе инструментальных систем подготовки медицинских программных приложений (или даже непосредственное использование имеющихся в настоящее время инструментальных ГИС-пакетов) является одним из способов ускорения процесса автоматизации (информатизации) научных исследований и образовательной деятельности в области медицины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коновалова Н. В., Капралов Е. Г. Введение в ГИС. Учебное пособие. - М.: ООО "Библион", 1997. - 159 с.

2. Цветков В. Я. Геоинформационные системы и технологии. - М.: Финансы и статистика, 1998. - 287 с.

Кафедра вычислительной техники

Смоленский филиал Московского энергетического института

(Технический университет)

Поступила в редакцию 20.05.99.