|
|
Автореферат к магистерской работе
1. Введение
В настоящее время в лечебных учреждениях прижизненная диагностика состояния костной ткани с точки зрения минеральной плотности осуществляется некомпьютерным методом – эталонной линейной рентгеноденситометрией (рентгенофотометрии). Оптическая плотность изображения на рентенограмме определяют с помощью микрофотометра или денситометра, то есть приборов, предназначенных для других целей и адаптированных к данным условиям работы. Такие приборы и имеют устройства, основанные на применении сложных дорогостоящих оптических систем, которые к тому же бывают громоздкими. Все это в сумме с некоторым моральным устареванием некомпьютерных методов диагностики обуславливает актуальность данной задачи.
Существенным преимуществом проектируемой СКС является отсутствие необходимости приобретения лечебным учреждением большого количества сложного и дорогостоящего оборудования. Достаточно сканеров для оцифровки рентгеновских снимков.
2. Цель и задачи работы
Цель магистерской работы – проектировать специализированную компьютерную систему для определения минеральной плотности костной ткани по рентгеновскому снимку.
Проектируемая СКС будет решать следующие задачи:
1. Первичная обработка оцифрованного изображения с целью улучшения его качества изображения (удаление артефактов, фильтрация и т.д.).
2. Распознание изображения объекта (костей).
3. Распознание изображения эталона.
4. Определение средней яркости выделенного пользователем фрагмента изображения объекта.
5. Сопоставление средней яркости фрагмента изображения объекта с яркостью изображения определенной ступени эталона.
3. Предполагаемая научная новизна и практическая ценность
Предварительная оценка новизны ожидаемых результатов говорит о преобладании практической их ценности, так ка сама суть процессов, методов и способов реализацииопределения минеральной плотности костной ткани неизменна в проектируемой СКС по отношению к существующим некомпьютерным системам, однако проектируемая СКС имеет высокую практическую ценность из-за широкого применения ренгеноскопии в травматологии, ортопедии и других отраслях медицины.
4. Обзор существующих разработок
В настоящее время в лечебных учреждениях прижизненная диагностика состояния костной ткани с точки зрения минеральной плотности осуществляется некомпьютерным методом – эталонной линейной рентгеноденситометрией (рентгенофотометрии). Оптическая плотность изображения на рентенограмме определяют с помощью микрофотометра или денситометра, то есть приборов, предназначенных для других целей и адаптированных к данным условиям работы. Эти приборы содержат сложных дорогостоящих оптических систем, которые к тому же бывают громоздкими. Все это в сумме с моральным устареванием некомпьютерных методов диагностики обуславливает актуальность данной задачи. Непосредственно в пределах Донецкой области задача пока не решена. Магистерская работа будет выполняться на базе НИИ травматологии и ортопедии г.Донецка.
В США существует и применяется система сканирования состояния опорно-двигательного аппарата DEXA-scan. Она применяется для диагностики остеопороза у женщин в период менопаузы.
Рисунок 1. Пациент во время диагностики состояния опорно-двигательного аппарата с помощью системы DEXA-scan.
Рисунок 2. Рентгенограмма левой части тазовой кости. Фиолетовым на рисунке обозначены места с пониженной минеральной плотностью костной ткани.
Рисунок 3. Диаграмма нормальной костной массы женщин разных возрастов.
Как проиллюстрировано, масса кости более низкая среди пожилых женщин. Масса кости 70-летней женщины на рисунке обозначена крестиком.
Темно-синим обозначен диапазон нормы значения костной массы относительно возраста. Светло-синим – отклонение (ниже) от нормы.
В основе системы лежит та же самая обоснованная с точки зрения медицины методика, которая является базовой для разрабатываемой мной СКС.
Отличие системы DEXA-scan от разрабатываемой мной СКС заключается в том, что DEXA-scan не использует традиционную рентгенографию, точнее не печатает привычные нам снимки на пленке. Выходные данные рентгеновского аппарата сразу поступают на аналогово-цифровой преобразователь, и в цифровом виде поступают на компьютер, где подлежат дальнейшей обработке.
5. Перечень нерешенных задач и планируемые результаты
Изучение минерального обмена в организме человека привлекает к себе внимание широкого круга специалистов в связи с участием минеральных солей в регуляции важнейших функциональных процессов.
Наиболее достоверный метод определения минеральной насыщенности костей по содержанию золы в костном веществе не позволяет прижизненно установить степень минеральной насыщенности костной ткани.
Методика, лежащая в основе существующих систем определения минеральной плотности костной ткани по рентгеновским снимкам заключается в том, что рентгеновские лучи, проникая через живую ткань, в нашем случае кость, на 95% задерживается фосфатом кальция, а в костях содержится 98 % указанного химического соединения. Следовательно, степень почернения рентгеновской пленки находится в обратной зависимости от минеральной насыщенности костной ткани.
Появление приборов с электрической регистрацией оптической плотности почернений на рентгенограммах позволило с большой точностью регистрировать даже небольшие изменения степени почернения.
При выполнении рентгеновского снимка рядом с исследуемой частью скелета на кассете помещается эталон. В результате этого, на рентгенограмме рядом с изображением костей получается изображение эталона.
Рисунок 4. Рентгеновский снимок костей кисти человека и алюминиевого ступенчатого градуированного эталона
После фотообработки рентгеновской пленки с помощью фотометра или денситометра определяется оптическая плотность изображения (мг/мм2) и исследуемого участка кости и сопоставляется с аналогичной оптической плотностью изображения градуированного эталона, который показывает плотность исследуемого объекта в мг/мм?. Отношение полученной плотности к толщине кости позволяет судить о плотности кости, то есть ее минеральной насыщенности в мг/мм3.
Использование эталона из алюминия обусловлено тем, что алюминий имеет однородный структурный состав (кость не имеет равномерной кристаллической структуры), и опытным путем было установлено, что графическое изображение эталонов из алюминия дает более равномерный, а следовательно более точный график, нежели эталоны из других материалов (кость крупного рогатого скота).
Анализируемый участок изображения объекта сопоставляется по яркости с наиболее близкими по яркости участками эталона. Заранее известно, какому участку эталона соответствует какая минеральная плотность. Одновременное «фотографирование» объекта и эталона позволяет обойти такую проблему, что объект и эталон будут запечатлены с разными погрешностями.
Входными данными проектируемой СКС являются оцифрованные рентгенограммы любого участка опорно-двигательного аппарата человека.
Выходные данные проектируемой СКС – значения средней нормированной оптической плотность изображения исследуемых участков кости.
Перед тем, как анализировать изображение, его необходимо соответствующим образом подготовить.
Контрастирование:
Слабый контраст — наиболее распространенный дефект фотографических, сканерных и телевизионных изображений, обусловленный ограниченностью диапазона воспроизводимых яркостей. Под контрастом обычно понимают разность максимального и минимального значений яркости. Путем цифровой обработки контраст можно повысить, изменяя яркость каждого элемента изображения и увеличивая диапазон яркостей. Для этого разработано несколько методов.
Можно улучшить контраст, используя нормализацию гистограммы. При этом на весь максимальный интервал уровней яркости [0, 255] растягивается не вся гистограмма, лежащая в пределах от fмин до fмакс, а её наиболее интенсивный участок (fмин', fмакс'), из рассмотрения исключаются малоинформативные "хвосты".
Целью выравнивания гистограммы (эту процедуру называют также линеаризацией и эквализацией equalization) является такое преобразование, чтобы, в идеале, все уровни яркости приобрели бы одинаковую частоту, а гистограмма яркостей отвечала бы равномерному закону распределения.
Фильтрация изображений:
Реальные изображения наряду с полезной информацией содержат различные помехи. Источниками помех являются собственные шумы фотоприемных устройств, зернистость фотоматериалов, шумы каналов связи. Наконец, возможны геометрические искажения, изображение может быть расфокусировано.
При обработке растровых изображений, которые состоят из отдельных пикселов, интегрирование заменено суммированием. Проще всего реализовать ФРТ конечных размеров в виде прямоугольной матрицы форматом N N. N может быть равным 3, 5, 7 и т.д.
Для устранения эффекта размывания контуров при подавлении шума следует переходить к нелинейной обработке. Примером нелинейного фильтра для подавления шума служит медианный фильтр. При медианной фильтрации (i,j)-му пикселу присваивается медианное значение яркости, т.е. такое значение, частота которого равна 0,5.
6. Заключение
Интеграция современных компьютерных информационных технологий в медицину способствует тому, что компьютерные системы диагностики находят широкое применение в медицине, и тем самым появляется широкий выбор вариантов автоматизации исследований.
Разрабатываемая специализированная компьютерная система для определения минеральной плотности костной ткани не создает революцию в травматологии и ортопедии. Доктора, как и прежде, будут производить рентгенографическое обследование больного, а проектируемая СКС предоставит им возможность ускорить и облегчить процесс исследования рентгенограммы.
Область применения проектируемой СКС – любое лечебное учреждение или его подразделение, специализирующиеся на травматологии, ортопедии, а также осуществляющее диагностику состояния минерального обмена (уровень осмотического давления, проведение возбуждений в нервной системе, автоматизм сердечной мышцы и т.д.) в организме человека.
7. Список литературы
1. Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т.1: Пер. с англ./Под ред. С.Уэбба. – М.: мир, 1991. – 408 с.
2. Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т.2: Пер. с англ./Под ред. С.Уэбба. – М.: мир, 1991. – 423 с.
3. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2-х томах. Т.1: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. - 312с.
4. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2-х томах. Т.2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. - 325с.
5. Пономаренко С.И. Пиксел и вектор. Принципы цифровой графики. – Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2002. – 496 с.
6. Соросовский образовательный журнал. 1996, №2. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений. Часть 1.
7. Соросовский образовательный журнал. 1996, №3. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений. Часть 2.
8. Ньюман У., Ньюман М. Минеральный обмен кости. – М.,1961.
9. Вайншенкер Г. А. Изменение степени декальцинации кости по рентгенограмме. «Ортопедия и травмотология», №2, 1967.
10. Гороховский Ю.Н., Левенберг Т.М, Общая денситометрия, М., 1963.
|