|
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
АВЕР’ЯНОВА ЛІЛІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА
УДК 621.386
МЕТОД КОМП’ЮТЕРНОЇ РЕНТГЕНОМОРФОМЕТРІЇ
МЕТАКАРПАЛЬНИХ КІСТОК ЛЮДИНИ
У ДІАГНОСТИЦІ ОСТЕОПОРОЗУ
Спеціальність 05.11.17 - медичні прилади та системи
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2002
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор
Бих Анатолій Іванович,
Харківський національний університет
радіоелектроніки,
завідувач кафедри біомедичних електронних
пристроїв та систем
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Стрелков Олександр Іванович,
Харківський військовий університет,
головний науковий співробітник Військово-технічного центру космічних досліджень;
кандидат технічних наук, доцент
Фесечко Володимир Опанасович,
Національний технічний університет України „КПІ” (м. Київ),
доц. кафедри фізичної та біомедичної електроніки
Провідна установа: АТ Науково-дослідний інститут радіовимірювань
Національного космічного агентства України
(м. Харків)
Захист відбудеться “ 27 ” лютого 2003р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
Автореферат розісланий “ 22 ” січня 2003р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради Мустецов М.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Кісткова система людини перебуває у стані безперервного внутрішнього моделювання та ремоделювання, у основі яких лежать процеси кісткоутворення та резорбції. При порушенні рівноваги між цими процесами у бік резорбції відбувається втрата кісткової маси, що може призвести до захворювання на остеопороз (ОП). За оцінкою ВООЗ за останнє десятиріччя ХХ ст. проблема ОП посідає четверте місце у світі після серцево-судинних, онкологічних захворювань та цукрового діабету. Значна поширеність ОП та висока летальність від його ускладнень свідчить про те, що ОП став однією з глобальних медико-соціальних проблем. Так, тільки у США четверта частина від загальної кількості пацієнтів похилого віку, які хворіють на ОП, помирає внаслідок ускладнень, спричинених патологічними переломами, а ще чверть - потребує складного протезування.
У колишньому СРСР фундаментальні дослідження ОП не проводились, не розроблялись спеціальні діагностичні методики та апаратура. Починаючи з 1991р. в Україні здійснювались реґіональні епідеміологічні дослідження ОП, які, однак, носили обмежений характер внаслідок дефіциту новітньої діагностичної апаратури.
Розробка та впровадження у клінічну практику нових технічних засобів та методів діагностики ОП може зробити дослідження на ОП доступним для всього населення, що дозволило б вчасно виявляти ознаки остеопоротичного процесу та запобігати його прогресуванню. За таких умов можливо суттєво знизити моральні, фізичні та економічні втрати як кожного хворого, так і суспільства в цілому. Проблема ОП має мультидисциплінарний характер: досліджень у цьому напрямку потребують ортопедія, травматологія, протезування, пластична хірургія, космічна, спортивна та інші галузі медицини.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у рамках д/б теми Харківського національного університету радіоелектроніки “Моделювання процесів діагностики, лікування та забезпечення життя людини” (№ДР 0198U004437, №ДР 0101U001946), розділи “Створення систем діагностики остеопорозу” та “Визначення стану кісткової системи людини у дітей, юнаків допризовного віку та дорослих в нормі та патології з використанням технічних засобів та комп’ютерних технологій”, у яких автор була виконавцем. В рамках цієї теми автором було розроблено фізичну та математичну модель фраґменту кисті людини на рівні діафізу метакарпальної кістки, проведено теоретичний денситографічний аналіз рентгенівського зображення (РЗ) цього фраґменту кисті, проаналізовано вплив умов отримання РЗ метакарпальної кістки на точність вимірювання її рентгеноморфометричних розмірів.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення кількісної діагностики остеопорозу шляхом створення нового методу комп’ютерної рентгеноморфометрії трубчастих кісток.
Для досягнення поставленої мети мали бути вирішені наступні задачі:
- розробка методу кількісної діагностики ОП, який базується на рентгеноморфометрії трубчастих кісток із застосуванням комп’ютерного аналізу РЗ;
- виявлення об’єктивних ознак ідентифікації морфологічних структур метакарпальної кістки із застосуванням методів математичного моделювання та денситографічного аналізу РЗ;
- аналіз впливу технічних умов формування РЗ метакарпальної кістки на точність визначення її рентгеноморфометричних розмірів;
– створення методики програмного аналізу РЗ кисті та обчислення метакарпальних індексів ОП;
– оцінка можливостей розробленого методу у порівнянні з існуючими клінічними методами діагностики ОП.
Об’єкт дослідження: морфологічна структура метакарпальної кістки людини, методи та засоби діагностики остеопорозу.
Предмет дослідження: математична модель кисті на рівні метакарпальних кісток та рентгенівське зображення кисті; кількісні рентгенологічні ознаки остеопоротичного процесу.
Методи дослідження. При виконанні роботи використані методи:
- теоретичного рівня (ідеалізація анатомо-морфологічної будови ділянки кисті та формалізація її морфологічних ознак; фізико-математичний аналіз процесу взаємодії рентгенівського випромінювання з ідеальною структурою, що моделює досліджувану ділянку кисті);
- експериментально-теоретичного рівня (денситографічний аналіз РЗ кисті; аналіз просторового формування РЗ трубчастого об’єкту; порівняльний аналіз діагностичної інформативності індексів ОП; чисельний аналіз впливу технічних умов формування РЗ трубчастого об’єкту на точність розрахунку його рентгеноморфометричних розмірів);
- емпіричного рівня (візуальний аналіз досліджуваних РЗ кистей; вимірювання рентгеноморфометричних розмірів метакарпальних кісток; порівняння результатів вимірювань при візуальному та програмному аналізі РЗ).
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Вперше запропоновано математичну модель фраґменту кисті на рівні діафізу метакарпальної кістки, на основі якої проведено аналіз розподілу інтенсивності рентгенівського випромінювання у площині детектору, а також отримані нові метакарпальні індекси ОП;
2. Обґрунтовано використання денситографічного аналізу РЗ кисті для ідентифікації морфологічних структур кістки, що дозволило уніфікувати процес рентгеноморфометрії трубчастих кісток;
3. Вперше обґрунтовано методику отримання цифрових РЗ кисті шляхом сканування плівкового оригіналу та розроблено методику комп’ютерного денситографічного аналізу РЗ кисті з розрахунком рентгеноморфометричних розмірів метакарпальної кістки та індексів ОП.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблений у роботі метод кількісної діагностики ОП покладено в основу програмного засобу (ПЗ) для визначення метакарпальних індексів ОП за РЗ кисті “X-Rays”. Об’єктивізовано та уніфіковано визначення рентгеноморфометричних розмірів метакарпальної кістки та індексів ОП. Раціональний вибір досліджуваної анатомічної області (кисті) задовольняє вимогам мінімізації променевого навантаження на пацієнта. Реалізація запропонованого методу дає можливість проводити масове обстеження населення за допомогою найбільш доступних технічних засобів рентгенодіагностики, дооснащених спеціалізованим ПЗ для кількісної діагностики ОП.
Методологія комп’ютерної рентгеноморфометрії РЗ кісток та ПЗ “X-Rays” впроваджені у медичних закладах м. Харкова: Інституті патології хребта та суглобів ім.проф.М.І.Ситенка АМН України (акт впровадження від 12.11.2001 р.), 17 клінічній лікарні (акт впровадження від 11.12.2001 р.), МСЧ №8 заводу ім. Малишева (акт впровадження від 12.12.2000 р.).
Особистий внесок здобувача у роботах, виконаних у співавторстві, полягає у наступному. У роботі [1] проведено порівняльний аналіз автоматизованого та традиційного способів визначення індексів ОП; у роботі [2] доведено наявність похибки визначення діаметру медулярної порожнини трубчастої кістки при візуальному аналізі її РЗ; у роботі [3] проведено аналіз морфологічних ознак ідеальної гетерогенної структури, що моделює ділянку кисті; у роботі [5] проведено порівняльний аналіз параметрів прямого та непрямого цифрового РЗ трубчастих об’єктів; у роботі [6] визначено методику програмного аналізу РЗ кисті за допомогою ПЗ “X-Rays”; у роботі [7] проведено аналіз умов формування цифрового РЗ кісток; у роботі [9] визначено комплекс технічних засобів для комп’ютерної рентгеноморфометрії кісток; у роботі [10] запропоновано алгоритм визначення лінійних розмірів за комп’ютерним РЗ; у роботі [11] проаналізовано вплив реальних умов рентгенографії на формування рентгеноморфометричних розмірів циліндричних об’єктів; у роботі [12] обґрунтовано можливість використання ПЗ “X-Rays” у моніторингових дослідженнях ОП.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були повідомлені та обговорені на 5-й та 6-й Міжнародних конференціях “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації” (Харків, 1999 та 2000 рр.); на ХХІ Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки” (Київ, 2001 р.); на 4-й Міжнародній конференції “Радіоелектроніка в медичній діагностиці” ( Москва, 2001 р.) ; на ІІІ Міжнародному симпозіумі “Електроніка в медицині. Моніторинг, діагностика, терапія” (Санкт-Петербург, 2002 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 друкованих робіт (6 статей в наукових збірках, які входять до переліку ВАК України, 4 тези доповідей науково-технічних конференцій).
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури, що містить 90 найменувань, трьох додатків. Робота містить 33 рисунки, 22 таблиці. Загальний обсяг роботи складає 161 сторінку, у тому числі 122 сторінки основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, вказано мету, наукову і практичну новизну роботи.
У першому розділі розглянуто сучасний стан проблеми діагностування ОП, проаналізовано наявне методологічне та технічне забезпечення діагностичного процесу. Визначено, що провідним методом клінічної діагностики ОП є кількісна рентгенодіагностика як найбільш розповсюджена та інформативна. Найкращі технічні та методологічні передумови має діагностика ОП за РЗ трубчастих (метакарпальних) кісток.
Проаналізовано основні клініко-діагностичні ознаки остеопоротичного процесу у трубчастих кістках. Обґрунтовано вибір методу рентгеноморфометрії як основного кількісного методу діагностики ОП. Виявлено, що метод рентгеноморфометрії потребує технічного удосконалення у напрямку застосування новітніх засобів вимірювання та обробки результатів, стандартизації діагностичних методик.
Визначено, що створення спеціалізованих комп’ютерних систем обробки рентгенодіагностичної інформації при дослідженні на ОП має базуватись на адекватній математичній моделі досліджуваного фраґменту кістяку, а також має враховувати формалізовані морфологічні ознаки, які є суттєвими саме у діагностиці ОП. Обґрунтовано необхідність проведення математичного моделювання процесу взаємодії структур досліджуваного об’єкту з рентгенівським випромінюванням та аналізу умов формування РЗ об’єкту.
Наведений аналіз існуючих клінічних методів та технічних засобів діагностики ОП дозволив сформулювати задачі дослідження, які полягають у розробці методу комп’ютерної рентгеноморфометрії метакарпальних кісток людини та виборі відповідного технічного та інформаційного забезпечення діагностики ОП.
У другому розділі запропоновано фізичну модель досліджуваного об’єкту та проведено її математичний опис. Досліджувана метакарпальна кістка фізично являє собою трубчасту гетерогенну структуру. Морфологічно у діафізі цієї кістки розрізняють кортикальний шар k та медулярну порожнину p, заповнену кістковим мозком. Метакарпальна кістка оточена плоским шаром м’яких тканин m. Передбачається, що шари k, p та m є гомогенними і мають відповідно щільність сk , сp та сm . Кожен з цих шарів характеризується лінійним коефіцієнтом послаблення рентгенівського випромінювання - відповідно mk, mp та mm , причому при нормальному стані досліджуваного об’єкту мp < мm << мk .
Запропоновано фізичну модель діафізу метакарпальної кістки у вигляді співвісної двошарової циліндричної структури, де моделлю медулярної порожнини є внутрішній циліндр, а моделлю кортикального шару - зовнішній порожнистий циліндр . Ця двошарова структура оточена третім (плоским) шаром м’яких тканин. У нормальному перерізі наведеної ідеальної тришарової структури (рис.1) вирізняються: кругове кільце товщиною (R - r), яке моделює переріз шару k, та круг (0;r), що моделює переріз шару p.
Рис.1. Нормальний переріз кисті на рівні діафізу метакарпальної кістки
Ділянка смуги шириною Д моделює переріз оточуючого шару m. Коло (0;R) відображає межу між шарами m та k (контур зовнішньої або періостальної поверхні кортикального шару), а коло (0;r) - межу між шарами k та p (контур ендостальної поверхні кортикального шару).
В межах нормального перерізу досліджуваного об’єкту (рис.1) вздовж напрямку Х визначено: область гетерогенності 1 (0≤|х|≤ r), до якої входять частини всіх трьох шарів об’єкту; область гетерогенності 2 (r<|х|≤R ), до якої входять частини шарів m та k ; область гомогенності 3 (R<|х|<∞), яка включає тільки шар m. Для цих областей розраховано товщини уі(х) кожного з шарів досліджуваного об’єкту у напрямку Y та їх значення на межах розділу шарів (при |х|=R та |х|=r).
Проведено моделювання процесу взаємодії рентгенівського випромінювання з ділянкою кисті на рівні діафізу метакарпальної кістки за припущення монохроматичності діючого випромінювання та переважно поглинального характеру взаємодії (рис.2). Розглядалась дія на об’єкт
Рис.2. Проходження рент-генівського випромінювання крізь досліджувану ділянку кисті:
1 - модель об’єкту;
2 - денситограма РЗ об’єкту;
3 - РЗ об’єкту.
безкінечно віддаленого випромінювача. Інтенсивність діючого випромінювання Io при проходженні крізь об’єкт зменшується за законом Бугера в залежності від розподілу товщин шарів yi з коефіцієнтами послаблення мі . Для всіх областей розглянутої структури отримано загальну функцію інтенсивності випромінювання за об’єктом ІУ(х) :
 . (1)
Отримано теоретичний розподіл прозорості зафіксованого на рентгенівській плівці зображення досліджуваного об’єкту РУ(х), пропорційний розподілу (1) інтенсивності діючого випромінювання IУ (х):
 . (2)
Визначено окремі функції Рp(х) , Рm(х) , Рk(х) у межах існування кожного з шарів досліджуваного об’єкту. Показано, що за умови мp<мm<<мk значення сумарної функції РУ(x) у місці розташування метакарпальної кістки (області 1 та 2) в основному визначається відповідними значеннями основної її складової - функції Рk(х) (рис.3а).
а б
Рис.3. Графіки функцій прозорості РЗ досліджуваного об’єкту
за ідеальних (а) та реальних (б) умов рентгенографії
Доведено, що аналіз функції РУ(x) (денситограми) РЗ розглянутого ідеального об’єкту дозволяє точно віднайти положення меж розділу його шарів, а відтак розрахувати діаметри циліндричних шарів об’єкту 2r та 2R. Аналогічним чином за реальною денситограмою РЗ кисті визначено рентгеноморфометричні розміри метакарпальної кістки у діафізі - діаметр медулярної порожнини 2r та зовнішній діаметр кортикального шару 2R.
Проаналізовано функцію РУ(x) за умов, характерних для остеопоротичного процесу ( r→R при R=const ) , коли найбільші зміни кісткової структури відбуваються на межі розділу шарів кістки ( ) . Отримано два нових діагностичних показники :
 , (3)
 . (4)
Графіки зміни величин IN(r), GL(r), АL(r) при r→R у межах діагностування ОП представлено на рис.4.
Рис.4. Графіки функцій IN(r), GL(r), АL(r) при
0 = r < R , R=1
Проведено аналіз діагностичної інформативності показників GL та AL порівняно з відомим індексом Barnett-Nordin IN=(R-r)/R . Визначено діагностичні діапазони значень нових показників у межах кожної стадії ОП. Проведено аналіз динаміки зміни значень індексів IN, GL та АL та виявлено, що індекс AL доцільно використовувати при діагностуванні 1-2 стадії остеопоротичного процесу, а індекс GL - при діагностуванні 2-3 стадії. Наведено спосіб спрощеного визначення індексів ОП у клінічних умовах за номограмами, побудованими у відповідності до рис.4.
У третьому розділі проведено аналіз впливу процесів формування та реєстрації РЗ кисті на точність вимірювання морфометричних розмірів метакарпальної кістки за денситограмою РЗ. Розглянуто дію на об’єкт реального рентгенівського випромінювача, який являє собою сукупність точкових випромінювачів Fi. При цьому враховано, що РЗ утворюється шляхом суперпозиції зображень від кожного з точкових випромінювачів. Аналітично визначено рентгеноморфометричні розміри досліджуваного об’єкту (рис.3б) з урахуванням геометричних закономірностей формування РЗ та параметрів рентгенографії (відстаней “випромінювач-об’єкт” f, “об’єкт-приймач” d, розміру фокусної плями випромінювача g)
 , (5)
 . (6)
Визначено величини геометричної нерізкості відповідних меж об’єкту на його РЗ
 , (7)
 . (8)
Запропоновано спосіб розрахунку фізичних розмірів досліджуваного об’єкту шляхом розв’язання рівнянь (5, 6) відносно R та r при відомих значеннях RMD , rMS , f, g, d за умов g << f , R << f , які виконуються при рентгенографії кисті. Отримано вирази для обчислення величин R та r:
 , (9)
 . (10)
Оцінено величину геометричної нерізкості контурів метакарпальної кістки на її РЗ при реальних значеннях r =2,5 мм, R =5 мм, f =1000 мм, g=1 мм, d=20мм. Виявлено, що для обох меж кортикального шару кістки величина геометричної нерізкості практично однакова (0,024÷0,027мм). Визначено, що максимальний відносний приріст морфометричних розмірів кістки за рахунок проекційних похибок РЗ складає: для розміру 2r - 1,86%), для розміру 2R - 3,07%. Оцінено вплив реальних умов рентгенографії на точність розрахунку індексів ОП. Використання величин фізичних розмірів r та R, визначених за формулами (9, 10) замість зафіксованих на РЗ розмірів rMS та RMD дозволяє зменшити відносну похибку розрахунку індексів: IN - на 1,3%, GL - на 3,6%, АL - на 3,7%.
Проаналізовано особливості визначення морфометричних розмірів довільного об’єкту за реальною денситограмою PRS (x) його РЗ (рис.5), яка являє собою суму денситограм Рі(х) від усіх точкових випромінювачів Fі :
 . (11)
| 
