Этапы разработки программы для изучения анатомии сердечно-сосудистой системы человека с функцией дополненной реальности

STAGES OF DEVELOPMENT OF AN APPLICATION FOR STUDYING ANATOMY OF HUMAN CARDIOVASCULAR SYSTEM USING AUGMENTED REALITY

Irina Sokolova

Graduate of Tver State Technical University, Russia, Tver

Olga Ivanova

doctor of medical sciences, professor, of Tver State Medical University, Russia, Tver

Dmitrii Belyakov

student of Tver State Medical University, Russia, Tver

Tatyana Belyakova

candidate of Medical Sciences, cardiologist Tver Regional Children's Hospital, Russia, Tver

Anna Denis

surgeon, Tver Regional Children's Hospital, Russia, Tver

Elisey Spirov

graduate student of Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow

Аннотация. В данной статье поэтапно описывается разработка программы для изучения анатомии сердечно-сосудистой системы человека с функцией дополненной реальности «3D атлас анатомии и физиологии сердечно-сосудистой системы человека в норме и патологии» [2, с. 26-30].

Abstract. The article describes step by step the development of an appication for studying anatomy of human cardiovascular system using augmented reality "3D anatomical and physiological atlas of human cardiovascular system in normal and pathological condition".

Ключевые слова: сердце; разработка; кардиология; компьютерная программа; 3D графика; игровой движок; кардиология; анатомия; дополненная реальность.

Keywords: cordis; development; cardiovascular system; cardiology; application software; 3D graphics; game engine; anatomy; augmented reality.

1. Разработка 3D моделей: выполнена разработка 3D моделей. В программе для работы с 3D графикой «Blender». Были смоделированы следующие 3D модели сердца:

1)   Сердце (норма), модель

2)   Аневризма сердца.

3)   Баталлов проток (артериальный проток).

4)   Коарктация аорты.

5)   Стеноз аортального клапана.

6)   Стеноз митрального клапана.

7)   Транспозиция магистральных сосудов.

8)   Тетрада Фалло.

9)   Гипертрофия левого желудочка.

10)     Дилатационная кардиомиопатия.

Используя многочисленные возможности программы для работы с 3D графикой «Blender», удалось создать 3D модели, в достаточной точности повторяющие реальное сердце в норме и при патологиях [4].

Таким образом, созданные 3D модели сердца человека можно распределить на следующие группы:

1. Сердце человека в норме: cердце (норма).

2. Врождённые пороки сердца: баталлов проток (артериальный проток), коарктация аорты, транспозиция магистральных сосудов, тетрада Фалло

3. Приобретённые пороки сердца: cтеноз аортального клапана, стеноз митрального клапана, аневризма сердца.

4. Кардиомиопатии: гипертрофия левого желудочка, дилатационная кардиомиопатия.

2. Разработка текстур и нанесение их на модели: выполнена разработка текстур и нанесение их на модели [3]. В графическом редакторе «Adobe photoshop CS6» посредством графического планшета «WACOM One CTL-671» (устройство для ввода информации созданной от руки непосредственно в компьютер) и «запечённой» текстуры из программы «Blender» (которая послужила ориентиром для области рисования), была создана новая текстура, которая в дальнейшем была наложена на 3D модель уже в программе «Blender». Затем созданные текстуры были нанесены на разработанные 3D модели сердца: 1) Сердце (норма). 2) Аневризма сердца. 3) Баталлов проток (артериальный проток). 4) Коарктация аорты. 5) Стеноз аортального клапана. 6) Стеноз митраль­ного клапана. 7) Транспозиция магистральных сосудов. 8) Тетрада Фалло. 9) Гипертрофия левого желудочка. 10) Дилатационная кардиомиопатия.

В программе «Blender» был создан материал, который позволял задать 3D модели сердца рельеф, фотореалистичное отражение света и фотореалистичный материал, похожий на реальный.

3. Разработка анимации моделей: выполнена разработка анимации моделей. В программе для работы с 3D графикой «Blender» была разработана анимация для смоделированных 3D моделей сердца: 1) Сердце (норма). 2) Аневризма сердца. 3) Баталлов проток (артери­альный проток). 4) Коарктация аорты. 5) Стеноз аортального клапана. 6) Стеноз митрального клапана. 7) Транспозиция магистральных сосудов. 8) Тетрада Фалло. 9) Гипертрофия левого желудочка. 10) Дилатационная кардиомиопатия [1].

4. Разработка приложения для операционных систем Android и Windows: Выполнена разработка приложения для операционных систем Android и Windows. В игровом движке «Unity» совместно с платформой дополненной реальности «Vuforia» были разработаны приложения для операционных систем Android и Windows. Объём программы для операционнной системы Android составил 654 MB, а для операционной системы Windows 872 MB. Технические требования для операционной системы Android: оперативная память не менее 500 мб, тактовая частота процессора не менее 330 мгц, версия Android 2.0 и выше. Для операционной системы Windows для нормальной работы достаточно ПК производства не ранее 2005 года с подключенной web-камерой не менее 2 мегапикселей. Разработанное ПО ориентирует модель в пространстве в соответствии с положением изображения. Поворот изображения отображается на положении модели. Максимально поддер­живающийся поворот, при котором изображение распознается и поверх него происходит генерация модели – 90 градусов. Размер модели привязан к размеру конечного изображения. Программа распознает изображение, имеющее до 35 % поврежденной поверхности (например, надписи поверх рисунка, исправления, блики поверхности, другие наложенные изображения и т. д.). Изображение может быть, как отпечатано на бумаге, так и располагаться на электронном носителе (телефоне, планшетном компьютере, смарт часах и т. д.), а также может быть нарисовано от руки.

5. Занесение моделей в программу: выполнено занесение моделей в программу. Разработанные 3D модели сердца с выполненными текстурами и анимацией, были занесены в программу для операционных систем Android и Windows. База данных приложений включает 76 изобра­жений, с которыми программа сопоставляет 10 разработанных 3D моделей сердца: 1) Сердце (норма). 2) Аневризма сердца. 3) Баталлов проток (артериальный проток). 4) Коарктация аорты. 5) Стеноз аортального клапана. 6) Стеноз митрального клапана. 7) Транспозиция магистральных сосудов. 8) Тетрада Фалло. 9) Гипертрофия левого желудочка. 10) Дилатационная кардиомиопатия.

6. Оптимизация программы для мобильных платформ: выполнена оптимизация программы для мобильных платформ. Для программы, разработанной для операционной системы Android, были созданы 10 низкополигональных 3D моделей сердца: 1) Сердце (норма). 2) Аневризма сердца. 3) Баталлов проток (артериальный проток). 4) Коарктация аорты. 5) Стеноз аортального клапана. 6) Стеноз митраль­ного клапана. 7) Транспозиция магистральных сосудов. 8) Тетрада Фалло. 9) Гипертрофия левого желудочка. 10) Дилатационная кардиомиопатия.

Выполненные действия позволили увеличить производительность программы для операционных систем Android и Windows на 34 %.

Выводы: Таким образом, была разработана программа для изучения анатомии сердечно-сосудистой системы человека с функцией дополненной реальности «3D атлас анатомии и физиологии сердечно-сосудистой системы человека в норме и патологии» для операционных систем Android и Windows, полностью соответствующая материалам технического задания.