ДонНТУ   Портал магистров

Кондратов Леонид Игоревич

Факультет компьютерных наук и технологий

Кафедра автоматизированных систем управления

Специальность «Специализированные компьютерные системы»

Разработка СКС определения морфологических изменений челюстно‑лицевой области при остеосинтезе на основании трехмерной модели

Научный руководитель: к. т. н., доц. Меркулова Екатерина Владимировна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Планируемые практические результаты
• 4. Обзор исследований и разработок
• 4.1. Обзор международных источников
• 4.2. Обзор национальных источников
• 4.3. Обзор локальных источников
• 5. Описание алгоритма, используемого в работе
• Результаты
• Список источников

Введение

Остеосинтез – хирургическая репозиция костных отломков при помощи различных фиксирующих конструкций, обеспечивающих длительное устранение их подвижности. Цель остеосинтеза – обеспечение стабильной фиксации отломков в правильном положении с сохранением функциональной оси сегмента, стабилизация зоны перелома до полного сращения.

В оперативном методе лечения (остеосинтезе) нуждается около 24% больных с переломами нижней челюсти. Известно, что хирургические методы лечения переломов с использованием разных фиксирующих конструкций дают возможность сопоставить (репонировать) и фиксировать отломанные фрагменты челюсти в правильном анатомическом положении, более раннем восстановлении функций нижней челюсти, сократить сроки лечения пострадавших.

Остеосинтез используют в случаях, когда консервативные методы закрепления отломков не дают необходимого результата [1]:

1. Переломы челюстей в пределах зубного ряда при:
• недостаточном числе устойчивых зубов на отломках;
• значительном смещении отломков и невозможности их репозиции без оперативного вмешательства.
2. Переломы челюстей за зубным рядом со смещением отломков.
3. Патологический перелом челюсти, возникший в результате воспалительного или неопластического заболевания костной ткани.
4. Крупно‑ и мелкооскольчатые переломы тела и ветви нижней челюсти.
5. Дефекты тела и ветви челюсти с сохранением мыщелкового отростка.
6. Необходимость проведения остеопластики и реконструктивных операций.

1. Актуальность темы

В настоящее время среди оперативных методов лечения особое место занимает чрезочаговый остеосинтез с помощью различных систем пластин, относящийся к наиболее стабильным видам фиксации отломков [2]. Для их изготовления чаще всего используется титан, который, наряду с уникальной биосовместимостью характеризуется достаточной механической прочностью.

В данное время для проведения остеосинтеза хирург использует данные срезов компьютерной томографии. От тщательности анализа снимков зависит безопасность проведения операции, а так же ее качество. Это обуславливает актуальность и практическую ценность магистерской работы.

2. Цель и задачи исследования

В ходе выполнения данной работы предполагается решить следующие задачи:

• выполнить чтение изображений из DICOM файла;
• выполнить построение поперечного сечения на основании набора изображений;
• рассчитать параметры (длины, ширины, глубины) проблемной области челюстно‑лицевого аппарата;
• выполнить построение трехмерной модели проблемной области челюстно‑лицевого аппарата;
• выполнить позиционирование выбранной пластины на построенной трехмерной модели.

3. Планируемые практические результаты

Проанализировав аналогичные системы, был сделан вывод о необходимости разработки новой самостоятельной компьютерной системы, которая не будет иметь недостатков аналогичных систем. СКС должна выполнять следующий перечень функций:

• производить чтение изображений непосредственно из DICOM файла;
• рассчитывать параметры (длину, ширину и глубину) проблемной области челюстно‑лицевого аппарата;
• предлагать подходящие титановые пластины, исходя из рассчитанных параметров;
• формировать трехмерную модель проблемной области челюстно‑лицевого аппарата с возможностью позиционирования выбранной титановой пластины;
• формировать отчет в удобном для врача виде.

4. Обзор исследований и разработок

4.1. Обзор международных источников

Программное обеспечение NobelClinician, разработка Nobel Biocare, Швейцария [3].

Программное обеспечение NobelClinician предоставляет широкие возможности диагностики и междисциплинарного взаимодействия специалистов. Оно позволяет объединить подробные клинические данные и результаты 3D‑диагностики, создавая сложную виртуальную среду, в которой стоматолог может управлять любыми параметрами, включая выбор методики имплантации, системы имплантатов и их позиционирование.

Наборы заданных рабочих областей – включая проекцию ортопантомограммы (panorex), проекцию срезов и 3D‑проекции. 3D‑модель кости, выстраиваемая в NobelClinician, позволяет максимально точно позиционировать имплантаты, исходя из анатомических особенностей пациента. А благодаря отображению рентгенологического шаблона, выполняющего роль постановки зубов, возможна установка имплантатов с учетом ортопедических требований.

Виртуальное позиционирование и оценка положения имплантатов в 3D‑проекции при помощи посрезовых изображений. Хирург имеет возможность планировать лечение сразу в 3D: пробовать различные варианты расположения имплантата, выбирать наиболее подходящий тип имплантата и точно оценивать количество и качество доступной кости.

Недостатки данного ПО:

• Программа не предназначена для планирования остеосинтеза;
• Отсутствие русского и украинского языка интерфейса.

4.2. Обзор национальных источников

Из наиболее близких к национальным источников можно выделить разработанный в России программный комплекс Implant‑Assistant [4].

Implant‑assistant^® – компьютерная программа, предназначенная для планирования операций дентальной имплантации. Позволяет врачу получать абсолютную точность диагностики клинической ситуации и прогнозировать результаты лечения. Implant‑assistant^® предоставляет возможность оптимально подобрать и разместить імплантат в костной ткани с учетом будущей ортопедической конструкции. На основании точных анатомических данных и выверенного расположения имплантатов создается план хирургического лечения, задаются место, положение и глубина сверления отверстий под имплантаты и изготавливается хирургический или имплантологический шаблон.

Комлекс состоит из двух основных модулей: СТ‑Ассистент и Имплантат‑Ассистент. Модуль СТ‑Ассистент предназначен для подготовки данных, необходимых для планирования операций. Выходными данными для программного модуля СТ‑Ассистент является серия срезов, полученная при помощи компьютерно‑томографического исследования и представленная в виде набора файлов формата DICOM. Подготовленные данные загружаются модулем Имплантат‑Ассистент, который содержит полный набор необходимых инструментов для планирования операции. На основе данных о расположении имплантатов комплекс Имплантат‑Ассистент создает направляющие имплантологические шаблоны. Шаблон Implant‑guide^® используется врачом при операции для точной постановки имплантата в запланированное положение.

Особенности:

1. Проведение диагностики костной ткани в предусмотренном месте установки имплантата до проведения оперативного вмешательства.
2. Выбор оптимальной операционной техники в каждом клиническом случае.
3. Предоставляет возможность точного позиционирования имплантата в запланированном месте.
4. Возможность выбора ортопедических компонентов до проведения хирургического этапа.
5. Оптимальное размещение имплантата относительно будущей ортопедической конструкции.
6. Сокращение времени хирургического вмешательства.

4.3. Обзор локальных источников

Разработка специализированной компьютерной системы, направленной на решение рассмотренных выше задач, описана в магистерской работе Плаховой Е. Е. Разработка СКС построения трехмерной модели челюстно‑лицевой области на этапе подготовки к остеосинтезу. Внешний вид системы приведен на рис. 3.

Возможности данной системы:

• открывает файлы формата DICOM;
• выполняет построение поперечного сечения;
• выполняет расчет некоторых анатомо‑топографических параметров кости;
• выполняет построение трехмерной модели проблемной области челюстно‑лицевого аппарата.

Недостатком данной системы является невозможность позиционирования выбранных пластин на трехмерной модели.

5. Описание алгоритма, используемого в работе

Для расчета анатомо‑топографических параметров кости необходимо знать физические размеры пикселей, которые можно получить из тегов формата DICOM. Способ получения физических размеров пикселя описан в [5].

Этап подготовки.

Перед непосредственной работой алгоритма поиска кривой, соединяющей 2 точки (далее – Алгоритм) изображение проходит предварительную обработку. На первом шаге выполняется его пороговое преобразование градиентным методом. Вторым шагом подготовки является удаление пустот внутри костной ткани, для чего к полученному изображению последовательно применяются несколько операций дилатации (наращения), а после – такое же количество операций эрозии. Третьим шагом является выделение контура на полученном изображении методом Робертса и формирование бинарной матрицы всего изображения, где значение 0 соответствует фону, а 1 – объекту. И последним, четвертым, шагом на этапе подготовки является сглаживание углообразных контуров (см. рис. 4). Данная операция лишь незначительно отразится на точности определения длины кривой. Сглаживание происходит окном 3×3 по следующему алгоритму:

1. Выполняется проверка, принадлежит ли центральный пиксель в окне объекту. Если да – выполняется переход к п. 2, в противном случае – к п. 4.
2. Выполняется проверка, существует ли в данном окне углообразный контур, примеры которого приведены на рис. 4а–4г. Если контур имеет углообразную форму – переходим к п. 3, иначе – к п. 4.
3. Центральному пикселю окна присваивается значение 0.
4. Выполняется сдвиг окна слева направо и сверху вниз, пока не будет проверено все изображение.

Этап выполнения

Алгоритм подразумевает интерактивное взаимодействие с пользователем на этапе задания начальной и конечной точки. Следствием этого является необходимость скорректировать выбранную пользователем точку, для чего выполняется поиск ближайшей точки объекта в некотором радиусе по формуле (1):

где p – скорректированная точка;

cx, cy – координаты точки, выбранной пользователем;

dx, dy – смещение координаты;

r – радиус поиска.

При коррекции точки по формуле (1) учитываются только те пиксели, значение которых равно 1, т. е. только пиксели объекта. Если в заданном радиусе нет ни одной точки, которая принадлежала бы объекту – коррекция считается неудачной и перехода к выполнению непосредственно самого алгоритма не происходит.

После того, как начальная и конечная точка были удачно скорректированы по формуле (1), начинает работу алгоритм поиска кривой, который также работает с окном 3×3. Последовательность работы алгоритма может быть описана следующим образом:

1. Выполняется поиск пикселя объекта на изображении в соответствии с матрицей, представленной на рис. 5а. В матрице обозначена последовательность просмотра соседних пикселей. Если пиксель объекта будет найден – выполняется переход к п. 2, а если не будет найдено ни одного пикселя объекта – считается, что между заданными точками не существует общего контура и кривая не может быть построена.
2. Сохраняется «направление», в котором был найден пиксель объекта.
3. Зная физические размеры пикселя, выполняется расчет длины прямой между двумя точками (позиции текущего и предыдущего шага) по формуле (2). Длина всей кривой находится по формуле (3).


где l – длина прямой между двумя точками;

dx, dy – число пикселей между двумя точками;

rWidth, rHeight – физические размеры пикселей.



где l_i – длина каждого сегмента кривой;

N – количество сегментов кривой.

4. Выполняется поиск следующего пикселя с приоритетом поиска по направлению, сохраненному в п. 2. Выбор направления для проверки происходит по формуле (4). Пример такого поиска приведен на рис. 5б.


где d – направление для проверки;

p – направление, выбранное на предыдущем шаге;

s – шаг проверки.

5. Повторяем пункты 2‑4 до тех пор, пока не будет выбрано обратное направление (это будет означать, что начальная и конечная точки принадлежат разным объектом), либо пока не будет достигнута конечная точка.

Кроме того, алгоритм допускает возможность разрыва контура длиной в 1 пиксель. Для этого предусмотрен следующий механизм, расширяющий п. 3 алгоритма поиска кривой:

• если в п. 3 алгоритма не был найден пиксель объекта – выполняется один шаг по направлению, выбранному в п. 2;
• просматриваются 3 пикселя в выбранном направлении. Если будет найден пиксель объекта – работа алгоритма будет продолжена. В противном случае алгоритм будет остановлен.

Пример работы данного механизма приведен на рис. 6.

Процесс выделения контура на поперечном срезе представлен на рис. 7, а на продольном – на рис. 8

Результаты

Для решения задачи определения анатомо‑топографических параметров кости (таких, как длина и ширина) в работе создан и описан алгоритм поиска кривой, соединяющей две точки, на СКТ‑изображениях формата DICOM. Параметры, определенные при помощи данного алгоритма, используются на этапе подготовки различных операций челюстно‑лицевой области (например, остеосинтеза).

Это поможет медицинскому персоналу распланировать процесс проведения операций, снизить вероятность их неправильного проведения или возникновения осложнений в ходе их проведения. Исследование данного алгоритма показало его способность к точному построению продольного и поперечного сечений и определению на основании построенных сечений анатомо‑топографических параметров костной ткани.

Список источников

1. Остеосинтез челюсти, оперативные методы лечения переломов челюстей. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://hirstom.ru.
2. R. C. Shultz. Facial injuries / R. C. Shultz. 3rd ed. Chicago, London, Bocaraton: Year Book Medical Publishers, 1988. 682 p.
3. Программный продукт NobelClinician. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.nobelbiocare.ru.
4. Implant‑Assistant^®. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://implant-assistant.ru.
5. Е. В. Меркулова, С. С. Алтухов, Е. Е. Плахова. Выбор методов и алгоритмов построения трехмерной компьютерной модели проблемного участка челюстно‑лицевой области. // Вестник Херсонского государственного технического университета. – Херсон: ХГТУ, 2013. – № 1(46). – С. 132–138.
6. Е. В. Меркулова, Т. В. Даниленко. Розробка спеціалізованої компʼютерної системи визначення анатомо‑топографічних параметрів щелепно‑лицьової ділянки по даним СКТ на етапі планування дентальної імплантації // Наукові праці Донецького державного технічного університету серия «Обчислювальна техніка та автоматизація». Випуск 23 (201). – Донецьк: ДонДТУ, 2012. – С.112–118.
7. Цифровая обработка 2D и 3D изображений. Учебное пособие, СПб: БХВ‑Петербург, 2011. – 608 с.
8. Выделение и описание контуров. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://wiki.technicalvision.ru.