Диссертация (Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки), страница 12

При этом области, отнесенные кмягким тканям внутренних органов и тканям, окружающим костную ткань былиудалены. После этого данные инструменты использовались для разделенияобласть хрящевой ткани на две области, одна из которых включала реберныехрящи, а вторая межпозвоночные диски. Область костной также была разделенана область, включающую ребра и грудину, и область, включающую позвонки.Процедура разделения одной области на несколько осуществляется посредствомдобавления нового материала в «Список материалов» и заполнения даннойобласти путем копирования требуемых областей из одного материала в другой79(для выбора требуемых областей используется инструмент «Magic Wand»).Процесс корректировки и разделения областей является довольно трудоемким,т.к.

подобной «ручной» обработке должен быть подвергнут каждый снимок КТ.На Рис. 3.5 представлен результат интерактивной обработки снимка КТ,изображенного на Рис. 3.4.РебраПолостиРеберные хрящиПозвонокГрудинаМежпозвоночныйдискРис. 3.5. Результат интерактивной обработки одного из снимковпредоперационной КТ в редакторе Segmentation EditorВ результате интерактивной обработки (см. Рис. 3.5) в центральной частиребер, грудины и позвонков были получены полости, заполненные приавтоматической сегментации хрящевой тканью.

Анализ снимков КТ показывает,что данные полости относятся к наименее плотной ткани ребер и грудины –губчатойкостнойткани.Т.е.приавтоматическойсегментациибылапреимущественной выделена компактная костная ткань. В рамках данной работыструктура костной ткани всех рассматриваемых элементов считалась однороднойпо всему сечению,поэтому области хрящевой ткани в указанных местах80удалялись вручную, а образовавшиеся «отверстия» удалялись автоматическипосредством применения фильтра Fill Holes (Segmentation → Fill Holes → AllSlices).Для завершения процесса сегментации необходимо было избавиться отнебольших изолированных областей – островов, изображенных на Рис. 3.4,которые могли остаться после ручной обработки изображений, а также сгладитьграницы каждой выделенной области.

Первая задача решалась при помощифильтра Remove Islands (Segmentation → Remove Islands …), диалоговое окнокоторого изображено на Рис 3.6, а. Применение данного фильтра позволяетвыделять и удалять в выделенных областях изолированные области, количествовокселей в которых не превышает заданного значения (параметр Size). Послеидентификации острова программа вычисляет процентные значения вокселейпримыкающих областей по отношению к общему числу вокселей, окружающихостров, которые сравниваются с заданным процентным порогом (параметрPercentage). Затем выделенный остров добавляется к области с наибольшимпроцентным значением, которое должно превышать пороговое значение.

Еслипроцентное значение всех примыкающих областей не превышает пороговогозначения, то остров остается нетронутым. Данная операция может бытьвыполнена как по отношению к одному снимку (Mode: slice), так и ко всемснимкам сразу (Mode: all slices). Однако применение фильтра в режиме 3D (Mode:3D Volume) является наиболее оптимальным, т.к. позволяет удалять лишь теострова, которые не примыкают к соответствующему объему. Так, при обработкерезультатов сегментации снимков КТ грудной клетки на некоторых снимкахмогут быть выделены небольшие области, относящиеся к окончаниям ребер,реберных хрящей, элементов позвоночника, которые сохраняются в случаеиспользования фильтра Remove Islands с режимом 3D.Сглаживание границ выделенных областей осуществляется при помощифильтра Smooth Labels (Segmentation → Smooth Labels …). В данном фильтререализовано модифицированное Гауссово сглаживание [104], применениекоторого позволяет получать плавное изменение выделенных областей при81переходе от снимка к снимку.

В диалоговом окне фильтра, представленном наРис. 3.6, б, задается окно фильтра (параметр Size), а также режим работы фильтра(данный снимок – current slice, все снимки – all slices, весь объем – 3D Volume).При использовании режима 3D, дополнительно, производится расчет значенийвесов для вокселей, принадлежащих соответствующему региону. Значение веса,назначенное вокселю внутри области, уменьшается по направлению к ее границе.Вокселям, расположенным рядом с границами, значения весов назначаютсяотносительно весов соседних областей.

Данная информация используетсядругими расчетными модулями, в частности модулем создания поверхностныхмоделей (модуль SurfaceGen), для получения сглаженных границ в создаваемыхмоделях.а)б)Рис. 3.6. Диалоговые окна фильтров, применяемых в рамках процессасегментации изображенийа) фильтр удаления изолированных областей (Remove Islands); б) фильтрсглаживания границ выделенных областей (Smooth Labels)Приотсутствиинекачественную,сглаживаниязигзагообразноповерхностиизменяющуюсяможноповерхность.получитьПримерысглаженной и не сглаженной поверхностей части 3-го ребра представлены на Рис.3.7. Таким образом, сглаживание границ выделенных областей осуществлялось врежиме 3D, с параметром Size, равным 3.В результате окончательной сегментации (см. Рис.

3.8) на снимках КТ быливыделены области, относящиеся к ребрам 1-8, реберным хрящам 1-8, грудине,позвонкам L1-L2, T1-T12, C7 и межпозвоночным дискам.82а)б)Рис. 3.7. Пример качества поверхности 3-го ребраа) не сглаженная поверхность; б) сглаженная поверхностьРебраРеберные хрящиПозвонокГрудинаМежпозвоночныйдискРис. 3.8. Результат окончательной сегментации одного из снимковпредоперационной КТ3.3.2. Создание поверхностной модели грудной клеткиПолученные результаты сегментации далее использовались для созданиятриангулированных поверхностных моделей рассматриваемых элементов. Даннаязадача решалась посредством использования расчетного модуля SurfaceGen [106],подключаемого к файлу результатов сегментации в области объектов данных83(Compute → SurfaceGen).При создании поверхностной модели грудной клетки посредствомрасчетного модуля SurfaceGen использовались параметры, представленные в окнена Рис.

3.9. Так как в процессе сегментации изображений все границывыделенных областей были сглажены с использованием фильтра Smooth Labels, входе применения которого производится вычисление весов вокселей, топараметру «метод сглаживания» было задано значение «учет вычисленных весоввокселей» (existing weights). Наличие замкнутых поверхностей всех создаваемыхэлементов является необходимым условием дальнейшего создания конечноэлементной модели грудной клетки, поэтому в дополнительных опциях был учтенпараметр «добавить границу» (add border).

Параметры «компактифицировать»(compactify) и «минимальная длина грани» (Minimal edge length) не учитывались,т.к. оптимизация количества треугольных граней, составляющих поверхности, вдальнейшем производится при помощи редактора поверхностей Surface Editor.Параметры «настройка границы» (adjust coords) и дополнительный материал(extra material) также не учитывались при создании поверхностной модели. Послеприменения команды SurfaceGen в окне объектов данных (Pool) появляется новыйфайл с расширением *.surf. Визуализация поверхностной модели осуществляласьпосредством подключения к данному файлу модуля визуализации SurfaceView(Display → SurfaceView), позволяющего отображать поверхности или частиповерхностей в различных режимах.Рис.

3.9. Окно свойств модуля SurfaceGenПолученная поверхностная модель грудной клетки, изображенная на Рис.3.10, а, состоит из 376213 точек и 759490 граней. Из представленного рисунка84видно, что часть поверхностей ребер и реберных хрящей имеет зигзагообразнуюформу. Это, прежде всего, связано с относительно большим расстоянием междуизображениями КТ грудной клетки данного пациента (3 мм) и недостаточнымсглаживанием полученных поверхностей.

Улучшение качества указанныхповерхностей возможно в процессе их дальнейшего редактирования, прииспользовании специализированных инструментов.а)б)Рис. 3.10. Поверхностная модель грудной клетки, полученная при помощирасчетного модуля SurfaceGenа) при выборе метода сглаживания учитывающего вычисленные веса вокселей(existing weights); б) при выборе свободного метода сглаживания (unconstrainedsmoothing)Опыт использования расчетного модуля SurfaceGen показал, что наилучшеесглаживание поверхностный модели может быть обеспечено при использованииметода свободного сглаживания (unconstrained smoothing), подразумевающемнезначительное изменение формы областей, полученных при сегментации.Однако если среди выделенных областей встречаются небольшие области, к85которым в модели грудной клетки можно отнести области реберных хрящей, то входе свободного сглаживания результатов сегментации данные области могутбыть удалены.

В данном случае это приводит к образованию несколькихзамкнутых поверхностей вместо одной, как изображено на Рис. 3.10, б. Следуеттакже отметить, что свободное сглаживание может приводить к уменьшениюплощади поперечного сечения моделируемых объектов, что особенно критичнодля таких элементов как ребра и реберные хрящи.3.3.3.

Оптимизация качества поверхностной модели грудной клеткиПоверхностная модель грудной клетки с визуализацией треугольныхграней, представлена на Рис. 3.11.Вытянутая форматреугольных гранейРис. 3.11. Поверхностная модель грудной клетки с визуализацией треугольныхгранейИз рисунка видно, что поверхности элементов модели состоят из большогоколичества треугольных граней, часть которых имеет крайне вытянутую форму.Таким образом, объемная конечно-элементная модель грудной клетки, созданнаяна основе такой поверхностной модели, будет иметь большое количество86элементов.