.

Автоматизована оцінка стану тіл хребців (автореферат)

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2569
Скачать документ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Усик Вікторія Валеріївна

УДК 007:61+004.415

Автоматизована оцінка стану тіл хребців

Спеціальність 05.11.17 – біологічні та медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті
радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Невлюдов Ігор Шакирович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри
технології та автоматизації виробництва РЕЗ та ЕОЗ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Злепко Сергій Макарович,

завідувач кафедри проектування медико – біологічної апаратури
Вінницького національного технічного університету

кандидат технічних наук, доцент

Поворознюк Анатолій Іванович,

докторант кафедри обчислювальної техніки і програмування

Національного технічного університету “Харківський

політехнічний інститут”

Провідна організація: Національний університет „Львівська
політехніка”, Міністерство освіти і науки України, м.Львів

Захист відбудеться “__12__”____05__ 2005 р. о __13_ годині на
засіданні спеціалізованої вченої ради К 064.052.05 у Харківському
національному технічному університеті радіоелектроніки за адресою:
61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного
університету радіоелектроніки (61166, м. Харків, пр. Леніна, 14).

Автореферат розіслано “_11__”_______04_________ 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради
Мустецов М.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Одне з перших місць по захворюваності населення
займають структурно-функціональні порушення хребетних сегментів,
особливо його поперекового відділу. Однак, деякі результати
консервативного і оперативного методів лікування в ряді випадків
залишаються незадовільними. Однією з причин таких невдач є труднощі
діагностики ступеня та локалізації порушень, а також вибір адекватного
способу лікування.

Методи досліджень хребта, що використовувалися до цього часу, дозволяли
оцінювати стан усього хребта загалом і не дозволяли проводити
диференційоване дослідження різних відділів хребта, або використовували
під час вивчення хребетних сегментів рутинні ручні методи, які не дають
достатнього ступеня точності та достовірності отриманих результатів.

У зв’язку з отриманням нових даних про етіопатогенез захворювань
поперекового відділу хребта діагностика значно ускладнилася і
перетворилася в самостійну задачу, без вирішення якої неможливе подальше
поліпшення результатів лікування.

Таким чином, удосконалення діагностики, необхідне для проведення
своєчасного і адекватного лікування хворих, є актуальною задачею,
вирішення якої можливе за допомогою пошуку нових критеріїв оцінки стану
біооб’єктів, які досліджуються, а також застосуванням комп’ютерних
технологій, що дозволяють за досить короткий час одержувати точні
кількісні оцінки, які необхідні фахівцю для постановки діагнозу та
вибору адекватної лікувальної тактики.

ЗВ’ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ. Дисертаційна
робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт ІОЦ ХНУРЕ
за темою № 128-5 (номер держреєстрації 0101U001946).

МЕТОЮ РОБОТИ є розробка методу оцінки стану тіл хребців, схильних
дегенеративному процесу, та моделі тіла хребця на базі координатної
інформації, що одержана за допомогою автоматизованої системи обробки
рентгенограм поперекового відділу хребта.

Об’єктом дослідження у дисертаційній роботі є дегенеративні процеси, що
проходять в хребетному сегменті.

Предметом дослідження є рентгенівське зображення поперекового відділу
хребта, кількісні характеристики ступеня деформації форми тіл хребців та
математична модель тіла хребця.

ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ:

розробити математичну модель тіла хребця поперекового відділу хребта;

розробити критерій оцінки стану об’єктів, що досліджуються;

розробити структуру автоматизованої системи обробки рентгенограм
поперекового відділу хребта;

розробити систему технічних і програмних засобів для проведення обробки
рентгенограм поперекового відділу хребта в бічній проекції і
функціональних рентгенограм.

НАУКОВА НОВИЗНА дисертаційної роботи полягає в тому, що:

1) отримано подальший розвиток структурної моделі тіла хребця, що є
вектором ознак і що дозволяє дослідити зміну геометрії тіла хребця;

2) вперше запропоновано аналітичну модель хребця, вибрані ступеневі
многочлени, що дозволяють апроксимувати розгортку контуру тіла хребця;

3) вперше розроблено новий критерій оцінки стану тіл хребців, що
дозволяє кількісно оцінювати ступінь деформації тіл хребців (координатна
інформація про контури тіл хребців, яка отримується за допомогою
автоматизованої системи з рентгенівського знімка, перетворюється по
запропонованому алгоритму у функціональну залежність, яка дає можливість
надалі застосовувати до неї методи статистичного аналізу);

4) запропоновано новий алгоритм аналізу стану тіл хребців, який дає
можливість виявити наявність деформації, а також дослідити її характер;

5) отримано подальший розвиток алгоритмічного та програмного
забезпечення для автоматизованого аналізу рентгенограм поперекового
відділу хребта в бічній проекції, що дає можливість фахівцеві за досить
короткий час отримати необхідні для постановки діагнозу кількісні
характеристики з рентгенівського знімка.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ. Теорія математичного моделювання дозволила
сформулювати підхід до створення структурної і аналітичної моделей тіла
хребця, а методи наближених обчислень дозволили провести апроксимацію
графіків розгорток тіл хребців. Основні положення математичної
статистики дозволили довести достовірність, інформативність і практичну
значущість розробленого алгоритму перетворення координатної інформації
про контури тіл хребців у функціональну залежність, а також
запропонувати критерій оцінки стану об’єкта, що досліджується.
Системний аналіз і теорія функціональних систем дозволили визначити
вимоги до автоматизованої системи обробки рентгенограм поперекового
відділу хребта, що розробляється, і принципи її побудови.

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ полягає в тому, що автором створена автоматизована
система обробки рентгенограм поперекового відділу хребта в бічній
проекції. Автоматизована система дозволяє отримати фахівцеві як
кількісні оцінки стану об’єкта, що досліджується, так і можливість
неодноразового повернення до раніше введеної координатної інформації про
точки контурів тіл хребців і результатів аналізу. Така можливість
з’являється за рахунок створення бази даних, в якій зберігається
координатна інформація, а також результати обробки. Це, в свою чергу,
дає можливість постійного контролю за ходом поточного процесу в
сегменті, що досліджується.

Таким чином, запропоновано новий спосіб обробки даних рентгенометрії з
високою ступеню автоматизації і значним підвищенням достовірності
результатів, що отримуються за рахунок часткового зняття суб’єктивності
сприйняття початкової інформації, а саме вибору основних (опорних) точок
об’єкта при їх оцінці.

Запропоновано критерій, а також алгоритм оцінки стану тіла хребця, що
дозволяють кількісно оцінювати ступінь зміни форми тіла хребця,
схильного до захворювання, локалізувати і дослідити характер деформації,
що відбулася.

Результати роботи впроваджені та використовуються у:

– Інституті патології хребта та суглобів ім. проф. М.І.Ситенка АМН
України (акт впровадження);

– Харківському національному університеті радіоелектроніки під час
проведення лекційних та лабораторних занять (акт впровадження).

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА. Всі результати дисертації отримано автором
особисто. У роботах [8,13-19], які виконані в співавторстві, автору
належить основна ідея про необхідність створення автоматизованого
комплексу, що дозволяє обробляти рентгенограми поперекового відділу
хребта, а також практична реалізація поставленої задачі. У роботі [17]
сформульовано передумови для створення алгоритму, що дозволяє
перетворювати координатну інформацію про контури об’єктів, що
досліджуються, у функціональну залежність. У роботах [7,10,11]
запропонована параметрична модель тіла хребця, наведений аналіз
параметрів, що дозволяють оцінювати геометрію тіл хребців. У роботах
[4,6,12] запропоновано і описано алгоритм, що дозволяє перетворювати
координатну інформацію про контур тіла хребця, що отримується за
допомогою автоматизованого комплексу, у функціональну залежність,
необхідну для кількісної оцінки ступеня деформації тіл хребців. У
роботах [2,5,6] розроблені структура і програмне забезпечення
автоматизованої системи обробки рентгенограм поперекового відділу
хребта. У роботі [3,9] запропоновано і описано метод оцінки ступеня
деформації тіла хребця. У роботі [1] запропоновано та описано аналітичну
модель тіла хребця.

АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ. Основні положення дисертаційної
роботи подано на наступних конференціях: Міжнародна конференція
“International Meeting on Information Technology (МікроCAD’95)
(Мішкольц-Харків, ХДПУ, травень 1995р.); “Міжнародна конференція
Проблеми фізичної та біомедичної електроніки” (Київ, КПІ, 1995 р.);
Міжнародна конференція “Радіоелектроніка в медичній діагностиці (оцінка
функцій та стану організму)” (Москва, жовтень 1995р.); Міжнародна
конференція молодих вчених до 50-річчя інститута хірургії ім.
Вишневського О.В. (Москва, 1995р.); Міжнародна конференція
“International Meeting on Information Technology (МікроCAD’96,
МікроCAD’97, МікроCAD’98) (Мішкольц-Харків, ХДПУ, травень 1996р.,
травень 1997р., травень 1998р.); Міжнародний форум “Електроніка та
молодь у XXI віці” (Харків, ХДТУРЕ, квітень 1997р.); Міжнародна
конференція “Сучасні проблеми геометричного моделювання” (Харків,
ХДТУРЕ, 1998р.); 5 Міжнародна конференція “Теорія і техніка передачі,
прийому і обробки інформації” (Харків -Туапсе, ХДТУРЕ, жовтень 1999р.);
Міжнародна науково-технічна конференція “Наука та соціальні проблеми
суспільства: людина, техніка, технологія, навколишнє середовище
(МікроCAD’2000, МікроCAD’2001, МікроCAD’2003, МікроCAD’2004)” (Харків,
“НТУ ХПІ”, травень 2000р., травень 2001р., травень 2003р., травень
2004р.).

ПУБЛІКАЦІЇ. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 17
роботах: 7 статей в українських наукових виданнях, що входять до
переліку ВАК, 10 доповідей на науково-технічних конференціях.

СТРУКТУРА РОБОТИ ТА ЇЇ ОБСЯГ. Дисертація складається зі вступу, чотирьох
розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатка.
Повний обсяг дисертації складає 108 сторінок, 47 ілюстрацій, 8 таблиць,
5 додатків на 15 сторінках, список використаних літературних джерел з
77 найменувань на 8 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, її наукова і
практична значущість, сформульовано мету і задачі роботи, наведено її
загальні характеристики.

У першому розділі розглянуті існуючі способи і методи дослідження
хребта та його сегментів. Проведено аналіз інструментально-вимірювальних
методів, що використовуються, виявивши властиві всім методам недоліки:
високу міру трудомісткості, неможливість вивчення характеру деформації,
що відбулася в сегменті, відсутність можливості диференційно вивчати
різні відділи хребта. Крім того, результати досліджень (параметри, що
отримуються при використанні того або іншого
інструментально-вимірювального методу) відрізняються суб’єктивністю в
трактуванні і не дозволяють провести комплексну оцінку стану пацієнта.

Джерелом найбільш достовірної інформації для фахівця є рентгенографічні
методи дослідження хребта і його сегментів у різних проекціях. Однак,
рентгенівські знімки несуть якісну інформацію, а для постановки точного
діагнозу фахівцеві необхідні кількісні характеристики. В зоні враженого
сегмента хребта звертають увагу на форму і структуру вражених хребців.
Оцінюють особливості клиновидності хребців, кут нахилу клина,
довжину і висоту тіл хребців, а також проводять якісну оцінку
передньої поверхні тіл уражених хребців (рівна, втиснена,
безперервна), зміни замикаючих пластин, ознаки остеохондрозу та
нестабільності (рис. 1).

Під час дослідження хребта важлива оцінка не тільки геометрії тіла
хребців, але і розгляд декількох хребців як системи для визначення
показників, що характеризують нестабільність хребетного сегмента. Не
менш важлива оцінка стану хребетного рухового сегмента
(міжхребетного диска), оскільки саме він частіше за все схильний до
дистрофічних поразок. При певних стадіях дегенеративної зміни
міжхребетних дисків відбувається деформація тіл хребців, тому
порушення форми тіла хребця дуже часто є наслідком захворювань
міжхребетного диска. Необхідність аналізу рентгенографічних даних про
нормальні вище лежачий та нижче лежачий сегменти диктується тим, що
патологічні зміни одного з сегментів порушують рухову функцію і
сусідніх сегментів. Схема вимірювання основних рентгенологічних
показників для одного хребетного сегмента зображена на рис. 2.

Для визначення ступеня порушення рухової функції хребетного сегмента
використовується розроблена кінематична модель хребетного сегмента.
Така модель доз-воляє встановити, яким чином здійснюється рух хребців в
нормі, які основні чинники, що ведуть до порушення рухової функції
хребетного сегмента, яким чином відбувається переміщення хребців при
різних ступенях дегенерації міжхребетного диска (рис. 3).

Методика отримання рентгенографічних показників при дегенеративному
спонділолістезі зображена на рис. 4.

Для отримання кількісних характеристик за наведеними на рис. 1-4 схемами
необхідно на рентгенівському знімку визначити “базові” точки,
прорисувати контури і провести ряд вимірювань кутових і лінійних
величин, а потім зробити обчислення. Така обробка знімка відрізняється
суб’єктивністю у визначенні “базових” точок, що може призвести до
неточних діагностичних висновків, а також характеризується тривалістю
обробки знімка. Крім того, кількісні характеристики, що отримуються, не
дають можливість фахівцеві оцінити ступінь порушення форми тіл хребців.

Саме з цієї точки зору є доцільною розробка математичної моделі тіла
хребця та нових критеріїв оцінки ступеня зміни форми тіл хребців,
схильних до дегенеративного процесу, і комплексного підходу до створення
автоматизованої системи обробки результатів рентгенографічних
досліджень.

У першому розділі визначена мета даної дисертаційної роботи і
сформульовані задачі, які вирішуються в ній.

У другому розділі розглянуто етапи створення математичної моделі тіла
хребця поперекового відділу хребта. Обґрунтовано необхідність створення
структурної моделі хребця і запропоновано вектор ознак, що дозволяє
дослідити геометрію тіла хребця, а також створено аналітичну модель
хребця, що описує форму тіла хребця.

Необхідність створення моделі хребця була продиктована декількома
причинами:

– по-перше, модель хребця дозволила б підвищити точність діагностики
змін тіл хребців, що відбулися внаслідок захворювання або травми;

– по-друге, модель хребця давала б можливість прогнозу фахівцем ходу
розвитку хвороби;

– по-третє, дозволила б вивчати реакцію на лікувальні заходи, що
проводяться.

Задача створення математичної моделі тіла хребця була розбита на дві
підзадачі:

1) створення імітаційної (структурної) моделі хребця, що відображає
геометрію тіл хребців і є вектором ознак;

2) створення аналітичної моделі у вигляді алгебраїчних, диференціальних
або різницевих рівнянь, що відображають форму тіла хребця.

Аналіз літератури, а також використання геометричного підходу дозволили
побудувати схему ознак, що характеризують геометрію тіла хребця (рис.
5), а також визначити вектор ознак.

Отримано вектор ознак має такий вигляд:

},

де AB – висота тіла хребця у переднього краю;

BC – ширина тіла хребця в області верхньої замикаючої пластини;

AD – ширина тіла хребця в області нижньої замикаючої пластини;

CD – висота тіла хребця у заднього краю;

FH – висота тіла хребця в центрі;

– індекс клиновидності хребця;

– індекс тіла поперекового хребця;

– кут клиновидності хребця.

Для кожного параметра, що входить в математичну модель, визначені
обмеження, що є межами вимірювання значень змінних.

Для отримання аналітичного опису форми тіла хребця координатна
інформація про точки контуру тіла хребця була перетворена за допомогою
запропонованого у третьому розділі алгоритму у функціональну залежність.
Аналіз графіка розгортки контуру тіла хребця дозволив виділити три
області для апроксимації (рис. 6), отже використати три апроксимую-чих
многочлени. Як апроксимуючий многочлен був вибраний поліном другого
порядку (m=2) P2(x)=a0+a1x+a2x2 для кожної з частин графіка.

Для кожної з областей записується апроксимуючий многочлен і, таким
чином, система з трьох многочленів дає можливість аналітично описати
весь графік розгортки тіла хребця:

Знаходження параметрів a0, a1, a2 для кожного з многочленів
здійснюється за допомогою методу найменших квадратів.

Як початкові дані для отримання апроксимуючого многочлена використано
такі значення:

1) (?1,R1), (?2,R2), (?3,R3) для першої області графіка;

2) (?3,R3), (?4,R4), (?5,R5) для другої області графіка;

3) (?5,R5), (?6,R6), (?7,R7) для третьої області графіка.

Схема розташування координат (?i,Ri) на графіку розгортки тіла хребця
зображена на рис. 7.

На рис. 8-9 наведено графіки розгортки контурів тіл хребців, що
досліджуються, та графіки, що були одержані за допомогою аналітичної
моделі тіла хребця.

У третьому розділі обґрунтовано необхідність дослідження форми тіл
хребців, оскільки достатньо велика кількість захворювань призводить саме
до зміни форми тіл хребців. Кількісні характеристики, що отримуються за
описаними в першому розділі методами, не дають можливість вивчати зміну
форми тіла хребця. У третьому розділі роботи запропонований алгоритм, що
дозволяє перетворити координатну інформацію, що отримується з пристрою
зчитування графічної інформації, у функціональну залежність, до якої
можуть бути застосовані існуючі методи аналізу сигналів.

Суть алгоритму полягає в тому, що:

1) визначається положення геометричного центра ваги контуру;

2) проводиться розрахунок величини і положення радіусів-векторів кожної
точки контуру по відношенню до центра ваги;

3) формуються дискретні дані: величини радіусів-векторів {R},
кількість відліків N=? (кут нахилу радіуса-вектора – ? ( інтерпретується
як час t), а інтервал дискретності ?t=1с.

На рис. 10 зображена схема визначення радіусів-векторів для двох
закономірних форм – кола і прямокутника. Після визначення положення
центрів ваги фігур від горизонталь-ного рівня з кроком (10), що
вказується, відлічується кут нахилу векторів, відповідних точкам контуру
фігури.

Отримані величини використовуються для побудови розгортки лінії контуру
об’єкта в прямокутній системі координат, де по осі ? ( відкладаються
через один градус кути повороту радіусів-векторів кожної з точок
контуру), а по осі R – довжина відповідних радіусів-векторів. Отримана
для розглянутих фігур розгортка зображена на рис. 11.

Джерелом інформації для аналізу виступили рентгенограми поперекового
відділу хребта пацієнтів Інституту патології хребта і суглобів ім. проф.
М.І.Ситенка. Координатна інформація, отримана за допомогою
автоматизованої системи, є двовимірним масивом, що містить координати
(X, Y) точок контуру тіла хребця, рис. 12, графік розгортки тіла
хребця, що отримується за допомогою запропонованого алгоритму,
зображений на рис. 13.

Як критерій кількісної оцінки ступеня деформації форми тіла хребця був
вибраний парний коефіцієнт кореляції.

Був проведений порівняльний аналіз розгортки хребця, що досліджується,
і розгортки здорового хребця з отриманням коефіцієнта rxy1 (рис. 14).

Для більш детального дослідження розгортки контурів тіл хребців були
поділені на три області (рис. 15), які відповідали верхній замикаючій
пластині, торцю хребця і нижній замикаючій пластині та проводився
порівняльний аналіз частин з відповідними частинами здорового тіла
хребця (коефіцієнти кореляції rxy2, rxy3, rxy4).

Сплощення замикаючих пластин або торця хребця, що спостерігається при
деяких захворюваннях, дозволило по опорних точках побудувати деяку
трапецію або прямокутник (рис. 16).

Проводилися порівняння всієї розгортки з трапецієвидним (прямокутним)
сигналом (рис. 17) – коефіцієнт кореляції rxy5, а також були отримані
коефіцієнти кореляції rxy6, rxy7, rxy8 при порівнянні окремих частин
розгортки контуру хребця, що досліджується, з відповід-ними частинами
трапецієвидного (прямокутного) сигналу.

Також проводилися порівняння верхньої і нижньої замикаючих пластин одна
з одною, так як форми верхньої і нижньої замикаючих пластин мають бути
однакові.

Для зручності аналізу отриманих результатів була визначена значущість
отриманих коефіцієнтів. Якщо коефіцієнт кореляції 0,9?rxy ?1, то
передбачається, що хребець, який дос-ліджується, не зазнав змін. Якщо
отримано коефіцієнт кореляції rxy0,9, то виникає висновок: внаслідок захворювання сталося
сплощення всіх дільниць тіла хребця.

7. Якщо rxy50,9, то виникає висновок: сталося сплощення нижньої
замикаючої пластини тіла хребця.

Якщо rxy60,9, то виникає висновок: сталося сплощення торця тіла
хребця.

Якщо rxy70,9, то виникає висновок: сталося сплощення верхньої
замикаючої пластини тіла хребця.

Якщо rxy8

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020