Трехмерная реконструкция томографических изображений. Алгоритмы построения 3D-моделей анатомических структур. Часть 2

30.01.2015

Хотя КТ является высокоточным методом исследования, в ходе ее проведения могут возникать различные артефакты, которые существенно влияют на качество полученной 3D-модели. Среди основных артефактов выделяют следующие:

  1. линейные артефакты, возникающие возле объектов, которые поглощают большую часть рентгеновских лучей (металлические импланты, протезы, очень плотная кость, эмаль зуба). Этот вид артефактов устраняется при использовании современных алгоритмов реконструкции и последующей обработки томографических изображений;
  2. эффект «размытия» изображение в зоне острых краев (partial volume effect) и в зонах резкого перехода от высокой рентгенологической плотности к низкой. Уменьшение этого негативного эффекта возможно благодаря увеличению количества датчиков и уменьшению толщины томографического среза, что зависит от производителя томографа;
  3. появление одного или нескольких «колец» на изображении, как правило, связанное с механической поломкой детектора;
  4. «шумовой артефакт» проявляется повышенной зернистостью изображения, связанной с низким соотношением сигнала и шума или недостаточной мощностью рентгеновской трубки;
  5. артефакты, связанные с движением объекта исследования, проявляются размытостью или появлением линейных искажений. Они минимизируются в сканерах последних поколений за счет уменьшения времени, затраченного на обработку одного среза;
  6. «ступеньки» на изображении, обусловленные большой толщиной томографического среза и др.

Качество полученной модели будет, таким образом, определяться качеством входных данных, разрешением томографа, толщиной одного томографического среза, точностью определения границ объекта в процессе сегментации, особенностями обработки модели в программном обеспечении для работы с медицинскими изображениями (сглаживание, редактирование, булевые операции и т.д.).

Современные CAD-программы для работы с томографическими изображениями имеют большой набор инструментов для лучшей визуализации трехмерного изображения в зависимости от задач исследования: модель можно перемещать и вращать, рассматривать ее пересечения в разных плоскостях, увеличивать или уменьшать отдельные участки, изменять прозрачность модели и ее окраску. Отдельные программные компоненты позволяют накладывать фотографическое изображение пациента на трехмерную компьютерную модель (фотомепинг), достигая максимального уровня реалистичности графического изображения.

Используя определенные инструменты для проведения линейных и угловых измерений и определения рентгенологической плотности отдельных участков объекта исследования, хирург имеет возможность осуществлять комплексный анализ клинической картины и получить ряд важных показателей, необходимых для выбора метода лечения.

Некоторые алгоритмы линейных и угловых измерений реализованы в автоматическом или полуавтоматическом режиме и называются 3D-цефалометрия. Основой метода является определение основных анатомических ориентиров, которые выполняют роль реперных точек (в современных методиках 3D-цефалометрия применяют более 70 таких точек). В дальнейшем на трехмерной модели через реперные точки проводят определенные линии и плоскости, определяют расстояния и углы между ними. Эти параметры имеют определенное клиническое значение и служат для точной постановки диагноза и выбора метода проведения ортогнатического или восстановительного вмешательства.

Таким образом, благодаря современным программным комплексам для обработки данных, КТ не только стала одним из важнейших методов диагностики в медицине, но и основой построения трехмерных (3D) имитационных моделей объектов исследования. На сегодняшний день существует ряд программных систем (MIMICS, SimPlant (Materialise), Ezimplant, Implant-assistant, 3D-DOCTOR, AMIRA и др.), которые позволяют от 2D-компьютерных срезов перейти к 3D- объектам с возможностью структурного анализа системы в зависимости от рентгенологической плотности объекта исследования. Диагностическая информация из поперечных срезов тела пациента может быть представлена в виде многоплоскостных или объемных (трехмерных) реконструкций, которые позволяют наглядно оценить всю сложность топографических взаимоотношений анатомических структур. Совершенствование методов КТ открыло новые возможности для биомеханического анализа, поскольку стало возможным построение не только усредненных или идеализированных моделей, но и моделей, максимально приближенных к параметрам конкретного пациента как по геометрии, так и по свойствам мягких и костных тканей.

Важным преимуществом современных программных комплексов является возможность обмена данными с другими CAD / CAM / CAE-системами, в основе которого — импорт / экспорт 3D-моделей из одной программы в другую.

Базовыми форматами для обмена является формат STL (объект представлений в виде поверхностной полигональной сетки) и IGS (в виде набора полилиний). Проблема совместимости с инженерными программами CAD CAE решена в программном комплексе SIMPLANT, что позволяет импортировать STL-файлы и хранить или экспортировать модели в форматах, совместимых с большинством программных компонентов автоматизированного проектирования.

Comments (1)

Leave a Comment