ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою “Спеціалізована комп’ютерна система обробки термомаммографічних зображень”

Зміст

Вступ

Комп’ютерна діагностика в сучасному світі є чи не найпоширенішим методом діагностики загального стану організму, а також його окремих органів і систем. Обширність сучасних проблем діагностики та лікування захворювань молочної залози визначається їх масштабністю, поширеністю і соціальною значимістю. Рак молочної залози — це досить різнорідна група злоякісних новоутворень. В залежності від виду раку, його розмірів, положення, особливостей росту, наявності метастазів і деяких інших параметрів будуть різними і тактика лікування, і прогноз захворювання.

Існує три засоби, за допомогою яких ми можемо діагностувати рак молочної залози на ранній стадії:

  1. Проведення огляду молочної залози самою жінкою.
  2. Клінічне обстеження
  3. Мамографія.

У диференціальній діагностиці контактна термографія грає важливу роль, а саме, у виявленні захворювань молочної залози і постановці попереднього діагнозу.

1. Загальна постановка задачі

Актуальність

На сьогоднішній день рак молочної залози (РМЗ) у жінок вийшов на лідируючі позиції, і є другим за смертністю після раку легень. Тому діагностика захворювань на ранній стадії дозволяє значно знизити смертність пацієнтів після лікування. Важливу роль при цьому відіграє засоби і методи діагностики, визначення їх можливостей і меж, пошук значущих елементів в мамології при масовому скринінгу [5]. У рентгенівського скринінгу відомі такі недоліки: велика кількість хибнопозитивних діагнозів, збільшення необгрунтованого числа біопсій та операцій [8‒10]. Деякі автори відзначають низьку чутливість і специфічність методу, збільшення променевого навантаження на МЗ, що само по собі може індукувати РМЗ [11].

Мета та задача

Розглянути сучасні методи обробки цифрових термографічних зображень в діагностиці раку молочної залози. Побудова моделі за даними термографії молочної залози (МЗ) і її аналіз дає додатковий критерій для діагностування захворювання без шкідливого впливу на організм пацієнта. Програмна реалізація на основі обробки термомаммографічних зображень дозволяє вирішити задачу виявлення, виділення і аналізу, значимих для постановки діагнозу об’єктів.

Об’єкт діагностики

Об’єктом дослідження є молочна залоза. Зокрема, нас цікавлять захворювання молочної залози і отримані в ході попередньої діагностики термограми такого виду, як на рис. 1.a) нижче. Термограмма — це температурна карта ділянки або всього тіла людини, яка відображається у вигляді зображення.

Зображення - Термограмма здорових МЗ Зображення - Термограмма здорових МЗ Зображення - Термограмма з РМЗ праворуч

Рисунок 1 — а) Термограмма здорових МЗ;        б) Термограмма з РМЗ праворуч.

Передбачувана наукова новизна

Новизною в даному проекті є побудова тривимірної моделі молочної залози на основі діагностичних ознак, а її аналіз дозволяє отримати додатковий критерій для постановки діагнозу. Даний метод дозволить вивести диференціальну діагностику за допомогою контактної термографії на новий рівень. Також в рамках даної роботи були визначені такі діагностичні показники, як максимальне локальне перевищення і максимальна локальна асиметрія. На їх основі ми виділяємо межі аномальних зон, як на рис. 1.б).

2. Огляд існуючих систем діагностики раку на основі термографії

Термографія базується на вимірюванні теплового інфрачервоного випромінювання тіла і дає справжню температуру тільки самого верхнього шару шкіри товщиною 2‒3 мм [4]. У медичній практиці апробовано чотири різновиди теплової діагностики: рідкокристалічна, дистанційна інфрачервона, контактна термографія та радіотермометрія.

Аналіз матеріалів щодо контактної термографії виявив її універсальність і велику ефективність у порівнянні з іншими видами диференціальної діагностики. Провідними виробниками термографів у світі є: ТОВ «ІРТІС / IRTIS» (Росія, Москва), ТОВ «Сучасні медичні технології» (Росія, Самара), Medtronic (США, Міннеаполіс), TWI (США, Ліверноіс) і в Україні — НПФ « Ультракон »(Київ), ТОВ« Фікс »(Луганськ). Системи на основі термограмм, представлені такими пристроями, як тепловізійний комп’ютерний комплекс ТВ-03К [1], Діаграф ДОТ-1, термограф контактний цифровий (ТКЦ_1), який зображений на рисунку 2. Ці системи мають подібний принцип роботи апаратного комплексу і зрозумілий інтерфейс. Найуспішнішим в цифровій обробці є ТКЦ_1, розроблений Донецьким фізико-технічним інститутом ім. А.А. Галкіна НАН України спільно з Донецькою міською клінічною лікарнею № 2 “Енергетик” для обстеження МЗ, передміхурової залози, кісток і суглобів.

Зображення - Зовнішній вигляд ТКЦ_1

Рисунок 2 — Зовнішній вигляд ТКЦ_1

Можливості спеціалізованих комп’ютерних систем (СКС) діагностики РМЗ

Перевагою СКС діагностики РМЗ на основі термографії є їх придатність до широкомасштабного скринінгу, який передбачає здатність таких пристроїв за мінімальний час і з максимальною достовірністю отримувати температурні карти потрібної ділянки тіла.

При цьому методи і пристрої діагностики представляють собою абсолютно безпечні для здоров’я, як пацієнтів, так і медичного персоналу — компактні, мобільні, прості і зручні в експлуатації комплекси.

Вони здатні забезпечувати реєстрацію малих температурних градієнтів і розподілів не тільки на шкірі, а й усередині організму [5], і повною мірою використовувати переваги диференціальної діагностики (тобто порівняння термограмм симетричних ділянок тіла) при видимій економічності.

Завдяки унікальній здатності інфрачервоної зйомки візуалізувати метаболічні процеси в грудях, при довгострокових дослідженнях спостерігалися надзвичайно ранні попереджувальні сигнали (іноді навіть за 10 років до можливого виявлення за допомогою будь-якого іншого методу). Саме це завдання можна вирішувати з допомогою отриманих аномальних інфрачервоних знімків. До того ж, він є єдиним найбільш важливим маркером високого ризику раку МЗ сьогодні та в осяжному майбутньому.

3. Огляд сучасних методів обробки термоммамографічних зображень

В області автоматизації обробки термограмм дослідження повинні бути спрямовані на вирішення наступних завдань [4]:

  1. Розширення обсягу і точності діагностичних показників і аналізу тонких властивостей термограмм.
  2. Розробка інтегральних методів оцінки термограмм.
  3. Визначення доцільності використання термографії при проведенні масових обстежень і профілактичних оглядів.
  4. Створення банку даних термограмм пацієнтів.
  5. Виділення термографічних ознак з подальшим переходом до класифікації патології та постановки діагнозу комп’ютерними методами.
  6. Побудова моделей МЗ для більш поглибленої діагностики.

Сучасні методи обробки термограмм.

Якісними характеристиками пристроїв діагностики РМЗ на основі термографії є температурні показники досліджуваної ділянки і температурні карти у вигляді зображення. Ці характеристики отримують первинну статистичну обробку. Можна виділити наступні математичні методи моделювання та обробки:

Метод Кенні можна описати таким чином:

  1. Зображення згладжується гауссовим фільтром із заданим стандартним відхиленням m для скорочення шуму.
  2. У кожній точці обчислюється градієнт form2 і напрям краю form3. Для знаходження form6 і form7 можна використовувати будь-який метод. Точки перепаду визначаються як точки локального максимуму градієнта.
  3. Точки, визначені в пункті 2, стимулюють зростання перепаду на зображенні модуля градієнта. Після цього алгоритм відстежує максимуми цих перепадів і присвоює нульове значення точкам, які не належать перепаду. В результаті на зображенні будується тонка лінія, яка показує контур. Цей процес називається немаксімальним придушенням. Потім пікселі перепаду піддаються пороговій обробці з використанням двох порогів T1 і T2, причому T1 < T2. Якщо їх величина більше T2, то вони називаються “сильними”, а пікселі, значення яких входять в інтервал [Т1, Т2], називаються “слабкими”.
  4. Алгоритм завершує з’єднання, додаючи до сильних пікселів слабкі, які 8-пов’язні з сильними [2].

4. Розрахунок діагностичних ознак і реалізація методів обробки термограмм

Найважливішу роль в діагностиці молочної залози відіграють діагностичні ознаки. Зупинимося детальніше на таких ознаках, як максимальне локальне перевищення над середньою температурою правої і лівої молочної залози та максимальна локальна асиметрія.

Перший параметр обчислюється таким чином: розраховуються середні температури локальних областей термограми, обмежених скануючою плямою вибраного розміру, і визначаються перевищення цих локальних середніх над середньою температурою залози; максимальне з цих перевищень і є значенням параметра, який заноситься у відповідну таблицю, приклад якої представлений далі. Цей параметр розраховується для п’яти розмірів скануючої плями [3]: form1 — максимальне локальне перевищення; form2, де Tav — середня температура МЗ, Tavl(i) — середня температура i-ої локальної області. Для знайденого максимального локального перевищення визначається квадрант, у якому воно розташоване, і відстань від його центру до центру соска. Якщо включений режим відображення вказівників аномальних зон, то на термограммі зона максимального локального перевищення виділяється колом, як показано на рис. 1.б).

Друга ознака обчислюється таким чином: послідовним скануванням термограми розраховуються середні температури симетричних локальних областей, обмежених скануючою плямою вибраного розміру, і визначаються різниці цих середніх. З усіх різниць вибирається найбільша для кожного з доступних п’яти розмірів скануючої плями. Модулі цих максимальних різниць виводяться в таблицю, в якій додатковий стовпець праворуч пояснює, в якій стороні розташований локальний осередок гіпертермії [3]: form3 — максимальна локальна асиметрія, де i — позиція поточної області; j — позиція симетричною в іншій МЗ.

Нижче табл. 1 представлені площі зон відхилення від середньої температури термограми для кожної із залоз, розраховані у відсотках до повної площі термограми відповідної молочної залози.

Таблиця 1. Діагностичні ознаки для локалізації зон гіпертермії

Параметр Значення, С S скануючої плями, см2 Квадрант Відстань від соска, см
Макс. локальне перевищення над середньою температурою правою МЗ
2.0
2.0
1.6
1.4
1.1
1
4
9
16
25
ниж. внутр.
ниж. внутр.
ниж. внутр.
верх. внутр.
верх. внутр.
5.1
5.4
5.1
5.0
4.3
Макс. локальне перевищення над середньою температурою лівої МЗ
1.2
0.8
0.5
0.3
0.2
1
4
9
16
25
ниж. внутр.
ниж. внутр.
ниж. внутр.
верх. внутр.
верх. внутр.
6.5
6.4
5.7
5.7
4.9
Макс. локальна асиметрія
5.4
3.9
2.7
1.9
1.5
1
4
9
16
25
ниж. внутр.
ниж. внутр.
ниж. внутр.
верх. внутр.
верх. внутр.
5.5
5.1
4.7
4.5
3.8
Л>П
Л>П
Л>П
Л>П
Л>П
Зони відхилення від середньої температури термограми: Права МЗ Ліва МЗ
Площа зони (менше ‒3.0 С) у відсотках від площі термограми МЗ 4.7 % 0.0 %
      (‒3.0…‒2.0 С) 6.8 % 0.0 %
      (‒2.0…‒1.0 С) 14.0 % 2.6 %
      (‒1.0…0.0 С) 19.5 % 50.1 %
      (0.0…1.0 С) 28.2 % 46.9 %
      (1.0…2.0 С) 26.7 % 0.4 %
      (2.0…3.0 С) 0.0 % 0.0 %
      (>3.0 С) 0.1 % 0.0 %

ЗD Візуалізація молочної залози

Важливим для діагностики молочної залози є побудова 3D моделі у вигляді півсфери молочної залози, отриманої з 2D термограми. Після отримання такої моделі стає можливим проведення з точок гіпертермії і гіпотермії, перпендикулярів довжиною, що дорівнює різниці температур в симетричній області другий МЗ, як показано на рис.  3 [7].

Зображення - Перпендикуляри, довжина яких в см еквівалентна С з таблиці

Рисунок 3 — Перпендикуляри, довжина яких в см еквівалентна С з таблиці

Джерелом тепла може бути пухлина або запалення, які мають різні геометричні розміри та форми. Безліч таких перпендикулярів візуально представляє їх вид. При цьому перпендикуляри опускаються з точок, які відповідають отриманим значенням різниці температур, тобто з поверхні моделі МЗ. Інші кінці перпендикулярів з’єднані між собою і утворюють представлену на рисунку фігуру. У разі РМЗ перпендикуляри повинні бути спрямовані в одну область (очаг гіпертермії або гіпотермії), як видно на рис. 4‒5. У разі маститу певного напряму немає, і фігура виходить великого розміру. На рис. 4 відображається можливий вигляд моделі МЗ, перший варіант в 2D поданні, другий — у вигляді об’ємного зображення. Експериментально даний метод буде досліджуватися на термограммах із заздалегідь відомим і перевіреним іншими засобами діагнозом. При позитивному результаті, передбачається поглиблене вивчення залежності напряму перпендикулярів від форми та біологічної структури тканин МЗ.

Зображення - Модель МЗ з очагом гіпертермії

Рисунок 4 — Модель МЗ з очагом гіпертермії

Анімація - Модель МЗ з очагом гіпортермії

Рисунок 5 – Модель МЗ з очагом гіпортермії
(анімація: 9 кадрів, 5 циклів повторення з затримкою між кадрами близько 0,5 сек., 207 кілобайт)

Структура спеціалізованої комп’ютерної системи

  1. На вхід системи надходять дані у вигляді термографічних карт, з показниками температури МЗ кожного датчика.
  2. В ході комп’ютерної діагностики параметри проходять первинну статичну обробку, в результаті якої формуються діагностичні ознаки.
  3. Діагностичні ознаки заносяться до протоколу і використовуються для візуалізації молочної залози і постановки діагнозу.
  4. Результат — ефективна і точна диференціальна діагностика і можливість застосування системи для масового скринінгу.

Очікувані результати спроектованої комп’ютерної системи

Висновки

В процесі дослідження розглянуті методи обчислення діагностичних ознак раку молочної залози — відхилень від норми температури та локальної асиметрії. Обумовлена необхідність для діагностики РМЗ побудова об’ємної моделі МЗ. Програмна реалізація та апробація в лікувальному закладі показала, що методи виділення областей з патологією на основі термографії є ефективними, достатньо точними і можуть з успіхом використовуватися в диференціальній діагностиці захворювань молочної залози.

Перелік посилань

  1. Ткаченко А.Ю. Клінічна термографія (огляд основних можливостей) / А.Ю. Ткаченко, М.В. Голованова, А.М. Овечкин — Нижній Новгород, 1998 р.
  2. Тітова А.Ю. Цифрова обробка зображень в мамографії. — Збірник матеріалів II Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених (Том 3). — Донецьк, 2011 р
  3. Приходченко В.В. Застосування контактного цифрового термографа ТКЦ-1 в діагностиці захворювань молочних залоз. — Керівництво для лікарів. / В.В. Приходченко, Ю.В. Думанский, О.В. Приходченко, В.А. Белошенко, В.Д. Дорошев, А.С. Карначов — Донецьк, 2007 р.
  4. Розенфельд Л.Г. Дистанційна інфрачервона термографія в онкології. Онкологія. / Л.Г. Розенфельд, Н.Н. Колотилов — 2001 г. — т. 3., № 2‒3., с. 103‒106.
  5. Белошенко В.А. Комплекс апаратури для ранньої діагностики онкологічних захворювань методом контактної цифрової термографії./ В.А. Белошенко, В.В. Приходченко, В.Д. Дорошев, А.С. Карначёв — Наука та інновації № 5. — 2007 г.
  6. Cockburn W. Nondestructive testing of humanbreast. // www.breastthermograpy.org/SRIE.htm.
  7. Тітова А.Ю. Спеціалізована комп’ютерна система обробки термоммамографіческіх зображень. — Збірник матеріалів II Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених (Том 1). — Донецьк, 2012 р.
  8. Пономарьов И.О. Медичний скринінг — проблеми, перспективи та можливості застосування в онкології / / Онкологія проблемы. — 2001. —Т. 3, № 2‒3. — c. 203‒206.
  9. Орлов О.А. Медичні та економічні аспекти мамологічних профілактичних оглядів жінок / / Казанський мед, журнал — 2001. — Т. 82, № 5. — c. 388‒391.
  10. Семіглазов В.Ф. Проміжні результати програми Росія (Санкт-Петербург) / ВООЗ по оцінці ефективності самообстеження молочних залоз / Питання онкологіі. / В.Ф. Семіглазов, В.М. Моісеєнко, С.А. Проценко и др. — 1996. — Т. 42, № 4.— c.49‒55.
  11. Skrabanek P. Shadows over screening mammography // Clin.Radiol. — 1989. — 40, № 1. — Р. 4‒5.

*На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.


На початок