Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы диагностики сколиоза ...7
1.1. Основные причины возникновения и развития осанки человека 7
1.2. Основные причины возникновения и развития патологических искривлений позвоночника 16
1.3. Обзор и оценка методов диагностики сколиоза 20
Глава 2. Анализ существующих методов и технологий определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов 23
2.1. Контактные методы определения параметров биологических объектов 23
2.2. Рентгенологические методы получения метрических характеристик параметров биологических объектов 26
2.3. Фотограмметрические методы получения метрических характеристик параметров биологических объектов 37
Выводы по главе 2 45
Глава 3. Разработка и исследование фотограмметрических методов определения параметров поверхности биологических объектов 46
3.1. Цель исследований 46
3.2. Исследование стабильности поверхности тела человека при проведении его стереофотограмметрической съемки 46
3.3. Исследование возможности применения методов стереофотограмметрии для определения рельефа поверхности тела человека 52
3.4. Экспериментальные исследования применения методов фотограмметрии для построения рельефа полной поверхности тела человека 56
3.5. Метод количественной оценки асимметрии рельефа поверхности биологического объекта - тела человека по результатам стереофотограмметрическои съемки 64
Выводы по главе 3 86
Заключение 87
Литература 88
Приложение 94
- Основные причины возникновения и развития патологических искривлений позвоночника
- Рентгенологические методы получения метрических характеристик параметров биологических объектов
- Фотограмметрические методы получения метрических характеристик параметров биологических объектов
- Исследование возможности применения методов стереофотограмметрии для определения рельефа поверхности тела человека
Введение к работе
Актуальность темы.
Во многих областях науки и практической деятельности, в частности в медицине, возникает задача определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов. Разработанные до настоящего времени методы определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов не отвечают современным требованием, так как либо дают крайне скудную информацию, хотя и очень простыми методами, либо требуют значительных временных затрат на проведение измерений с помощью дорогого оборудования и обработку полученных в результате этих измерений данных.
Таким образом, очевидна актуальность разработки, такого метода определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов, который обладает высокой оперативностью, достаточной точностью и относительно невысокой стоимостью. Разработанный метод, кроме того, должен быть безопасен для исследуемого объекта.
Всем этим требованиям отвечают фотограмметрические методы, но специфика определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов обусловила необходимость проведения исследований, направленных на разработку методов и технологий стереофотограмметрической съемки, применимых для съемки живого объекта.
Цель и задачи.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование оптимальных фотограмметрических методов и технологий определения характеристик поверхности биологических объектов с использованием недорогих цифровых фотокамер и широко распространенных в России фотограмметрических систем для цифровой обработки фотоснимков.
Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
-
Проведены исследования возможности применения методов стереофотограмметрии для определения рельефа поверхности различных объектов, на основании которых предложены фотограмметрические методы и технологии определения характеристик поверхности биологических объектов;
-
Проведены исследования влияния нестабильности поверхности биологического объекта на точность определения ее геометрических характеристик при проведении стереофотограмметрической съемки;
-
Разработан метод количественной оценки асимметрии рельефа поверхности биологического объекта - тела человека по результатам стереофотограмметрической съемки.
Научная новизна. Основные результаты диссертационной работы, представляющие научную новизну и выносимые на защиту:
1. Разработка и обоснование методов и технологий стереофотограмметрической цифровой съемки поверхности биологических объектов.
2. Разработка метода количественной оценки асимметрии рельефа поверхности биологического объекта - тела человека по результатам стереофотограмметрической съемки.
Практическое значение работы.
Разработанные методы и технологии фотограмметрической цифровой съемки биологических объектов, позволяют их использование в различных сферах деятельности, связанных с изучением биологических объектов, в частности, в медицине для диагностики и мониторинга состояния больных сколиозом. Этому способствуют те обстоятельства, что разработанные методы и технологии могут быть реализованы с применением недорогих цифровых съемочных камер и стандартных программных комплексов для цифровой фотограмметрической обработки снимков, широко распространенных в России. Разработанные методы и технологии получили положительную оценку при его апробации в интернате № 76 г. Москвы при обследовании детей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата.
Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на 68-ой (апрель, 2008) научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК.
Публикации.
По результатам выполненных исследований по теме диссертации автором опубликованы две статьи.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Материал работы изложен на 111 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 38 рисунков, 8 приложений. Список литературы состоит из 43 наименований, из них 16 на иностранных языках, 10 интернет - источников.
Основные причины возникновения и развития патологических искривлений позвоночника
Перейдем к рассмотрению заболеваний опорно-двигательной системы и их взаимосвязи с осанкой. Сколиотическая болезнь позвоночника — боковое искривление позвоночника в сочетании с его торсией (скручиванием). Сколиоз может быть врожденным (неправильное развитие позвонков), но гораздо чаще возникает у детей в возрасте между 5 и 15 годами, особенно у школьников[22]. Сколиотическая деформация может быть связана с неравномерным ростом правой и левой половины позвонка. Согласно современной теории, именно плохая осанка является одной из причин развития деформаций растущего позвоночника. Сколиоз существенно ухудшает скелетное и мышечное равновесие, обусловливая, в свою очередь, плохую осанку. Сколиотическая болезнь может прогрессировать и требует специального лечения до полного прекращения роста скелета. С другой стороны, плохая осанка, а именно нарушенный двигательный стереотип и дисбаланс мышц, ускоряет искривление позвоночника и усугубляет течение сколиотической болезни, которая может привести к тяжелым деформациям туловища. Коррекция осанки способна существенно исправить деформацию туловища и замедлить сколиотическую болезнь.
Огромное влияние на нарушение правильной осанки школьников оказывает неправильная поза детей во время учебных занятий, что ведёт к неравномерному распределению нагрузки на позвоночник и на мышцы спины, обусловливая их переутомление и ослабляя их. Слабость мышц спины, плохая осанка, выступающие лопатки являются предвестниками сколиоза. В дальнейшем возникают изменения связок позвоночника и формы самих позвонков, образуется стойкое боковое искривление позвоночника (рис.4). Рис. 4.Боковое искривление позвоночника Сколиоз может быть также следствием перенесённого в детстве тяжелого рахита, а у взрослых - длительных асимметричных нагрузок на мышцы спины (так называемый профессиональный сколиоз скрипачей, швей, грузчиков и др.). В этих случаях, при уже законченном росте скелета, искривление развивается медленнее и редко достигает такой степени, как у детей. К сколиозу иногда приводит перелом позвонка или его разрушение болезненным процессом, особенно туберкулёзным. При укорочении одной ноги, когда человек, чтобы ступить на нее, должен согнуться вбок, возникает так называемый функциональный сколиоз. Искривление при наиболее частых формах приобретенного сколиоза начинается с того, что при утомлении мышц спины позвоночник слегка отклоняется вбок. После отдыха искривление исчезает. Это первая стадия. На второй стадии искривление делается постоянным, изменяется форма грудной клетки, плечо и лопатка на выпуклой стороне грудного сколиоза располагаются выше, чем на вогнутой. Подвижность позвоночника резко уменьшается. Всякое физическое напряжение утомительно. Учащаются жалобы на мышечные и межреберные боли (невралгия)[26]. Профилактика нарушений осанки в раннем школьном возрасте — основной путь профилактики школьных сколиозов.
Особо тяжелые сколиозы приводят к изменению положения внутренних органов, затрудняющему их функционирование. Всё это может значительно снижать трудоспособность человека. Следующим распространенным заболеванием школьного возраста является юношеский кифосколиоз. Кифоскодиоз подростков формируется в возрасте 14-16 лет в период активного роста скелета в высоту — так называемого костного спурта. Этот период характеризуется юношеским остеопорозом — снижением плотности и прочности костной ткани тел позвонков. Кость становится мягкой, пористой. Под действием избыточной нагрузки на передний опорный комплекс позвоночника (в результате длительного вынужденного сидячего положения в период школьного обучения) тела позвонков грудного отдела позвоночника сплющиваются и приобретают клиновидную форму. Как результат - формируется искривление грудного отдела позвоночника. Процесс сопровождается скручиванием и боковым искривлением позвоночника. Кифосколиозы подростков, так же, как и школьный сколиоз, существенно ухудшают скелетное и мышечное равновесие и сами по себе являются причиной плохой осанки. Кифосколиоз имеет тенденцию к прогрессированию и требует специального лечения до полного прекращения роста скелета. С другой стороны, плохая осанка, а именно нарушенный двигательный стереотип и дисбаланс мышц, ускоряет искривление позвоночника и деформацию грудной клетки, что приводит к нарушению функции органов грудной клетки и косметическому дефекту. К группе риска по этой патологии относятся до 80% школьников, заболевание развивается у 10% из них. Все это говорит о важности воспитания и коррекции осанки учащихся средней школы, а также о необходимости наличия у медперсонала школ или детских поликлиник доступных и безопасных методов скринингового обследования детей. Накопленные в детском и подростковом возрасте проблемы позвоночника переходят во взрослую жизнь. Заложенная ранее плохая биомеханика позвоночника и сидячий образ жизни способствуют развитию целого ряда заболеваний, в том числе такого опасного заболевания, как остеохондроз позвоночника[22]. Несмотря на угрожающие масштабы прогрессирования упомянутых выше патологий позвоночного столба в детском возрасте, многие вопросы диагностики и лечения сколиозов сегодня воспринимаются врачами как очевидные, хотя знания и технические средства, появившиеся в последние десятилетия, позволяют по-новому взглянуть на целый ряд аспектов этой патологии.
Рентгенологические методы получения метрических характеристик параметров биологических объектов
Рентгенологическое исследование позвоночника является неотъемлемой частью комплексного клинического изучения неврологических больных, уточняя характер изменений в позвонках, дисках, позвоночном канале и т.д. [1,2].
Рентгенография позвоночника выполняется в положении стоя в двух стандартных проекциях — прямая (переднезадняя) и боковая[3]. На (рис.8) представлено положение пациента при рентгенографии и полученные снимки. Съемка производится в позе обязательного самоконтроля за осанкой: при ровно поставленных ногах и выпрямленных коленях. При проведении прямой рентгенографии руки у пациента должны быть выпрямлены и опущены вдоль туловища, а при боковой — расположены на подставке, установленной по высоте на уровне груди. В процессе рентгенографии «окно съемки» устанавливается таким образом, чтобы получить изображение позвоночника от нижнего уровня первого крестцового позвонка с захватом крыльев подвздошных костей и реберного каркаса грудной клетки до верхнего уровня не ниже третьего грудного позвонка.
После визуального анализа рентгенограмм производится расчет угла Кобба. Нередко врач вынужден проводить серию съемок при различных углах наклона ребенка, что необходимо для оценки мобильности, включая и нестабильность, позвоночника[32]. Параллельно рентгенограмма позволяет оценить степень роста скелета и его зрелости. В случае прогрессирования болезни врач вынужден назначать рентгенографию каждые 2-4 месяца, чтобы оценить вероятность дальнейшего прогрессирования искривления позвоночника, что потенциально усиливает её вредное биологическое воздействие . Исследования радиологов подтвердили кумулятивный характер радиационного воздействия, особенно на детей в процессе их роста и формирования таких органов, как щитовидная железа, костный мозг, молочные железы, яичники и прочее. Это в большой степени относится к детям со сколиотической болезнью, особенно высокой степени. Как показали обследования очень большой группы женщин (5573 чел), больных сколиозом или с наличием прочих аномальных искривлений позвоночника, подвергавшихся достаточно многочисленным рентгенологическим обследованиям в детском и юношеском возрасте, риск рака грудных желез у этой группы пациентов на 70% выше, чем у прочего населения в целом [31]. Вплоть до сего дня разработчики разрабатывают меры по снижению дозы облучения при рентгенографии, и хотя эти усилия помогают уменьшать дозу радиационного облучения, они в принципе не могут устранить риск раковых заболеваний.
Улучшение ситуации пришло с появлением цифровой техники обработки рентгеновских снимков. Появление возможности получения информации в цифровом формате не только заметно улучшило качество снимков, но и позволило использовать огромные возможности компьютерной техники, в том числе направлять информацию по электронной сети для диагностики заболевания специалистами крупных медицинских центров. Однако основная опасность, связанная с радиационным облучением растущего детского организма, к сожалению, сохраняется и является неустранимой.
Преимущества рентгенографии заключаются в доступности, простоте, невысокой стоимости всего комплекса оборудования в сочетании с высоким пространственным разрешением при визуализации объектов со значительными различиями по плотности тканей.
К основным недостаткам рентгенографического метода относят низкую чувствительность, связанную с плохим разрешением по контрастности при визуализации объектов с небольшими различиями по плотности и проекционным характером изображения, а также лучевую нагрузку на пациента.
Одним из самых эффективных методов современной диагностики в медицине является компьютерная томография (КТ). В методе КТ, как и при других рентгенологических методах, используется рентгеновское излучение. Томография по определению - метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта посредством его многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях[4,5,9].
Ранее под томографией понимался метод рентгенологического исследования, с помощью которого можно производить снимок слоя, лежащего на определённой глубине исследуемого объекта. Он был предложен через несколько лет после открытия рентгеновских лучей и был основан на перемещении двух из трёх компонентов (рентгеновская трубка, рентгеновская плёнка, объект исследования). Наибольшее распространение получил метод съёмки, при котором исследуемый объект оставался неподвижным, а рентгеновская трубка и кассета с плёнкой согласованно перемещались в противоположных направлениях. Такой метод является устаревшим и получил название классическая томография, или линейная томография.
Метод компьютерной томографии был предложен в 1972 г. Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями[29,30].
Принцип работы: Как и при обычной рентгенографии, при фиксированном положении источника R-излучения на фотоплёнке или цифровых ПЗС камерах образуется теневое изображение объекта, являющееся суммой проекций всех его слоев, через которые проходит рентгеновский пучок. Если в процессе съёмки синхронно перемещать источник и фотоплёнку (или источник и объект, объект и фотоплёнку) так, чтобы пучок проходил в процессе экспозиции только через один и тот же участок объекта в некотором слое, то изображение этого участка получится наиболее чётким на фоне изображения других участков, которое окажется "размазанным".
Фотограмметрические методы получения метрических характеристик параметров биологических объектов
Наиболее эффективным методом диагностирования и контроля сколиоза продолжает оставаться рентгенография.
Однако опасность для пациента высокой лучевой нагрузки не позволяет использовать этот метод при исследовании развития сколиоза у пациентов, особенно у детей, так часто, как этого требует развитие болезни. Группа научных сотрудников Общества исследований по сколиозу, занимающаяся разработкой трехмерных методологии для изучения спинальных патологий, опубликовала итоги анализа [16] работ по исследованию деформации позвоночников пациентов с использованием плоских рентгеновских снимков. Таки снимки обладают малой точностью, что не позволяет в достаточной мере оценивать динамику развития болезни у пациента. В качестве вывода подчеркивается необходимость разработки трехмерных методов измерения деформации позвоночника для применения в клиниках лечения сколиоза [15]. Выше был упомянут метод стереорентгеновской съемки, который позволяет производить трехмерную оценку объектов исследования, однако приводит к увеличению по крайней мере вдвое лучевой нагрузки на пациента, что является недопустимым, особенно при обследовании детей[11]. По этой причине были сформулированы следующие требования, которым должны отвечать методы исследования и диагностики спинальных патологий, в том числе и сколиоза [16]: метод должен быть бесконтактным; он должен обеспечивать получение информации в трехмерном варианте; он должен быть дешевым, так как только его низкая цена позволит широко использовать эту систему в медицинской практике; время съемки пациента не должно превышать одну- две секунды; система должна быть надежной, простой и эффективной. Работа по этой системе должна легко осваиваться персоналом. На сегодняшний день практически все современные методы оценки нарушения осанки (в том числе сколиоза), позволяющие получать информацию в трехмерном формате, основаны на использовании принципа поверхностной топографии спины [14]. К этим методам можно отнести следующие методы: метод муаровой топографии; растровая стереосъемка; лазерное сканирование; стереофотограмметрический метод. Рассмотрим каждый из них более подробно. Среди оптических методов получения контурных линий рельефа по оптическому полю большой интерес представляет метод муаровых полос.
Источник света, близкий к точечному, амплитудная линейная решетка и объект - это все, что нужно для наблюдения контурных линий. Метод прост, осуществим в реальном масштабе времени и имеет непрерывный диапазон изменения чувствительности. Метод имеет два основных преимущества: 1) муаровые полосы наблюдаются даже в том случае, если сам объект практически не виден; 2) контрастность муаровых полос достаточно высокая. Одним из первых, кто применил метод муаровых полос для наблюдения живого объекта (человека), был Х.Такасаки [41]. Его работа интересна тем, что он описывает в ней приемы и технологию проведения эксперимента, в частности, применения «жидкой пудры», использованной для получения уникальных контурных карт рельефа тела человека. Применяя «жидкую пудру» темного цвета Такасаки получил муаровые контурные карты рельефа тела человека, снятые при опущенной и поднятой руке, наглядно продемонстрировав изменение рельефа туловища. Позднее этот бесконтактный метод контроля рельефа поверхности тела человека был применен и для детей, больных сколиозом [8]. При обследовании на тело пациента больного сколиозом под определенным углом проецируется с помощью проектора изображение прямолинейных симметричных полос, картина которых деформируется в соответствии с рельефом обследуемой поверхности. Суперпозиция деформированных пропорционально форме поверхности теневых полос и исходных полос экрана в результате механической интерференции создает изображение муаровой топограммы рельефа обследуемой поверхности. По изображению муаровых топограмм производится визуальное сравнение формы левой и правой половин поверхности спины, и наблюдаемая при этом асимметрия полос свидетельствует о ротации позвоночника, что является одним из признаков его деформации. Однако получаемая при этом оценка деформации позвоночника определяется квалификацией и опытом специалиста, и поэтому имеет субъективный и качественный характер, являясь весьма приблизительной (асимметрия выявляется с точностью до одной полосы, цена которой по глубине рельефа обычно составляет 5 мм) [42].
Исследование возможности применения методов стереофотограмметрии для определения рельефа поверхности тела человека
Нарушение осанки как у детей, так и у взрослых является самым распространенным типом патологии, который охватьгеает практически все население. В главе 1 были рассмотрены все общепринятые типы нарушения осанки и обсуждены практически все значимые на сегодняшний день методы ее выявления. Однако, борьба с этим всеобщим недугом, который после внедрения в нашу повседневную жизнь компьютеров только расширяет масштабы своего его проявления, становится все более актуальной. Последние годы среди медиков вновь проявляется интерес к такому показателю нарушения осанки, как право- левосторонняя асимметрия тела при том, что практически до сих пор отсутствуют количественные показатели этого динамического явления. Поэтому в данной работе предпринимается попытка ввести в практике один из вариантов такого показателя, как отношение высот рельефа точек поверхности тела, равноудаленных от позвоночника вправо и влево на разных его уровнях. Для получения показателя право- левосторонней асимметрии торса человека необходимо произвести количественные измерения рельефа его поверхности. Как уже отмечалось ранее, наиболее эффективным методом регистрации рельефа поверхности тела человека (в том числе и больного с нарушениями его осанки (вплоть до сколиоза) является стереофотограмметрический метод, который уже несколько лет пытаются применять для решения различных задач в медицине [33,34,35,36,37,38] и, в частности, при исследовании рельефа поверхности тела больных сколиозом. Однако задача крайне далека от ее решения, и нет ни одной клиники в мире, где бы этот метод был применен на практике.
Более того, до сих пор отсутствует понятие нормы как количественного показателя для правильной осанки и, следовательно, отсутствуют данные показателя степени отклонения от этой нормы. Поэтому на начальном этапе работа проводилась с участием здорового студента с правильной осанкой (по данным медиков), т.е. при отсутствии косметических дефектов, обусловленных искривлением позвоночника. Такой вариант осанки принято называть нормологическим или, для краткости, норма. Этот же студент принимал участие в работе, результаты которой изложены в разделе 3.2. При проведении стереофотограмметрических съемок были использованы три недорогие бытовые цифровые фотокамеры: трехмегапиксельная камера «Olympus» и две идентичные семимегаггаксельные камеры «Sony DSC-W35», которые предварительно были подвергнуты процедуре фотограмметрической калибровки по методике, разработанной на кафедре фотограмметрии МИИГАиК. Результаты фотограмметрической калибровки фотокамер приведены в таблице 3. Поскольку на данном этапе работ использовали 3 фотокамеры для фотограмметрической съемки поверхности тела человека, которое является динамическим объектом, вновь возникала проблема определения требований к синхронизации срабатывания затворов фотокамер, обеспечивающих необходимую точность определения координат точек поверхности тела.
При ее решении были использованы результаты, полученные при проведении экспериментальных исследований, суть которых изложена в разделе [3.2]. Однако еще две проблемы, возникающие при съемке поверхности тела человека, связанные с малым контрастом и малой контурностью поверхности тела, потребовали своего решения. При выборе метода съемки, позволяющей решить эти проблемы, был рассмотрен вариант съемки объекта с подсветкой тела контрастным рисунком с помощью компьютерного проектора. Блок-схема установки приведена на рис. 17. Экспериментальная проверка этого варианта показала, что такая подсветка имеет малый световой поток и поэтому при съемке для достижения приемлемого качества цифрового изображения объекта необходимы длительные выдержки, которые неприемлемы из-за нестатичности пациента при съемке. Съёмка объекта при освещении его обычными светильниками показала, что в этом случае из-за малого контраста и малой контурности поверхности тела практически невозможно проводить автоматическое измерение точек на поверхности тела по цифровой фотограмметрической системе, а стереоизмерения, выполняемые оператором в интерактивном режиме, весьма затруднительны и поэтому мало производительны. Для обеспечения возможности автоматического измерения координат точек на поверхности тела и облегчения наблюдения и измерения стереопар снимков оператором в данной работе предложено предварительно, перед съемкой, наносить на тело обследуемого легкосмываемым красителем горизонтальные линии с шагом 40-50 мм, на которые наносятся поперечные штрихи. На рис. 18. представлен снимок тела с нанесенными линиями и штрихами, пересечения которых служат точками отсчета координат.
