Tin tức Vũ trụ TV

Giao diện 3D cung cấp mô hình lưu lượng máu toàn thân, cấp độ tế bào để nghiên cứu và điều trị bệnh tim mạch

Ngày:
Th5 18, 2020
Tóm lược:

Các kỹ sư y sinh đang phát triển một mô phỏng động lực học chất lỏng khổng lồ có thể mô hình lưu lượng máu qua hệ thống động mạch đầy đủ của con người ở độ phân giải dưới. Một trong những mục tiêu của nỗ lực là cung cấp cho các bác sĩ một hệ thống thực tế ảo có thể hướng dẫn các kế hoạch điều trị của họ bằng cách cho phép họ mô phỏng mạch máu cụ thể của bệnh nhân và dự đoán chính xác các quyết định như đặt stent, đặt ống dẫn và thay đổi hình học khác sẽ ảnh hưởng đến phẫu thuật kết quả.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Nhà khoa học nghiên cứu Harvey Shi chứng minh một giao diện thực tế ảo mới mà các bác sĩ có thể sớm sử dụng để giúp đưa ra các quyết định y tế như đặt stent trên cơ sở từng bệnh nhân.
Nhà khoa học nghiên cứu Harvey Shi chứng minh một giao diện thực tế ảo mới mà các bác sĩ có thể sớm sử dụng để giúp đưa ra các quyết định y tế như đặt stent trên cơ sở từng bệnh nhân.

Các kỹ sư y sinh tại Đại học Duke đang phát triển một mô phỏng động lực học chất lỏng khổng lồ có thể mô hình lưu lượng máu qua hệ thống động mạch đầy đủ của con người ở độ phân giải dưới. Một trong những mục tiêu của nỗ lực là cung cấp cho bác sĩ hướng dẫn trong kế hoạch điều trị bằng cách cho phép họ mô phỏng mạch máu cụ thể của bệnh nhân và dự đoán chính xác các quyết định như đặt stent, đặt ống dẫn và thay đổi hình học khác vào lưu lượng máu sẽ ảnh hưởng đến kết quả phẫu thuật.

Tuy nhiên, một trong những rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng lâm sàng là phát triển giao diện người dùng cho phép các bác sĩ lâm sàng dễ dàng khám phá các lựa chọn của họ mà không cần bất kỳ chuyên môn nào về khoa học máy tính. Như bất kỳ lập trình viên nào cũng sẽ nói với bạn, thiết kế một giao diện mượt mà, trực quan mà mọi người thuộc mọi loại hình có thể nhanh chóng làm chủ là một nhiệm vụ cao.

Trong một nghiên cứu mới được công bố vào ngày 7 tháng 5 trên Tạp chí Khoa học tính toán (Journal of Computational Science), các nhà nghiên cứu của Duke báo cáo về bước đột phá ban đầu của họ trong việc tạo ra giao diện người dùng cho công cụ mô phỏng dòng máu của họ có tên là HARVEY. Họ đã khám phá nhiều giao diện khác nhau, từ màn hình máy tính để bàn tiêu chuẩn đến trải nghiệm thực tế ảo đắm chìm và thấy rằng, trong khi người dùng có thể thoải mái sử dụng chuột và bàn phím tiêu chuẩn, một số giao diện tương lai hơn có thể nắm giữ chìa khóa để áp dụng rộng rãi.

Amanda Randles, Trợ lý Alfred Winborne và Victoria Stover Mordecai, Giáo sư Khoa học Y sinh tại Duke chia sẻ: “HARVEY hiện yêu cầu kiến ​​thức về mã hóa C và giao diện dòng lệnh, điều này thực sự hạn chế những người có thể sử dụng chương trình. Bài viết này giới thiệu một giao diện người dùng đồ họa mà chúng tôi đã phát triển có tên là Harvis, để mọi người có thể sử dụng Harvey, cho dù họ là bác sĩ phẫu thuật đang cố gắng tìm ra vị trí tốt nhất cho các nhà nghiên cứu stent hoặc y sinh học cố gắng thiết kế một loại stent hoàn toàn mới. “

Randles đã phát triển mã HARVEY trong gần một thập kỷ, bắt đầu công việc với tư cách là nghiên cứu sinh trong nhóm nghiên cứu của Efthimios Kaxiras, Giáo sư Vật lý thuần túy và ứng dụng John Hasbrouck Van Vleck tại Đại học Harvard. Trong thời gian đó, cô đã chứng minh rằng HARVEY có thể mô hình chính xác lưu lượng máu thông qua động mạch chủ dành riêng cho bệnh nhân và hình học mạch máu khác trên quy mô dài hơn. Cô cũng cho thấy chương trình có thể mô hình hóa dòng máu 3D trên quy mô của toàn bộ cơ thể con người.

Đưa HARVEY vào hoạt động, Randles đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu về điều trị stent của chứng phình động mạch não và sự phát triển của chứng phình động mạch. Cô đã tạo ra một cách nhanh chóng, không xâm lấn để kiểm tra bệnh động mạch ngoại biên và để hiểu rõ hơn cách thức các tế bào ung thư lưu hành tuân thủ các mô khác nhau. Với sự tiến bộ ổn định về khả năng tính toán của mã và chứng minh tính hữu dụng trong các ứng dụng trong thế giới thực, Randles hiện đang làm việc để đảm bảo những người khác có thể sử dụng tốt nhất các khả năng của nó.

Khi bệnh tim mạch tiếp tục là nguyên nhân gây tử vong số một ở Mỹ, khả năng cải thiện kế hoạch điều trị và kết quả vẫn là một thách thức đáng kể. Với sự trưởng thành và sẵn có của các thiết bị VR / AR, nhóm của Randles cần hiểu vai trò của các công nghệ này trong việc tương tác với dữ liệu đó. Nghiên cứu này là bước rất cần thiết để phát triển phần mềm trong tương lai để chống lại bệnh tim mạch.

Trong nghiên cứu mới, Randles và các đồng nghiệp kỹ thuật y sinh của cô, cộng tác viên nghiên cứu Harvey Shi và nghiên cứu sinh Jeff Ames, đã đưa giao diện Harvis mà họ đang phát triển vào thử nghiệm. Họ yêu cầu sinh viên y khoa và các nhà nghiên cứu y sinh mô phỏng ba tình huống khác nhau – đặt ống dẫn giữa hai mạch máu, mở rộng hoặc thu nhỏ kích thước của mạch máu hoặc đặt stent trong mạch máu. Người dùng thử nghiệm đã thử các tác vụ này bằng cách sử dụng chuột và màn hình máy tính tiêu chuẩn, thiết bị thực tế ảo bán chìm “Z-space” hoặc trải nghiệm thực tế ảo nhập vai hoàn toàn với thiết bị hiển thị HTC Vive.

Kết quả cho thấy các sinh viên và nhà nghiên cứu có thể sử dụng giao diện chuột và bàn phím tiêu chuẩn và giao diện VR hoàn toàn tương tự cũng như trong phần lớn các trường hợp cả về số lượng và chất lượng. Tuy nhiên, màn hình bán chìm, về cơ bản là một công cụ trỏ đặc biệt kết hợp với màn hình và kính 3D, xếp sau hai thiết bị còn lại, vì người dùng có một số vấn đề khi điều chỉnh thiết lập và điều khiển phần cứng độc đáo.

Nghiên cứu cũng trình bày một kiến ​​trúc thiết kế tổng quát cho các quy trình công việc mô phỏng khác, đưa ra một mô tả chi tiết về cơ sở lý luận cho thiết kế của Harvis, có thể được mở rộng cho các nền tảng tương tự.

Mặc dù nghiên cứu không tìm thấy bất kỳ sự khác biệt lớn nào giữa các giao diện nhập vai nhiều nhất và kém nhất về chất lượng và hiệu quả, Randles đã nhận thấy sự khác biệt lớn giữa phản ứng của người dùng đối với thiết bị.

“Mọi người thích giao diện 3D hơn”, Randles nói. “Và nếu họ thích nó nhiều hơn, họ có nhiều khả năng thực sự sử dụng nó. Đó cũng có thể là một cách thú vị và thú vị để khiến sinh viên tham gia vào các lớp học về hệ thống mạch máu và huyết động học.”

Randles cho biết cô có kế hoạch chạy thử nghiệm để xem giao diện dòng máu 3D của mình có thể giúp sinh viên y khoa giữ được kiến ​​thức quan trọng tốt hơn các tiêu chuẩn hiện tại hay không. Trong tương lai, các công cụ như thế này có thể hỗ trợ lập kế hoạch điều trị, chẳng hạn như vị trí đặt stent bằng giao diện thực tế ảo trực quan hơn. Randles cũng hy vọng các loại công cụ này sẽ tạo điều kiện cho nghiên cứu y sinh trong không gian dòng chảy được cá nhân hóa.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Duke . Bản gốc được viết bởi Ken Kingery. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Harvey Shi, Jeff Ames, Amanda Randles. Harvis: một công cụ thực tế ảo tương tác để sửa đổi và mô phỏng huyết động . Tạp chí khoa học tính toán , 2020; 101091 DOI: 10.1016 / j.jocs.2020.101091

Bài viết liên quan

Bài viết mới