Автоматизована оцінка стану тіл хребців

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

Автоматизована оцінка стану тіл хребців

Усик Вікторія Валеріївна

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

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Мустецов М.П.

Анотація

Усик В.В. Автоматизована оцінка стану тіл хребців. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальностю 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи, Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2005.

У дисертаційній роботі вирішена задача пошуку нових методів оцінки стану тіл хребців, схильних до дегенеративного процесу. Для вирішення поставленої задачі вперше запропоновано критерії, що дозволяють кількісно оцінити ступінь зміни форми тіл хребців; запропоновано алгоритм, що дозволяє перетворювати координатну інформацію про контур тіла хребця у функціональну залежність, до якої можна застосовувати методи цифрового аналізу. Розроблено новий двосторонній підхід до створення моделі тіла хребця: створення структурної моделі хребця, яка дає можливість дослідити зміну геометричних параметрів тіла хребця; створення аналітичної моделі, що дозволяє описувати контур тіла хребця.

У дисертаційній роботі розроблено структуру автоматизованої системи обробки рентгенограм поперекового відділу хребта, запропоновано технічну реалізацію комплексу, а також розроблено багаторівневе програмне забезпечення. Система дозволяє проводити введення координатної інформації з рентгенограм поперекового відділу хребта, отримувати кількісні характеристики, необхідні фахівцеві для постановки діагнозу по існуючих методиках, провести дослідження форми тіл хребців, отримувати вектор ознак структурної моделі тіла хребця і провести апроксимацію графіка розгортки контуру тіла хребця (аналітична модель тіла хребця).

Ключові слова: спонділограма, критерій оцінки, алгоритм оцінки, структурна модель, аналітична модель, автоматизована система.

Annotation

Usik V.V. Automated estimation of the vertebra's body condition.- Manuscript.

Thesis for candidate of technical science degree by speciality 05.11.17- biological and medical instruments and systems. - Kharkiv national university of radioelectronics, Kharkiv, 2005.

In represented work the task of searching of the new methods for estimation of the vertebra body's condition was solved. The criterions, which allow to estimate the degree of the body's form changes, were proposed for the first time during the solving of the formulated task. The new algorithm which transform the coordinate information of the vertebra's body's contour to any function was proposed. The obtained function, were investigated by methods of numerical analysis. Also the two-sided mathematical model of the vertebra's body was proposed. By the one side - the structure model, which gives the possibility of the geometry parameter of vertebra investigation. On the other hand - the analytic model, which describes the contour of the vertebra's body.

The structure, the technical designing and software for solving the task for making the computer-aided system for processing of the x-ray photograph of spine lumbar department were proposed. The computer-aided system provides the following possibilities: to input the information about coordinates from x-ray photograph, to carry out the processing of the coordinates information, to carry out the modeling and to investigate the form of the vertebra's body.

Keywords: spondilogram, the criterions of estimation, the structure model, the analytic model, the computer-aided system.

Аннотация

Усик В.В. Автоматизированная оценка состояния тел позвонков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - биологические и медицинские приборы и системы - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2005.

Диссертация направлена на решение актуальной научной и технической задачи - разработки методов усовершенствования диагностики, прогнозирования заболеваний и повреждений позвоночных сегментов, создание аппаратно-программного комплекса, позволяющего обрабатывать, а также проводить анализ исследуемых биообъектов. Работа посвящена поиску новых методов диагностики степени нарушения формы тел позвонков, а также разработке подходов к решению задачи создания автоматизированной системы обработки рентгенограмм поясничного отдела позвоночника в боковой проекции, с целю повышения точности и достоверности получаемых количественных характеристик, необходимых специалисту для постановки диагноза и выработки адекватной лечебной тактики.

Для решения поставленной задачи была обоснована необходимость создания модели тела позвонка, которая давала бы возможность специалисту предсказывать ход развития болезни, а также изучать реакцию на проводимые лечебные мероприятия.

При создании модели использован двухсторонний подход. С одной стороны была поставлена и решена задача создания имитационной (структурной) модели позвонка, которая позволяет исследовать геометрию тела позвонка, а с другой задача создания аналитической модели, которая дает возможность описывать форму тела позвонка. Выбраны степенные многочлены, позволяющие аппроксимировать развертку контура тела позвонка. Графики, полученные с помощью аналитической модели тела позвонка достаточно точно позволяют описать графики разверток тел позвонков пациентов.

Анализ координатной информации о контурах объектов привел к созданию алгоритма, преобразовывающего координатную информацию о контуре тела позвонка в функциональную зависимость, удобную для исследований. Впервые предложен и разработан критерий, позволяющий количественно оценить степень нарушения формы тела позвонка. Проведенные исследования доказали информативность предложенного критерия, который дает возможность не только локализовать и количественно оценить деформацию, но и частично исследовать характер произошедшей деформации.

В диссертационной работе впервые разработана структура, алгоритмы, техническое и программное обеспечение автоматизированной системы обработки рентгенограмм поясничного отдела позвоночника. Разработанная система позволяет производить сбор и регистрацию данных (координатной информации с рентгенограмм поясничного отдела позвоночника, информации о пациенте), обеспечивает хранение и накопление данных, дает возможность обрабатывать (получать количественные характеристики), а также проводить исследования и анализ формы тел позвонков, подверженных дегенеративным изменениям.

Ключевые слова: спондилограмма, критерий оценки, алгоритм оценки, структурная модель, аналитическая модель, автоматизированная система.

1. Загальна характеристика роботи

поперековий хребет рентгенограма

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 1995 р.); "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, 1995 р.); Міжнародна конференція “International Meeting on Information Technology (МікроCAD'96, МікроCAD'97, МікроCAD'98) (Мішкольц-Харків, ХДПУ, травень 1996 р., травень 1997 р., травень 1998 р.); Міжнародний форум “Електроніка та молодь у XXI віці" (Харків, ХДТУРЕ, квітень 1997 р.); 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.

2. 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.

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.

Для визначення ступеня порушення рухової функції хребетного сегмента використовується розроблена кінематична модель хребетного сегмента. Така модель дозволяє 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.

Для отримання кількісних характеристик 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, а також визначити вектор ознак.

Отримано вектор ознак має такий вигляд:

{AB, BC, AD, CD, FH, , , },

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 апроксимуючих 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.

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.

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.

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, графік розгортки тіла хребця, що отримується за допомогою запропонованого алгоритму.

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.

Для більш детального дослідження розгортки контурів тіл хребців були поділені на три області, 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.

Проводилися порівняння всієї розгортки з трапецієвидним (прямокутним) сигналом - коефіцієнт кореляції rxy₅, а також були отримані коефіцієнти кореляції rxy₆, rxy₇, rxy₈ при порівнянні окремих частин розгортки контуру хребця, що досліджується, з відповідними 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 0,9r_xy 1, то передбачається, що хребець, який досліджується, не зазнав змін. Якщо отримано коефіцієнт кореляції rxy<0,9, то це є показником того, що тіло хребця схильне до дегенеративного процесу, тобто форма тіла хребця змінилася.

Для досліджень, що проводяться, інтерес являють значення rxy<0,9. Очевидно, що такі значення коефіцієнта кореляції є відправною точкою для більш детального дослідження, що дозволяє локалізувати область протікання дегенеративного процесу, і дають можливість спробувати оцінити характер деформації.

Були досліджені 132 розгортки тіл хребців. Аналіз та інтерпретація отриманих результатів дозволяють сформулювати алгоритм аналізу розгорток тіл хребців.

Алгоритм аналізу розгорток тіл хребців.

1. Зробити порівняльний аналіз між розгорткою тіла хребця, що досліджується, і розгорткою здорового тіла хребця, встановивши коефіцієнт кореляції rxy₁.

2. Якщо rxy₁<0,9, то необхідно зробити висновок про присутність деформації контуру тіла хребця внаслідок травми або захворювання хребетного сегмента.

3. Для локалізації деформації необхідно зробити порівняльний аналіз відповідних частин розгорток тіл хребців нижніх замикаючих пластин (коефіцієнт rxy₂), що досліджується, і здорового, торців (коефіцієнт rxy₃), верхніх замикаючих пластин (коефіцієнт rxy₄).

4. Зробити аналіз отриманих коефіцієнтів rxy₂, rxy₃, rxy₄.

Якщо rxy₂<0,9, то виникає висновок: деформація торкнулася нижньої замикаючої пластини тіла хребця.

Якщо rxy₃<0,9, то виникає висновок: деформація торкнулася торця тіла хребця.

Якщо rxy₄<0,9, то виникає висновок: деформація торкнулася верхньої замикаючої пластини тіла хребця.

5. Для дослідження характеру деформації, що торкнулася тіла хребця, проводиться розрахунок коефіцієнта кореляції rxy₅, що отримується при порівнянні розгортки тіла хребця, що досліджується, з прямокутним сигналом, побудованим по "опорних" точках.

6. Якщо rxy₅>0,9, то виникає висновок: внаслідок захворювання сталося сплощення всіх дільниць тіла хребця.

7. Якщо rxy₅<0,9, то проводиться розрахунок rxy₆, rxy₇, rxy₈, оскільки необхідно виявити деформацію (сплощення), яка могла торкнутися не всіх ділянок тіла хребця. При цьому rxy₆ - коефіцієнт кореляції, що отримується при порівнянні розгортки нижньої замикаючої пластини і відповідної частини прямокутного сигналу; rxy₇ - коефіцієнт кореляції, що отримується при порівнянні розгортки торця тіла хребця і торця прямокутного сигналу; rxy₈ - коефіцієнт кореляції, що отримується при порівнянні розгортки верхньої замикаючої платини і відповідної частини прямокутного сигналу.

8. Проводиться аналіз коефіцієнтів rxy₆, rxy₇, rxy₈.

Якщо rxy₆>0,9, то виникає висновок: сталося сплощення нижньої замикаючої пластини тіла хребця.

Якщо rxy₆<0,9, то нижня замикаюча пластина схильна до деформації іншого роду, ніж сплощення.

Якщо rxy₇>0,9, то виникає висновок: сталося сплощення торця тіла хребця.

Якщо rxy₇<0,9, то торець тіла хребця схильний до деформації іншого роду, ніж сплощення.

Якщо rxy₈>0,9, то виникає висновок: сталося сплощення верхньої замикаючої пластини тіла хребця.

Якщо rxy₈<0,9, то верхня замикаюча пластина схильна до деформації іншого роду, ніж сплощення.

Якщо rxy₆<0,9, то для підтвердження гіпотези про наявність деформації іншого роду, ніж сплощення, проводиться розрахунок коефіцієнта кореляції rxy₉, що отримується при порівнянні розгорток нижньої і верхньої замикаючих пластин хребця, що досліджується.

Якщо rxy₉<<0,9, то виникає висновок: верхня замикаюча пластина тіла хребця схильна до деформації іншого роду, ніж сплощення.

Якщо rxy₈<0,9, то аналогічно пункту 8.4 проводиться розрахунок rxy₉.

Якщо rxy₉<<0,9, то виникає висновок: нижня замикаюча пластина тіла хребця схильна до деформації іншого роду, ніж сплощення.

Отримані значення коефіцієнтів кореляції та їх інтерпретація дозволили:

- виявити наявність захворювання хребетного сегмента, що призвело до зміни форми тіл хребців;

- локалізувати деформацію, тобто визначити ту частину тіла хребця, яка зазнала найбільшого ступеня деформації;

- кількісно оцінити деформацію контуру тіла хребця, що відбулася;

- дослідити характер деформації.

У четвертому розділі розглянуто етапи розробки автоматизованої системи, визначено вимоги до системи. Розроблено формальну модель автоматизованої системи (морфологічна модель та модель складу системи). Розробка автоматизованої системи включає декілька етапів: розробка системи технічних засобів, що дозволяють перетворити первинну інформацію про об'єкти дослідження у форму, сприйнятну для обробки за допомогою ЕОМ і відповідного програмного забезпечення; розробка програмного забезпечення, що здійснює обробку отриманої інформації за існуючими методиками.

Оскільки в модель складу автоматизованої системи входить нестандартний пристрій зчитування графічної інформації, то в роботі описано пристрій і програмне забезпечення.

Розроблено функціональну схему автоматизованої системи.

Кожна з підсистем вирішує такі задачі:

організація інтерфейсу з користувачем в кожному з режимів, який дозволяє зробити фахівцеві вибір способу введення координатної інформації або методику обробки отриманої координатної інформації з метою отримання кількісних характеристик, вибір шляху проведення аналізу форми тіла хребця;

виконання алгоритмів, що здійснюють обробку координатної інформації, отриманої зі спонділограми;

реєстрація пацієнта, відображення результатів обробки в реальному масштабі часу;

формування масиву даних і запис в базу даних.

Підсистема I отримання і збереження координатної інформації дозволяє фахівцеві отримати координатну інформацію про точки контурів, що досліджуються по рентгенограмі поперекового відділу хребта за допомогою пристрою зчитування графічної інформації, а також зробити збереження отриманої координатної інформації в базі даних. Вибір режиму введення координатної інформації (введення координатної інформації про хребетний сегмент або два хребетні сегменти, введення координатної інформації про задній опорний комплекс, обробка функціональних рентгенограм) здійснюється за допомогою блоку вибору режиму введення координатної інформації.

Підсистема II збереження розрахункових параметрів дозволяє зберегти в базі даних результати, отримані після обробки координатної інформації за описаними методиками.

Підсистема III обробки координатної інформації реалізовує виконання алгоритмів отримання кількісних характеристик по спонділограмі. Здійснення вибору методики обробки проводиться за допомогою блоку вибору розрахунку.

Підсистема IV аналізу форми тіла хребця:

- реалізує алгоритм перетворення координатної інформації щодо тіла хребця у функціональну залежність і подальші дослідження за допомогою методів математичної статистики;

- дозволяє отримати вектор ознак для структурної моделі хребця;

- дає можливість отримання коефіцієнтів для ступеневих поліномів, що дозволяють апроксимувати розгортку контуру тіла хребця (аналітична модель тіла хребця).

Підсистема V відображення дозволяє:

реєструвати пацієнта, відображати список пацієнтів, що пройшли дослідження;

інтерактивно відображати координатну інформацію, що отримується з ПЗГІ;

відображати результати обробки координатної інформації, отриманої за реалізованими методиками, а також відображати результати обробки попередніх досліджень, що знаходяться в базі даних;

в реальному масштабі часу відображати результати досліджень форми тіл хребців.

Розроблено функціональну схему програмного забезпечення технічного комплексу і наведено опис модулів з алгоритмами.

Під час проектування програмного забезпечення використовується принцип структурного програмування. Всі програми, що входять в автоматизовану систему, за своїм призначенням можна розділити на програми, які забезпечують інтерфейс користувача; програми, що забезпечують виконання алгоритмів методик обробки спонділограм; програмне забезпечення системи управління базою даних; внутрішнє програмне забезпечення спеціального технічного пристрою.

Висновки

1. Проведено аналіз існуючих методів і засобів дослідження кривизни людського хребта, який показав, що традиційні технічні засоби не відповідають сучасним вимогам з точки зору технічного виконання, і не дозволяють дістати комплексну оцінку стану пацієнта. Методи отримання кількісних характеристик, необхідних фахівцеві для постановки діагнозу, відрізняються високою трудомісткістю і суб'єктивністю. Обґрунтовано необхідність розробки комплексного підходу до створення автоматизованої системи обробки рентгенографічних досліджень.

2. Запропоновано структурну модель тіла хребця, що є вектором ознак і що дозволяє дослідити зміну геометрії тіла хребця. Проведено опис і визначено параметри і діапазони значень, що входять у вектор ознак змінних.

3. Запропоновано аналітичну модель хребця. Вибрано ступеневі многочлени, що дозволяють апроксимувати розгортку контуру тіла хребця. Розроблено модуль автоматизованої системи обробки рентгенограм поперекового відділу хребта в бічній проекції, що дозволяє отримати вектор ознак, який характеризує геометрію тіла хребця, а також, вирішення трьох систем лінійних рівнянь, необхідних для отримання коефіцієнтів апроксимуючих многочленів.

4. Для діагностики зміни форми тіла хребця внаслідок структурно-функціональних порушень був запропонований алгоритм, що дозволяє перетворити координатну інформацію про контур хребця в зручну для аналізу функціональну залежність. Аналіз отриманої функціональної залежності дозволив визначити напрями досліджень з метою отримання критерію, який дозволив би фахівцеві локалізувати деформацію і дослідити її характер.

5. Запропоновано критерій для кількісної оцінки ступеня відмінності двох функціональних залежностей, відповідно контуру, що досліджується, та здорового тіла хребця (як здорове тіло хребця використовується математична модель тіла хребця). Як критерій був вибраний парний коефіцієнт кореляції.

6. Проведено аналіз та інтерпретацію рентгенограм поперекового відділу хребта 44 пацієнтів, які виявили практичну значущість та інформативність отриманих коефіцієнтів кореляції. Дослідження підтвердили, що обраний критерій дозволяє не тільки виявити наявність захворювання хребетного сегмента, яке призводить до зміни форми тіл хребців, але і локалізувати деформацію, кількісно оцінити і дослідити характер деформації контуру тіла, що відбулася.

7. Розроблено структуру автоматизованої системи, запропоновано технічну реалізацію комплексу, розроблено багаторівневе програмне забезпечення.

Для підвищення точності і достовірності кількісних характеристик, необхідних фахівцеві для постановки діагнозу і вироблення адекватної лікувальної тактики, що отримуються по рентгенограмах поперекового відділу хребта, використовується автоматизована система, що включає в себе пристрій зчитування графічної інформації, ЕОМ і відповідне програмне забезпечення.

Автоматизована система обробки рентгенограм поперекового відділу хребта виконує такі функції:

- збір і реєстрація даних (координатної інформації, інформації щодо пацієнта, результатів обробки);

- формування бази даних;

- обробка результатів з метою отримання кількісних характеристик, що оцінюють зміну форми тіла хребця внаслідок дегенеративного процесу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Усик В.В., Слободской Р.Б. О возможной модели тела позвонка с учетом его геометрии// Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний у-т". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Інформатика і моделювання. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2004. - № 34. - С. 193-198.

2. Усик В.В., Грунтовский Г.Х., Слободской Р.Б. Способ автоматизации оценки степени заболеваний поясничного отдела позвоночника // Геометричне та комп'ютерне моделювання: Збірник наукових праць: Наукове фахове видання. - Випуск 6. - Харків: Укр. асоціація з прикладної геометрії, Харк. держ. у-т харчування та торгівлі. - 2004. - С. 40-47.

3. Усик В.В., Слободской Р.Б. Метод оценки степени деформации тела позвонка // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний у-т". Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Інформатика і моделювання. - Харків: НТУ "ХПІ". - 2003. - № 19. - С. 171-178.

4. Усик В.В., Слободской Р.Б. Геометрический подход к анализу состояния тел позвонков // Геометричне та комп'ютерне моделювання: Збірник наукових праць: Наукове фахове видання. - Випуск 3. - Харків: Укр. асоціація з прикладної геометрії, Харк. держ. у-т харчування та торгівлі. - 2003. - С. 117-119.

5. Усик В.В., Слободской Р.Б. Программная реализация способа автоматизированной обработки спондилограмм // Вістник Національного технічного університету "Харківский політехнічний інститут": Збірка наукових праць. Тематичний випуск: Автоматика та приладобудування. - Харків: НТУ "ХПІ". - № 4, 2001. - С. 265-268.

6. Усик В.В., Слободской Р.Б. Обработка данных рентгенографического анализа при диагностике заболеваний поясничного отдела позвоночника // Системный анализ, управление и информационные технологии: Вестник Харьковского государственного политехнического университета: Сборник научных трудов. - Выпуск 99. - Харьков: ХГПУ, 2000. - С. 166-171.

7. Slobodskoy R., Usik V. Automation of spondilogram processing and research object modeling // " School of Fundamental Medicine Journal ". - Kharkov, 1999. - Vol. 5, № 3. - C. 22-23.

8. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 10950 Программный продукт "Програма обробки рентгенограм поперекового відділу хребта у бічній проекції" авторів Усик В.В., Слободськой Р.Б. Міністерство освіти і науки України, Державний департамент інтелектуальної властності від 06.09.2004 р.

9. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 10544 Літературно-науковий твір "Метод оценки степени деформации тела позвонка" авторів Усик В.В., Слободськой Р.Б. Міністерство освіти і науки України, Державний департамент інтелектуальної властності від 14.07.2004 р.

10. Слободской Р.Б., Усик В.В. Разработка параметрической модели позвонка // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сборник научных трудов ХГПУ. - Харьков: Харьк. гос. политехн. ун-т, 1998. - Вып. 6, Ч. 4. - С. 548-550.

11. Слободской Р.Б., Усик В.В. Исследование геометрии позвоночных сегментов // Сучасні проблеми геометричного моделювання. Частина 3. Збірник праць Міжнародної науково-практичної конференції. - Харків: Харківський інститут пожежної безпеки МВС України, 1998. - С. 177-180.

12. Слободской Р.Б., Усик В.В. Способ оценки степени отличия форм биообъектов // Сборник научн. трудов 5 междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Харьков, Туапсе: ХГТУРЭ, 1999. - С. 207-209.

13. Невлюдов И.Ш., Грунтовский Г.Х., Слободской Р.Б., Усик В.В. Применение ЭВМ при обработке спондилограмм // Материалы междунар. научн.-техн. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье ". - Харьков, Мишкольц: ХГПУ, МУ, 1995. - С. 143.

14. Слободской Р.Б., Усик В.В. Автоматизация обработки спондилограмм // Труды междунар. конф. "Проблемы физической и биомедицинской электроники". - Киев: КПИ, 1995. - С. 185-186.

15. Слободской Р.Б., Усик В.В. Автоматизация расчета геометрических параметров двигательного сегмента позвоночника // Труды междунар. конф. "Радиоэлектроника в медицинской диагностике (оценка функций и состояния организма)". - Москва, 1995. - С. 118-119.

16. Колесниченко В.А., Усик В.В. Применение средств ВТ для объективизации и оценки различных деформаций позвоночника // Труды междунар. конф. молодых ученых к 50-летию института хирургии им. Вишневского О.В. - Москва, 1995. - С. 94-95.

17. Слободской Р.Б., Усик В.В. О возможности применения Фурье-анализа для оценки состояния медико-биологических объектов // Труды междунар. научн.-техн. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье "- Харьков, Мишкольц, Магдебург: ХГПУ, МУ, МТУ, 1996. - С. 92.

18. Слободской Р.Б., Усик В.В. Аппаратно-программный комплекс объективизации оценки состояния позвоночника // Труды междунар. научн.-техн. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье ". - Ч. 5. - Харьков, Мишкольц, Магдебург: Харьк. гос. политех. ун-т, Мишкольц. ун-т, Магдебург. ун-т, 1997. - С. 348-350.

19. Усик В.В. Оценка состояния поясничного отдела позвоночника средствами ВТ // Труды 1-го междунар. молодежного форума "Электроника и молодежь в XXI веке". - Харьков: ХГТУРЭ, Комит. по делам молодеж. Харьк. обл., Укр. гос. центр радиочастот и надзора за связью Министерства связи, 1997. - С. 150.

Размещено на Allbest.ru

...