Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сбор и обработка экспертных оценок, положенных в основу автоматизации контроля и диагностики состояния поверхности зуба 16
1.1. Физические и химические признаки поражения эмали. Основания для использования оптических методов 17
1.2 Факторы, влияющие на возникновение и развитие кариеса. 18
1.3 Аномалии и дефекты на поверхности зуба. 21
1.4 Упорядочение признаков проявления дефектов. 22
1.5 Характеристики существующих методов контроля и диагностики состояния эмали. 24
1.6 Экспертный анализ методов контроля и диагностики поверхности зуба. Обоснование выбора метода ИОНК как основы для автоматизации диагностики. 28
Выводы 36
Глава 2. Метод инфракрасного оптического неразрушающего контроля как основа для построения системы автоматизации диагностики. 38
2.1.Аналитическая модель получения первичной информации с использованием инфракрасного оптического неразрушающего контроля (ИОНК). 38
2.2 Экспериментальное исследование с диэлектриком. 43
2.2.1 Описание экспериментальной установки. 43
2.2.2 Описание экспериментов с диэлектриками. 47
2.3 Экспериментальное исследование зубов. 51
Выводы. 56
Глава 3 Функциональая организация системы автоматизации контроля состояния и диагностики зуба. сбор и обработка экспертных оценок. 57
3.1 Функциональная организация системы автоматизации контроля состояния и диагностики зуба с использованием инфракрасного излучения. 57
3.2 Экспертный анализ аномалий и дефектов на поверхности зуба. Связь с развитием заболевания. 63
3.3 Экспертный анализ аномалий и дефектов. 69
Выводы 72
Глава 4 Методология и алгоритмы для создания системы диагностики дефектов на поверхности зубной эмали. 74
4.1 Актуальность диагностики на ранних этапах, предпосылки разработки методологии. 74
4.2 Оценки диапазонов измеренных по методу ИОНК величин для различных состояний поверхности. Оценка разрешающей способности метода. 76
4.2.1 Введение лингвистических переменных и определение функций принадлежности. 77
4.2.2 Оценки разрешающей способности измерений методом ИОНК. 78
4.3. Формализованное представление задачи диагностирования состояния поверхности зуба. 79
4.3.1 Подход к формализации с использованием нечетких множеств и матрицы знания. 79
4.3.2 Нечеткие логические уравнения, применяемые для Диагностирования. 83
4.3.3 Алгоритм решения задачи диагностирования состояния поверхности зуба. 85
4.4 Функциональное представление процесса диагностирования. 86
4.5 Исходные данные для выявления участков с аномалиями, полученные от специалистов-стоматологов. 92
4.6 Лингвистические правила диагностирования. 93
4.7 Алгоритм и организация обработки данных, полученных при измерении. 97
4.8.Экспериментальное исследование эффективности методологии диагностирования. 101
Выводы 101
Глава 5. Представление информации о состоянии поверхности зуба, полученной на основании метода ионк, средствами обработки изображений. 103
5.1 Постановка задачи обработки цифрового образца поверхности зуба. 104
5.2 Функциональная организация обработки цифрового образа поверхности зуба, как изображения 107
5.3 Требования к обработке полученного изображения 108
5.4 Методика представления данных, полученных методом ИОНК. 109
5.5 Методика определения шаблонов по экспериментальным данным. 112
5.6 Вейвлет- преобразование (wavelet) для обработки изображения Характеристика способа обработки изображения вейвлет (wavelet) 113
5.7 Задача и алгоритм интерполяции с кубическим Б-сплайном. Определение функций Б- сплайн. Алгоритм интерполяции БЗ-сплайна. 117
5.8 Использование активных контуров (поворотных пунктов) для выявления дефектов. 120
5.9 Пример экспериментальной проверки методики цифровой обработки изображения полученного методом ИОНК. 122
Выводы 123
Заключение 125
Литература 127
Условные обозначения 139
Приложение 140
- Характеристики существующих методов контроля и диагностики состояния эмали.
- Экспериментальное исследование с диэлектриком.
- Экспертный анализ аномалий и дефектов на поверхности зуба. Связь с развитием заболевания.
- Оценки диапазонов измеренных по методу ИОНК величин для различных состояний поверхности. Оценка разрешающей способности метода.
Введение к работе
Актуальность темы: Существует потребность в создании высокотехнологичных автоматизированных систем диагностирования дефектов на эмали зубов на ранних стадиях заболевания, которые не требуют высокой технической подготовки врача стоматолога. Разрушение зуба начинается с мелких серых пятен. Из-за малых размеров выявить их визуально невозможно. Доступ к серым пятнам с инструментами, которыми владеют стоматологи, оказывается невозможным. В то же время выявление дефектов на ранних стадиях позволяет путем профилактического лечения восстанавливать эмаль и не допускать развитие заболевания.
Работа посвящена исследованию физических и технических принципов создания нового устройства (системы), включая разработку первичного и вторичного преобразователей информации. Первичный преобразователь обеспечивает безопасное получение первичных данных о состоянии поверхности. Вторичный - обработку этих данных с использованием формализованных знаний экспертов-врачей и современных информационных технологий для решения задач диагностирования и представления результатов в наглядном виде врачу-стоматологу.
Задачами создания технических средств для стоматологов занимались исследователи Грисимов В.Н., Плотников Р.И., Овруцкий Г.Д., Володацкий М.П., Рубин Л.Р.. Вопросами извлечения знаний экспертов занимались ученые Гаврилова Т.А., Хорошевский В. Ф. Liebowitz Jay, Korf Е Richard, Garcia Martinez Ramon. Вопросами цифровой обработки изображений в задачах диагностики занимались Unser Michael, Terzopoulos D., Suhling Michael, Vetterli Martin.
Одно из развиваемых в настоящее время направлений создания систем диагностики, достаточно изученных по физике их взаимодействия со средой и обладающих функциональной полнотой, это применение оптических методов. Характер взаимодействия оптического излучения с наружными и внутренними
дефектами известен. Известны примеры применения этих методов для некоторых локальных задач. Исследования частных решений указывают на принципиальную возможность и перспективность применения метода инфракрасного оптического неразрушающего контроля (ИОНК). Техническая реализация этого метода требует новых знаний о конкретных условиях получения измерительной информации, ее особенностях и задачах обработки этой информации для представления стоматологу.
Предупреждение болезней включает ряд мероприятий медико-социального характера, одним из которых является их раннее распознавание. Чтобы тот или иной метод с целью диагностирования мог быть применен для целей профилактического обследования, он должен удовлетворять следующим критериям:
безопасность для здоровья пациента и оператора,
эффективность,
относительно низкая стоимость и простота выполнения.
Пожалуй, только диагностика, использующая ИОНК, сможет удовлетворить всем перечисленным критериям. В работе этот тезис обоснован (гл.2).
Объект исследования: устройство получения информации о состоянии поверхности зуба на основе оптического метода, способы обработки информации с целью диагностики дефектов.
Цель работы заключается в разработке и обосновании физических и технических принципов построения первичного преобразователя информации на основе оптического метода ИОНК, проведение экспериментальных исследований, по результатам которых - разработка вторичного преобразователя информации, методологии и алгоритмов автоматизации выявления и диагностирования дефектов зубов
Задачи исследования:
Выполнить экспертный анализ, чтобы оценить сравнительные характеристики и место исследуемого метода среди известных, а также определить класс дефектов как объект диагностирования.
Создать физическую модель работы первичного преобразователя информации ИОНК. Создать стационарную экспериментальную установку и провести экспериментальные исследования на образцах из диэлектрика и реальных зубах, выбрать наиболее эффективные режимы работы и параметры настроек первичного (измерительного) преобразователя.
На основе экспериментальных данных и обобщения знаний экспертов рассмотреть возможные подходы к организации обработки первичной информации во вторичном преобразователе для получения диагноза.
Определить функциональную организацию системы автоматизации диагностирования.
Разработать алгоритмы и методологию обработки информации во вторичном преобразователе с целью обнаружения дефектов на ранних стадиях заболевания и их диагностирования.
Разработать методологию обработки информации во вторичном преобразователе с использованием существующих инструментальных средств обработки изображений с целью выделения и визуализации дефектов.
Методы исследования: Для решения поставленных задач использовались методы теории отражения и преломления света, методы извлечения и представления знаний экспертов, методы принятия решений, теории обработки цифровых изображений, теории нечеткой логики, теории проектирования микропроцессорных систем. Для нечеткого моделирования и цифровой обработки изображений использовались средства MATLAB.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана физическая модель ИОНК и создана на ее основе
экспериментальная установка, с использованием которой получены новые
результаты:
практически доказана информативность метода ИОНК для выявления и диагностики дефектов на эмали зуба;
определены желательные диапазоны длины волны излучателя и угла наклона луча к поверхности, необходимые для выбора излучателя и настройки параметров измерительного преобразователя;
определены допустимые размеры элементарного участка поверхности, обеспечивающие возможность диагностики на ранних стадиях заболевания и реализуемые существующими техническими средствами.
С учетом особенностей метода ИОНК поставлены и решены задачи извлечения и представления знаний экспертов-стоматологов, необходимые для организации обработки первичных данных во вторичном преобразователе информации.
Разработан алгоритм обработки вторичных данных, полученных методом ИОНК, и методология диагностирования с использованием нечеткого моделирования в среде MATLAB.
Разработана методология обработки вторичных данных ИОНК средствами обработки изображений MATLAB, позволяющая визуально представить врачу картину поверхности с выделением и подчеркиванием областей с дефектами.
Практическая значимость работы. Результаты выполненного исследования позволят создать систему диагностирования дефектов на поверхности зуба, особенно на ранних стадиях, и как следствие, назначать своевременное и адекватное лечение зубов. Создание системы диагностирования выявления дефектов на поверхности зуба позволяет обнаруживать и диагностировать дефекты, меньшие, чем определяемые в настоящее время с существующим оборудованием. Разработанная физическая
модель оптического метода и экспериментальная установка могут использоваться для создания датчика.
Основные положения, выносимые на защиту
1.Физическая модель ИОНК, экспериментальная установка и результаты экспериментальных исследований как база для разработки системы диагностирования.
2.Функциональная организация системы автоматизации контроля и диагностики состояния эмали зуба с использованием метода ИОНК.
3.Методология извлечения и представление знаний экспертов, как база для решения следующих задач:
a. выбор метода получения информации о поверхности зуба и
построения первичного преобразователя информации;
b. определение типов дефектов, подлежащих диагностированию,
построение функций принадлежности для лингвистических переменных,
построение лингвистических правил для принятия решений, как база для
построения вторичного преобразователя информации.
4.Алгоритм обработки вторичных данных, полученных методом ИОНК, и принятия решений с использованием нечеткого моделирования в среде MATLAB, позволяющий выявлять дефекты размером от 150х150мк, и дать оценку типа дефекта, либо, хорошего состояния зуба.
5.Методология обработки вторичных данных ИОНК средствами обработки изображений MATLAB, позволяющая визуально представить врачу картину поверхности, с выделением и подчеркиванием областей с дефектами.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на семинарах и неделе науки кафедры автоматики и вычислительной техники Санкт-Петербургского политехнического Университета (2004-2006), на международных конференциях: «Электроника-2002» Чигуауа, Мексика; «SOMI XVIII congreso de instrumentation, Ingenieria optica; Noviembre 2002» Акапулько, Мексика; «Электроника-2003» Чигуауа, Мексика, «SOMI XVIII congreso de
instrumentation, Ingenieria optica; Noviembre 2004» Мерида, Мексика, « 2do Congreso Nacional de Ciencias de la Computation 2004», Пуэбла, Мексика, « 2do Congreso Nacional de Ciencias de la Computation 2004», Пуэбла, Мексика, «WSEAS Transactions on Biology and Biomedicine, Issue 4, volumel, p 455- 459, October 2004» Венеция, Италия, «IV Congreso international у V nacional de Estomatologia Integral; Noviembre 2004», Мексика, «Bioingenieria у Fisica Cubana vol5, № 3, p 9-17, Enero 2005» Гавана, Куба, «Facultad de Electronica, BUAP. Junio 2005» Пуэбла, Мексика, X Международная научно-практическая конференция « Системный анализ в проектировании и управлении», июнь 2006г, г. Санкт-Петербург; WSEAS у Systems Transaction 2006, Greece- Athena.
Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 21 печатаная работа (18 статей, 3 тезисов к докладам), в том числе 6 - в российских и 15 - в зарубежных издательствах.
Структура и объём диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых терминов и сокращений, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 156 страниц, в том числе 30 рисунков и 20 таблиц. Список литературы насчитывается 117 наименования.
Содержание работы:
Во введении обосновывается актуальность работы, определяются цель и задачи диссертационного исследования, научная новизна, практическая значимость, приводится краткое содержание глав диссертации.
В первой главе проводиться анализ известных положений и фактов из предметной области (стоматологии) с целью выявления наиболее существенных аномалий и дефектов, подлежащих диагностированию, и обоснование выбора метода получения первичной информации о состоянии поверхности зуба.
В разделе 1.1 проведен анализ химического состава зубной эмали. Изменение химического состава влияет не только на твердость, но и на
физические характеристики, связанные со способностью отражать и поглощать световые волны. Информация о химическом составе структуры зубной эмали важный пункт для определения аномалии на поверхности зуба.
Рассмотрены факторы, влияющие на возникновение заболевания зуба: определенная структура поверхности зуба, топографические зоны, типичные для возникновения деминерализации и развития кариеса.
Представлен анализ основных методов, используемых врачами для диагностирования заболевания. Определены их достоинства и недостатки. Проведен экспертный сравнительный анализ основных методов для определения самого перспективного метода для осуществления автоматизации. Особое внимание уделено обнаружению и диагностике аномалий и дефектов на ранних стадиях, когда еще не поздно проводить мероприятия медико-социального характера, препятствующие развитию заболевания.
Во второй главе разработана аналитическая модель метода ИОНК, позволяющая определить основные закономерности представления информации о поверхности в отраженном луче и выявить параметры, существенно влияющие на сигнал, воспринимаемый приемником.
С использованием аналитической модели разработана экспериментальная установка, проведены экспериментальные исследования. Эксперименты подтверждают работоспособность метода ИОНК и предложенной его реализации, а также позволяют обоснованно выбрать основные параметры измерительного преобразователя. Часть поставленных задач решается на основе исследований образцов из специально подобранных диэлектриков, часть - на основе исследований реальных зубов, удаленных и сохраняемых соответствующим способом. Экспериментальные установки не предусматривают возможность работы в ротовой полости, а служат для обоснования выбора средств получения первичной информации и сведения проблемы к конструированию измерительного преобразователя, пригодного
для работы с пациентами. Само конструирование в задачу диссертации не входит.
В третьей главе разработана функциональная схема системы выявления и диагностирования дефектов, а также определение характеристик и способов, применяемых экспертом для обнаружения дефектов, и формализованное представление этих знаний.
Функциональная и структурная схема определяет функцию блоков, состава системы диагностирования и выявления дефектов и поток информации
В частности, необходимо изучение методологии, которая позволит усвоить профессиональную практику специалистов, использующих в своей работе для обнаружения дефектов. Мы говорим о дефектах, в то время как специалист говорит о патологиях и это только отправная точка для реализации процесса извлечения практического знания стоматолога, то есть, необходимо использовать язык специалиста.
К полученной информации от экспертов применяется техника принятия решений, чтобы решить какие дефекты имеют приоритет для возможного возникновения патологии зубов в соответствии с топологией его поверхности.
Проблема неопределенности информации будет рассмотрена в четвертой главе. Эта проблема влияет для решения задачи диагностирования.
Система диагностирования будет реализовано на основании теории открытых интеллектуальных сложных систем. Полученная информация с поверхности зубной эмали будет анализирована в соответствии с знаниями специалистов для определения нужд экспертов и установления компьютерных средств для проектирования и создания системы.
В четвертой главе рассмотрена актуальная задача диагностирования состояния зубов на этапах, когда их еще возможно восстановить. Проблема заключается в том, что если начальному кариесу позволить прогрессировать, то его лечение будет сопровождаться разрушением здоровой части зуба.
Рассматривается задача обработки первичной информации и создания систем логических выводов для диагностирования.
Для решения перечисленных задач надо формализовать представление знаний экспертов о связи дефектов с различными состояниями поверхности зуба. Поэтому рассматриваем подход к определению диапазонов численных значений измеряемых показателей для различных дефектов. Диапазоны необходимы для нечетких классификаторов, которые используются в системе логического вывода. Приведенный подход частично решает проблему диагностирования. Далее он дополнен эвристическим алгоритмом определения размерности дефекта и диагностирования в виде сообщений о наличии зон с тем или иным дефектом. Если дефекты обнаружены разрабатываемым методом, но малы и не видны визуально, то требуется профилактическое лечение.
Для построения лингвистических правил при обработке группы соседних участков необходимо согласовывать со специалистами-стоматологами характеристики проявления дефектов на поверхности зубов и выяснить, как специалисты обнаруживают аномалии на зубах. В частности весьма важным является однородность зон с проявлением дефектов. Для выявления этих особенностей, существенных для автоматизации диагностирования, были разработаны вопросы экспертам.
В данной главе рассматривается методология диагностирования на ранних стадиях заболевания, основанная на новом, безопасном для здоровья человека методе инфракрасного оптического неразрушающего контроля (ИОНК) поверхности эмали. Учитывая ограничения разрешающей способности современных технических средств, используемых для реализации метода, результаты статистической обработки экспериментальных данных, а также результаты экспертных оценок врачей-стоматологов, оцениваются минимальные геометрические размеры дефектов, подлежащих обнаружению. Предлагается методология (алгоритм и инструментальные средства) обработки
первичной информации, получаемой от измерительного преобразователя, и методология принятия решений о результатах диагностирования.
Цель исследования 5 главы - выбрать метод цифровой обработки изображений, наиболее эффективный для выявления дефекта (заболевания) зуба, выбрать средства его реализации, дополнить их средствами специализированными для данной области, проверить эффективность всего комплекса на практике.
Идея обработки данных, полученных с поверхности зуба как изображения, обусловлена потребностью экспертов визуально видеть состояние зуба в целом. Результат этих исследований предлагает специалисту инструмент для наблюдения топографии поверхности зуба в результате он сможет сделать первоначальное диагностирование привычным для врачей способом.
Характеристики существующих методов контроля и диагностики состояния эмали.
Рассмотрим основные методы диагностики заболевания 1. Одним из основных методов диагностики стоматологических заболеваний, является внешний осмотр и осмотр полости рта и зубов. Осмотр зубов проводят с помощью стоматологического зеркала и зонда. Осмотру подлежат все зубы верхней и нижней челюстей. Детально осматривают все поверхности каждого зуба, что позволяет выявить кариес, патологию твердих тканей некариозного происхождения (стирание, изменение цвета змали, наличие зубных отложений) и т.д. [6]. Главный недостаток диагностики по результатам осмотра - субъективность. 2. Реакция зуба на температурные раздражители — один из самых старых физических методов исследования, широко применяемый для определения состояния пульпы. В качестве раздражителя используют эфир, но чаще холодную или горячую воду, которая является более сильным раздражителем за счет большей теплоемкости. [6,27] Зубы обладают как холодовой, так и тепловой чувствительностью. Адекватная реакция (если нагревание и охлаждение вызывает соответствующее ощущение) свидетельствует о нормальном состоянии пульпы. При воспалении пульпы происходит сужение индифферентной зоны и при незначительных отклонениях от температури тела (на 5—7 С) уже возникает ответная реакция в виде продолжительных интенсивных или ноющих болей. Кроме того, при воспалении отмечается неадекватная реакция: от холодного и от теплого возникает боль. Зубы с некротизированной пульпой на температурные раздражители не реагируют. Недостатком обследования с использованием температурных раздражителей является ограниченность информации. 3. Электрический метод даёт более полное представление о состоянии пульпы и тканей, окружающих зуб, причём с использованием количественных показателей. Применение электрического тока основано на общеизвестном факте: всякая живая ткань характеризуется возбудимостью или способностью приходить в состояние возбуждения под влиянием раздражителя. Минимальная сила раздражения, вызывающая возбуждение, называется пороговой. Установлено, что при наличии патологического процесса в пульпе возбудимость ее изменяется. Реакция пульпы на ток 60 мкА указывает на некроз коронковой пульпы. Если же наступает некроз и корневой пульпы, то зуб реагирует на ток 100 мкА и выше. Недостаток метода с использованием электрического тока заключается в возможности поражении пульпы, оплавление и обугливание эмали с образованием пигментированных конусообразных углублений или трещин. 4.
Рентгенологическое исследование иногда является единственным методом, позволяющим выявить патологический процесе в твердих тканях зуба и пародонте, перелом корня, гиперцементоз, отсутствие зубних зачатков при врожденной адентии н др[31,35]. Основним методом рентгенологического исследования является рентгенографиля. Особое значение имеет контрастность и четкость теневого изображения корней зуба и костной структуры челюсти. Чтобы размер и форма зуба на снимках соответствовали действительным, рентгенографию производят при фокусном расстоянии не менее 50-60 сл [35]. Главный недостаток такого метода- вредные воздействие на врача и пациента. 5. Метод люминесцентной диагностики начального кариеса основан на использовании эффекта люминесценции твердых тканей зуба под влиянием ультрафиолетового облучения.[26]. Исследование проводят в затемненной комнате, направляя на высушенную поверхность зуба пучок ультрафиолетовых лучей. Неповрежденная эмаль светится голубоватым светом, а при начальном кариесе в области пятна отмечается гашение люминесценции на фоне нормального свечения неповрежденной эмали. Главный недостаток люминесцентного метода - субъективность для выявления определенных типов дефектов на поверхности эмали. 6. Трансиллюминационный метод основан на оценке тенеобразований, возникающих при прохождении через зуб пучка света, безвредного для организма. При этом обнаруживают признаки поражения кариесом в виде крапинок различных размеров (при начальном кариесе) с неровными краями. Этот метод более информативен при использовании в области фронтальных зубов (недостаток метода). Он применяется также для выявления трещин эмали. Некоторые современные стоматологические установки снабжены светодиодами для трансиллюминации[35]. Диагностика заключается в определении степени сорбции красителя путем изменения с помощью разработанного нами устройства коэффициента интегрального отражения (КИО) окрашенной кариозной эмали. Устройство содержит оптический, приемный, измерительный и регистрирующий блоки. Для большего удобства и с целью сопоставления данных с результатами, полученными стандартным методом, шкалу измерительного прибора градуировали и переводили коэффициенты интегрального отражения в условные единицы. 7.
Оптический метод определения характера распространения света в твердых тканях зуба, а также пропускания света твердыми тканями, (В. Н. Герасимов, 1989). Характер распространения света изучался с использованием лазера с длинами волн 0,337, 0,488,0,514, 0,626 нм и 1,06 мкм. Самый хороший результаты получены при длине волны О.бЗмкм. Корпус оптической насадки содержит оптические элементы для фокусировки лазерного луча на поверхность эмали, фотоприемники и контактный наконечник. Устройство представляет собой комбинированный проектор светового луча в плоскость контакта оптической насадки и исследуемого зуба, в котором предусмотрены регистрация излучения, падающего на зуб и диффузно отраженного от него. Устройство может быть откалибровано по образцам эмали или стандартному ламбертовскому отражателю, диффузное отражение от которого принимают на единицу. [34] Определение интенсивности отражения света от эмали зуба включало два вида исследований; 1) изучение пространственного распределения интенсивности полного отражения света (угловые характеристики отражения); 2) Определение интенсивности только диффузного отражения света в ограниченном телесном угле. Методика оценки угловых зависимостей отраженного света сводилось к следующему: Пучок излучения лазера падал на поверхность эмали. Фотоприемник (фотодиод ФД ПК в фотодиодном режиме), обращенный к точке падения пучка света на поверхность эмали, перемещали по окружности, центр которой находился в точке падения пучка лазера на поверхность эмали. Исследования проводили в затемненном помещении.
Экспериментальное исследование с диэлектриком.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.2. Она включает в себя стабилизированный источник питания (ВС), осветитель с фокусирующей линзой 01, поляризатор Р, анализатор А объектов 02 приемного устройства, фотоприемник (ФЭУ или фотодиод), аналого цифровой вольтметр, блоки питания фотоприемника. Осветительный и приемный каналы замкнуты через контролируемую поверхность КП. Взаимная ориентация обоих каналов и контролируемой поверхности обеспечивается конструкцией гониометрического устройства[23,30,42]. вариантах: с источником белого света и со светодиодом инфракрасного (ИК) диапазона. Вариант с точечным источником белого света принят с целью наглядной (визуальной) интерпретации процесса и результатов исследований. Вариант со светодиодом имитирует условия практического использования метода, наиболее выгодные с позиций современной оптоэлектроники. Фотоприемное устройство выполнено в двух вариантах: с фотоэлектронным умножителем и фотодиодом. Вариант с ФЭУ используется для широкого фактологического анализа метода: оценки чувствительности, исследования в поляризованном свете и в разных спектральных зонах.
Вариант со светодиодом - для отработки условий практического использования метода. Кинематическая схема гониометрической установки [42,43], позволяющей устанавливать и контролировать углы ф и \/, представлена на рис.2.3. Проектирующее устройство 6 и фотоприемник 7 размещены на дугах 5 с возможностью их перемещений по этим дугам на угол л и вместе с дугами вокруг общей оси 4 на угол х/г п. Объект контроля устанавливается на площадке 3. Каждая дуга снабжена двумя шкалами: одна на самой дуге (отсчет положения корпусов с8), другая на оси 4 вращения дуг (отсчет положения дуги). Столик 3 можно поворачивать на угол а = 0-360. В действительности такую пространственную фигуру не воспроизвести. Этому есть ряд причин. Первая - световой поток отражается участком конечной площади (не точкой) и надо определить связь распределения энергии с величиной освещенной площадки[8,10.28]. Вторая - фотоприемник указывает интенсивность отражения в некотором объеме, который неодинаково сопряжен с отражающей площадкой для разных направлений. Третья - распределение энергии в отраженном потоке зависит от кривизны участка поверхности. Из наблюдений можно получить некоторые подобия индикатрис, для сопоставления которых следует оговорить условия их построения. Первое - сопоставлять индикатрисы для поверхностей, однотипных рассматриваемому материалу. Второе - измерения производить при одних и тех же дискретных положениях каналов освещения и приема. Третье - настройку приемного канала производить по зеркальной поверхности. Цель первоначальных исследований состояла в том, чтобы уяснить общий характер связи распределения энергии луча с параметрами шероховатости поверхности. Принят следующий порядок построения индикатрис: 1. Проектирующий и приемный каналы выставляются симметрично относительно нормали к поверхности контроля. Дуги гониометрической установки (рис. 2.3) фиксируются в симметричных положениях +20 и -20. Угол 20 принят по результатам предварительных опытов, на конечные выводы это не оказывает влияния. Корпуса излучателя и приемника приводятся в среднее положение по дугам (ставятся перпендикулярно оси вращения дуг). 2. Поверхность контроля выставляется по точке пересечения оптических осей осветительного и приемного каналов. 3. Поворотом дуги приемного канала задается ряд последовательных положений ее с дискретностью 20. В каждом из положений дуги приемный канал дискретно перемещается. Таким способом получают серию сечений отраженного потока плоскостью дуги приемного канала.
4. Результаты измерений фиксируются в таблице. 5. По данным таблицы строятся кривые распределения энергии в каждом из рассмотренных сечений. По этой схеме проведены несколько серий измерений энергии отраженного светового потока. Предлагаемое экспериментальное исследование, выполняется, чтобы показывать связь характеристик исследуемой поверхности с отраженным потоком и с физическими свойствами и с геометрией схемы контроля. Определение информативности метода - важная цель. Для достижения цели необходимо уточнить геометрические параметры аналитической модели. Для экспериментов используются пластмассовые образцы различной цветности (желтой и коричневой поверхностей). Выбор такого материала осуществляется исходя из того, что пластмассовые образцы подобны морфологической поверхности зуба. Поверхность зуба с точки зрения стоматологов, бывает такой же цветности.
Экспертный анализ аномалий и дефектов на поверхности зуба. Связь с развитием заболевания.
В процессе мышления мы определяем объекты или идеи и отношения между ними. При определении чего-либо человек производит декомпозицию сложного события, с которым сталкивается, выявив отношения, тем самым осуществляется синтез. Фундаментальный процесс, лежащий в основе познания, включает в себя декомпозицию и синтез факторов.
Хотя проводимые разными людьми декомпозии могут отличаться одна от другой, непосредственный опыт общения с реальностью позволяет получить достаточно близкие оценки на операционном уровне, особенно, когда эти оценки подтверждаются успешным профессиональным опытом экспертов для достижения общих целей исследования. Поэтому можно моделировать действительность различным образом, и вместе с тем придавать суждениям смысл, который включает общее понимание.
Если затем модель плохо работает, то это происходит из-за того, что мы опустили некоторые факторы, принимая облегчающие допущения. Необходимо по возможности отказываться от принятия облегчающих допущений в нашей модели и принимать их такими сложными, какими они являются[36].
Тогда в процессе исследования или построения модели нужно зафиксировать те факторы, которые влияют на структуру и функционирование системы. Эта задача относится к определению приоритетных факторов, предназначенных для изучения функциональных взаимодействий её компонентов и их воздействий на систему в целом [53].
При построении иерархий приоритетов факторов возникает такой вопрос: Как мы измеряем воздействия любого элемента или фактора в иерархии? На этот вопрос можно ответить, что эксперт посредством практики имеет достаточный опыт, чтобы оценивать влияние каждого фактора на выявление дефектов (заболеваний) на поверхности зуба.
Стоматологи рассматривают большое количество дефектов. Значительная часть дефектов обнаруживается при осмотре. Для них поздно проводить профилактическое лечение. Поэтому они были исключены из нашего рассмотрения по согласованию с экспертами. Профилактическое лечение можно применять при: деминерализации, начальном кариесе (после деминерализации) и трещинах после деминерализации. Таким образом, существенно знать не только тип дефекта, но и последовательность его возникновения. Из анализа экспертных знаний установлено, что деминерализация, трещины и кариес являются дефектами, при которых нужно принимать меры к лечению. При деминерализации и трещинах возможно восстановление состояния эмали зуба, а при кариесе это невозможно.
Например, на рисунке 3.4 три раза встречается дефект «трещина». Но в каждом случае нужен свой вид лечения. Трещина после деминерализации допускает профилактическое лечение. Этот случай позволяет выявить метод ИОНК. Трещина после кариеса требует хирургического вмешательства. Этот дефект может быть обнаружен при осмотре. Трещина после гипокальцификации - это тяжелое заболевание, когда профилактическое лечение невозможно. Этот случай тоже обнаруживается при осмотре. В этом случае врач проводит особое лечение. Нашей целью диагностирования является выявление случаев, допускающих профилактическое лечение. При осмотре эти случаи выявить очень трудно из-за малых размеров. На рис. 3.4 три раза встречается кариес. Начальный кариес после деминерализации, либо после деминерализации и трещин (малого невидимого размера) допускает профилактическое лечение и является предметом диагностирования методом ИОНК. Кариес после гипокальцификации и трещин требует хирургического вмешательства и обнаруживается при осмотре.
При работе с экспертами качество полученного результата можно оценить тем, насколько логически удовлетворительны ответы. Они должны, в некотором смысле, быть согласованными между собой. Конечной целью является получение согласованного порядка. Отметим, что общее упорядочение вначале не известно, а имеются только попарные сравнения, которые фактически могут быть несогласованными. Результаты должны соответствовать интуитивным предположениям о разумном исходе. В противном случае было бы противоречие между высказанными суждениями и теорией. Метод Саати позволяет проверять согласованность парных сравнений.
Важно отметить, что числа, используемые в шкале метода анализа иерархий, являются абсолютными величинами, а не просто порядковыми числами. Это говорит о том, что шкала не позволяет проводить сравнения, если интенсивность превышает 9 [36,55]. Элементы должны быть сгруппированы в кластеры, в пределах каждого из которых они сравнимы по этой шкале, а кластеры в свою очередь, также должны сравниваться по той же шкале.
Эксперту, высказывающему суждения, задают вопросы следующего типа: « Какой элемент из предлагаемой пары элементов матрицы кажется вам более наделенным или способствующим данному свойству? На сколько сильно это преобладание: равное, слабое, сильное, очевидное или абсолютное, или же это компромиссная величина между смежными значениями?». Вопрос должен быть тщательно сформулирован, чтобы выявить суждения или ощущения вовлеченных лиц, и следует сохранять единообразие при постановке вопросов.
Важно сосредоточить внимание на свойствах, так как для человеческого мышления характерно стремление к нечетким обобщениям. Процедура может начаться с заострения внимания на строках матрицы в порядке преобладания соответствующих элементов, подразумевая, что люди заранее укажут порядок доминирования элементов.
Оценки диапазонов измеренных по методу ИОНК величин для различных состояний поверхности. Оценка разрешающей способности метода.
Метод ИОНК использует датчик, определяющий состояние элементарного участка поверхности по интенсивности отраженного от поверхности лазерного луча в инфракрасном диапазоне. Интенсивность отраженного луча преобразуется в уровень напряжения, который кодируется, в цифровом виде передается для запоминания и последующей обработки. Диапазон значений кода измеряемой величины принят (0 - 3,8).
На интенсивность отраженного луча, преобразуемую в напряжение, влияет ряд факторов. Основным является состояние поверхности элементарного участка. Этот фактор определяет информативную составляющую полученного сигнала. Однако имеется и ряд мешающих факторов: случайное изменение угла наклона луча к поверхности, флюктуации излучателя и приемника, изменения интенсивности рассеянного света окружающей среды и др. Влияние этих факторов приводит к искажениям и размытости, неоднозначности получаемой информации.
В связи со случайными искажениями и неоднозначностью получаемой информации, ее обработка и анализ сделаны методом нечеткого моделирования в среде MATLAB. Соответствующая методология рассматривается в последующих разделах.
Для выявления диапазонов значений выходного кода преобразователя, соответствующих основным классам дефектов, были проведены экспериментальные исследования и произведена статистическая обработка результатов. На данном этапе разработки средств диагностирования с использованием метода ИОНК эксперименты проводятся на стационарной экспериментальной установке с удаленными зубами без участия пациента[61]. Врачами были выбраны 10 образцов специальным способом удаленных и сохраняемых зубов и указаны зоны с дефектами типа «кариес» и «деминерализация». Было проведено более 1000 измерений с каждым образцом. После статистической обработки получены следующие эталонные диапазоны значений кодов: для кариеса Рс = 0.6 ± 0.6 (0 - 1.2); для деминерализации Pd=3.0 ± 0.3 (2.7-3.3). Весь диапазон изменения кода составляет (0-3.8). Диапазон (1.2 - 2.7) соответствует здоровой поверхности. Диапазон (3.3 - 3.8) также соответствует здоровой поверхности, отличающейся большой гладкостью и блеском. По численному значению кода определяется соответствующее значение лингвистической переменной, характеризующей качественно показатель измерения: низкий, средний, высокий, очень высокий. Функции принадлежности заданы приведенными выше диапазонами. Диагностика состояния поверхности зуба определяется следующими соответствиями: «низкий» соответствует кариесу, «высокий» -деминерализации, «средний» и «очень высокий» - здоровой эмали. Однако для отдельных элементарных участков полученное значение лингвистической переменной может быть ошибочным из-за влияния мешающих факторов. Для сглаживания этих факторов проводится дополнительная обработка данных с учетом показателей соседних участков и формализованных знаний экспертов. Соответствующий алгоритм рассматривается ниже.
По экспертным оценкам врачей дефекты, которые специалист может обнаружить с помощью зонда на поверхности эмали, имеют линейный размер не менее 250 мкм [66]. Дефекты деминерализации на ранних этапах меньше. Деминерализацию с этими малыми размерами традиционными методами невозможно обнаружить. Линейный размер элементарного участка поверхности при использовании метода ИОНК ограничен снизу шагом перемещений механизма датчика при сканировании поверхности. Он составляет 50 мкм.
Важность обнаружения дефектов деминерализации на ранних этапах заключается в том, что возможно восстановить структуру зубной эмали посредством профилактического лечения. Размер дефектов (аномалий поверхности), которые должны быть обнаружены, по оценкам специалистов-врачей составляет приблизительно 200 мкм. При этом возможно профилактическое лечение, включающее изменение диетпитания с целью задержки процесса образования кариеса и восстановления структуры зубной эмали за счет восполнения недостающих минералов в случае деминерализации.
Для выявления участков поверхности с аномалиями необходим сравнительный анализ соседних элементарных участков (для исключения случайных выбросов). У элементарного участка квадратной формы ближайших соседей 8. Это - по два соседа по 4-м осям: вертикальной, горизонтальной и диагональным. Таким образом, площадь минимального диагностируемого участка: 150x150 мкм2. Это вполне соответствует требованиям специалистов.
