Введение к работе
Диссертация посвящена синтезу технологии информационной поддержки хирурга-уролога при выполнении трансуретральной резекции предстательной железы (ТУРП).
Актуальность работы. Современная хирургия стремится к уменьшению травматичности операций путем применения технологии мини-доступа хирургического инструмента к очагу патологии. Однако применение данной технологии значительно ограничивает видимость для хирурга, как правило, он не может наблюдать оперируемый орган достаточно для обеспечения необходимого уровня безопасности для пациента. Одной из таких операций является ТУРП. Врач удаляет тело железы изнутри и не имеет возможности видеть ее капсулу, повреждение которой вызывает опасные для жизни пациента осложнения.
Системы технического зрения направлены на решение этой и других подобных задач. Сегодня существует несколько основных типов систем: механическая (FaroArm system, Faro Technologies Inc., Florida), акустическая, оптическая (Polaris system, Northern Digital Inc., Canada), электромагнитная (NDI Aurora System), магнитно-оптическая (гибридная), эндоскопическая. Однако все они требуют применения дополнительных навигационных устройств, которые порой невозможно использовать из-за анатомических особенностей
организма.
При выполнении ТУРП хирург управляет движениями резектоскопа в пределах изображения операбельного поля, наблюдаемого на экране монитора. При этом процесс операции нуждается в объективном контроле положения рабочего элемента резектоскопа относительно капсулы простаты. В представленной диссертационной работе данная задача решается методами обработки изображений.
Целью диссертационной работы является обеспечение объективного контроля действий хирурга при проведении трансуретральной резекции предстательной железы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) исследовать статистические характеристики изображений предстательной железы;
2) разработать математическую модель динамического изображения предстательной железы;
3) разработать методику анализа динамических изображений для целей навигации хирургического инструмента при проведении ТУРП;
4) синтезировать систему обработки динамических изображений предстательной железы;
5) провести анализ системы обработки динамических изображений предстательной железы.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы: теория вероятности, теория статистических решений, линейной фильтрации, аппарат вычислительной математики, теория контурного и кватернионного анализа изображений, моделирования процессов обработки изображений на ЭВМ.
Научная новизна. В результате проведенной работы были получены научно-методические основы решения задачи обработки динамических изображений предстательной железы для целей навигации хирургического инструмента при проведении ТУРП. Они состоят в следующем:
1. Разработана математическая модель динамического изображения предстательной железы, учитывающая статистические характеристики изображений, получаемых в ходе резекции.
2. Предложена методика обработки динамических изображений предстательной железы при проведении трансуретральной резекции на основе корреляционно-экстремальных методов, позволяющая решить задачу навигации хирургического инструмента.
3. Предложена методика траекторной обработки результатов измерения положения хирургического инструмента в теле предстательной железы, позволяющая снизить трудоемкость определения координат перемещения резектоскопа.
4. Предложена методика обработки динамических изображений предстательной железы в условиях плохой видимости, которая позволяет отслеживать траекторию перемещения резектоскопа при
возникновении кровотечения.
5. Синтезирована структура системы обработки динамических изображений предстательной железы и получены ее характеристики.
Практическая ценность работы. Интраоперационная навигация при ТУРП, основанная на совмещении 3D изображения предстательной железы с видеоэндохирургическими данными, позволяет повысить точность манипуляций хирурга и, тем самым, снизить число операционных осложнений.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Методика обработки динамических изображений предстательной железы при проведении трансуретральной резекции, основанная на применении корреляционно-экстремальных методов, позволяет решить задачу навигации хирургического инструмента.
2. Методика траекторной обработки результатов измерения положения хирургического инструмента в теле предстательной железы позволяет снизить трудоемкость определения координат перемещения резектоскопа.
3. Методика обработки динамических изображений предстательной железы в условиях плохой видимости позволяет отслеживать траекторию перемещения резектоскопа при возникновении кровотечения.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в инженерно-медицинском центре «Новые приборы» при создании средств регистрации и анализа медицинских изображений (г. Самара). Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в учебном центре эндохирургии (г. Казань). Теоретические и практические результаты работы использованы в НИР по гранту РФФИ «Разработка методов и создание информационной технологии визуализации и сравнительного анализа сопряженных пространственных статических и динамических сцен» (проект № 08-01-12000офи), выполненной на кафедре радиотехнических и медико-биологических систем МарГТУ в период с 2008 по 2010 год. Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в учебном процессе кафедры РТиМБС МарГТУ в курсах «Обработка изображений медико-биологических объектов» и «Аппаратное и информационное обеспечение малоинвазивных операций в урологии» для студентов специальности 200400.65 «Инженерное дело в медико-биологической практике», что подтверждается соответствующими актами.
Личный творческий вклад автора
1. Исследованы статистические характеристики изображений предстательной железы.
2. Разработана методика локализации области поиска изображений предстательной железы и улучшения томограмм органов малого таза.
3. Разработана методика аналитического описания 3D модели капсулы предстательной железы.
4. Разработана методика обработки динамических изображений предстательной железы в условиях кровотечения.
5. Разработано программное обеспечение, реализованы предложенные методики обработки динамических изображений предстательной железы, получены характеристики.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения», Казань (2008, 2009 г.), VIII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание - 2008», Курск (2008 г.), Международной конференции с элементами научной школы «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы», Рязань (2009 г.), Общероссийской научной конференции с международным участием «Инновационные медицинские технологии», Москва (2009 г.).
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 14 работ. Из них 4 статьи в центральных журналах из перечня ВАК, 2 Свидетельства на регистрацию программ в РОСПАТЕНТ, 3 в других журналах и сборниках работ, 4 в материалах
конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 144 наименования. Основной текст работы изложен на 170 страницах. Диссертация содержит 68 рисунков и 14 таблиц.
