Методи та засоби комп’ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 615.47: 616-072.7

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ КОМП'ЮТЕРНОГО ПЛАНУВАННЯ ПЛАСТИЧНИХ ВТРУЧАНЬ НА ОБЛИЧЧІ ЛЮДИНИ

Спеціальність 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

КНІГАВКО ЮРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Харків - 2015

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі біомедичної інженерії Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Аврунін Олег Григорович, доктор технічних наук, професор, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри біомедичної інженерії.

Офіційні опоненти:

Кіпенський Андрій Володимирович, доктор технічних наук, професор, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", декан факультету інтегральної підготовки, професор кафедри промислової та біомедичної електроніки;

Павлов Сергій Володимирович, доктор технічних наук професор, Вінницький національний технічний університет, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри загальної фізики та фотоніки.

Захист відбудеться "12" травня 2015 р. о 13⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, корпус 1, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 10 квітня 2015 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, К 64.052.05 І.В. Лисицька.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Реконструктивна медицина сьогодні - це галузь науки, що наразі дуже стрімко розвивається. Кількість проведених пластичних операцій постійно збільшується, але проблема вибору адекватного індивідуального підходу при їх виконанні залишається, як і раніше, актуальною. При побудові плану хірургічного втручання функціональним характеристикам органів, що підлягають операції, має бути приділено не меншу увагу, ніж естетичній складовій. Складність вирішення цієї задачі зумовлює застосування комплексного комп'ютерного планування пластичних втручань, яке ґрунтується на використанні сучасних засобів медичної візуалізації, що дає змогу не тільки врахувати естетичні уподобання пацієнта щодо своєї нової зовнішності, але й оцінити зміни функціональних характеристик верхніх дихальних шляхів внаслідок їх корекції. Цей підхід сприяє підвищенню рівня ефективності (максимальному функціонально-естетичному результаті при мінімальному травматизмі) передопераційного планування хірургічних втручань.

Людське обличчя є найваріативнішою частиною людського тіла. Саме обличчя є тим елементом зовнішності людини, у результаті сприйняття якого відбувається ідентифікація окремої особистості. Анатомічні структури, що розташовані на ділянці обличчя людини, крім формування її зовнішнього естетичного образу, виконують також і ряд важливих функціональних задач, забезпечуючи нормальний перебіг фізіологічних процесів у організмі. Аномальні зміни обличчя можуть бути зумовлені як вродженими вадами, так і ускладненнями травм (військова, спортивна, транспортна, виробнича тощо). Найефективнішим засобом корекції таких станів є хірургічна пластика.

Підвищення якості передопераційного планування пластичних втручань може бути досягнуто завдяки використанню можливостей сучасної комп'ютерної томографії (КТ) та методів комп'ютерної візуалізації віртуальних об'ємних (3D) моделей анатомічних структур, що підлягають пластичній корекції. Наразі у більшості випадків вітчизняні пластичні хірурги у плануванні хірургічних втручань покладаються лише на аналіз фотографічних знімків обличчя пацієнта. Дослідженням у цій сфері присвячені праці вчених: Г.З. Піскунова, Ю.П. Ульянова, А.С. Журавльова, P. Cole, A. Bottino та інших.

Як джерело вихідних даних можуть також використовуватися результати фотограмметрії. Крім високоточної візуалізації структур і тканин обличчя і верхніх дихальних шляхів, розширення можливостей комп'ютерного передопераційного планування може здійснюватися шляхом модифікацій віртуальних моделей, що відображаються. Метою подібних змін, що проводяться з віртуальними моделями, є прогнозування результату операції до її проведення. Отже, створення і вдосконалення методів і програмних засобів, що дозволяють здійснювати корекцію отриманих просторових моделей, є актуальним напрямком покращення результатів пластичної хірургії і важливим завданням сучасної естетичної медицини.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з планом наукового напрямку кафедри біомедичної інженерії ХНУРЕ у відповідності до держбюджетної тематики: "Дослідження теоретичних і технічних принципів оцінки стану людини, профілактики, лікування і реабілітації" № д / р 0107U001541; "Дослідження теоретичних і технічних принципів діагностики, оцінки та корекції медико-соціального стану людини "№ д / р 0110U002532; в рамках договору № 360 / 08-11 від 04.01.2011 р про науково-технічне співробітництво з кафедрою оториноларингології Харківського національного медичного університету за темою "Медикаментозні та немедикаментозні фактори в реабілітації хворих ЛОР-патологією та асоційованих з нею соматичних захворювань" № д / р 0108U005253.

Метою роботи є розробка нових методів і засобів комп'ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

1. Провести аналіз існуючих методів і програмних засобів для комп'ютерного планування пластичних хірургічних втручань на обличчі людини і оцінки морфологічних та функціональних характеристик ділянок обличчя, що підлягають пластичній корекції.

2. Розробити метод та комп'ютерну модель просторової візуалізації структур обличчя людини на основі даних комп'ютерної томографії та фотограмметрії з метою їх подальшого використання для прогнозування функціонально-естетичних результатів при віртуальному коригуванні анатомічних структур.

3. Розробити метод об'ємної деформації створеної комп'ютерної моделі просторової візуалізації структур обличчя людини для проведення віртуального коригування анатомічних структур з урахуванням механічних властивостей навколишніх біологічних тканин.

4. Розробити метод комп'ютерного планування функціонально-естетичних втручань на основі просторові деформації полігональної моделі обличчя людини, який дозволить за рахунок використання функціональної та анатомічно-естетичної діагностичної інформації визначати показники носового дихання при реалістичній візуалізації обличчя людини.

5. Провести аналіз адекватності розроблених методів і моделей, а також сформувати медико-технічні вимоги та практичні рекомендації до системи комп'ютерного планування пластичних хірургічних втручань на обличчі людини.

Об'єкт дослідження: процес комп'ютерного планування реконструктивних хірургічних втручань.

Предмет дослідження: методи та засоби комп'ютерного моделювання хірургічних втручань на обличчі людини.

Методи дослідження: методи алгоритмізації та програмування, методи диференціального числення, аналітичної геометрії, лінійної алгебри; методи теоретичної фізики і аеродинаміки, методи математичного моделювання фізіологічних процесів у біологічних об'єктах, методи статистичної обробки результатів досліджень та дискримінантного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів:

- Вперше розроблено метод комп'ютерного планування функціонально-естетичних хірургічних втручань, який за рахунок побудови і деформації віртуальних моделей обличчя і носової порожнини людини з урахуванням даних комп'ютерної томографії та фотограмметрії дозволяє виконувати прогнозування функціонального результату операції при коригуванні анатомічних структур.

- Отримав подальший розвиток метод об'ємної деформації віртуальної моделі анатомічних структур, який відрізняється від існуючих аналогів використанням математичної моделі системи взаємопов'язаних елементів томографічного об'єму, що дає можливість за рахунок використання цього математичного апарату виконувати віртуальну модифікацію анатомічних структур з урахуванням механічних характеристик біологічних тканин.

- Удосконалено метод просторової деформації полігональної моделі анатомічних структур, який відрізняється від відомих можливістю реалістичної візуалізації моделей обличчя і верхніх дихальних шляхів пацієнта та дозволяє за рахунок застосування моделі деформуючого інструменту з відповідними біофізичними параметрами виконувати в інтерактивному режимі модифікацію структур верхніх дихальних шляхів і обличчя людини при проведенні комп'ютерного планування хірургічних втручань.

Обґрунтування і достовірність результатів роботи базується на аналізі літературних джерел та підтверджуються збігом результатів експериментальних і теоретичних досліджень, а також реалізацією результатів в умовах реального передопераційного планування.

Практична значущість отриманих результатів. Отримані наукові результати мають практичне значення, що підтверджується патентом і актами впровадження результатів досліджень.

Розроблено розрахунково-графічне програмне забезпечення (ПЗ) в вільно розповсюджуваному середовищі Microsoft Visual Studio 2012 Express Edition. Використання розробленого ПЗ дозволяє виконувати реалістичну візуалізацію анатомічних структур, деформацію побудованих віртуальних моделей та розрахунок функціональної інформації для прогнозування результатів функціонально-естетичних хірургічних втручань.

Визначено основні медико-технічні вимоги та обґрунтовано практичні рекомендації для проведення комп'ютерного планування функціонально-естетичних ринохірургіческіх втручань.

Результати дисертаційної роботи впроваджені і використані в науково-дослідній роботі за держбюджетною темою № 247-1 "Дослідження теоретичних основ та принципів діагностики верхніх дихальних шляхів" (2010-2012 рр.) Харківського національного університету радіоелектроніки.

Розроблений спосіб комп'ютерного планування ринологічних функціонально-естетичних оперативних втручань був впроваджений при викладанні матеріалу дисципліни "Оториноларингологія" у розділі "Функціональні методи дослідження ЛОР-органів" на кафедрі оториноларингології в Харківському національному медичному університеті.

Розроблене програмне забезпечення пройшло попередню клінічну апробацію в оториноларингологічному відділенні КЗОЗ "Харківська обласна клінічна лікарня - Центр екстреної медичної допомоги та медицини катастроф".

Принципи побудови, методи обробки та аналізу інтроскопічних даних, алгоритмічна модель, структурна схема і основні медико-технічні вимоги для проектування систем комп'ютерного планування ринохірургічних втручань використовуються при викладанні дисциплін "Методи обробки біомедичних зображень", "Засоби комп'ютерного аналізу біомедичних даних та зображень", "Методи обробки біомедичних сигналів і даних" на кафедрі біомедичної інженерії ХНУРЕ.

Особистий внесок здобувача. Дана робота ґрунтується на результатах дисертаційних досліджень, що представлені в роботах [1-16], з яких публікації [2, 4, 6, 9, 12, 13] написані самостійно. Публікації [1, 3, 5, 7, 8, 10, 11, 14-16] були виконані у співавторстві. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в [1] - програмна реалізація алгоритму полігональної растеризації, в [3] - програмна імплементація алгоритму просторової візуалізації елементів томографічного набору даних, в [5] - фізична модель взаємодії елементів покривів шкіри, відображених на томографічних знімках, в [7] - ітераційна процедура розрахунку функціональних показників носового дихання, в [8] - обґрунтування показників носового дихання для визначення діаметру витратоміра Вентурі, в [10] - вибір та реалізація найінформативніших методів візуалізації томографічних даних голови пацієнта, в [11] - метод полігональної деформації для формування віртуальної моделі, в [14] - методи геометричної оптимізації полігональних моделей, в [15] - метод деформації поверхні полігональної моделі обличчя, в [16] - воксельна модель та методи просторової візуалізації анатомічних структур обличчя.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на наукових конференціях: 19-й та 20-й міжнародній науково-практичній конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" (Харків, 2011-2012 рр.), 11-й міжнародній науково-технічної конференції "Проблеми інформатики і моделювання" (Харків, 2011 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Силова електроніка та енергоефективність" (Алушта, 2010-2012 рр.), міжнародному радіоелектронному форумі "Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку" (Харків, 2011, 2014 рр.), міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь в XXI столітті" (Харків, 2012, 2013 рр.), а також на наукових семінарах кафедри біомедичної інженерії (2009-2014 рр.).

Публікації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були опубліковані у 16 наукових працях, з яких 8 - статті (7 у фахових виданнях ВАК України, 1 у періодичному іноземному виданні, що входить до наукометричних баз), 7 тез доповідей та патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Дисертаційна робота викладена на 169 сторінках, із них 150 сторінок основного тексту, та містить 70 рисунків, 4 таблиці, 125 найменувань у списку використаних джерел на 13 сторінках та 6 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить у собі загальну характеристику роботи, обґрунтування її актуальності, формулювання мети і основних завдань дослідження, визначення об'єкта, предмета і методів дослідження, наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів, перелік публікацій і опис особистого внеску здобувача в роботи, виконані у співавторстві. У вступі наведено відомості про апробацію результатів дисертаційної роботи і про зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

У першому розділі наведено аналітичний огляд літератури за темою дослідження.

Описана роль пластичної хірургії у сучасному суспільстві та проблеми, які вирішуються цією галуззю медичної науки. Обґрунтована необхідність застосування передопераційного планування в хірургічній практиці, а також вказані переваги, які сприяють підвищенню якості проведення оперативних втручань.

Проведений аналіз показує, що комп'ютерне планування естетичних втручань, яке проводиться пластичними хірургами, нерідко ґрунтується на аналізі та комп'ютерній обробці фотознімків обличчя пацієнта в ключових ракурсах, що дозволяє оцінити геометрію обличчя. Часто такої інформації недостатньо. Якщо в ділянку хірургічного втручання залучаються органи, що мають важливе функціональне призначення, складну будову або внутрішню структурну деформацію, то у дослідженні треба використовувати методи КТ, оскільки її результати несуть в собі інформацію про внутрішню структуру органів, що досліджуються.

Проведено огляд доступного програмного забезпечення, яке може бути використане пластичним хірургом на етапі передопераційної підготовки. Відзначено суттєві якісні зміни щодо можливостей подібних програмних засобів, що стались за останнє десятиріччя і були обумовлені як підвищенням обчислювальних потужностей персональних комп'ютерів, так і поширенням новітніх засобів інтроскопії, зокрема апаратів мультиспіральної КТ.

Розглянуто можливості таких програмних засобів, як Sante CT Viewer 3D, 3DimViewer, 3D-Doctor, Synapse 3D, OsiriX. Зазначено основні алгоритми, які використовуються для побудови тривимірних полігональних моделей за томографічними зрізами (Marching Cubes, Marching Tetrahedrons, MT6, алгоритми Скали і Канейро). Описані проблеми геометричного та біофізичного моделювання анатомічних структур обличчя, серед яких окремо слід відзначити складність побудови індивідуальної карти тканин обличчя за результатами томографії, що пов'язане з неможливістю однозначного розпізнавання типів тканин за їх щільністю на КТ-зображеннях. Огляд існуючих програмних засобів виявив, що наразі фактично відсутнє програмне забезпечення, яке на основі результатів томографічного дослідження дозволяло б проводити моделювання результатів хірургічного втручання на обличчі і верхніх дихальних шляхах людини з урахуванням біофізичних властивостей тканин, які підлягають оперуванню.

На основі проведеного аналізу обґрунтовані напрями досліджень та основні завдання, які необхідні для реалізації мети дисертаційної роботи.

Другий розділ дисертації присвячений розробці теоретичних основ щодо створення віртуальних моделей обличчя і верхніх дихальних шляхів людини за рахунок багатоетапної обробки томографічних даних. Оскільки методи передопераційного комп'ютерного планування пластичних втручань ґрунтуються на зміні віртуальних моделей, то в цьому розділі особлива увага приділена методам побудови таких моделей. Також у другому розділі описані методи, які покращують характеристики візуалізації програмно сформованих полігональних та об'ємних моделей.

Розділ містить огляд особливостей зберігання інтроскопічної інформації в файлах формату DICOM. Визначено послідовність обробки КТ-зрізів голови пацієнта.

На етапі завантаження томографічного набору даних доцільно застосовувати операцію поблочного стиснення даних, основна мета якого - зменшити обсяг пам'яті, що витрачається для зберігання масиву вокселів. Для кращого візуального сприйняття інтроскопічних зображень, розрядність яких більша за 8 біт на піксель, зазвичай корисно використовувати процедуру тональної компресії. Тональна компресія виконується у відповідності з наступним виразом:

,

де - яскравість елемента зображення після проведення компресії; - яскравість пікселя до компресії; - тональний діапазон вхідного зображення; - тональний діапазон вихідного зображення.

Важливою задачею при автоматизованій обробці томографічних даних є їх сегментація. В ході цієї операції відбувається визначення того, які пікселі несуть в собі інформацію про величину поглинання рентгенівського випромінювання досліджуваним об'єктом, а які до цього об'єкту не відносяться (тобто є фоном зображення, або відповідають порожнечам всередині частини об'єкта, що досліджується). Виділення області інтересу на томографічних знімках і класифікація тканин пацієнта реалізується в ході сегментації за рахунок порядкової заливки або заливки пов'язаних ділянок (рис. 1).

Рисунок 1 - Етапи виділення тканин голови пацієнта на КТ-знімках

Після виконаної сегментації настає черга етапу виділення контурів сегментованих ділянок. Усі пікселі, що лежать на межі виділених ділянок, позначаються особливим значенням у допоміжному масиві ланцюгових кодів. Значення елементів цього масиву розраховуються так:

;

,

де i - номер елемента у масиві восьмизв'язного оточення даного пікселя ; - номер сегментованої ділянки, контур якої виділяється; - функція, що обчислює кут нахилу контурного відрізку, відносно осі OX.

При обробці масиву ланцюгових кодів зрізу (рис. 2 а) формується контурна ламана лінія, яка є межею біооб'єктів, що вивчаються (рис. 2 б, в).

 а б в

Рисунок 2 - Виділення контурів верхніх дихальних шляхів пацієнта на КТ-зрізі

Ця контурна лінія в подальшому використовується для обчислення геометричних характеристик анатомічних структур, що моделюються, і є основою для створення тривимірної контурної моделі (рис. 3 а, б). Операція виділення контурів і побудови контурної моделі може проводитися у трьох основних ортогональних площинах (рис. 3 в).

а б

в г

 д е

Рисунок 3 - Візуалізація анатомічних структур обличчя та верхніх дихальних шляхів людини за КТ- даними: а) контури в аксіальній проекції; б) контури в сагітальній проекції; в) результати мультипланарної сегментації; г) воксельна модель верхніх дихальних шляхів; д) воксельна модель ділянки обличчя людини; е) об'ємна візуалізація обличчя людини методом відкидання променів

Крім побудови контурних моделей верхніх дихальних шляхів та обличчя пацієнта в розділі описано створення просторових віртуальних моделей за допомогою тривимірної вокселізаціі (рис. 3 г, д) та з використанням алгоритму "Marching Cubes" (рис. 4).

а б

Рисунок 4 - Одночасне відображення полігональних моделей анатомічних структур голови людини: а) шкірні покриви та верхні дихальні шляхи; б) шкіряні покриви та кісткові тканини

Також у другому розділі розглянута розроблена програмна реалізація об'ємної візуалізації томографічних даних методом відкидання променів (рис. 3 е).

Третій розділ присвячений розробці методів і алгоритмів корекції комп'ютерних моделей обличчя і верхніх дихальних шляхів людини при підготовці пластичних хірургічних втручань.

Автором пропонується метод комп'ютерного планування пластичних втручань, заснований на змінах об'ємних томографічних даних. Запропонований метод розглядає набір томографічних зрізів як тривимірну структуру, що складається з великої кількості взаємопов'язаних вокселів, які відповідають виділеним в ході сегментації ділянкам інтроскопічних зображень (рис. 5 а). У початковому стані сусідні вокселі не прилягають щільно один до одного, а розділяються порожнім простором. Зміна положення одного вокселя призводить до зміни положення інших елементів об'ємного набору даних за рахунок зв'язків кожного вокселя з двома сусідніми вокселями у кожному вимірі. Таким чином, кожен воксель може мати в цілому до 6 таких сусідів у тривимірному наборі даних. Можливий взаємозв'язок елементів одного зрізу в системі з 10 вокселів схематично відображено на рис. 5 б.

Характер з'єднання і взаємодії вокселів може бути різним. У роботі запропонована модель, в якій вокселі з'єднуються між собою за допомогою віртуальної непружної нитки, що зв'язує протилежні грані сусідніх вокселів. Довжина такої нитки дещо більше відстані між вокселями у своєму початковому стані. За рахунок того, що довжина з'єднувача більше початкової відстані між вокселями, досягається плавне загасання величини зсуву пов'язаних вокселя під час передачі взаємодії при віддалені вокселя-ініціатора руху від пов'язаних вокселів.

а

б

Рисунок 5 - Модель пов'язаних вокселів

Основними параметрами такої системи вокселів є: координати центру вокселя, розміри вокселя, відстані між краями сусідніх вокселів в кожному вимірі, довжини з'єднувачів. Варіюючи ці величини, можна змінювати "видовжуваність" тканин, тобто визначати як будуть взаємодіяти між собою елементи системи вокселів. Можливість задавати дані параметри для всіх видів тканин, незалежно один від одного, дозволяє проводити моделювання хірургічно складного втручання із залученням відразу кількох видів тканин.

У зазначеному методі зміни об'ємних воксельних даних можна виділити такі основні етапи:

1) позрізове перетворення сегментованих елементів томографічних зображень, в систему взаємопов'язаних вокселів;

2) зміна положення окремих елементів користувачем;

3) перерахунок позицій вокселів системи;

4) перетворення модифікованої системи вокселів в набір растрових зображень зрізів (рис. 6 а).

Перетворення, що зазначені у пункті 4 проводяться за рахунок попіксельної триступеневої інтерполяції значень яскравості відповідних елементів воксельної сітки.

а б

Рисунок 6 - Модель пов'язаних вокселів після модифікації

Результат зазначених деформацій до системи вокселів одного зрізу показаний на рис. 6 (а - модифікований томографічний зріз, б - тривимірна візуалізація деформованої системи вокселів).

Відзначимо, що описаний метод деформування системи вокселів має біофізичну інтерпретацію, оскільки рух вокселів при цьому аналогічний деформації еластинових і колагенових волокон в шкірі при її подовжньому натягненні.

Також у роботі запропонована така методика деформування системи вокселів, яка забезпечує неможливість їх зіткнення. З цією метою визначено сімейство функцій, які описують рух вокселів та задовольняють вказаним властивостям їх руху, що дозволяє здійснювати деформації воксельної моделі із різними формами таких деформацій (зазначених вище у третьому етапі зміни об'ємних даних).

Зазначене сімейство функцій описується формулою:

,

де - вектор, проведений від початкового положення ведучого вокселя (точка ) до його поточного положення; - вектор пересування відомого вокселя, який спочатку знаходився в деякій точці , - відстань від точки О до точки , - радіус області, що підлягає деформуванню, та - коефіцієнти, що дозволяють задавати характер деформації поверхні.

На рис. 7 (а-в) наведені форми поверхонь деформованої системи вокселів за певних значень параметрів та .

а б в

Рисунок 7 - Характер деформацій воксельної поверхні в залежності від значень коефіцієнтів та

У третьому розділі запропоновано ще один метод комп'ютерного попереднього планування пластичних втручань. Цей метод заснований на модифікації полігональних моделей, побудованих за томографічними даними або результатами фотограмметрії обличчя пацієнта. Процедура 3D деформації просторової полігональної моделі лицевого відділу голови пацієнта має на меті локальні деформації такої моделі, що реалізовані за рахунок зміни набору трикутників, які апроксимують ділянку поверхні моделі обличчя людини. Інакше кажучи, така зміна геометрії моделі обличчя пацієнта пов'язана з модифікацією послідовності вершин і зміною топології трикутників, що побудовані на цих вершинах. Координати вершин полігональної сітки, які потрапили в область деформації, обчислюються у відповідності з наступною формулою:

,

де - координати вершини після деформації; - початкові координати вершини; - вагова функція [0..1], що визначає те, наскільки сильно екструзивний інструмент (або "деформуючий пензель") впливає на вершину;. - екструзивний оператор, що задає тип деформації поверхні; - величина, що характеризує ступінь деформації; - середня відстань між вершинами, які знаходяться у зоні проведення деформації та площиною деформації.

Приклад деформації полігональної сітки і графік функції , що параметризує характер деформації, відображені на рис. 8.

а б

Рисунок 8 - Деформація полігональної поверхні екструзивним інструментом: а) деформована полігональна поверхня; б) графік функції

,

яка задає характер деформації

Четвертий розділ описує методику оцінки наявності або відсутності показань до ринопластики з використанням даних інтроскопічних досліджень із застосуванням комп'ютерного розрахунку процесів руху повітря у верхніх дихальних шляхах.

Основною проблемою під час таких розрахунків є те, що методика розрахунку аеродинамічного опору ділянок повітряносних шляхів залежить від того, яким є рух повітря в цих ділянках - турбулентним або ламінарним. Вважається, що у нормі рух повітря в повітряносних шляхах є ламінарним. Однак при тих чи інших порушеннях таких шляхів рух повітря на окремих ділянках може ставати турбулентним, визначаючи функціональну неспроможність верхніх дихальних шляхів у цілому.

Для подолання зазначеної проблеми розроблено алгоритм, що дозволяє оцінити спроможність повітряносних шляхів пацієнта. Цей алгоритм ґрунтується на ітераційній процедурі, що містить розрахунок аеродинамічних опорів малих ділянок повітряносних шляхів () і повітряносних шляхів в цілому:

,

де - коефіцієнт гідравлічного тертя у i-му зрізі; - щільність повітря; _товщина i-го зрізу; _ середня площа перерізу повітряносних шляхів у i-му зрізі; _ гідравлічний діаметр цього перерізу.

Також кожна ітерація розробленого алгоритму включає корекцію величин потоку повітря() в лівому і правому шляхах і розрахунок різниць тисків між початком і кінцем цих шляхів ( і ). Перепад тиску лівих або правих повітряносних шляхів обчислюється таким чином:

,

де - перепад тиску повітря у i-му зрізі.

У залежності від характеру течії повітря у даному зрізі перепад тиску розраховується як

якщо рух повітря ламінарний, або

якщо рух турбулентний. Характер руху повітря у зрізі визначається у відповідності до числа Рейнольдса , яке розраховується для і-го зрізу за формулою:

,

де - довжина периметра перетину повітряносних шляхів в i-му зрізі; _ усереднена по перетину швидкість руху повітря в i-му зрізі; - в'язкість повітря.

Зазначена ітераційна процедура не припиняється до тих пір, поки різниці вищевказаних тисків для обох шляхів не стануть відрізнятися на прийнятно малу величину :

.

Оцінка геометричних характеристик верхніх дихальних шляхів здійснюється за рахунок програмного аналізу результатів КТ-дослідження голови пацієнта і побудованих за цими даними віртуальних тривимірних моделей верхніх дихальних шляхів (рис. 9).

а б

Рисунок 9 - Віртуальні моделі повітряносних шляхів: а) полігональна модель; б) об'ємна модель, побудована за рахунок відкидання променів

Виділення і розмітка елементів зрізів повітряносних шляхів відбувається за допомогою порогового кольорового заливання взаємопов'язаних ділянок, що проводиться після ручного встановлення початкових точок заливки. Ця операція можлива завдяки тому, що поглинання рентегнівского випромінювання в елементах об'єму (а, отже, і яскравість відповідного вокселя), які заповнені повітрям, значно нижче, ніж у м'яких або твердих тканинах голови людини.

N=119 N=168 N=217

Після завершення програмної сегментації повітряносних шляхів (рис. 10) проводиться автоматизований підрахунок кількості сегментованих вокселів у зрізах фронтальній проекції.

Згідно з розглянутими в 3_му розділі етапами методів комп'ютерного планування синтезована структурна схема системи, що реалізує комп'ютерне планування пластичних втручань на обличчі людини (рис. 11).

При створенні структурної схеми також враховувалися основні розроблені медико-технічні вимоги та практичні рекомендації з проектування системи комп'ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини, які викладені в четвертому розділі.

N=266 N=315 N=364

N=413 N=462 N=511

Рисунок 10 - Сегментовані повітряносні шляхи на томографічних зрізах голови у фронтальній проекції (N - номер зрізу)

У висновках зазначено основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи. візуалізація обличчя віртуальне коригування



Рисунок 11 - Структурна схема системи комп'ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини

ВИСНОВКИ

Аналіз сучасних методів і програмних засобів планування пластичних хірургічних втручань на обличчі людини показав, що в них майже не використовуються доказові підходи, які б дозволяли комплексно враховувати функціональні показники носового дихання та морфологічно-естетичні характеристики обличчя з урахуванням індивідуально-анатомічної мінливості. Тому, дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-практичної задачі - розробці нових методів і засобів комп'ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини.

Основні результати роботи полягають у тому, що:

- Розроблений метод комп'ютерного планування функціонально-естетичних хірургічних втручань на обличчі людини показав, що можливо за рахунок використання сегментованих контурних просторових анатомічних орієнтирів у тривимірному просторі об'єднувати дані комп'ютерної томографії та фотограмметрії і проводити комплексну візуалізацію як внутрішніх структур верхніх дихальних шляхів, так і поверхні обличчя з фотографічною якістю. Така деталізація досягається фотограмметричним текстуруванням зовнішньої поверхні просторової моделі обличчя, яка містить не менш ніж 8 мільйонів трикутників, що апроксимують поверхню анатомічних структур з відповідним до критерію Найквіста розрізненням.

- Встановлено, що при моделюванні хірургічного втручання на тканинах обличчя людини на основі розробленого методу переміщення зв'язаних елементів об'єму, для збереження просторової конфігурації анатомічних структур щільність вокселів віртуальної моделі має складати не менш ніж 3000 елементів на кубічний сантиметр, а для комп'ютерного моделювання функціонального ринохірургічного втручання - не менше ніж 5000 вокселів на кубічний сантиметр тканини, що пов'язано з геометричними показниками аеродинамічної моделі, яка використовується для подальшого визначення аеродинамічних показників повітряного потоку.

- При використанні моделі переміщення взаємопов'язаних вокселів, рух елементів об'єму має описуватися математичними степеневими функціями, параметри яких дозволяють враховувати різни типи тканин та види деформації (розтягнення-стиснення, зсуву) з урахуванням індивідуальної варіабельності.

- При аналізі аеродинамічних властивостей верхніх дихальних шляхів основну увагу доцільно приділити розподілу гідравлічних діаметрів вздовж фронтальних перетинів носової порожнини, які непрямо свідчать про величину турбулізації повітряного потоку. При віртуальній корекції анатомічних структур щодо збереження косметичного ефекту хірургічного втручання досягається зниження аеродинамічного носового опору не більш ніж в 1,5 рази. Адекватність моделі підтверджується зменшенням похибок при порівнянні функціональних та естетичних показників віртуальних методів корекції анатомічних структур з результатами, які були досягнуті після проведення хірургічного лікування.

- Основними медико-технічними вимогами до системи комп'ютерного планування функціонально-естетичних ринохірургічних втручань є такі:

1) при проведенні аеродинамічних розрахунків за даними геометричної моделі необхідно визначати режим течії повітряного потоку відповідно до усереднених показників витрати повітря при різних режимах дихання;

2) кількість геометричних примітивів, що необхідні для моделювання ділянки обличчя людини площею 1 кв. см. за даними томографічного та фотограмметричного досліджень, має бути не менше 90 для реалістичної візуалізації індивідуальних особливостей обличчя пацієнта;

3) для забезпечення реалістичного подання особливостей анатомічної будови пацієнта похибка сегментації тканин та анатомічних структур обличчя людини за томографічними даними має бути такою, щоб кількість помилково сегментованих вокселів складала не більше ніж 1.5 % від їх загальної кількості на поверхні анатомічної структури;

4) відображення тривимірної комп'ютерної моделі анатомічних структур обличчя, що містить близько 5000 вокселів на кубічний сантиметр тканини, має відбуватися зі швидкістю не менш ніж 20 кадрів у секунду, що потребує близько 55 GFLOPS обчислювальних ресурсів центрального процесора та не менш ніж 750 МБайт оперативної пам'яті.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Статті у провідних фахових виданнях України:

1. Книгавко Ю.В. Алгоритмы программного рендеринга трехмерной графики для задач медицинской визуализации / Ю.В. Книгавко, О.Г. Аврунин // Технічна електродинаміка, тем випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2010. - Ч.3. - С. 258-261.

2. Книгавко Ю.В. Метод компьютерного планирования пластических вмешательств на лице человека за счет изменения объемных томографических данных / Ю.В. Книгавко // Радиотехника. - 2012. - №168. - С. 87-92.

3. Книгавко Ю.В. Программная визуализация объемных медицинских данных / Ю.В. Книгавко, О.Г. Аврунин // Технічна електродинаміка. - Тем. випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2011. -С. 301-308.

4. Книгавко Ю.В. Математическая модель динамической пространственной модификации томографических данных / Ю.В. Книгавко // Радиотехника. - 2012. - №170. - С. 92-97.

5. Книгавко Ю.В. Биофизическая интерпретация методики измерения объемных данных при компьютерном планировании пластических вмешательств на лице пациента и проблемы использования этой методики /Ю.В. Книгавко, О.Г. Аврунин // Технічна електродинаміка, тем випуск "Силова електроніка та енергоефективність". - 2012. - Ч.3. - С. 194-197.

6. Книгавко Ю.В. Компьютерное планирование пластических вмешательств методом деформации полигональной модели лица человека / Ю.В. Книгавко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -2013. -№61. -С. 11-16.

7. Книгавко Ю.В. Расчет функциональных параметров, определяющих показания к проведению ринопластики / Ю.В. Книгавко, О.Г. Аврунин, Х.И. Фарук // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -2013. -№62. -С. 24-27.

Статті у іноземних фахових виданнях:

8. Knigavko I.V. Calculation of venturi nozzles diameter for nasal breathing evaluation device / I.V. Knigavko, O.G. Avrunin, H.I. Farouk // International Journal of Mechanical Engineering. -2013. -Vol. 2. -P.21-28.

Матеріали конференцій:

9. Кнігавко Ю.В. Програмна візуалізація об'ємних медичних даних / Ю.В. Кнігавко // Матеріали XIX міжнародної науково-практичної конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я:". -Харків. -2011. - НТУ "ХПІ". - Ч.3. -С. 103.

10. Книгавко Ю.В. Методы визуализации томографических данных при планировании хирургических вмешательств на лице человека / Ю.В. Книгавко, О.Г. Аврунин // Сб. Науч. трудов. 4-го Междунар. радиоэлектронного форума МРФ-2011. - Т. 3. - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2011. - С. 35-38.

11. Кнігавко Ю.В Використання методів тривимірної деформації при комп'ютерному плануванні пластичних втручань на обличчі людини / Ю.В Кнігавко, О.Г. Аврунін // Матеріали XX міжнародної науково-практичної конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я:". -Харків. -2012. - НТУ "ХПІ". - Ч.3. -С. 89.

12. Книгавко Ю.В. Метод трехмерного отображения томографических срезов для компьютерного планирования пластических вмешательств на лице человека / Ю.В. Книгавко // Сб. Науч. трудов. 5-го Междунар. радиоэлектронного форума МРФ-2014. - Т.3. - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2014. - С. 28-29.

13. Книгавко Ю.В. Компьютерное планирование пластических вмешательств на лице человека за счет изменения объемных томографических данных / Ю.В. Книгавко // Материалы 16-го международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". -Т. -Харьков. -2012. -С. 200-201.

14. Книгавко Ю.В. Оптимизация полигональных моделей лица человека, построенных по томографическим данным / Ю.В. Книгавко, О.Г. Аврунин // Тезисы 11-й международной научно-технической конференции "Проблемы информатики и моделирования". -Харьков. -2011. -С. 34-35.

15. Книгавко Ю.В. Применение метода трехмерной лепки полигональных моделей для задач компьютерного планирования пластических вмешательств на лице человека / Ю.В. Книгавко, Х.И. Фарук, Е.В. Солодкая // Материалы 17-го международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". -Т. -Харьков. -2013. -С. 158-159.

Патенти:

16. Пат. № 97779, Україна, МПК А 61В 5/08. Спосіб планування ринологічних функціонально-естетичних оперативних втручань / Аврунін О.Г., Кнігавко Ю.В., Журавльов А.С., Калашник Ю.М., Саєд Х.И., Пащенко А.А; заявник та патентовласник Харківський національний університет радіоелектроніки. - № а 201108547; опубл. 12.03.2012., Бюл. 2012. - № 5.

АНОТАЦІЯ

Кнігавко Ю.В. Методи та засоби комп'ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2015.

Дисертаційна робота присвячена розробці нових методів і засобів комп'ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини.

Робота є синтезом трьох напрямків досліджень, об'єднаних спільною метою. З них два напрямки є прикладними, а один можна назвати методичним, оскільки методи, розроблені в рамках цього напрямку, дозволяють практично вирішувати прикладні завдання дослідження.

Розробка методів і засобів комп'ютерного планування пластичних втручань на обличчі людини проводилася у такій послідовності. Спочатку були створені алгоритми і програми, які забезпечили можливість проведення 3D візуалізації голови людини. При цьому вирішувалися завдання створення такого програмного комплексу, який може бути розгорнутим на будь-якому універсальному швидкодіючому комп'ютері. З цією метою дисертантом розв'язувалися такі завдання: початкова комп'ютерна обробка томографічних даних або даних фотограмметрії; тональна компресія; сегментація томографічних зображень голови людини; визначення контурів сегментованих областей на томографічних зрізах; розробка підсистеми візуалізації полігональних моделей анатомічних структур; побудова полігональних моделей обличчя і верхніх дихальний шляхів за результатами рентгенівського томографічного дослідження голови пацієнта; розробка методів програмної об'ємної візуалізації томографічних даних; використання методу програмного відкидання променів і створення алгоритму його реалізації.

Реалізація завдань цього напрямку досліджень дозволила перейти до розв'язання наступного завдання - створення віртуальних комп'ютерних моделей обличчя людини з можливістю такої корекції, яка відповідає бажанням пацієнта і відповідним природним біолого-анатомічним вимогам.

Для випадку вирішення зазначеної задачі з використанням даних комп'ютерної томографії розроблений метод пересування зв'язаних вокселів, як найменш трудомісткий, а, отже, і найбільш швидкодіючий. Створені два методи пересування елементів томографічного об'єму, з яких один ефективний при не надто великій кількості вокселів, що пересуваються, але допускає біологічну інтерпретацію процесу, а другий - абстрактний та універсальний. Для другого метода визначено клас функцій, які надають можливості різних за формою трансформацій просторової моделі і при цьому позбавлені невизначеностей, які випливають з вимоги відсутності стикання вокселів.

Для моделювання пластичних втручань на обличчі людини з використанням даних фотограмметрії розроблений спосіб 3D деформації, що ґрунтується на деформуючих перетвореннях полігональних сіток і застосуванні деформуючого інструменту. Вивчено і обґрунтовано використання різних функціональних виразів, що визначають характер використання цього "деформуючого пензля".

Третій напрямок досліджень - визначення показань до ринопластики на основі створення тривимірної моделі верхніх дихальних шляхів і оцінки, виходячи з цієї моделі, функціональної спроможності повітряпровідної системи носа пацієнта. Для цього побудована аеродинамічна модель, яка описує рух повітря у верхніх дихальних шляхах, що разом з результатами інтроскопічних досліджень дозволило створити ітераційний алгоритм, який дає можливість оцінити стан повітряносних шляхів носа і, тим самим, встановити їх функціональну спроможність, а, отже, і наявність або відсутність показань до ринопластики.

Ключові слова: віртуальна модель обличчя, медична візуалізація, передопераційне планування.

АННОТАЦИЯ

Книгавко Ю.В. Методы и средства компьютерного планирования пластических вмешательств на лице человека. - 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, 2015.

Диссертационная работа посвящена разработке новых методов и средств компьютерного планирования пластических вмешательств на лице человека.

Разработка методов и средств компьютерного планирования пластических вмешательств на лице человека проводилась в следующей последовательности. Сначала были созданы алгоритмы и программы, которые обеспечили возможность проведения 3D визуализации головы человека. При этом ставилась и решалась задача создания такого программного комплекса, который может быть развернут на любом универсальном быстродействующем компьютере. С этой целью диссертантом были решены такие локальные задачи: начальная компьютерная обработка томографических данных или данных фотограмметрии; тональная компрессия; сегментация томографических изображений головы человека; определение контуров сегментированных областей на томографических срезах; построение полигональных моделей лица и верхних дыхательный путей по результатам рентгеновского томографического исследования головы пациента; разработка методов программной объемной визуализации томографических данных; применение метода программного отбрасывания лучей и создание алгоритма его реализации.

Реализация задач этого направления исследований позволила перейти к решению следующей задачи - задачи создания виртуальных компьютерных моделей лица человека, позволяющих вносить в модель необходимые коррективы, соответствующие желаниям пациента и при этом соответствующие естественным биолого-анатомическим требованиям.

Для случая решения указанной задачи с использованием данных компьютерной томографии разработан метод перемещения связанных вокселей, как наименее трудоемкий, а, следовательно, и наиболее быстродействующий. Созданы два метода перемещения элементов томографического объема, из которых один эффективен при не слишком большом количестве перемещаемых вокселей, но допускает биологическую интерпретацию процесса, а второй - более абстрактен и более универсален. Для последнего из этих методов определен класс функций, которые предоставляют возможности различных по форме трансформаций пространственной модели и при этом лишены неопределенностей, которые вытекают из требования отсутствия наложения вокселей.

Для моделирования пластических вмешательств на лице человека с использованием данных фотограмметрии разработан способ 3D деформации, основывающийся на деформирующих преобразованиях полигональных сеток и применении деформирующего инструмента. Изучено и обосновано использование различных функциональных выражений, определяющих характер использования этой "деформирующей кисти".

Третье направление исследований - решение задачи определения показаний к ринопластике на основе создания трехмерной модели верхних дыхательных путей и оценки, исходя из этой модели, функциональной состоятельности воздухопроводящей системы носа пациента. Для этого построена аэродинамическая модель, описывающая движение воздуха в верхних дыхательных путях, что вместе с результатами интроскопических исследований позволило создать итерационный алгоритм, позволяющий оценить состояние воздухопроводящих путей носа и, тем самым, установить их функциональную состоятельность, а, следовательно, и наличие или отсутствие показаний к ринопластике.

Ключевые слова: виртуальная модель лица, медицинская визуализация, предоперационное планирование.

ABSTRACT

Knigavko I. Methods and tools for computer planning of plastic interventions on the human face. - Manuscript.

The thesis for the scientific degree of PhD technical sciences, specialty 05.11.17 - biological and medical devices and systems. - Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkov, 2015. The thesis is devoted to the development of new methods and tools for plastic interventions planning on the human face. The work is a synthesis of three research areas united by a common purpose. The two areas have applied nature. And one are can be called methodical because the methods developed in this direction allow practically solve applied problems of research.

The development of methods and tools of computer planning plastic interventions on the human face was performed in the following sequence. First the algorithms and programs that provide the possibility of 3D visualization of the human head were created. Thus formulate and solve the task of creating a software that can be deployed to any universal high-performance computers. By the author of the work were resolved local problems: initial computer processing CT data or photogrammetric data, tone mapping, segmentation of CT images of the human head, defining the contours of the segmented regions on the CT slices, development of a visualization subsystem for the rendering of polygonal models of facial anatomical structures and upper respiratory tract, constructing polygonal models of a face and upper respiratory tract by processing CT of the patient's head, development of methods for software volume rendering of CT data.

The implementation of these research goals allows move to the next problem - the problem of creation of virtual computer models of the human face, that allow to make necessary adjustments in the model according to the wishes of the patient and corresponding to the natural biological and anatomical requirements.

For the solution of this problem by using a CT data method based on voxels moving was developed. This method is the least operator time-consuming and, also most fast. Two methods of moving elements tomographic volume were developed. One of them is effective if not many voxels was moved, but allows biological interpretation of the process. The second one is more abstract and more universal. For the second method the was developed class of functions that provide opportunities for various forms of transformation of the spatial model.

For plastic interventions modeling using photogrammetric data the deformation method was developed. This 3D deformation method is based on polygonal meshes transformations and using of the sculpting brush. The use of different functional expressions that define the nature of the use of this deformation tool was investigated.

The third area of research was the solving problem of determining the indications for rhinoplasty through the creation of three-dimensional model of the upper respiratory tract and evaluation on the basis of this model, the functional viability of the patient's nose breathe. For this purposes was built aerodynamic model which describes the movement of air in the upper airways, and together with the results of introscopic investigations allows to create iterative algorithm for establishing functional viability of the patient's nose, and, therefore, the presence or absence indications for rhinoplasty.

Keywords: virtual face model, medical imaging, preoperative planning.

Размещено на Allbest.ru

...