ДонНТУ   Портал магистров

Сафонов Михаил Дмитриевич

Факультет компьютерных наук и технологий

Кафедра автоматизированных систем управления

Специальность «Информационные управляющие системы и технологии»

Система поддержки принятия решений для определения параметров и места крепления имплантата челюстно-лицевой хирургии

Научный руководитель: к.т.н., доц. Привалов Максим Владимирович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

ВВЕДЕНИЕ

В клинической практике черепно-челюстно-лицевого хирурга постоянно возникает потребность в точной и объективной информации о структуре, форме и размерах твердых и мягких тканей пациентов. Это необходимо для оценки конкретной ситуации, планирования и подготовки будущей операции. Для сбора и обработки диагностической информации в настоящее время используют рентгенографию, ангиографию, ультразвук, компьютерную и/или магнитно-резонансную томографию, а также видеограмметрические измерения (стереоскопическая съемка). Каждый из этих методов требует специальных знаний для правильной интерпретации полученной информации. Однако, даже опытный хирург, вынужден пользоваться своим воображением для того, чтобы на основе компьютерного изображения или рентгеновских снимков представить себе цельную картину патологии и принять правильное решение. Поэтому важным является вопрос преобразования диагностической информации в более удобные формы восприятия с точки зрения человека.

Также в последние годы активно внедряются новые технологии быстрого прототипирования. Лазерная стереолитография – одна из наиболее популярных. Эта технология представляет собой послойное изготовление пластиковой копии объекта по его компьютерному образу. Применение данной технологии в медицине основано на получении трёхмерной цифровой модели объекта, используя данные компьютерной или магнитно-резонансной томографии.[1]

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Лечение травм челюстно-лицевой области, а также диагностика и реабилитация остаётся одной из актуальных задач челюстно-лицевой хирургии. Согласно статистике, пострадавшие от травм челюстно-лицевой области составляют около 25% всех пациентов челюстно-лицевого профиля. Наблюдается увеличение числа тяжелых повреждений костей лицевого скелета, достаточно высоким остается процент осложнений – до 15-25%. [2] Очевидно, что возможность получения пластиковых моделей, интересующих хирурга областей, на которых планируется операция, была бы крайне полезна.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью данной работы является проектирование системы поддержки принятия решений (СППР) для построения трехмерной модели челюстно-лицевой области на основании данных СКТ и определения точек крепления имплантата-крепления при переломах.

Результаты работы СППР направлены на устранение недостатков существующих подобных систем, помощь врачу при подготовке к операции имплантации путем предоставления ему информации о возможных точках крепления имплантата.

Планируется решить следующие задачи:

1. общий анализ предмета исследования и постановка задачи;
2. обзор и анализ существующих систем и разработок, связанных с обработкой изображений челюстно-лицевой области;
3. обзор, анализ и выбор методов обработки изображений;
4. анализ и разработка подходов к определению опитимальных точек крепления имплантата;
5. анализ, выбор и разработка методов построения трехмерной модели;
6. разработка структуры СППР, определение ее подсистем и функциональных узлов;
7. выбор средств и технологий разработки системы в соответствии с поставленной задачей и выбранными методами;
8. создание СППР и ее апробация в реальных условиях;
9. анализ результатов апробации СППР.

Объектом исследования является процесс имплантации в челюстно-лицевой хирургии.

Предметом исследования является определение параметров и места крепления имплантата челюстно-лицевой хирургии.

АНАЛИЗ РАБОТ

1. Глобальный обзор

1.1 Програмное обеспечение Planmeca Romexis

Данная программа удобна для пользователя, легко усваивается при практической работе. Программное обеспечение Planmeca Romexis написано на языке программирования Java. Это позволяет ему работать в различных операционных системах (рисунок 2).

Особенности Planmeca Romexis

Большим преимуществом работы с Planmeca Promax является то, что трехмерные снимки, которые получены с использование данного ПО, могут быть рассмотрены с разных проекций. Также они могут поворачиваться, масштабироваться и разрезаться на слои. Planmeca Romexis полностью совместимым со стандартом медицинских снимков DICOM, и может сохранять результаты в этом стандарте. Результаты исследований могут записываться непосредственно на компакт-диск или на USB носитель, например, для передачи консультируя врачу. [5]

Основными недостатками программного продукта являются следующие:

1. нет возможности осуществлять выпуск ZPR файлов, подготовленных для печати на 3D принтерах Z Corp;
2. работа только с файлами полученными на оборудовании Planmeca Romexis;
3. невозможно выделить часть объекта;
4. отсутствие русскоязычного интерфейса.

1.2 Програмное обеспечение OSIRIX

Программное обеспечение OSIRIX соответствует стандарту DICOM для связи с протоколами и форматами изображений. Оно было специально разработано для анализа и визуализации многомерных изображений. Данное программное обеспечение включает в себя 2D и 3D просмотрщик, 4D просмотрщик (серии 3D снимков с временными измерениями, например: кардио-КТ) и 5D просмотрщик (серии 3D снимков с временными и функциональными измерениями, например: Кардио-PET-КТ).

3D просмотрщик предоставляет возможности рендеринга поверхности, рендеринга объема, а также мультипланарной реконструкции (МПР) и проекции максимальной интенсивности (ПМИ). [7]

Основными недостатками программного продукта являются следующие :

1. стоимость программного обеспечения;
2. работа только на операционных системах Mac и iOS;
3. отсутствие русскоязычного интерфейса.

1.3 Программное обеспечение Mimics Materialise

Mimics – это программное обеспечение, используемое для реконструкции структуры человеческого тела или его частей. Основываясь на двухмерных снимках, полученных с помощью компьютерной томографии или оборудования магнито-резонансной томографии эта программа генерирует трехмерную модель в соответствии с участком человеческого тела. После создания трехмерной DICOM модели, программа позволяет создать и STL-файл (стереолитографический) модели. [8]

Основными недостатками программного продукта являются следующие:

1. работа только с файлами полученными на оборудовании Materialise;
2. стоимость программного обеспечения.

2. Национальный обзор

На данный момент в Украине было разработано, по заказу хирургов–стоматологов, программное обеспечение под названием KORONIDA. Эта программа предназначена для обнаружения и хранения данных о повреждении только челюстно–лицевой области, в дальнейшем есть возможность хранить все этапы лечения. Система KORONIDA является конструктором, с помощью которого пользователь может выявить и выделить на изображении область интереса. Данные в системе представлены в виде цепочки документов, отражающих все этапы обработки. Система предусмотрена для работы как одного пользователя с локального компьютера, так и для одновременной работы множества пользователей в локальной сети. [6]

3. Локальный обзор

Среди магистерских работ ДонНТУ можно выделить работу Толстых А.Л. "Разработка СКС определения морфологических изменений при остеосинтезе челюсти". В этой работе описана разработка специализированной компьютерной системы, которая направлена на решение ряда задач, рассмотренных выше. Внешний вид системы приведен на рисунке 5.

Достоинства разработанной системы:

1. Построение трехмерной модели челюстно-лицевой области.
2. Обнаружение и определение наличия перелома в указанном месте.
3. Определение ширины и высоты кости в месте перелома.
4. Анализ и просмотр тегов DICOM изображения.
5. Вывод результатов обследования в понятной для врача форме.

Недостаток разработанной СКС: Производится построение модели всего черепа, а не конкретного участка перелома. В этом случае построение требует больше времени и модель получается менее детализированной. Не самый удачный вариант определения границы поверхности.

ПОСТРОЕНИЕ 3D МОДЕЛИ

Одной из решаемых в магистерской работе задач является построение трехмерной модели по данным СКТ. Для решения этой задачи выбран алгоритм "марширующие кубы". [4]

Этот алгоритм производит разбиение области пространства, содержащей исходную поверхность, на кубические ячейки и аппроксимирует пересечение исходной поверхности и каждой кубической ячейки разбиения треугольниками. Для случая синтеза изображения по плоским сечениям вершинами каждого куба будут по четыре точки на паре соседних сечений (на каждом сечении вершины образуют квадрат), расположенные как бы друг над другом (рисунок 6).

Условно процесс построения трехмерной модели можно разбить на два этапа:

1. Разбиение области G пространства R3 на конечное множество ячеек, поиск ячеек, пересекаемых искомой поверхностью.
2. Аппроксимация поверхности в найденных ячейках.[4]

Алгоритм определяет, как поверхность пересекает этот куб, затем перемещается (или марширует) к следующему кубу. Чтобы найти поверхностное пересечение в кубе, присваивается единица вершине куба, если значение данных в этой вершине превышает (или равно) значению поверхности, которая строится. Эти вершины находятся внутри (или на) поверхности. Вершины куба со значениями ниже поверхности получают нулевое значение и находятся вне поверхности. Поверхность пересекает ребра куба, где одна вершина находится вне поверхности (один), а другая находится внутри поверхности (ноль).

Поскольку существует восемь вершин в каждом кубе и два возможных значения, внутри и снаружи, есть только 2⁸= 256 способов с которыми поверхность может пересекаться с кубом. Однако, используя симметрию и вращение, эти способы можно свести к 15, представленных на рисунке 7.

Случай под номером 0 является самым простым. Он имеет место, когда все значения вершин выше (или ниже) выбранного значения, и не производит треугольников. Следующий образец, под номером 1, имеет место, когда поверхность отделяет от вершины остальные семь вершин, в результате чего получается один треугольник, образуемый тремя краевыми пересечениями. Другие случаи производят несколько треугольников. Перестановка этих 14 основных моделей с использованием комплиментарной и осевой симметрии производит 256 случаев.

Для каждого конкретного случая, исходя из состояния вершины, создается индекс. С использованием нумерации вершин на рисунке 8, получается восьмибитный индекс, содержащий один бит для каждой вершины.

Этот показатель служит указателем в таблице, которая дает все области пересечения для данной конфигурации куба. Используя данный индекс, можно сказать какой край пересекает поверхность, можно интерполировать поверхность пересечения вдоль края.

Последним шагом в алгоритме марширующих кубов является вычисление единичной нормали для каждой вершины треугольника. Поверхность постоянной плотности имеет нулевой градиент вдоль поверхности в тангенциальном направлении; следовательно, направление вектора градиента g нормально расположено к поверхности. Можно использовать этот факт для определения вектора n нормали плоскости, если величина градиента, |g| отлична от нуля. К счастью, на поверхности между двумя типами тканей различной плотности, градиент вектора равен нулю. Вектор градиента, g, является производной от функции плотности.

Для оценки вектора градиента на поверхности, сначала оценивается вектор градиента в вершине куба и линейно интерполируется градиент в точке пересечения. Градиент в вершине куба (i,j,k), оценивается с помощью центральных разностей вдоль трех осей координат:

где D (i,j,k) есть плотность на пиксель (i, j) в срезе k, а Ax, Ay, Az являются длинами ребер куба. Разделив градиент на длину получается единичная нормаль в вершине, требуемой для отрисовки. Далее следует линейная интерполяция этой нормали к точке пересечения.

Таким образом, марширующие кубы строят поверхность из трехмерного набора данных следующим образом:

1. Считывание четырех срезов в память.
2. Сканирование двух срезов и создание куба из четырех соседних на одном срезе и из четырех соседей на следующем срезе.
3. Вычисление индекса для куба путем сравнения значений плотности восьми вершин куба со значениями поверхности.
4. Используя индекс, просмотр списка ребер из таблицы.
5. Поиск области пересечения поверхности с помощью линейной интерполяции с использованием плотности в каждой вершине.
6. Вычисление единичной нормали в каждой вершине куба с использованием центральных разностей. Интерполирование нормали к каждой вершине треугольника.
7. Вывод вершин треугольника и нормалей вершин. [3]

ВЫВОД

В данной работе были собраны и изучены материалы по вопросам, связанным с темой магистерской работы.

Были выделены задачи, которые планируется решить в магистерской работе, рассмотрены аналогичные работы по данной темы и выявлены достоинства и недостатки существующих инструментальных средств для построения трехмерной модели челюстно-лицевой области. Был рассмотрен алгоритм построения трехмерной модели на основании снимков СКТ – алгоритм "марширующие кубы".

На основаниях результата анализа было выбрано направление собственных исследований в области построения трехмерных моделей имплантата и поиска оптимальных параметров крепления при переломах нижней челюсти.

ЗАМЕЧАНИЯ

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Предполагаемая дата завершения: май 2017 г. Полный текст работы, а также материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

ИСТОЧНИКИ

1. А.Л. Иванов. Использование методов компьютерного и стереолитографического биомоделирования в детской челюстно-лицевой хирургии, Москва, 2003, 14.00.21, 151с.
2. 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.
3. William E. Lorensen, Harvey E. Cline: Marching Cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm. In: Computer Graphics, Vol. 21, Nr. 4, July 1987
4. Бугров Н.В., Голубев В.И., Клименко А.С., Дижевский А.Ю., Обоймов А.С., Какауридзе Д.Г., Фролов П.В. Обзор алгоритмов триангуляции неявно заданной поверхности, MEDIAS2012 Труды Международной научной конференции, 07-14 мая 2012 г., Лимассол, Республика Кипр, Изд.ИФТИ, С.151-173, ISBN 978-5-88835-023-2
5. Planmeca Oy – Dental software – Planmeca Romexis [Электронный ресурс] – режим доступа к статье: http://www.planmeca.com/en/dental_software/planmeca_romexis
6. СПП KORONIDA: концепция, принципы работы, использова- ние в телемедицине / Д.К. Калиновский, И.Н. Матрос-Таранец, А.Г. Пономаренко, О.В. Ченгарь // Укр.ж.телемед.мед.телемат. -2008. - Т.6,№1. - С.19-24. 14.
7. Osirix Imaging Software – About Osirix[Электронный ресурс] – режим доступа к статье: http://www.osirix-viewer.com/AboutOsiriX.html
8. Materialise Mimics[Электронный ресурс] – режим доступа к статье: http://biomedical.materialise.com/mimics
9. Галанин М.П., Щеглов И.А. Разработка и реализация алгоритмов трехмерной триангуляции сложных пространственных областей: итерационные методы, Москва 2006
10. Baradeswaran.A, Joshua Selvakumar.L, Padma Priya.R, Reconstruction of Images into 3D Models using CAD Techniques, European Journal of Applied Engineering and Scientific Research, 2014, 3 (1):1-8