Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Дерматоглифические исследования наследственной предрасположенности к шизофрении 14
1.1.Эволюция клинических представлений о шизофрении 14
1.2. Методы оценки наследственной предрасположенности к шизофрении 18
1.3. Метод дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении 20
1.3.1. Параметры дерматоглифического фенотипа для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении 20
1.3.2. Комплекс дерматоглифических параметров для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении 21
1.3.3. Погрешности определения КДП 28
1.3.4. Дефекты дерматоглифических изображений 29
1.4. Аппаратно-программные комплексы для автоматизированных дерматоглифических исследований 35
Выводы к главе 1 38
Глава 2. Разработка комплекса дерматоглифических характеристик для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении 39
2.1. Разработка математической модели пальцевого узора 39
2.1.1. Разработка математической модели характерных точек 40
2.1.2. Идентификация параметров модели характерных точек пальцевого узора 44
2.1.3. Разработка математической модели направлений папиллярных линий 46
2.2. Комплекс дерматоглифических характеристик для исследований наследственной предрасположенности к шизофении 50
Выводы к главе 2 51
Глава 3. Разработка биотехнической системы дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении 52
3.1. Требования к дерматоглифическим изображениям 52
3.2. Разработка критериев качества дерматоглифических изображений 61
3.2.1. Интегральный критерий качества дерматоглифических изображений 61
3.2.2. Локальный критерий качества дерматоглифических изображений 64
3.3. Определение комплекса дерматоглифических параметров... 67
3.3.1. Алгоритм определения КДП 67
3.3.2. Идентификация параметров алгоритма определения КДП 69
3.4. Разработка алгоритма обработки дерматоглифических изображений 69
3.5. Схема биотехнической системы автоматизированных дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении 73
Выводы к главе 3 76
Глава 4. Разработка и исследование макета аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований 77
4.1. Разработка макета аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований 78
4.1.1. Функциональная схема аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований 78
4.1.2. Выбор технических средств регистрации дерматоглифических изображений 80
4.1.3. Программное обеспечение макета аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований 84
4.2. Исследование макета аппаратно-программного комплек са автоматизированных дерматоглифических исследований 90
4.2.1 Экспериментальное определение вероятностей правильной классификации пальцевых узоров 91
4.2.2 Исследование критериев оценки качества дерматоглифических изображений 93
4.3. Исследования наследственной предрасположенности к шизофрении 95
4.3.1. Формирование исследуемой и контрольной групп 96
4.3.2. Особенности параметров дерматоглифического фенотипа у больных шизофренией
Выводы к главе 4 102
Основные результаты и выводы 104
Литература
- Метод дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении
- Идентификация параметров модели характерных точек пальцевого узора
- Интегральный критерий качества дерматоглифических изображений
- Функциональная схема аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований
Введение к работе
По данным Всемирной организации здравоохранения более 1% населения страдает различными формами шизофрении. На протяжении последних 170 лет клинические представления о механизмах развития шизофрении претерпевали неоднократные изменения. В настоящее время в качестве основных причин шизофрении, проявляющейся в нарушении эмоционально-волевой сферы личности, психиатры рассматривают три фактора: наличие травмирующих событий, длительное воздействие неблагоприятной обстановки и наследственную предрасположенность организма. При этом доминирующим фактором в механизме развития шизофрении является фактор наследственной предрасположенности [36,47,85].
В клинической практике и научных исследованиях для оценки наследственной предрасположенности к шизофрении используются четыре метода: клинико-генеалогическое обследование, метод близнецов, молекулярно-генетический метод и метод информативных морфогенетических вариантов [47, 74, 85].
В результате анализа существующих подходов и методов оценки наследственной предрасположенности к шизофрении показано, что они имеют ряд недостатков: многочисленные социально-этические проблемы, усредненный характер данных о конкордантности шизофрении, не учитывающий индивидуальные особенности пробанда, полигенный характер наследования шизофрении, а также отсутствие методик выявления вовлеченных локусов [32, 74, 85].
Определение генотипа человека для оценки наследственной предрасположенности к шизофрении можно проводить с помощью метода информативных морфогенетических вариантов, основанного на измерении антропометрических особенностей в области лица, головы, шеи, радужной оболочки глаз, ладоней и пальцев рук
В результате анализа результатов исследований антропометрических особенностей больных шизофренией и больных психическими расстройствами с наследственной отягощенностью установлено, что наибольшую практическую значимость для определения роли наследственной компоненты в психических расстройствах имеют такие параметры дерматоглифического фенотипа, как распределение типов узоров, локальная и тотальная узорная асимметрия на пальцах рук [25, 29, 31, 37, 87, 125]. Перечисленные параметры однозначно определяются комплексом дерматоглифических параметров (КДП): типом, подтипом, ориентацией и локализацией узора [43, 23, 76].
Таким образом, для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении необходимо определять тип, подтип, ориентацию и локализацию узора.
Существующие аппаратно-программные комплексы для дерматоглифических исследований [3, 43, 44, 94] предназначены для медико-генетического консультирования и не позволяют объективно измерять параметры характерных точек, узорную асимметрию и автоматически определять подтип узора, при этом отсутствие возможности численной оценки качества дерматоглифических изображений приводит к значительным ошибкам при определении типа узора.
Таким образом, разработка биотехнической системы автоматизированных дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении на основе объективного измерения КДП, распознавания типа и подтипа узора, автоматической оценки качества является, несомненно, актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка биотехнической системы автоматизированных дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка комплекса дерматоглифических характеристик, адекватного комплексу дерматоглифических параметров для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении;
2. Определение требований к биотехнической системе автоматизированных дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении;
3. Исследование качества дерматоглифических изображений и разработка численных критериев качества дерматоглифических изображений;
4. Разработка метода оценки значений комплекса дерматоглифических характеристик для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении;
5. Создание и апробация макета аппаратно-программного комплекса для автоматизированных дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель пальцевого узора, обеспечивающая численное описание комплекса дерматоглифических параметров и распознавание пальцевых узоров.
2. Предложен комплекс характеристик пальцевого узора: количество дельт и ядер, приведенные углы смещения и ориентации характерных точек, расстояния между характерными точками и средняя пространственная частота папиллярных линий, адекватный комплексу дерматоглифических параметров для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении.
3. Установлено, что качество дерматоглифического изображения определяется значением максимума амплитуды нормированного выборочного радиального пространственно-частотного спектра в полосе пространственных частот от 0,7 до 3 мм"1. 4. Определены дерматоглифические маркеры наследственной предрасположенности к шизофрении, на основе результатов апробации аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке требований к регистрируемым дерматоглифическим изображениям, интегрального и локального критериев численной оценки качества дерматоглифических изображений, что позволяет стандартизировать условия регистрации и анализа дерматоглифических изображений.
Разработанный метод численного определения КДП и алгоритм анализа дерматоглифических изображений позволяют повысить достоверность и эффективность исследования наследственной предрасположенности к шизофрении за счет определения узорной асимметрии на основе автоматического распознавания типа и подтипа пальцевого узора.
Разработанная методика проектирования позволяет определять технические характеристики подсистем программного и информационного обеспечения аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований, а также оценить возможность применения существующих систем для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении. Результаты статистической обработки полученных данных по численной оценке качества и определения КДП подтвердили эффективность разработанных критериев качества, комплекса дерматоглифических характеристик, метода численного определения КДП и макета аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований.
Результаты работы позволяют рекомендовать аппаратно-программный комплекс автоматизированных дерматоглифических исследований к применению в центрах медико-генетического консультирования различных уровней и специализаций для решения задач медико-генетического консультирования, спортивной медицины и психиатрии, а разработанный метод оценки качества для стандартизации условий регистрации дерматоглифических изображений. Положения, выносимые на защиту.
1. Тип, подтип и ориентация пальцевого узора определяется комплексом дерматоглифических характеристик, включающим количество характерных точек, расстояния между ядрами и дельтами, углы ориентации и смещения характерных точек.
2. Дерматоглифические изображения для исследований наследственной предрасположенности должны быть зарегистрированы с пространственным разрешением не менее 460 точек/дюйм и коэффициентом локального контраста не менее 0,3.
3. Качество дерматоглифического изображения определяется значением максимума амплитуды нормированного выборочного радиального пространственно-частотного спектра в полосе пространственных частот от 0,7 до 3 мм"1 и значениями нормированной выборочной дисперсии уровней интенсивности.
Апробация работы проведена на базе Центра медико-генетического консультирования городской детской клинической больницы №13 им. Н.Ф.Филатова и НИИ психиатрии Росздрава. Результаты представлены на выставках «Здравоохранение-2004», «Мир биотехнологий-2004», «НТТМ-2005», «Здравоохранение-2005». Результаты работы внедрены в учебный процесс факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы НИРЩ биометрической техники МГТУ им. Н. Э. Баумана и НИИ биомедицинской техники МГТУ им. Н. Э. Баумана. Результаты работы использованы при разработке государственных стандартов ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-2-2005, ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-4-2006 и международного стандарта ISO/IEC.
Основные положения работы доложены и обсуждены на V РНТК «Медико-технические технологии на страже здоровья», (г. Шарм Эль Шейх (Египет), 2003), IV Всероссийском научно-техническом семинаре «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» (г. Сочи, 2003), XIV РНТК «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 2004), V Всероссийском научно-техническом семинаре «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» (г. Сочи, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Биотехнические системы в XXI веке» (г. Санкт-Петербург, 2004), VI МНТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (г. Владимир, 2004),VI РНТК «Медико-технические технологии на страже здоровья», (г. Ираклион (Греция), 2004), научно-технической конференции «Технологии живых систем» (Москва, 2004), 29-м Международном Стокгольмском семинаре молодых ученых (г. Стокгольм (Швеция), 2004), XV РНТК «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (г. Москва, 2005), Международной конференции «Образование через науку» (г. Москва, 2005), II евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005» (г. Москва, 2005), VII РНТК «Медико-технические технологии на страже здоровья» (о. Родос, 2006), VII Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» (г. Сочи, 2006).
По материалам диссертации опубликованы 3 научных статьи и 15 тезисов докладов на научных конференциях.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Текст диссертации изложен на 118 страницах. В приложения вошли результаты экспериментальных исследований и сведения справочно-сопроводительного характера. Список литературы включает 138 библиографических источников. Диссертация проиллюстрирована рисунками, таблицами, графиками.
Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость исследования, сформулированы цель и задачи, а также положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обобщению литературных данных по дерматог-лифическим исследованиям для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении. Определены медицинские требования к дерматогли 12 фическим исследованиям и КДП для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении.
На основании экспериментальных исследований методов регистрации изображений пальцевых узоров определены основные типы дефектов дерма-тоглифических изображений, возникающих из-за нарушений методики регистрации в ходе исследования. Показано, что наличие дефектов типа залипание, непропечатка и нечеткость приводит к интегральному или локальному нарушению структуры папиллярных линий на изображении и к повышению ошибок распознавания пальцевого узора.
Вторая глава посвящена разработке математической модели пальцевого узора, обеспечивающей численное описание параметров структуры и формы и распознавание пальцевых узоров.
В результате экспериментального исследования потока папиллярных линий впервые установлено, что направления папиллярных линий в пальцевом узоре представляют собой суперпозицию локальных комплексных полей направлений характерных точек с учетом ограничения на равенство нулю направления в области флексорной складки.
В процессе исследования вариантов расположения и ориентации ядер и дельт сформирован комплекс дерматоглифических характеристик (КДХ), который включает количество характерных точек, углы смещения и ориентации характерных точек, расстояния между характерных точек и среднюю пространственную частоту папиллярных линий.
В третьей главе разработана БТС автоматизированных дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении, обоснованы требования к регистрируемым дерматоглифическим изображениям, разработаны алгоритм определения КДП и анализа дерматоглифических изображений. На основе анализа литературных данных установлено, что требования к обрабатываемым дерматоглифическим изображениям необходимо рассматривать на физическом и структурном уровнях. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований сформулированы техниче 13 ские требования к средствам регистрации дерматоглифических изображений: на физическом уровне - к размерам изображений и контрасту, на структурном уровне - к пространственному разрешению. На основе проведенных экспериментальных исследований и построенной в первой главе систематизации основных типов дефектов впервые разработан интегральный и локальный критерии качества дерматоглифических изображений.
В четвертой главе разработаны функциональные подсистемы аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований, проведен обоснованный выбор технических средств регистрации дерматоглифических изображений, разработан и апробирован макет аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований. В результате экспериментальной апробации разработанного макета аппаратно-программного комплекса установлены вероятности правильной классификации подтипов узоров, типов узоров, ориентации узоров. Проведено исследование особенностей дерматоглифического фенотипа больных шизофренией с наследственной отягощенностью.
Метод дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении
Дерматоглифические исследования наследственной предрасположенности к шизофрении предусматривают определение параметров дерматоглифического фенотипа, включающего комбинацию пальцевых узоров на десяти пальцах рук и определение локальной и тотальной узорной асимметрии [86,116,119,124]. Выявление редких признаков по указанным параметрам дерматоглифического фенотипа позволяет установить наследственную предрасположенность к шизофрении [123,124,130,131].
Локальная узорная асимметрия рассчитывается по степени различия пальцевых узоров на одноименных пальцах правой и левой рук, тотальная узорная асимметрия рассчитывается по общей степени различия пальцевых узоров на пальцах правой и левой рук [1,2]. Комбинация пальцевых узоров определяется сочетанием пальцевых узоров на обеих руках пациента. Таким образом, параметры дерматоглифического фенотипа для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении однозначно определяются комплексом дерматоглифических параметров (КДП).
Согласно наиболее часто использующейся методике проведения дерматоглифических исследований, основанной на методике Х.Камминса и Ч.Мидло, КДП включает тип (ТУ), подтип (ПУ), ориентацию (ОУ), локализацию (ЛУ) узоров[105].
Для определения ТУ в дерматоглифике широко используется классификация, предложенная Ф. Гальтоном, которая основана на четырех основных типах: дуга, петля, завиток и сложный узор [107].
Дуга (А) - узор, состоящий из гребней, пересекающих поперек пальцевую подушечку и слегка выпуклых дистально. Петля (L) - полузамкнутый узор, в котором кожные гребешки начинаются от одного края пальца, идут, изгибаясь дистально, к другому краю, но, не доходя до него, возвращаются к исходному краю. Завиток (W) - замкнутый рисунок, вписанный в контурную рамку дугового узора. Классификация Гальтона тесно связана с понятием дельты узора, под которой понимается точка, в которой сходятся три различно направленные системы папиллярных линий. По классификации Гальтона дуга не имеет дельт, петля имеет одну дельту, завиток имеет две дельты. Сложные узоры - узоры, имеющие более двух дельт (рис. 1.1) [23, 30].
Определение ПУ выполняется на основе классификации X. Камминса и Ч. Мидло, основанной на более тонком анализе потоков папиллярных линий в центральной области узора [121]. Выделяют десять ПУ: для дуговых узоров -классическую, шатровидную и петлевидную дугу; для петлевых узоров - классическую и высокую петлю, павлиний глаз; для завитковых узоров - кольцевидный, спиралевидный и вытянутый завитки, двойную петлю. Для более сложных, чем завитковых узоров ПУ не определяется в связи с уникальностью данного типа узоров и их разнообразием (рис. 1.2, рис. 1.3) [4, 24, 42].
При определении ОУ в дерматоглифике используют общепринятые антропометрические методы, для указания ОУ применяют термины: ульнарныи (U), радиальный (R) и симметричный (S). Разделение узоров на ульнарные и радиальные петли выполняется по направлению потока папиллярных линий, если поток открывается в направлении мизинца, то узор называется ульнарным, если в направлении большого пальца - радиальным. Если левый и правый потоки папиллярных линий расположены симметрично, то узор называется симметричным. Дугам и завиткам присущи U, R, S ориентации, а петлям только U и R ориентация. Как правило, при проведении дерматоглифического исследования дугам и завиткам приписывают только S ориентацию (рис. 1.4) [24, 31].
В криминалистике традиционно используется упрощенная классификация ориентации, разделяющая петлевые узоры на правые и левые в зависимости от направления потока папиллярных линий на отпечатке пальца [113].
Идентификация параметров модели характерных точек пальцевого узора
1. В результате исследований разработана математическая модель пальцевого узора, обеспечивающая численное описание параметров структуры папиллярных линий.
2. В результате исследования особенностей потока папиллярных линий на верифицированных изображениях пальцевых узоров впервые установлено, что направления папиллярных линий в пальцевом узоре представляют собой суперпозицию полей направлений характерных точек.
3. На основе результатов верификации модели установлено, что тип, подтип и ориентация пальцевого узора определяется количеством характерных точек, расстоянием между ядрами и дельтами, углом ориентации и смещения характерных точек.
4. На основе теоретического анализа разработанной модели сформирован комплекс дерматоглифических характеристик, адекватный комплексу дерма-тоглифических параметров для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении. Комплекс дерматоглифических характеристик включает: - количество ядер Nc, - расстояние дельта-ядро Lcd, - расстояние ядро-ядро Lcc, - общий приведенный угол смещения дельт ad0, - общую приведенную ориентацию ядер ТсО , - среднюю пространственную частоту vrcc, - приведенный угол смещения дельты ccd, - номер области NH.
Разработка биотехнической системы дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении
Биотехническая система дерматоглифических исследований наследственной предрасположенности к шизофрении должна обеспечивать регистрацию дерматоглифических изображений, автоматическую оценку качества регистрируемых изображений и автоматическое определение КДП для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении.
В данной главе проведены экспериментальные и теоретические исследования требований к регистрируемым дерматоглифическим изображениям, сформированы критерии качества дерматоглифических изображений, разработан алгоритм расчета КДХ и определения КДП.
Как показано И.Н.Спиридоновым требования к обрабатываемым дерматоглифическим изображениям необходимо рассматривать на физическом и структурном уровнях [78, 79]. При этом на физическом уровне должны быть заданы технические требования к размерам регистрируемых изображений и контрасту, на структурном уровне - к пространственному разрешению.
Для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении необходимо получать изображение отпечатка пальца, содержащее центральную часть узора и дельты, а также потоки папиллярных линий вокруг дельт.
Оценка размеров дерматоглифического изображения для проведения исследований выполняется в двух взаимно перпендикулярных направлениях: - горизонтальном направлении, характеризующем размер от ульнар-ного до радиального края папиллярного узора, - вертикальном направлении, характеризующем размер от нижнего до верхнего потока папиллярных линий (рис. 3.1).
Для статистически достоверной оценки требуемых размеров дерматогли-фического изображения необходимо определить объем выборки, обеспечивающей соответствие наблюдаемого распределения размеров нормальному закону распределения. Проверку гипотезы о соответствии нормальному закону распределения при независимых измерениях необходимо выполнять с помощью критерия %2 [8, 26]: где f, - наблюдаемая частота /-го интервала размеров; F, - ожидаемая частота /-го интервала размеров. Число степеней свободы п равно количеству интервалов К минус число накладываемых различных независимых ограничений. В работе [26] показано, что
Интегральный критерий качества дерматоглифических изображений
К параметрам алгоритма определения КДП относятся границы классов различных ТУ, ПУ, ОУ в пространстве характеристик КДХ. Близость дисперсий характеристик классов узоров с различными ТУ, ПУ и ОУ на каждом этапе иерархической классификаций позволяет использовать метод эталонов для определения границ классов [58,112,114].
Результаты проведенной идентификации параметров алгоритма на основе кластерного анализа методом эталонов в пространстве характеристик КДХ, позволяющие в автоматическом режиме определять подтип пальцевого узора, приведены в приложении 4.
Для определения значений КДХ, используемых в иерархической классификации пальцевых узоров, необходимо разработать алгоритм обработки дерматоглифических изображений, обеспечивающий: построение поля направлений пальцевых узоров; обнаружение характерных точек пальцевого узора; определение параметров характерных точек пальцевого узора; определение значений КДХ.
Построение поля направлений может быть выполнено различными методами: градиентные методы; спектральные методы; аппроксимационные методы; проекционные методы [58].
Градиентные методы основаны на взаимосвязи поля направлений и поля градиентов, строящегося путем усреднения локальных проекций градиентов в каждой точке изображения или путем усреднения направлений локальных градиентов. Возможность рекурсивной реализации свертки с градиентными фильтрами и усредняющими фильтрами обеспечивает наивысшее быстродействие, однако высокая чувствительность к шумам требует дополнительных мер по подавлению высокочастотных помех на дерматоглифическом изображении и его поле направлений. Относительная погрешность построения поля направлений градиентным методом при 1% относительной интенсивности аддитивного гауссова шума не превышает 15% [58].
Спектральные методы основаны на вычислении значений средних частотных углов ВЭПЧС или значений частотных углов основных гармоник ВЭПЧС. Спектральные методы построения поля направлений обладают высоким быстродействием, однако относительная погрешность построения поля направлений спектральным методом при 1% относительной интенсивности аддитивного гауссова шума превышает 40%.
Аппроксимационные методы основаны на локальной аппроксимации уровней интенсивности изображения параметрически заданной поверхностью, тогда за оценку направления принимается параметр ориентации заданной поверхности. Относительная погрешность построения поля направлений аппрок-симационными методами при 1% относительной интенсивности аддитивного гауссова шума находится в диапазоне 15 - 20%, в зависимости от типа аппроксимирующей поверхности.
Проекционные методы основаны на связи поля направлений с результатом преобразования Радона и позволяют проводить оценку поля направлений с относительной погрешностью не более 15%), однако, высокая сложность вычислений преобразования Радона, зависящая от размеров скользящих фильтров, приводит к самому низкому быстродействию по сравнению с остальными методами построения поля направлений. Время построения поля направлений проекционными методами в 2-3 раза превышает время построения поля направлений градиентными и спектральными методами.
График зависимости относительной погрешности построения поля направлений различными методами от относительной интенсивности аддитивного гауссова шума приведен на рис. 3.11 [58]. где Ay/ - абсолютная погрешность построения поля направлений, Ау/К- шаг квантования поля направлений, Nv - количество уровней квантования.
Таким образом, допустимая абсолютная погрешность построения поля направлений определяется выражением:
Минимальное количество уровней квантования, обеспечивающих возможность обнаружения и классификации характерных точек на поле направлений, составляет 3 уровня, т.е. в локальной окрестности ядра и дельты присутствуют 3 различных значения уровней квантованного поля направлений. Таким образом: Д —= 0,52/?яд5 (3.42) т.е. относительная погрешность построения поля направлений определяется выражением: dv=Ay/ln \l%. (3.43)
Условию (3.43) удовлетворяют только проекционные и градиентные методы, при этом время построения поля направлений проекционными методами в 2 раза превышает время построения поля направлений градиентным методом. Поэтому для построения поля направлений с целью обнаружения характерных точек пальцевых узоров необходимо использовать градиентный метод.
Для обнаружения характерных точек пальцевого узора необходимо оценить вариабельность направлений в локальной окрестности поля направлений. Областям характерных точек соответствует максимум вариабельности направлений [45].
Значения поля направлений в локальной окрестности однородных областей пальцевого узора приближенно подчиняются нормальному закону распределения, т.е. вариабельность направлений может быть оценена выборочной дисперсией направлений. Таким образом, положение характерных областей может быть локализовано положением максимумов выборочной дисперсии направлений.
С целью снижения трудоемкости поиска максимумов выборочной дисперсии, вместо выборочной дисперсии направлений целесообразно использовать оценку вариабельности направлений от значения центрального элемента окрестности, определяемую функцией изменчивости поля направлений:
Обнаружение максимумов (3.44) дает расположение характерных точек. Оценка особенностей изменения поля направлений в окрестности характерных точек в соответствии с построенной в главе 2 моделью характерных точек пальцевого узора позволяет выполнить классификацию обнаруженных характерных точек на ядра и дельты. Схема алгоритма обработки дерматоглифиче-ских изображений представлена в приложении 5.
Вектор данных характерных точек используется для формирования КДХ, который, в свою очередь, передается на вход алгоритма иерархической классификации с целью определения КДП для исследований наследственной предрасположенности к шизофрении.
Функциональная схема аппаратно-программного комплекса автоматизированных дерматоглифических исследований
Разработку программного и информационного обеспечения автоматизированных дерматоглифических исследований необходимо выполнять исходя из требований, предъявляемых к дерматоглифическим изображениям, принятых методик регистрации дерматоглифических изображений и проведения дерматоглифических исследований, требований к качеству регистрируемых изображений, структуры КДП, атрибутов исследования (персональные данные пациента, данные исследования и пр.), а также заданных требований безопасности и взаимодействия с внешними системами.
Схема методики проектирования программного и информационного обеспечения автоматизированных дерматоглифических исследований приведена рис. 4.3.
На основе требований, предъявляемых к дерматоглифическим изображениям по пространственному разрешению, размерам изображения и коэффициенту контраста, производится обоснованный выбор технических средств регистрации изображений пальцевых узоров. Для выбранных технических средств регистрации дерматоглифических изображений производится разработка программных библиотек регистрации изображений. В случае если выбранные средства регистрации поддерживают унифицированные программные интерфейсы регистрации изображений (DirectX, ВіоАРІ и др.) производится согласование существующих программных интерфейсов.
На основе анализа последовательности этапов регистрации, описанных в методике регистрации дерматоглифических изображений, и требований, предъявляемых к качеству регистрируемых изображений, выбираются или разрабатываются критерии качества дерматоглифических изображений и проектируется сценарий регистрации для выбранных технических средств, в котором указывается последовательность выполняемых операций, условия их выполнения, возникающие исключения и реакция на них. На основе формального описания сценария производится разработка программных модулей блока управления регистрацией дерматоглифических изображений.
Выбранные критерии качества реализуются в программных модулях оценки качества дерматоглифических изображений. Библиотеки регистрации, блок управления регистрацией и модули оценки качества интегрируются в единую подсистему управления регистрацией дерматоглифических изображений. Производится тестирование, отладка и коррекция подсистемы.
Исходя из структуры КДП, выполняется разработка алгоритма обработки дерматоглифических изображений и его реализация в программных модулях определения КДП. На верифицированных экспертом дерматоглифических изображениях производится тестирование, отладка и модификация программных модулей определения КДП.
На основе анализа последовательности этапов и условий проведения дерматоглифических исследований, описанных в методике проведения дерматоглифических исследований, выполнятся разработка сценария проведения дерма-тоглифического исследования, в котором указывается последовательность выполняемых операций, условия их выполнения, возникающие исключения и реакция на них; формируются прототипы отчетов результатов исследования.
На основе формального описания сценария производится разработка программных модулей блока управления обработкой дерматоглифических изображений. Блок управления обработкой дерматоглифических изображений и модули определения КДП интегрируются в подсистему расчета КДП. Производится тестирование, отладка и коррекция подсистемы.
Прототипы отчетов результатов исследования реализуются в программном блоке управления отчетностью и генераторе отчетов, разработка которого может выполняться стандартными средствами анализа данных и формирования отчетов (Crystal Report, Quick Report и др.). Блок управления отчетностью и генератор отчетов интегрируются в подсистему представления результатов.
Исходя из перечня атрибутов исследования и их описания, выполняется разработка инфологической модели базы данных (концептуальной схемы данных) и проектирование даталогической модели базы данных, с учетом закладываемых требований к безопасности. При необходимости производится нормализация реляционной структуры базы данных. База данных реализуется средствами систем управления базами данных и интегрируется в подсистему управления информационным обеспечением. Производится тестирование, отладка и коррекция подсистемы управления информационным обеспечением и подсистемы представления результатов.
На основе требований к внешнему взаимодействию производится обоснованный выбор форматов обмена данными и соответствующих им программных интерфейсов, реализация которых выполнятся в блоке внешнего взаимодействия. Выполняется интеграция, тестирование, отладка и коррекция подсистемы администрирования и подсистемы внешнего взаимодействия.
Реализованные подсистемы интегрируются по согласованным программным интерфейсам в подсистему управления дерматоглифическим исследованием и подсистему взаимодействия с оператором. По результатам тестирования и отладки принимается решение о необходимости коррекции отдельных подсистем, блоков, модулей или классов.
