Symulacja w czasie rzeczywistym wybranych zjawisk falowych w oparciu o technikę śledzenia promieni

Abstract

Symulatory medyczne stanowią współcześnie nieodłączny element kształcenia przyszłych kadr medycznych. Wielokrotnie potwierdzono, że trening skomplikowanych procedur medycznych z wykorzystaniem realistycznych symulatorów podnosi kwalifikacje uczących się osób. W pracy tej przedstawione zostały badania nad implementacją symulatora ultrasonografii, które pozwolą w czasie rzeczywistym na wizualizację wybranych zjawisk falowych przy użyciu techniki śledzenia promieni. Praca składa się z cyklu powiązanych tematycznie publikacji. Przedstawione w nich zostały metody reprezentacji modeli anatomicznych, trójkątowych oraz wolumetrycznych, pochodzących z tomografii komputerowej. Zaprezentowano sposób analizy i przygotowania, a następnie transformacji danych wolumetrycznych na potrzeby symulacji fal ultradźwiękowych. Następnie omówione zostały zagadnienia symulacji propagacji fali. Wykorzystując rozwiązania symulacji propagacji fali w geofizyce, opracowano algorytmy bazujące na technice śledzenia promieni, które upraszczają problem propagacji fali w tkankach z uwzględnieniem zjawisk takich jak osłabianie, ugięcie, załamanie i rewerberacja, z zachowaniem wysokiej wydajności obliczeń. W wyniku prac wspieranych przez program Doktorat Wdrożeniowy III powstały dwa symulatory, które zostały wdrożone w postaci produktów firmy Medical Simulation Technologies. Pierwszy produkt to symulator punkcji transseptalnej, w którym wykonano symulację obrazu USG serca oraz dynamiczną modyfikację tkanek w modelu wolumetrycznym. Drugi produkt opracowany został z grantu w ramach projektów szybkiego reagowania europejskiego centrum EIT Health Rapid Response w czasie pandemii SARSCOV- 2. Jest nim symulator USG płuc LUS (Lung Ultrasound Simulator), ogólnodostępny w sieci Internet. Nowadays, medical simulators are an integral part of educating future medical staff. It has been repeatedly confirmed that training in complex medical procedures using realistic simulators improves the qualifications of learners. This work presents research on the implementation of an ultrasound simulator that will allow real-time visualization of selected wave phenomena using the ray tracing technique. The work consists of a series of thematically related publications. They present methods for representing anatomical models: triangular and volumetric derived from computed tomography. A method of analyzing, preparing and then transforming volumetric data for the simulation of ultrasonic waves was presented. Then, the issues of wave propagation simulation were discussed. Using a wave simulation solutions in geophysics, algorithms have been developed based on ray tracing techniques, which simplify the problem of wave propagation in tissues, taking into account phenomena such as attenuation, refraction, diffraction and reverberation while maintaining high computational efficiency. As a result of the work supported by the Implementation Doctorate III program, two simulators were created and implemented as products from Medical Simulation Technologies. The first product is a transseptal puncture simulator in which a cardiac ultrasound image was simulated and tissues were dynamically modified in a volumetric model. The second product was developed from a grant as part of the European EIT Health Rapid Response projects, during the SARS-COV-2 pandemic. It is the LUS (Lung Ultrasound Simulator) lung ultrasound simulator, publicly available on the online platform.