Мета і постановка задачі роботи.

Метою магістерської роботи є проектування спеціалізованої комп'ютерної системи побудови тривимірної моделі щелепно–лицьової області на підставі даних СКТ та визначення анатомо-топографічних параметрів на побудованій моделі при підготовці до операції дентальної імплантації.

У ході виконання даної роботи передбачається вирішити такі завдання:

  1. Загальний аналіз предмета дослідження та постановка задачі;
  2. Огляд та аналіз існуючих систем і розробок, які пов'язані з обробкою зображень ЩЛО;
  3. Огляд, аналіз та вибір методів обробки зображень;
  4. Аналіз і вибір методів побудови тривимірної моделі;
  5. Розробка структури СКС, визначення її підсистем і функціональних вузлів;
  6. Вибір середовища розробки програмного забезпечення відповідно поставленим завданням і обраним методам;
  7. Створення СКС та її апробація в реальних умовах;
  8. Аналіз результатів, отриманих при роботі СКС.

Актуальність роботи.

Діагностика, лікування та реабілітація травм щелепно-лицьової області була і залишається однією з актуальних завдань щелепно–лицевої хірургії. Постраждалі з травмами ЧЛО складають до 25% всіх пацієнтів клінік щелепно–лицьового профіля, відзначається зростання числа тяжких ушкоджень кісток лицьового скелета, які в 10–12% випадків поєднуються з ушкодженнями інших органів і систем, досить високим залишається рівень розвитку ускладнень – до 15 – 25% [1].

В останні роки в усі сфери медицини активно впроваджуються комп'ютерні технології, покликані не замінити лікаря–клініциста, а надати в його розпорядження максимально широкий вибір інструментів для вирішення тих чи інших клінічних завдань.

У сфері щелепно–лицевої хірургії, зокрема в хірургічній стоматології, такою технологією може бути побудована за результатами спіральної комп'ютерної томографії тривимірна модель необхідної ділянки щелепно–лицьової області [2]. Маючи таку модель, лікар–клініцист має можливість більш достовірно оцінити анатомічні особливості конкретного пацієнта, локалізацію, межі та поширеність патологічного процесу, спланувати обсяг оперативного втручання, оцінити результати проведеного лікування.

Тому актуальним завданням є розробка спеціалізованої комп'ютерної системи (СКС) визначення анатомо–топографічних параметрів кістки за даними спіральної комп'ютерної томографії (СКТ), яка за отриманими даними визначатиме найбільш відповідний імплантат з бази даних і здійснювати його позиціонування в тривимірній моделі щелепно–лицьової області. Використання такої СКС дозволить найбільш повному обсязі представити межі, розміри і обсяг дефекту (деформації), спланувати хід оперативного втручання, знизити ризик виникнення післяопераційних ускладнень.

Заплановані практичні результати.

Спеціалізована комп'ютерна система, що розробляється, повинна відповідати наступним вимогам, які сформовані з урахуванням аналізу вже існуючих аналогічних систем:

  1. СКС повинна бути самостійним незалежним додатком;
  2. СКС повинна мати можливість відкриття файлів DICOM без використання конвертора;
  3. СКС повинна будувати тривимірну модель за всіма знімками масиву або виділеної ділянки щелепно–лицьової області на підставі результатів СКТ;
  4. СКС повинна будувати перетин масиву зображень на підставі зазначеної лінії перетину;
  5. СКС повинна визначати анатомо–топографічні параметри, необхідні для вибору дентального імплантату;
  6. СКС повинна мати власну базу імплантатів, яка зберігає інформацію про доступні типи дентальних імплантатів та їх параметри;
  7. СКС повинна на підставі обчислених параметрів пропонувати найбільш відповідний імплантат з наявних у базі;
  8. СКС повинна мати можливість візуальної оцінки розташування імплантату шляхом його позиціонування в передбаченому місці впровадження;
  9. СКС повинна формувати вихідний звіт у зручному для лікаря вигляді.

На підставі перелічених вимог визначаються передбачувані функціональні можливості системи і практичні результати.

Огляд існуючих систем та розробок.

1. Глобальний огляд.

SKYplanX, виробник Bredent.
Завдяки плануванню по SKYplanX повністю враховується естетика майбутньої конструкції. Зовнішній вигляд апарата наведений на рис.2.1.

Зовнішній вигляд аппарата SKYplanX
Рисунок 1 – Зовнішній вигляд аппарата SKYplanX.

Отримавши дані, зуботехнічна лабораторія приступає до виготовлення хірургічного шаблону з титановими спрямовуючими. Гіпсова модель зі скан протезом позиціонується в апараті SKYplanX згідно з отриманими даними. В скан–протезі проводиться свердління отворів, з подальшою установкою титанових гільз–спрямовуючих. Таким чином, колишній скан–протез перетворюється на хірургічний шаблон.

Далі перед проведенням оперативного втручання хірургічний шаблон примірюється в порожнині рота. Тільки після цього етапу хірург стоматолог може приступити до проведення операції.

У ході свердління хірург змінює втулки необхідного діаметра для жорсткого супроводу свердла. Імплантат також можливо встановити безпосередньо через втулку відповідного діаметру, що виключає незаплановану зміну кута введення [3].

Переваги:

  1. При відсутності в бібліотеці програми необхідного імплантату, існує можливість під час планування розробити власний дизайн;
  2. Можливість проведення імплантації малоінвазивною методикою;
  3. Безпека проведення хірургічного етапу, тому що планування проводиться з урахуванням усіх наявних анатомічних утворень (гайморові пазухи, враховується анатомія септ, наявність поліпів, обсяги кісткової тканини між порожниною пазухи і порожниною рота, канал нижньощелепного судинно–нервового пучка, розташування ментальних отворів, а також ступінь вираженості петлі каналу, положення коренів зубів, обмежуючих дефект зубного ряду);
  4. При виникненні обставин, що ускладнюють проведення якого–небудь етапу, є можливість корекції плану лікування ще на етапі планування в програмі SKYplanX;
  5. Скорочується час прийому пацієнта, тому що лікар перед хірургічним етапом має не приблизні дані, а точний план своїх дій і жорсткий хірургічний шаблон з титановими спрямовуючими, який повністю виключає незаплановану зміну напрямку введення імплантату.

Недоліки:

  1. Помилки, допущені на початкових етапах роботи (створення протеза), можна виявити лише на етапі припасування протеза в порожнині рота, що може призвести до втрати часу і фінансових витрат (роботу буде необхідно почати спочатку);
  2. Необхідність створення анатомічних відбитків і воскового прототипу;
  3. Орієнтованість на роботу з обладнанням фірми Bredent.


2. Національный огляд.

На даний момент в Україні було розроблено, за замовленням хірургів–стоматологів, програмне забезпечення під назвою KORONIDA [4]. Ця програма призначена для виявлення і зберігання донних про пошкодження лише щелепно–лицьової області, надалі є можливість зберігати всі етапи лікування.

Система KORONIDA є конструктором, за допомогою якого користувач може виявити і виділити на зображенні область інтересу. Дані в системі представлені у вигляді ланцюжка документів, що відображають всі етапи обробки. Система передбачена для роботи як одного користувача з локального комп'ютера, так і для одночасної роботи безлічі користувачів в локальній мережі.


3. Локальний огдяд.

Розробка спеціалізованої комп'ютерної системи, спрямованої на вирішення розглянутих вище завдань, описана в магістерській роботі Даниленко Т.В. Розробка СКС визначення анатомо–топографічних параметрів щелепно–лицьової області за даними СКТ на етапі планування дентальної імплантації [5]. Зовнішній вигляд системи приведений на рис. 2.

Зовнішній вигляд СКС
Рисунок 2 – Зовнішній вигляд СКС.

Розроблена СКС має такі можливості:

  1. Перегляд тегів поточного зображення DICOM;
  2. Збереження зображення у форматі JPEG;
  3. Перегляд числових характеристик зображення;
  4. Побудова поперечного перетину в місці, вказаному користувачем;
  5. Визначення висоти і ширини кістки;
  6. Видача інформації про найбільш підходящому імплантаті.

Дана СКС має наступні недоліки::

  1. Відсутня можливість визначення щільності кісткової тканини;
  2. Відсутня можливість позиціонування обраного імплантату в проблемній області;
  3. Відсутня можливість побудови тривимірної моделі щелепно–лицьової області для просторової оцінки локалізації проблемної ділянки.

Методи та алгоритми, що використовуються для вирішення поставлених завдань.

Результатом проведення операції СКТ є масив пошарових зрізів формату DICOM. Файл формату DICOM являє собою набір тегів і значень пікселів, які дозволяють провести візуалізацію зображення [6].

Для визначення необхідних параметрів (ширини і висоти кістки, а також щільності кісткової тканини) необхідно реалізувати можливість побудови перетину за всіма знімками, в передбаченому місці встановлення імплантату. Місце встановлення визначається лікарем вручну, шляхом проведення на зображенні знімка лінії перетину. У результаті побудови перетину ми отримаємо зображення, на якому необхідна ділянка щелепи буде відображена без спотворень його форми і розмірів.

Побудова перетину знімків зводиться до задачі створення зображення за проміжними лініями. Кожна лінія відповідає пікселям конкретного знімка КТ, а значення ліній між знімками (неінформативні лінії) заповнюються значеннями, що відповідають чорному кольору.

Кількість неінформативних ліній на один зріз можна розрахувати за формулою (1), виходячи з інформації (тегів), яка міститься в кожному файлі DICOM.


де К – кількість неінформативних ліній на зріз;
D – фізична відстань між зрізами (тег (0018, 0088) – Spasing Between Slices);
T – товщина одного зріза (тег (0018,0050) – Slice Thickness).

Відповідно висота отриманого зображення перетину визначається за формулою (2).


де H – висота зображення в пікселях;
z – кількість знімків, за якими будується перетин.

Ширина зображення перетину являє собою довжину проведеної лінії, яка може бути розглянута як гіпотенуза прямокутного трикутника. Тоді число пікселів в лінії визначається як максимальне із значень катетів (3).


де W – ширина зображення в пікселях;
dx, dy – число пікселів відповідних катетів в прямокутному трикутнику.

Щільність кісткової тканини визначається в області, яка відповідає місцю впровадження імплантату. Ця область може бути визначена двома способами: шляхом автоматичного виділення і, якщо результат першого способу є незадовільним, шляхом ручного виділення ділянки, що цікавить. В якості методу для автоматичного виділення використовуємо метод розростання областей з насіння [7]. Насіння відзначають об'єкти, які необхідно виділити. Області поступово розростаються, порівнюючи всі незайняті сусідні пікселі з поточною областю.

В якості міри схожості використовується різниця між яскравістю пікселя і середньою яскравістю області. Піксель з найменшою такою різницею додається у відповідну область. Процес продовжується доки всі пікселі не будуть додані в один з регіонів.

Далі здійснюється прохід по всіх пікселям, що належать інформативним лініям, всередині отриманої області та знаходиться сума їх значень. Отримана сума ділиться на число підсумованих пікселів, таким чином, знаходиться середнє арифметичне значення яскравості пікселів виділеної області.

Щільність кісткової тканини виражається в одиницях шкали Хаунсфілда [8], для переведення в яку отримане середнє значення яскравості пікселів області необхідно перерахувати за формулою (4).


де HU – значення в одиницях Хаунсфілда;
PV – середнє значення яскравості пікселів області;
Slope – (тег (0028, 1053) – Rescale Slope);
Intercept – (тег (0028, 1052) – Rescale Intercept).

Для визначення висоти і ширини кістки необхідно отримати значення проведеної користувачем лінії у фізичних одиницях довжини. Відповідно, необхідно розрахувати фізичний розмір пікселя (ширина і висота).

Висота і ширина пікселя зображення перетину у фізичних одиницях довжини можуть бути розраховані, як відношення реальної висоти / ширини побудованого зрізу масиву знімків СКТ, до числа пікселів, які використовуються для відображення висоти / ширини перетину масиву знімків (5).


де RSizePix – реальний розмір пікселя перетину (висота або ширина);
RLength – реальний розмір перетину (висота або ширина);
PixelNmb – розмір перетину в пікселях (висота або ширина).

Тоді довжина лінії, яка визначає ширину або висоту кістки розраховується за формулою:


де Length – реальна довжина проведеної лінії;
RSizeХ, RSizeY – фізична ширина і висота пікселя зображення перетину;
dx, dy – число пікселів відповідних катетів в прямокутному трикутнику.

Область побудови тривимірної моделі в просторі являє собою паралелепіпед, розташований усередині іншого, утвореного повним масивом знімків поточного обстеження пацієнта. Такий паралелепіпед задається мінімум двома прямокутниками, по одному на проекцію, які задаються за допомогою параметрів: висоти (Height), ширини (Width) і довжини (Length). Кожен з цих параметрів може бути розрахований за наступним принципом (7):


де X’– розмір відповідного ребра паралелепіпеда (довжина, ширина, висота);
Х – розмір відповідного параметра імплантату;
h – відстань, що збільшує розмір області у двох напрямках.

Ці прямокутники пов'язані між собою розміром однієї із сторін, яка є спільною гранню паралелепіпеда, а також координатами по одному з напрямів переміщення прямокутника. Відповідно зміна координати Y на горизонтальній проекції трансформується у зміну координати X на профільній проекції.

В якості алгоритму побудови тривимірної моделі використовується підхід, запропонований в роботі [9]. Для реалізації поставленого завдання алгоритм був модифікований. Так, замість побудови тривимірної моделі з фіксованими параметрами початкових даних (ширина і довжина зображення, число зображень в масиві знімків), створена модель з параметрами, що можуть бути задані. Тобто ширина і довжина області зображення, що бере участь у створенні тривимірної моделі, а також число таких зображень, задаються, виходячи із значення визначених раніше параметрів імплантації.

Результати

На даному етапі реалізовані наступні функціональні можливості програми:

  1. Відкриття файлів формату DICOM без використання зовнішнього конвертора. Є можливість відкривати і обробляти файли DICOM з параметрами 8 біт на піксель, 16 біт на піксель (зображення у градаціях сірого), а також відкривати для перегляду файли з параметром 24 біта на піксель (кольорове зображення).
  2. Перегляд значень тегів поточного зображення. Для зчитування, відображення та обробки зображення формату DICOM немає необхідності знати значення всіх тегів зображення, існує мінімальний набір тегів, достатній для вирішення поставлених завдань.
  3. Збереження файлу DICOM у форматі. PNG.
  4. Зчитування всього масиву знімків – результатів операції СКТ.
  5. Побудова перерізу додаткових проекцій області, що цікавить (фронтальної та вертикальної). Така можливість необхідна для точного завдання ділянки побудови тривимірної моделі і позиціонування імплантату (рис. 3).
    6. Приклад побудови проекцій. Анімація складається з 8 кадрів с затримкою 0,5 с між кадрами, число циклів повторення - 5. Об'єм зображення - 121 Кб
    Рисунок 3 – Приклад побудови проекцій.
    (Анімація складається з 8 кадрів с затримкою 0,5 с між кадрами, число циклів повторення – 5. Об'єм зображення – 121 Кб)
  6. Побудова довільного перетину всього масиву знімків для визначення параметрів кістки (висота і ширина кістки, щільність кісткової тканини)(рис. 4).
    7. Приклад побудови перетину
    Рисунок 4 – Приклад побудови перетину.
  7. Виділення довільної області на зображенні перетину, всередині якої будуть визначатися параметри кістки (рис. 5).
    8. Виділення області визначення параметрів
    Рисунок 5 – Виділення області визначення параметрів.
  8. Визначення висоти і ширини кістки у фізичних одиницях довжини та визначення щільності кісткової тканини в одиницях Хаунсфілда [10] всередині виділеної області кістки (рис. 6). Дані параметри використовуються для вибору типу і розмірів найбільш відповідного імплантату з бази імплантатів.
    9. Визначення висоти та ширини кістки
    Рисунок 6 – Визначення висоти та ширини кістки.
  9. Завдання розмірів області побудови тривимірної моделі на трьох проекціях рис. 7).
    10. Область побудови тривімірної моделі. Анімація складається з 5 кадрів с затримкою 0,4 с між кадрами, число циклів повторення - 7. Об'єм зображення - 129 Кб
    Рисунок 7 – Область побудови тривімірної моделі.
    (Анімація складається з 5 кадрів с затримкою 0,4 с між кадрами, число циклів повторення – 7. Об'єм зображення – 129 Кб)
  10. Підготовка масиву зображень до операції побудови тривимірної моделі, а саме: бінаризація зображень методом медіанної порогової бінаризації, виділення контуру на бінарізованних зображеннях, морфологічні операції ерозії і нарощення.
  11. Побудова тривимірної моделі заданої області з можливістю зміни масштабу відображення і обертання (рис. 8).
    12. Тривимірна модель. Анімація складається з 7 кадрів с затримкою 0,5 с між кадрами, число циклів повторення - 5. Об'єм зображення - 123 Кб
    Рисунок 8 – Тривимірна модель.
    (Анімація складається з 7 кадрів с затримкою 0,5 с між кадрами, число циклів повторення – 5. Об'єм зображення – 123 Кб)

Висновки

У даній статті сформульовані основні цілі і завдання, які вирішуються в ході розробки СКС побудови тривимірної моделі щелепно–лицьової області та визначення анатомо–топографічних параметрів імплантації. Розглянуто та проаналізовано існуючі світові і національні розробки з даної теми, виділено їх переваги і недоліки. Визначено вимоги, яким повинна відповідати СКС, що розробляється, і заплановані практичні результати.

Отриманий в результаті роботи СКС набір анатомо–топографічних параметрів (щільності, довжини і ширини кістки в місці пошкодження), використовується для найбільш точного вибору типу і розмірів дентального імплантату на етапі підготовки до хірургічного втручання.

Результат побудови тривимірної комп'ютерної моделі проблемної ділянки ЧЛО з урахуванням розмірів і локалізації імплантату візуалізує результати обробки даних пацієнта, які передаються на розгляд лікаря для подальшого використання при проведенні операції.

Важливо! При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали за темою можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Література

  1. Д.К. Калиновский, И.Н.Матрос–Таранец. Современные подходы в диагностике, лечении и реабилитации травм челюстно–лицевой области с использованием компьютерных технологий и телемедицины. Том 7, №1, 2009.
  2. Д.К. Калиновский, А.Н. Чуйко. Возможности использования современных компьютерных технологий CT/CAD/CAM в челюстно–лицевой хирургии. Український журнал телемедицини та медичної телематики. Том 9, №1, 2011.
  3. Клинический опыт применения компьютерного 3D планирования имплантации по системе SKYplanX[електроний ресурс]. – Режим доступу: http://stomatologclub.ru/implantology/2011/03/22/klinicheskiy-opyt-primeneniya-kompyuternogo-3d-planirovaniya-implantacii-po-sisteme-skyplanx.html
  4. Д.К. Калиновский, И.Н. Матрос-Таранец, А.Г. Пономаренко, О.В. Ченгарь. Український журнал телемедицини та медичної телематики. Том 6, №1, 2008
  5. K.В. Меркулова, Т.В. Даниленко. Розробка спеціалізованої компютерної системи визначення анатомо-топографічних параметрівщелепно-лицьової ділянки за даними скт, на етапі планування дентальної імплантації. Наукові праці ДонНТУ. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація - №23 (201), 2012. С. 112-118.
  6. DICOM Standard [електроний ресурс]. - Режим доступу: http://medical.nema.org/standard.html
  7. Gonzalez R. C., Woods R. E. Digital Image Processing. Prentice Hall 2002, pp. 813.
  8. Converting CT Data to Hounsfield Units [електроний ресурс]. - Режим доступу: http://www.idlcoyote.com/fileio_tips/hounsfield.html
  9. В.Г. Адамов, К.В. Меркулова, О.Л. Толстих. Моделювання тривимірних об'єктів для збільшення ефективності проведення остеосинтезу // Вестник Херсонского государственного технического университета. – Херсон: ХГТУ, 2012. – № 1(44). – С. 323–331.
  10. Hounsfield scale [електроний ресурс]. - Режим доступу:http://en.wikipedia.org/wiki/Hounsfield_scale