Grafica Computerizată Folosită la Obținerea Modelului 3D al Articulației Gleznei

1. INTRODUCERE

Reprezentarea tridimensională a suprafeţelor anatomice oferă o metodă de investigare medicală valoroasă. Imagini ale acestor suprafeţe, constituie pe baza planelor multiple bidimensionale rezultate prin tomografie computerizată, rezonanţă magnetică, respectiv tomografie computerizată cu emisie de fotoni, ajută medicii să stabilească un diagnostic corect pe baza imaginilor redate de echipamente sub formă 2D. Interpretarea imaginilor medicale bidimensionale necesită cunoştinţe speciale şi experienţa specialiştilor care trebuie să colaboreze şi să comunice interpretările lor medicilor care vor aplica tratamentul. În multe cazuri, există dificultăţi în interpretarea şi imaginarea structurilor tridimensionale reale pe baza imaginilor 2D furnizate de echipamentele de investigaţie medicală.

Tomografia computerizată furnizează imagini ce reprezintă atenuarea radiaţiilor X în ţesuturile vii. Imaginile sunt achiziţionate ca o succesiune de plane paralele care, interpretate împreună, reprezintă o distribuţie tridimensională bazată pe aprecierea densităţii relative a ţesuturilor. Astfel, poate fi investigată structura internă a corpului, indiferent că este urmărit aparatul osos sau ţesuturile moi.

Rezonanţa magnetică furnizează un contrast foarte bun între varietăţile de ţesuturi moi investigate. Rezonanţa magnetică măsoară trei proprietăţi fizice. O proprietate este distribuţia nucleilor de hidrogen mobili care furnizează structura de ansamblu a planului de informaţie. Cele două proprietăţi măsoară timpul de relaxare al nucleilor, obţinându-se astfel diferenţa între diferitele tipuri de ţesuturi.

Tomografia computerizată cu emisie de fotoni măsoară emisia de radiaţii gamma. Sursa acestor raze este un radioizotop introdus în corp. Pe lângă structură, acest tip de investigaţie imagistică poate semnala prezenţa sângelui în structura organului, cu o acurateţe mai mare decât tomografia computerizată.

2. PRINCIPIUL SI ETAPELE SOLUŢIEI PROPUSE

Soluţia propusă se bazează pe un ansamblu de metode ce includ tehnici specifice analizei şi prelucrării de imagini, extragerii de informaţie utilă din acesta, reprezentării cu ajutorul graficii 3D a modelului construit pe baza informaţiilor utile extrase şi manipularea modelului obţinut în scopuri asociate studiului sau prelucrării ulterioare. Tehnicile de obţinere şi prelucrare a modelului 3D se bazează pe tomograme (felii 2D) obţinute de la un tomograf computerizat şi pe un program de imagistică medicală (Mimics 8.1).

Figura 1 Metodologia de modelare 3D a sistemului anatomic gleznă – picior.

Metodologia de modelare tridimensională a sistemului anatomic gleznă-picior (figura 1) cuprinde trei etape majore, şi anume:

1. citirea şi procesarea datelor de intrare;

2. segmentarea datelor de intrare, identificarea automată a obiectelor din imagini (utile atunci când se doreşte detectarea şi punerea în evidenţă a unor zone de interes);

3. reconstrucţia tridimensională a modelelor anatomice;

3. MODUL DE DESFĂŞURARE AL LUCRĂRII

3.1 Citirea şi procesarea datelor de intrare

Prima etapă a acestei lucrări este aceea de citire şi procesare a datelor de intrare ale procesorului, reprezentate de fişierele conţinând tomogramele rezultate în urma analizelor specifice, cu ajutorul unui program de imagistică medicală. Tomogramele, în număr de 73, aparţin unui subiect uman de sex masculin cu vârsta de 27 ani şi masa de 84 kg, fiind furnizate de la un Computer Tomograf Somatom Emotion 6, de producţie Siemens, din cadrul Policlinicii de Diagnostic Rapid Braşov. Ca variabile de intrare se furnizează numărul de fişiere de citit (73), dimensiunea lor în pixeli (512  512 pixeli), distanţa dintre ele (1mm) şi tipul lor ( JPEG) (figura 2).

Figura 2 Succesiunea celor 73 de imagini 2D (tomograme) ale sistemului gleznă-picior achiziţionate de Computer-ul Tomograf Somatom Emotion 6.

Figura 3 Planele de lucru în programul de imagistică medicală MIMICS: a) planul frontal; b) planul sagital; c) planul transversal.

După citire, toate imaginile în format JPEG sunt afişate în trei vederi. Prima vedere afişează secţiunile imaginilor importate în planul xoz (planul frontal) (figura 3, a), a doua vedere afişează secţiunile imaginilor importate în planul yoz (planul sagital) (figura 3, b) iar cea dea treia vedere afişează imaginile aşa cum ele au fost importate în planul xoy (planul transversal) (figura 3, c).

3.2 Segmentare datelor de intrare

Segmentarea reprezintă o categorie de tehnici de prelucrare a imaginilor ce permit extragerea din contextul imaginii a unor elemente de interes în scopul analizei ulterioare şi, eventual, al clasificării lor. Extragerea contururilor este o etapă necesară pentru a realiza caracterizarea regiunilor din imagine în vederea identificării obiectelor de interes. În plus această operaţie asigură o reducere importantă a volumului de informaţie de la sute de mii sau milioane de pixeli, la mii de puncte de contur. În cadrul procesului de segmentare se pot aplica două strategii majore: