Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Відомо, що основним принципом лікування переломів нижньої щелепи є репозиція і надійна фіксація відламків на весь період загоєння кісткової тканини. Для цього застосовують ортопедичні і хірургічні методи фіксації відламків нижньої щелепи.

Остеосинтез — (ст.-гр. Òστεον — кістка; σúνθεσις — зчленування, з'єднання) хірургічна репозиція кісткових відламків за допомогою різних фіксуючих конструкцій, що забезпечують тривале усунення їх рухливості. Мета остеосинтезу — забезпечення стабільної фіксації відламків в правильному положенні із збереженням функціональної осі сегменту, стабілізація зони перелому до повного зрощення. Як фіксатори зазвичай використовуються штифти, цвяхи, шурупи, гвинти, спиці і так далі, що виготовляються з матеріалів, що володіють біологічною, хімічною і фізичною інертністю.

Правильний попередній підбір розміщення і параметрів титанових пластин дозволить зменшити час проведення операції остеосинтезу, а також вірогідність неправильного зрощення відламків і супутніх хірургічних ускладнень.

СКС, що розробляється, направлена на допомогу лікарю при проведенні операції остеосинтезу, а саме підвищення наочності процесу підбору титанових пластін [1] шляхом побудови тривимірної моделі щелепно-лицьової ділянки (ЩЛД), а також розрахунок необхідних для підбору анатомо-топографічніх параметрів.

1. Актуальність теми

В останні десятиліття помітна виражена тенденція до зростання випадків загального травматизму, у тому числі, і пошкоджень щелепно-лицьової області. Не дивлячись на існування безлічі способів остеосинтезу нижньої щелепи і різноманітність фіксаторів вживаних при цьому, число ускладнень таких як нагноєння кісткової рани, травматичний остеомієліт, неправильне зрощення відламків, утворення помилкових суглобів, залишається високим [1]. Одній з причин, виникнення ускладнень при лікуванні переломів нижньої щелепи є нестабільна фіксація кісткових відламків, що приводить до зсуву фрагментів і порушення анатомічної цілісності пошкодженої кісті, що приводить до зміни нормальному взаємовідношенню зубних рядів, і функції жувальних м'язів.

Вірогідність виникнення подібних проблем можна зменшити шляхом створення СКС побудови тривимірної моделі щелепно-лицьової ділянки. За наявності такої моделі лікарь має можливість точніше оцінити анатомічні параметри кожного конкретного клінічного випадку, кордони і особливості пошкодження, спланувати і оцінити результати оперативного втручання [2].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою даної роботи є проектування спеціалізованої комп'ютерної системи побудови тривимірної моделі щелепно-лицьової ділянки за даними СКТ і визначень необхідних для підготовки остеосинтезу параметрів

Спеціалізована комп'ютерна система, що розробляється, повинна:

  1. Бути самостійним повноцінним додатком;
  2. Давати можливість відкривати файли формату DICOM без попередньої їх конвертації;
  3. По масиву знімків (результатам СКТ) будувати тривимірну модель ЩЛД;
  4. Визначати анатомо-топографічні параметри для підбору титанової пластини з власної бази даних і пропонувати найбільш відповідний в даному випадку варіант;
  5. Давати можливість візуальної оцінки розміщення підібраної титанової пластини;
  6. Видавати результати проведеного обстеження і підбору в зручній для лікаря формі.

В ході виконання даної роботи передбачається вирішити наступні завдання:

  1. Загальний аналіз предмету дослідження і постановка завдання;
  2. Огляд і аналіз існуючих систем і розробок, які пов'язані з обробкою зображеній ЩЛД;
  3. Огляд, аналіз і 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 вибраним методам;
  7. Создание СКС и ее апробация в реальніх условиях;
  8. Аналіз результатів, отриманих при роботі СКС.

3. Огляд досліджень та розробок

3.1 Огляд міжнародних джерел

Програмне забезпечення Planmeca Romexis, виробник Planmeca Group, Фінляндія

Planmeca Romexis – це комплексне програмне забезпечення для здобуття, перегляду і обробки двовимірних і тривимірних ізображеній [8]. Дана програма є зручною для користувача, легко освоюється при практичній роботі. Planmeca Romexis є програмним забезпеченням, заснованим на мові Java, яке працює в різних операційних системах і включає сучасні стандарти інформаційних технологій. На додаток до універсального здобуття двовимірних зображень програмне забезпечення Planmeca Romexis надає оригінальні функції для здобуття, перегляду і обробки тривимірних зображень.

Зовнішній вигляд забезпечення

Рисунок 1 – Зовнішній вигляд забезпечення

Особливості:

  1. 3D знімки, отримані за допомогою Planmeca Romexis можуть розглядатися з різних проекцій, повертатися, масштабуватися і розтинатися на шари в режимі реального часу.
  2. Модуль імплантов Planmeca Romexis Implant пропонує бібліотеку імплантов і інструменти для точного планування установки імплантів.
  3. Модуль 3d Cross Section надає можливість перегляду поперечних зрізів, при цьому можна провести маркіровку ніжнечелюстного каналу з двох боків.
  4. Програмне забезпечення Planmeca Romexis є повністю сумісним із стандартом медичних знімків DICOM, тривимірні дослідження можуть передаватися в будь-яку іншу систему (наприклад, системи планування імплантів), яка обробляє результати досліджень у форматі DICOM.
  5. Результати 3d досліджень можуть записуватися безпосередньо на компакт-диск або на USB носій, наприклад, для передачі консультуючій лікарю.

3.2 Огляд національних джерел

З найбільш близьких до національних джерел можна виділити розроблений в Росії програмний комплекс Implant-Assistant [9].

Implant–assistant® – комп'ютерна програма, призначена для планерування операцій дентальной імплантації. Дозволяє лікарці отримувати абсолютну точність діагностики клінічної ситуації і прогнозувати результати лікування. Implant–assistant® надає можливість оптимально підібрати і розмістити імплантат у кістковій тканині з врахуванням майбутньої ортопедичної конструкції. На підставі точних анатомічних даних і вивіреного розташування імплантатів створюється план хірургічного лікування, задаються місце, положення і глибина свердління отворів під імплантати і виготовляється хірургічний або імплантологічний шаблон.

Комлекс складається з двох основних модулів: СТ–асистент і Імплантат–асистент. Модуль СТ–асистент призначений для підготовки даних, необхідних для планерування операцій. Вихідними даними для програмного модуля СТ–асистент є серія зрізів, отримана за допомогою дослідження комп'ютерної томографії і представлена у вигляді набору файлів формату DICOM. Підготовлені дані завантажуються модулем Імплантат–асистент, який містить повний набір необхідних інструментів для планерування операції. На основі даних про розташування імплантатів комплекс Імплантат–асистент створює направляючі імплантологичеськие шаблони. Шаблон Implant–guide® використовується лікаркою при операції для точної постановки імплантата в заплановане положення.

Зовнішній вигляд забезпечення

Рисунок 2 – Зовнішній вигляд забезпечення

Особливості:

  1. Проведення діагностики кісткової тканини в передбаченому місці установки імплантата до проведення оперативного втручання.
  2. Вибір оптимальної операційної техніки в кожному клінічному випадку.
  3. Надає можливість точного позиціювання імплантата в запланованому місці.
  4. Можливість вибору ортопедичних компонентів до проведення хірургічного етапу.
  5. Оптимальне розміщення імплантата відносно майбутньої ортопедичної конструкції.
  6. Скорочення часу хірургічного втручання.

3.3 Огляд локальних джерел

Розробка спеціалізованої комп'ютерної системи, направленої на вирішення розглянутих вище завдань, описана в магістерській роботі Толстих А.Л. Розробка СКС визначення морфологічних змін при остеосинтезі щелепи. Зовнішній вигляд системи приведений на рис. 3.

Зовнішній вигляд забезпечення

Рисунок 3 – Зовнішній вигляд забезпечення

Переваги розробленої системи:

  1. Отримана тривимірна модель щелепно-лицьової ділянки.
  2. Виявлення наявності перелому у вказаному лікарем місці.
  3. Визначення ширини і висоти кісті в місці перелому.
  4. Перегляд тегів поточного зображення DICOM.
  5. Видача результатів обстеження в зручній для лікаря формі.

Недолік розробленої СКС: Оскільки будується модель не конкретної ділянки перелому, а всього черепа, побудова вимагає значного часу, а модель виходить недостатньо детальною.

4. Методи обробки зображень, використовувані в магістерській роботі

По вихідному зображенню формату .dcm передбачається визначити параметри для підбору титанової пластини - довжину і ширину ділянки перелому, міру вигнутості пошкодженої поверхні челюсті[10]. Для цього необхідно провести попередню обробку вихідного зображення з метою максимального підвищення його якості.

Завдання обробки вихідного зображення можна звести до наступних етапів:

  1. Корекція яскравості і контрастності;
  2. Фільтрація;
  3. Бінарізація;
  4. Ерозія або нарощування залежно від переважання в околиці поточного пікселя пікселів фону або об'єкту;
  5. Виділення контурів.

4.1 Медіанна фільтрація

Як метод фільтрації вихідного зображення оберемо метод медіанної фільтрації, оскільки даний спосіб на відміну від лінійних методів зберігає без спотворень різкі кордони об'єктів, ефективно пригнічуючи перешкоди і малорозмірні деталі [3]. При медіанній фільтрації використовується двовимірне вікно (апертура фільтру), що зазвичай має центральну симетрію, при цьому його центр розташовується в поточній точці фільтрації.

Приклади вікон при медіанній фільтрації

Рисунок 4 – Приклади вікон при медіанній фільтрації

Позначимо робочу вибірку у вигляді одновимірного масиву Y=(y1,y2.,yn); число його елементів дорівнює розміру вікна, а їх розташування довільне. Якщо упорядкувати послідовність Y за збільшенням, то її медіаною буде той елемент вибірки, який займає центральне положення в цій впорядкованій послідовності. Отримане таким чином число і є продуктом фільтрації для поточної крапки кадру.

4.2 Медіанна порогова бінарізація

Далі обробимо відфільтроване зображення методом медіанної порогової бінаризації. Суть методу полягає в наступному: всі пікселі розділяються на два класи: “фон” (значення пікселя 0) і “об'єкт” (значення пікселя 1).

(1)

При цьому поріг f0 вибирається як середнє значення яскравості по зображенню, що оброблюється.

4.3 Ерозія та нарощування

Наступним кроком є застосування до зображення методу ерозії або нарощування залежно від переважання в околиці поточного пікселя пікселів фону або об'єкту [3]. Ерозія об'єкту приводить до заміни значень його граничних пікселів на 0. Однократне використання ерозії приводить до видалення контура зображення товщиною в 1 піксель. Дана операція дозволяє розширити тонкі лінії зображення і відокремити один об'єкт від іншого, наприклад фрагменти кістки в разі перелому.

Нарощування об'єкту приводить до заміни значень пікселів фону, що граничать з об'єктом, на 1. Однократне вживання нарощування приводить до додавання до об'єкту шаруючи завтовшки в 1 піксель. В результаті даної операції пропадають тонкі лінії фону на об'єкті.

Одиночне використання ерозії або нарощування, як правило, не надає бажаних результатів. Проте комплексне використання даних методів дозволити максимізувати ефективність кожного з них.

Застосування ерозії і нарощування

Рисунок 5 – Застосування ерозії і нарощування. а) вихідний фрагмент; б) застосування операції ерозії; в) застосування операції нарощування

4.4 Виділення контурів оператором Собеля

З метою забезпечення цілісності об'єктів виділення контуру виконується на бінарізірованном зображенні. У такому випадку місце проходження ліній контуру на зображенні однозначно, тому вибір методу виділення кордонів залежить лише від швидкості його виконання. Застосуємо до зображення оператор Собеля [11]. Оператор використовує ядра 3×3, з якими згортають вихідне зображення для обчислення наближених значень похідних по горизонталі і по вертикалі. Нехай A вихідне зображення, а G x і G y - два зображення, де кожна точка містить наближені похідні по x і по y. Вони обчислюються наступним чином::

(2)
(3)

У кожній точці зображення наближене значення величини градієнта можна обчислити за такою формулою:

(4)

Оператор Собеля заснований на згортку зображення невеликими цілочисельними фільтрами у вертикальному і горизонтальному напрямках, тому його відносно легко обчислювати. З іншого боку, використовується ним апроксимація градієнта досить груба, особливо це позначається на високочастотних коливаннях зображення.

Зовнішній вигляд зображення після виконання вищевказаних дій наведено на рис. 6.

Результат обробки (анімація: 5 кадрів, 5 повторень, 35 кілобайт)

Рисунок 6 – Результат обробки (анімація: 5 кадрів, 5 повторень, 35 кілобайт)

Висновки

У даній роботі розглянуто алгоритм дій для підвищення якості даних СКТ для визначення морфологічних змін ЧЛО на етапі підготовки до остеосинтезу. За отриманого поліпшеному зображенню надалі планується визначати параметри, необхідні для підбору титанової пластини, - довжину і ширину ділянки перелому, ступінь зігнутості пошкодженої поверхні щелепи.

СКС побудови тривимірної моделі ЩЛД, що проектується, дозволить зменшити ймовірність ускладнень від неправильного підбору фіксаторів, тому що за такою моделлю лікар має можливість більш точно оцінити анатомічні параметри кожного конкретного клінічного випадку, межі та особливості ушкодження, спланувати і оцінити результати оперативного втручання.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Набор титановых микропластин и инструментов для черепно-лицевой хирургии [Электронный ресурс] – режим доступа к статье: http://www.conmet.ru/r_chere.html
  2. Волков М.В., Гудушаури О.Н. и Ушакова О.А. Ошибки и осложнения при лечении переломов костей, М., 1979.
  3. P. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005, 1072с.
  4. Ю.Н. Косников Поверхностные модели в системах трехмерной компьютерной графики. Учебное пособие. - Пенза: Пензенский государственный университет, 2007. 60с.
  5. Робустова Т.Г., Хирургическая стоматология: Учебник. — 2-ое изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1996. — 688 с.
  6. Возможности и принципы компьютерной томографии. [Електронний ресурс] – режим доступа к статье: http://nmgazette.narod.ru/CT.htm
  7. Mimics Z [Электронный ресурс] – режим доступа к статье: http://www.zcorp.com/en/Products/3D-Software/Mimics-Z/spage.aspx
  8. Planmeca Oy – Dental software – Planmeca Romexis [Электронный ресурс] – режим доступа к статье: http://www.planmeca.com/en/dental_software/planmeca_romexis
  9. Implant-Assistant® [Электронный ресурс] – режим доступа к статье: http://implant-assistant.ru/
  10. 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.
  11. Алгоритмы выделения контуров изображений [Электронный ресурс] - режим доступа к статье: http://habrahabr.ru/post/114452/