ДонНТУ   Портал магістрів

Кондратов Леонід Ігорович

Факультет компʼютерних наук та технологій

Кафедра автоматизованих систем управління

Спеціальність Спеціалізовані компʼютерні системи

Розробка СКС визначення морфологічних змін щелепно‑лицьової області при остеосинтезі на підставі тривимірної моделі

Науковий керівник: к. т. н., доц. Меркулова Катерина Володимирівна

Резюме Біографія Реферат

Реферат з теми випускної роботи

Зміст

• Введення
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета та задачі дослідження
• 3. Заплановані практичні результати
• 4. Огляд досліджень і розробок
• 4.1. Огляд міжнародних джерел
• 4.2. Огляд національних джерел
• 4.3. Огляд локальних джерел
• 5. Опис алгоритму, що використовується в роботі
• Підсумки
• Перелік джерел

Введення

Остеосинтез – 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 сегмента, стабілізація зони перелому до повного зрощення.

В оперативному методі лікування (остеосинтезі) має потребу близько 24% хворих з переломами нижньої щелепи. Відомо, що хірургічні методи лікування переломів з використанням різних фіксуючих конструкцій дають можливість зіставити (репонувати) і фіксувати відламані фрагменти щелепи в правильному анатомічному положенні, більш ранньому відновленні функцій нижньої щелепи, скоротити терміни лікування постраждалих.

Остеосинтез використовують у випадках, коли консервативні методи закріплення відламків не дають необхідного результату [1]:

1. Переломи щелеп в межах зубного ряду при:
• недостатньому числі стійких зубів на уламках;
• значному зміщення відламків і неможливості їх репозиції без оперативного втручання.
2. Переломи щелеп за зубним рядом зі зміщенням відламків.
3. Патологічний перелом щелепи, що виник в результаті запального або неопластичного захворювання кісткової тканини.
4. Крупно‑ і дрібноосколкові переломи тіла і гілки нижньої щелепи.
5. Дефекти тіла і гілки щелепи зі збереженням виросткового відростка.
6. Необхідність проведення остеопластики і реконструктивних операцій.

1. Актуальність теми

Нині серед оперативних методів лікування особливе місце займає чрезочаговий остеосинтез за допомогою різних систем пластин, що відноситься до найбільш стабільних видів фіксації уламків [2]. Для їх виготовлення найчастіше використовується титан, який, поряд з унікальною біосумісністю характеризується достатньою механічною міцністю.

На даний час для проведення остеосинтезу хірург використовує дані зрізів компʼютерної томографії. Від ретельності аналізу знімків залежить безпека проведення операції, а також її якість. Це обумовлює актуальність і практичну цінність магістерської роботи.

2. Мета та задачі дослідження

У ході виконання даної роботи передбачається вирішити такі завдання:

• виконати читання зображень з DICOM файлу;
• виконати побудову поперечного перетину на підставі набору зображень;
• розрахувати параметри (довжини, ширини, глибини) проблемної області щелепно‑лицьового апарату;
• виконати побудову тривимірної моделі проблемної області щелепно‑лицьового апарату;
• виконати позиціонування обраної пластини на побудованій тривимірної моделі.

3. Заплановані практичні результати

Проаналізувавши аналогічні системи, був зроблений висновок про необхідність розробки нової самостійної компʼютерної системи, яка не буде мати недоліків аналогічних систем. СКС повинна виконувати наступний перелік функцій:

• робити читання зображень безпосередньо з DICOM файлу;
• розраховувати параметри (довжину, ширину і глибину) проблемної області щелепно‑лицьового апарату;
• пропонувати відповідні титанові пластини, виходячи з розрахованих параметрів;
• формувати тривимірну модель проблемної області щелепно‑лицьового апарату з можливістю позиціонування обраної титанової пластини;
• формувати звіт у зручному для лікаря вигляді.

4. Огляд досліджень і розробок

4.1. Огляд міжнародних джерел

Програмне забезпечення NobelClinician, розробка Nobel Biocare, Швейцарія [3].

Програмне забезпечення NobelClinician надає широкі можливості діагностики і міждисциплінарної взаємодії фахівців. Воно дозволяє обʼєднати докладні клінічні дані та результати 3D‑діагностики, створюючи складне віртуальне середовище, в якому стоматолог може керувати будь‑якими параметрами, включаючи вибір методики імплантації, системи імплантатів та їх позиціонування.

Набори заданих робочих областей – включаючи проекцію ортопантомограмми (panorex), проекцію зрізів і 3D‑проекції. 3D‑модель кістки, що вибудовуються в NobelClinician, дозволяє максимально точно позиціонувати імплантати, виходячи з анатомічних особливостей пацієнта. А завдяки відображенню рентгенологічного шаблону, що виконує роль постановки зубів, можлива установка імплантатів з урахуванням ортопедичних вимог.

Віртуальне позиціонування і оцінка положення імплантатів в 3D‑проекції за допомогою посрезових зображень. Хірург має можливість планувати лікування відразу в 3D: спробувати різні варіанти розташування імплантату, вибирати найбільш відповідний тип імплантату і точно оцінювати кількість і якість доступною кістки.

Недоліки даного ПО:

• програма не призначена для планування остеосинтезу;
• відсутність російської та української мови інтерфейсу.

4.2. Обзор национальных источников

З найбільш близьких до національних джерел можна виділити розроблений в Росії програмний комплекс Implant‑Assistant [4].

Implant‑assistant® – компʼютерна 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 компʼютерної 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.

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.

4.3. Огляд локальних джерел

Розробка спеціалізованої компʼютерної системи, спрямованої на вирішення розглянутих вище завдань, описана в магістерській роботі Плахова Е. Е. Розробка СКС побудови тривимірної моделі щелепно‑лицьової області на етапі підготовки до остеосинтезу. Зовнішній вигляд системи наведено на рис. 3.

Можливості даної системи:

• відкриває файли формату DICOM;
• виконує побудову поперечного перетину;
• виконує розрахунок деяких анатомо‑топографічних параметрів кістки;
• виконує побудову тривимірної моделі проблемної області щелепно‑лицьового апарату.

Недоліком даної системи є неможливість позиціонування обраних пластин на тривимірній моделі.

5. Опис алгоритму, що використовується в роботі

Для розрахунку анатомо‑топографічних параметрів кістки необхідно знати фізичні розміри пікселів, які можна отримати з тегів формату DICOM. Спосіб отримання фізичних розмірів пікселя описано в [5].

Етап підготовки.

Перед безпосередньою роботою алгоритму пошуку кривої, що зʼєднує 2 точки (далі – Алгоритм) зображення проходить попередню обробку. На першому кроці виконується його граничне перетворення градієнтним методом. Другим кроком підготовки є видалення пустот всередині кісткової тканини, для чого до отриманого зображенню послідовно застосовуються декілька операцій дилатації (нарощення), а після – така ж кількість операцій ерозії. Третім кроком є виділення контуру на отриманому зображенні методом Робертса і формування бінарної матриці всього зображення, де значення 0 відповідає фону, а 1 – обʼєкту. І останнім, четвертим, кроком на етапі підготовки є згладжування углообразних контурів (див. рис. 4). Дана операція лише незначно вплине на точність визначення довжини кривої. Згладжування відбувається вікном 3×3 за наступним алгоритмом:

1. Виконується перевірка, чи належить центральний піксель у вікні обʼєкту. Якщо так – виконується перехід до п. 2, в іншому випадку – до п. 4.
2. Виконується перевірка, чи існує в даному вікні кутообразний контур, приклади якого наведено на рис. 4а – 4г. Якщо контур має кутообразную форму – переходимо до п.3, інакше – до п. 4.
3. Центральному пікселю вікна присвоюється значення 0.
4. Виконується зрушення вікна зліва направо і зверху вниз, доки не буде перевірено все зображення.

Етап виконання

Алгоритм передбачає інтерактивну взаємодію з користувачем на етапі завдання початкової та кінцевої точки. Наслідком цього є необхідність скорегувати обрану користувачем точку, для чого виконується пошук найближчої точки обʼєкта в деякому радіусі за формулою (1):

де p – скоригована точка;

cx, cy – координати точки, вибраної користувачем;

dx, dy – зміщення координати;

r – радіус пошуку.

При корекції точки за формулою (1) враховуються тільки ті пікселі, значення яких дорівнює 1, тобто тільки пікселі обʼєкта. Якщо в заданому радіусі немає жодної точки, яка належала б обʼєкту – корекція вважається невдалою і переходу до виконання безпосередньо самого алгоритму не відбувається.

Після того, як початкова та кінцева точка були вдало скориговані за формулою (1), починає роботу алгоритм пошуку кривої, який також працює з вікном 3×3. Послідовність роботи алгоритму може бути описана таким чином:

1. Виконується пошук пікселя обʼєкта на зображенні відповідно до матриці, представленої на рис. 5а. У матриці позначена послідовність перегляду сусідніх пікселів. Якщо піксель обʼєкта буде знайдений – виконується перехід до п. 2, а якщо не буде знайдено жодного пікселя обʼєкта – вважається, що між заданими точками не існує загального контуру і крива не може бути побудована.
2. Зберігається «напрямок», в якому було знайдено піксель обʼєкта.
3. Знаючи фізичні розміри пікселя, виконується розрахунок довжини прямій між двома точками (позиції поточного та попереднього кроку) за формулою (2). Довжина всієї кривої знаходиться за формулою (3).


де l – довжина прямої між двома точками;

dx, dy – число пікселів між двома точками;

rWidth, rHeight – фізичні розміри пікселів.



де l_i – довжина кожного сегмента кривої;

N – кількість сегментів кривої.

4. Виконується пошук наступного пікселя з пріоритетом пошуку по напрямку, збереженому в п. 2. Вибір напрямку для перевірки відбувається за формулою (4). Приклад такого пошуку наведено на рис. 5б.


де d – напрямок для перевірки;

p – напрямок, обраний на попередньому кроці;

s – крок перевірки.

5. Повторюємо пункти 2–4 до тих пір, доки не буде вибрано зворотний напрямок (це означатиме, що початкова та кінцева точки належать різним обʼєктом), або поки не буде досягнута кінцева точка.

Крім того, алгоритм допускає можливість розриву контуру довжиною в 1 піксель. Для цього передбачений наступний механізм, що розширює п. 3 алгоритму пошуку кривої:

• якщо в п. 3 алгоритму не був знайдений піксель обʼєкта – виконується один крок у напрямку, обраному в п. 2;
• проглядаються 3 пікселя в обраному напрямку. Якщо буде знайдено піксель обʼєкта – робота алгоритму буде продовжена. В іншому випадку алгоритм буде зупинений.

Приклад роботи даного механізму наведено на рис. 6.

Процес виділення контуру на поперечному перетині представлений на рис. 7, а на поздовжньому – на рис. 8

Підсумки

Для вирішення задачі визначення анатомо‑топографічних параметрів кістки (таких, як довжина і ширина) у роботі створений і описаний алгоритм пошуку кривої, що зʼєднує дві точки, на СКТ‑зображеннях формату DICOM. Параметри, визначені за допомогою даного алгоритму, використовуються на етапі підготовки різних операцій щелепно‑лицьової області (наприклад, остеосинтезу).

Це допоможе медичному персоналу розпланувати процес проведення операцій, знизити ймовірність їх неправильного проведення або виникнення ускладнень в ході їх проведення. Дослідження даного алгоритму показало його здатність до точної побудови поздовжнього і поперечного перетинів і визначенню на підставі побудованих перетинів анатомо‑топографічних параметрів кісткової тканини.

Перелік джерел

Остеосинтез челюсти, оперативные методы лечения переломов челюстей. [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://hirstom.ru.

R. C. Shultz. Facial injuries / R. C. Shultz. 3rd ed. Chicago, London, Bocaraton: Year Book Medical Publishers, 1988. 682 p.

Программный продукт NobelClinician. [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://www.nobelbiocare.ru.

Implant‑Assistant^®. [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://implant-assistant.ru.

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.

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.

Цифровая обработка 2D и 3D изображений. Учебное пособие, СПб: БХВ‑Петербург, 2011. – 608 с.

Выделение и описание контуров. [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://wiki.technicalvision.ru.