Снижение частоты артефактов при КТ-оценке плотности костной ткани в стоматологии и для идентификации личности при проведении судебно-медицинских экспертиз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Снижение частоты артефактов при КТ-оценке плотности костной ткани в стоматологии и для идентификации личности при проведении судебно-медицинских экспертиз

В.К. Дадабаев, В.Н. Стрельников,

А.А.Соколов, Е.В. Стрельников

Аннотация

Рентгенологические методы широко применяются в медицинской практике, они доступны и предоставляют достоверные результаты. Особую роль данные методы занимают в стоматологической практике, челюстно-лицевой хирургии (диагностика, дифференциальная диагностика, лечение, контроль работы) и в идентификации личности при проведении судебно-медицинских экспертиз.

Предложенная методика позволяет оценивать изменение плотности ткани в динамике, реализуемая на современной вычислительной технике, дает возможность получать количественные оценки для сравнения изображений. В отличие от функции «денситометрическая кривая», которая выполняется на линейном участке, на основе данной методики можно получить интегральную характеристику по всей периимплантатной области. Это поможет врачам - стоматологам осуществлять мониторинг процессов остеоинтеграции со снижением частоты КТ-артефактов и риска неблагоприятного исхода проведенного лечения. Кроме того, возможность применение данной методики позволит использовать ее в идентификации личность при проведении судебно-медицинских экспертиз.

Ключевые слова: Стоматология, судебно-медицинская экспертиза, компьютерная томограмма (КТ), плотность костной ткани, снижение частоты КТ-артефактов, идентификация личности.

V.K. Dadabaev¹, V.N. Strel'nikov², A.A.Sokolov³, E.V. Strel'nikov⁴

¹VPO “Tver state medical University” associate Professor, DEP. forensic medicine with a course in law, PhD; ²SEI “Tver medical College” the Ministry of health of the Tver Region, Tver, Director, MD, Professor, member of RANS; ³GBOU VPO ” Tver state medical University “, head. Department of radiology with a course of radiodiagnostics, faculty of postgraduate education of GBOU VPO Tver state medical Academy of Ministry of health of Russia, MD, Professor; ⁴clinical resident of the chair of sbee HPE “Tver state medical University” of the Department of maxillofacial surgery and surgical dentistry.

REDUCE THE FREQUENCY OF ARTIFACTS DURING CT EVALUATION OF BONE DENSITY IN DENTISTRY AND TO IDENTIFY YOU WHEN CONDUCTING FORENSIC EXAMINATIONS

Abstract

X-ray methods are widely used in medical practice, they are available and provide reliable results. The special role of these methods take in a dental practice, oral and maxillofacial surgery (diagnosis, differential diagnosis, treatment and control of work) and identification during forensic examinations.

The proposed method allows to estimate the change in tissue density in the dynamics, implemented on a modern computer technology makes it possible to obtain quantitative estimates for comparing images. Unlike the “densitometric curve”, which is performed in the linear region, on the basis of this method can be obtained by the integral characteristic throughout periimplantatnoy area. This will help doctors - dentists monitor osseointegration with a reduction of CT artifacts and the risk of adverse outcome of the treatment. In addition, the possibility of application of this technique will allow to apply it to the identification of a person with a forensic medical examinations.

Keywords: Dentistry, forensics, computer tomography (CT) scan, bone density, reducing the frequency of CT artifacts, personal identification.

Рентгенологические методы широко применяются в медицинской практике, они доступны и предоставляют достоверные результаты. Особую роль данные методы занимают в стоматологической практике, челюстно-лицевой хирургии (диагностика, дифференциальная диагностика, лечение, контроль работы) и в идентификации личности при проведении судебно-медицинских экспертиз.

Основными требованиями любого рентгенографического исследования является четкое соблюдение правил укладки и съемки необходимой области. Однако, традиционное рентгенологическое исследования не всегда дает нужное количество информации. Иногда для более эффективной визуализации приходится прибегать к другим специальным методам рентгенографии, таким как радиовизиография и компьютерная томография. При использовании радиовизиографии, получается более четкое изображение т.к. в результате укладки (конкретно зуб или группа зубов), на снимке сокращается количество наслаиваемых структур, но изображение все равно остается суммационным. При использовании компьютерной томографии, можно четко распознать дефект ткани (зуба, кости), а так же определить плотность костной ткани (денситометрия), что необходимо для планирования хирургических вмешательств [3, 4, 5, 6].

Однако при учете всех вышеперечисленных условий применение, рентгенологических методов, а в частности компьютерной томографии, не всегда даёт истинную информацию. Вызвано это тем, что при использовании компьютерной томографии появляются артефакты (от лат. Arte factum - сделанный искусственно). Большинство фирм производителей тратят огромные средства на разработку программного обеспечения по их изоляции, несмотря на это, на данный момент существует только возможность избавиться от технических артефактов таких как изменение в чувствительности каналов детектора, вызывающих артефакты в виде полос и колец, но так называемый фон от имплантатов остается. Результаты при КТ - исследовании не позволяют проводить реконструкцию и тем более не подлежат дифференцировке полученных томограмм.

Цель исследования: разработать методику для определения плотности костной ткани с устранением артефактов при КТ-исследовании у пациентов с установленной металлической структурой (имплантом или металлической коронкой).

В своем исследовании мы использовали рентгенологический компьютерный томограф Rayscan Symphony Alpha Pano, который позволяет получать прижизненные изображения тканевых структур на основании изучения степени поглощения рентгеновского излучения в исследуемой области. Принцип метода заключается в том, что следуемый объект послойно просвечивается в различных направлениях при движении рентгеновской трубки вокруг него. Не поглощаемая часть изучения регистрируется с помощью специальных детекторов, сигналы от которых поступают на ЭВМ. На матрице послойно строится изображение. Оценка степени поглощения излучения тканями производится по относительной шкале коэффициентов поглощения Хаунсфилда. Современные томографы позволяют улавливать различия плотностей в 4-5 ед. Н. На компьютерных томографах более плотные участки, имеющие высокие значения коэффициента поглощения (КП), представлены светлыми а менее плотные, с низким значением КП, темными изображениями [3, 4, 5, 6].

Известен способ определения плотности костной ткани, сущность которого заключается в том, что минеральная плотность кости определялась методом двойной рентгеновской абсорбции на аппарате Hologic - QDR 4500C [1]. Для оценки минеральной плотности кости использовался интегральный параметр Z-score, где он характеризует минеральную плотность кости обследуемого по отношению к средневозрастной норме того же возраста и пола. Заключение о низкой плотности кости делали в тех случаях когда величина Z-score была менее минус 1,0 сигнального отклонения. Недостатком данного способа является то что для его проведения требуется специальный аппарат проведение дополнительных расчетов интегрального параметр Z-score и необходимость учета возраста и пола.

Предложен способ определения состояния костной ткани, на прицельных рентген снимках зубов, предложенный Кураскуа А.А., Чибисовой М.А., Дударовым А.А. [цит.1]. Сущность его заключается в том, что определение плотности кости производят по заданному отрезку. При построении денситограмм для численного выражения полученного результата используют единицы оптической плотности. Денситограмма строится по двум осям. По вертикальной оси откладываются единицы оптической плотности, по горизонтальной - длинна отрезка. При вводе снимка в компьютер фиксируют максимальную и минимальную яркости снимка при значениях минимальной яркости 3-5 процентов градаций серого и максимальной яркости 87-90 процентов градаций серого снимок относят к средним по яркости, при значениях минимальной яркости 0-2 процентов градаций серого и максимальной яркости до 86% снимок относят к светлым, при значениях минимальной яркости от 6% до максимальной яркости от 91% градаций серого снимок относят к темным, плотность костной ткани в заданной области определяют как значение яркости исчисляемое в пределах 1-100% где за 1% принимают минимальную яркость на снимке а 100% максимальную причем для темных и светлых снимков значения умножают на соответствующий поправочный коэффициент. Недостатком данного способа является то, что сравнить результаты денситометрии в данной системе возможно только при проведении полностью аналогичного повторного исследования и в процессе компьютерного анализа ортопантомограмм была фиксирована вариабельность значений яркости изображения различных снимков. Это обстоятельство затрудняет сравнение снимков между собой.

Все вышеизложенные методы позволяют определить плотность костной ткани у пациентов, с металлическими структурами (м/к коронка, или имплант).

Собственные исследования: Нами предложена методика изоляции металлических артефактов при оценки изменения плотности костной ткани на основе корреляционной обработки изображений, учета априорных данных о форме импланта. Методика позволяет осуществить полное совмещение сечений на различных снимках одного и того же объекта и дать оценку относительного изменения плотности костной ткани. Одним из методов косвенной оценки степени остеоинтеграции являются рентгенологические исследования, включая способ денситометрической оценки плотности костной ткани. Программное обеспечение современных компьютерных томографов (КТ) и ортопантомографов предоставляет специалисту возможность оценки плотности ткани на линейном участке с помощью денситометрических кривых. Для оценки изменения плотности костной ткани в динамике, а также степени остеоинтеграции имплантатов необходимо сравнение нескольких снимков, полученных через определенные интервалы времени. В этом случае осуществляется косвенная визуальная оценка на максимально близких срезах исследуемой области. При этом возникает ряд сложностей. Практически невозможно провести идентичное позиционирование пациентов при выполнении снимка. Система фиксации на КТ в виде специальной разделительной пластинки, подбородочных, височных и лобных опор может исключить нечеткость и асимметрию изображения. Кроме того, нередко снимки выполняются на разных видах оборудования: ортопантомографах, компьютерных томографах, при различных физико-технических условиях съемки объекта [3, 4, 5, 6].

Для количественной оценки показателей, характеризующих изменение плотности костной ткани по границе с имплантатом, необходимо исследование срезов, полностью анатомически совпадающих в пространстве, то есть изображения должны быть точно совмещены. С каждым из изображений объекта исследования можно связать условную прямоугольную систему координат. При совпадении начала координат совмещение осуществляется при сдвиге и повороте изображения. Вручную совместить изображения и получить одинаковый срез на различных снимках не представляется возможным, отсутствует численный критерий оценки совмещения. Все это делает сравнительную оценку, как визуальную, так и с помощью денситометрических кривых плотности ткани, субъективной.

Таким образом, для планирования операций, оценки динамики остеоинтеграции установленных имплантатов и анализа отдаленных результатов лечения задача точного совмещения исследуемых областей на различных снимках будет актуальной. Оценка остеоинтеграции особо важное значение имеет при решении задач идентификации личности при фотосовмещении рентгенологических снимков.

Для решения этой задачи была предложена специальная методика, которая включает следующие 5 этапов обработки изображений:

1) анализ возможности сравнения изображений;

2) предварительное выделение исследуемой области и совмещение изображений;

3) повышение качества изображений, выбранных для сравнения;

4) выделение контура имплантата;

5) оценку показателей плотности периимплантатной области.

1. Анализ возможности сравнения изображений

Исходными данными являлась пара изображений одной и той же области, полученных в разные моменты времени. Если оба изображения являются трехмерными, то считали, что сравнение возможно. По результатам цифровой обработки изображений, количественной оценки плотности костной ткани судили о характере изменений. Если сравнению подлежали трехмерное и двухмерное изображения, то на трехмерном изображении выделяли срез, аналогичный плоскостному. Далее выполняли анатомическое совмещение изображений и количественные оценки. Если сравнению подлежали два плоских цифровых изображения, то оценивали возможность совмещения изображений. Рассмотрим каждый из следующих этапов подробнее, проиллюстрировав методику на плоских цифровых изображениях фрагментах ортопантомографии (ОПТГ) пациента К., выполненных после установки внутрикостного имплантата и через два года после окончательного протезирования.

Рис. 1 - Фрагмент ОПТГ пац. К. перед этапом протезирования

Рис. 2 - Фрагмент ОПТГ пац. К. через два года после протезирования

2. Предварительное выделение исследуемой области и совмещение изображений.

На этом этапе выделяется область изображения, содержащая имплантат. Данная процедура может быть выполнена как специалистом в ручную, так и программным путем выделения на двух изображениях контура имплантата и окаймления его областью, достаточной для сравнения изображений. Выделенные области могут не совпадать по размеру и ракурсу. Для выделения одинаковых по размеру областей, где расположен имплантат, выбирается начало координат относительно какой-либо опорной точки имплантата, строится центральная ось имплантата относительно краевых точек контура. Далее изображение поворачивается для совмещения осей системы координат и имплантата. Для совмещения осей предварительно осуществляется поворот на 1,2 градуса. Решение об идентичности изображений осуществляется по вычисленным корреляционным матрицам с использованием критерия в виде отношения функций правдоподобия или по статистике в виде максимальных собственных значений матриц, вычисленных для фрагментов. Критерием правильности совмещения рассматриваемых изображений является максимум коэффициента корреляции изображений. Вычисление коэффициента корреляции двумерных изображений выполняется по рекуррентным соотношениям. Отсутствие четко выраженного максимума является признаком невозможности решения задачи совмещения. На рис. 3 приведены области (а) и (в), выделенные из предыдущих снимков (рис. 1, 2). Для совмещения осей предварительно осуществлен поворот на 1,2 градуса. Результат совмещения показан на рисунке 3 (б). Для дальнейшего анализа выбирается область пересечения изображений (б), соответствующая изображениям I1 и I2 размером 125 Ч 166 пикс, показанным на рис 4.

Рис. 3 - Поворот изображение для совмещения имплантатов на сравниваемых изображениях

Рис. 4 - Автоматически выделенные области для анализа плотности ткани

3. Повышение качества изображений, выбранных для сравнения.

После выделения исследуемых областей необходимо оптимизировать сравниваемые изображения (убрать шум, повысить контрастность и т.д.). Изображение рассматривается как реализация двумерного случайного дискретного процесса, наблюдаемого прибором в условиях нахождения объекта в зоне контролируемого пространства либо при отсутствии объекта наблюдения. В составе наблюдаемого процесса независимо от условий имеется аддитивный компонент - некоррелированный гауссов шум собственно прибора.

Результат воздействия такого шума можно исключить посредством сглаживания каждого изображения методами нелинейной фильтрации. Оставшийся фон исследуется по характеристикам выборочной автокорреляционной матрицы. Информация об имплантате и фоне при этом не исказится. Сохранятся все однородные фрагменты и ступенчатые перепады на изображении, то есть информация для выделения граничных точек фрагментов имплантата. Результат применения нелинейного фильтра (контрастирование с гамма-коррекцией) к изображениям I1 и I2 показан на рисунках 5, 6.

рентгенологический стоматологический судебный экспертиза

Рис. 5 - Изображение I1 до (а) и после (б) удаления шума

Рис. 6 - Изображение I2 до (а) и после (б) удаления шума

4. Выделение внешнего контура имплантата.

На этом этапе необходимо исключить область имплантата из обработки с целью дальнейшей оценки плотности окружающей его ткани. Для этого могут быть использованы алгоритм градиентного обнаружителя граничных точек Превитта, Робертса, Собела, Канни, алгоритм обнаружителя пересечения установленного уровня, алгоритм на основе дифференциального оператора Лапласа. Выделение граничных точек областей осуществляется в предположении, что граничные точки имеют большую величину градиента функции яркости изображения. Плотность имплантата существенно отличается от плотности окружающих тканей, однако он не однороден. Поэтому при применении пороговых методов происходит выделение многосвязной области. Для сравнения изображений необходимо выделение внешнего контура. При дальнейшей обработке принимается, что значение плотности имплантата одинаково, то есть он однороден.

5. Оценка показателей плотности периимплантатной области.

Замкнутая область внешнего контура имплантата позволяет определить принадлежность к нему любой точки изображения. Для оценки изменения плотности тканей вокруг имплантата достаточно оценить разность изображений. Под разностью изображений понимается разность интенсивности в соответствующих пикселях двух изображений. Изменение плотности ткани можно оценить по количеству пикселей, значения которых превышают заданный порог, их знаку, а так же по средней плотности костной ткани, окружающей имплантат. Расположение точек, значения в которых превысили пороговое значение, указывает на область, в которой есть изменения качества костной ткани. Для рассматриваемых изображений количество пикселей, изменение значений в которых превысило пороговое (50% от прежней плотности), составляет 15% от общего количества. При этом они расположены в малой окрестности имплантата (0,5 - 0,7 от диаметра имплантата). На основании полученных расчетов можно установить, что плотность костной структуры в этой области снизилась.

Выводы и практические рекомендации

Таким образом, предложенная методика позволяет оценивать изменение плотности ткани в динамике, реализуемая на современной вычислительной технике, дает возможность получать количественные оценки для сравнения изображений. В отличие от функции «денситометрическая кривая», которая выполняется на линейном участке, на основе данной методики можно получить интегральную характеристику по всей периимплантатной области. Это поможет врачам осуществлять мониторинг процессов остеоинтеграции со снижением частоты КТ-артефактов и риска неблагоприятного исхода проведенного лечения. Кроме того, возможность применение данной методики позволит применять ее в идентификации личность при проведении судебно-медицинских экспертиз.

Литература

1. Воробьев А. А., Шемонаев В. И., Михальченко Д. В., Величко А. С. Современные методы оценки остеоинтеграции дентальных внутрикостных имплантатов (литературный обзор) // Актуальные вопросы экспериментальной, клинической и профилактической стоматологии: сборник научных трудов Волгоградского государственного медицинского университета. -- Волгоград: ООО «Бланк», 2008. (Выпуск № 1, Том № 65).

2. Гонсалес Р. С., Вудс Р. Е., Эддинс С. Л.. Цифровая обработка изображений в среде Matlab. -- M.: Техносфера, 2006.

3. Дадабаев, В.К. Применение компьютерной томографии в судебной медицине / В.Н. Троян, В.К. Дадабаев, В.А. Путинцев, Э.А. Ковтун // Военно-медицинский журнал. - 2010. - № 12. С. 52 - 53.

4. Дадабаев, В.К. К вопросу о возможности использования спиральной компьютерной томографии в судебно-медицинской практике / В. К. Дадабаев. // Судебная экспертиза. - 2011. - №1. С.80 - 83.

5. Дадабаев, В.К. Использование спиральной компьютерной томографии в судебно-медицинской практике. / В.Н. Троян, В.К. Дадабаев. // Медицинская экспертиза и право. - 2011. - №3. С 36-38.

6. Дадабаев, В.К. Использование 3D технологий в судебной медицине / В.К. Дадабаев, Д.В. Сундуков. // Медицинская экспертиза и право. - 2011. - №4. С 19 - 20.

Размещено на Allbest.ru