Инобитек

Собственно, модель получили. Что дальше?

В конечном итоге, мы получаем новый набор срезов КТ с сегментированной структурой и только. Подход к сегментации с этой стороны оставляет желать лучшего, так как приходится тратить кучу времени.

Рассмотрим это на примере.

Регистрационное удостоверение Росздравнадзора № РЗН 2019/8294 от 18 апреля 2019 года

А вот сегментация по трехмерной модели – дело другое. Как минимум, нам гораздо проще ориентироваться по ней. Без преувеличения, мы в разы экономим свое время. Если в первом случае мы устанавливаем один порог интенсивности и в ручную выделяем зону интереса, то в случае с 3D сегментацией мы изменяем передаточную характеристику визуализации 3D изображения и дальше вручную удаляем ненужные сегменты.

Если такое произойдет, мы с удовольствием будем открывать для вас новые возможности биомеханики в следующих статьях.

Во-вторых, геометрия исследуемых объектов, чаще всего, очень сложна, из-за чего приходится вводить упрощения в построении, а это ведет к уменьшению достоверности исследования.

Перед нами стояла задача: исследовать газодинамику верхних дыхательных путей. Для этого требовалось найти базу снимков КТ, реконструировать и сегментировать зону интереса, сгенерировать STL-файл и импортировать его в CAE-пакет.

Нет! Существует альтернативный способ построения моделей – реконструкция по КТ. Вообще, КТ представляет собой распределение рентгеновской плотности (Шкала Хаунсфилда) и чем тканиевая структура плотнее, тем соответствующая ей зона на КТ ярче.

Для чего это нужно?

Во-первых, информация, получаемая классическими методами визуализации анатомических структур, такими как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и ангиография чаще всего используется частично и оценивается врачами качественно. В то же время процессы, фиксируемые этими методами, несут информацию, которая, в частности, связана с объяснением природы возникновения патологий структур человека.

В этой статье мы не претендуем на адекватность в постановке задачи. Мы в первую очередь хотим познакомить вас с деятельностью, которой занимаемся каждый день, и методикой, которую мы используем для создания трехмерных моделей. А также, донести, что если грамотно подходить к постановке и решению задачи, эта деятельность переходит в серьезную науку, связывающую врачей и инженеров, отчасти проливая свет на великое разнообразие процессов внутри нас.

Перед нами стоит задача устранить патологическое сужение органа (сосуд, дыхательные пути, пищевод) с помощью раздуваемого баллона (баллонная ангиопластика). Неплохо было бы знать, насколько раздувать баллон. Этот процесс можно смоделировать и выявить оптимальные значения давления в баллоне, при которых не произойдет разрыв структур органа либо ремиссия. Данный вопрос является частью предоперационного планирования, который особенно актуален при патологиях сердечных клапанов.

К сожалению, предшествующие математическому анализу шаги, да и сам анализ лежат за пределами знаний большинства врачей, а медицинские знания недоступны специалистам, владеющим математическим аппаратом. Тут-то на сцену выходим мы [фанфары]. Конечно, мы не претендуем на звание асов в двух этих сферах, но точками соприкосновения назваться можем.

Во-вторых, биомеханическое моделирование нашло широкое применение в предоперационном планировании, реабилитации и планировании лучевой терапии. Современные методы визуализации и анализа дают возможность предварительно оценить исход операции.

На рисунках ниже 3D модели внутренних органов человека: сосуды виллизиева круга и аортальный клапан (а – вид спереди, б – вид сверху в разрезе), построенные нами и нашими коллегами вручную, применяя различные САПР (чаще всего SolidWorks). Как видите, они не являются достаточно естественными, хоть мы и старались учесть максимум аспектов.

Этапы биомеханического анализа

Всем доброго времени суток! Мы студенты «ЛЭТИ» Овсепьян Артур (Artsearcher) и Квиндт Павел (Paul_Quindt). Всю нашу осознанную деятельность в университете мы посвятили работе с 3D моделями анатомических структур человеческого организма и их биомеханическому анализу под руководством профессора, доктора технических наук Бегуна Петра Иосифовича, доцента, кандидата технических наук Лебедевой Елены Александровны, ассистента, кандидата технических наук Пустозерова Евгения Анатольевича.

Может кто-то откроет для себя новое интересное направление, найдет креативное применение нашим знаниям в других сферах науки и производства, а кто-то просто с интересом прочитает нашу работу.

В принципе, если не учитывать постановку глобальной задачи, то биомеханический анализ можно разделить на три этапа:

Эту статью мы решили посвятить первому этапу биомеханического анализа – созданию модели анатомической структуры человека, как биологического объекта.

Теперь о граничных условиях. Математические вычисления мы производим в CAE-пакетах (Computer aided engineering) Abaqus, Ansys, Nastran, Cosmos, LS-dyna и прочих, в зависимости от типа задачи. Все эти пакеты основаны на конечно-элементных решателях, которые предназначены для решения краевой задачи (она же граничная) для систем дифференциальных уравнений. Введение граничных условий необходимо для нахождения единственного решения на границе рассматриваемой области.

Но у нас с этим ПО не сложилось. Причина сугубо субъективная – неудобный инструментарий для сегментации в режиме 3D.

Моделирование

По нашим представлениям, понять природу патологий по изображению вряд ли возможно. Но в совокупности с математическим моделированием эта задача реальная.

Всем спасибо и удачи!

Начнем с основ. У большинства людей, при упоминании слов «построение» и «3D модель» в голове сразу возникает такая последовательность действий:

В-третьих – время. Применение такого способа для создания моделей анатомических структур требует больших затрат сил и времени, в связи с индивидуальностью каждого объекта исследования.

Для начала, нам следует ознакомиться с основными способами создания 3D моделей анатомических структур.

Для подобного рода операций существуют специальные программы – DICOM-Viewer’ы. Мы обращались к различным решениям, но все они, по той или иной причине, не удовлетворяли нашим запросам.

Всё плохо?

Но, казалось бы, смоделировали ситуацию, получили значения и всё, применяем методику. Нет, индивидуальное строение структур пациента требует индивидуальный подход к моделированию.

Инобитек DICOM-Просмотрщик — это программное обеспечение для визуализации, архивирования и экспорта медицинских изображений формата DICOM, полученных с медицинского оборудования различных производителей.

А ведь это ещё далеко не самые сложные структуры человеческого организма. Если, к примеру, вы захотите исследовать целый орган, например, почку или печень, боимся даже представить, сколько времени у вас займет подобное построение, с учетом всех особенностей органа. И мы не уверены, что на выходе у вас получится достаточно достоверная модель, результаты исследования которой, могут быть применимы к реальным объектам.

Существует программное обеспечение для этих нужд, и самое известное – Mimics Materialise. Это линейка продуктов, в которых реализовано множество инструментов для сегментации, генерации трехмерных моделей с конвертацией в STL-файл и даже предоперационного планирования.

Томографы позволяют получить изображения в формате DICOM (срезы) с каким-то шагом (чем томограф современнее, тем шаг меньше), а это в свою очередь дает возможность реконструировать полигональную модель. Реконструкция полигональной модели практически всегда реализуется посредством алгоритма марширующих кубов. Так сложилось, что полигональные модели для удобства конвертируют в STL-файл. Чтобы это сделать, необходимо триангулировать полигональную модель.

Однако, в редких случаях, STL-файл не сразу пригоден к импорту после его генерации, тогда мы корректируем сетку в ПО MeshLab и дальше конвертируем STL-файл в STEP-файл. Файлы этого формата пригодны для чтения почти всеми CAE-пакетами.

Выход из ситуации

Во-первых – недоступность. Чаще всего, мы не можем своими глазами увидеть нужный нам орган. Геометрические параметры и механические свойства тканей приходится изучать путем всякого рода визуализации, или с помощью препарирования.

Получите доступ к бесплатному пробному периоду использования Инобитек Web DICOM-Просмотрщика, написав письмо на [email protected]

С первым и последним всё понятно: за снимками к медикам, за анализом к Abaqus, а вот с решением вопросов по сегментации и качественной триангуляции пришлось повозиться.

И тут, в процессе поиска, мы наткнулись на статью Dicom – взгляд изнутри. Статья посвящена продукту Inobitec DICOM-Viewer российской компании ИНОБИТЕК, и было принято решение остановиться на нем. Этот Просмотрщик полностью подошел под заявленные выше цели. По нашему субъективному мнению, данный Viewer дает на выходе лучшее качество модели и сетки, которое нам доводилось видеть. К тому же он предоставляется на русском языке.

Ниже иллюстрируется пример модели передней брюшной стенки, полученной при помощи Inobitec DICOM-Viewer’а.

Начнем с создания 3D модели. В данной статье мы рассмотрим два пути сегментации из представленных в Inobitec DICOM-Viewer’е:

От теории к практике

Так как мы не медики и нам проще ориентироваться по 3D моделям, то для нас лучше как можно быстрее перейти от снимков КТ к 3D визуализации.

Программный DICOM-Сервер (PACS) предназначен для архивирования, передачи и оперативного доступа к изображениям (исследованиям), полученным с различного DICOM-оборудования, установленного в учреждении.

Вкратце покажем решение одной из задач с верхними дыхательными путями. Допустим, пациент с синдромом обструктивного апноэ сна. За счет снижения общего тонуса верхних дыхательных путей, происходит так называемое спадение дыхательной трассы (уменьшение исходного диаметра дыхательных путей). При запущенной форме апноэ есть вероятность, что при вдохе произойдет коллапс (полное спадение) верхних дыхательных путей и легочная вентиляция прекратится, при этом попытки сделать вдох будут продолжаться, из-за чего человек не сможет дышать какой-то промежуток времени.

На рисунках ниже проиллюстрирован принцип с послойным выделением зоны интереса, как в Mimics Materialise. В режиме мультипланарной реконструкции мы устанавливаем порог для интенсивности, тем самым срезая большинство не интересующих нас структур.

Нам необходимо сымитировать и исследовать условия схлопывания.

По сути, перед нами связная задача – за счет отрицательного давления, создаваемого в легких на вдохе, просвет дыхательной трассы сужается. Мы решаем такие задачи в CAE-пакете Abaqus, но в принципе, их можно и в других, где есть FSI (Fluid–structure interaction). Демонстрации ради, мы попробуем смоделировать первые 0,3 секунды вдоха, чтобы проследить сужение просвета дыхательных путей. На вход модели (со стороны легких) прикладываем отрицательное давление, на выход – значение скорости, равное нулю. Чтобы сэкономить время, мы упростили модель, убрав часть носовой полости, и введя большой ряд допущений (изотропность, фиксация только входной и выходной граней, отсутствие преднапряженных состояний, постоянное значение давления), однако это не полностью исказит действительность.

Результаты анализа

Далее, мы принимаемся за ручную сегментацию. На рисунке ниже мы иллюстрируем сегментацию на фронтальной плоскости с помощью инструмента «наращивание». Параметры для этого инструмента включают в себя изменение площади и шага сегментации. На сагиттальной и аксиальной плоскостях видны сегментированные слои, соответствующие выделенной структуре на фронтальной плоскости.

Возможно, эта страница уже нашла работу мечты и закрыла свой профиль. К счастью, у нас много других страниц.

На следующем рисунке слева изображен сегмент дыхательных путей, включая носовую и ротовую часть глотки, надгортанник, вход в гортань и часть трахеи. На наш взгляд, количество артефактов сегментации в полученных STL-файлах минимально. Но самое главное – качество сетки. Мы считаем, в Inobitec DICOM-Viewer’e реализован отличный алгоритм триангуляции.

Итак, на рисунке ниже изображена картина пространственных перемещений поверхности дыхательной трассы и их скорость в момент времени 0,25 секунды. Поток, создаваемый отрицательным давлением «стягивает» стенки дыхательной трассы внутри.

На следующих рисунках представлены эпюры потока воздуха практически вначале фазы вдоха и к 0,3 секунде вдоха. По логике вещей, чем меньше сечение, тем быстрее поток, следовательно, и вероятность коллапса в этом участке больше. Но моделирование первых 0,3 секунд вдоха показало, что в зоне 2 скорость потока меньше, чем в зоне 1, несмотря на диаметр сечения дыхательной трассы. В будущем мы планируем исследовать полный дыхательный цикл.

Бесплатный пробный период — 14 дней

Заключение

Следите за нами в соцсетях

Сейчас на сайте 4601 вакансия и 9530 резюме, в среднем 12 откликов на вакансию

Источники:

https://habr.com/ru/companies/inobitec/articles/354832/&rut=41baedd5e1841f89632d6b670e3ad199a1bf66327be7174df5d6db7c5a40553c
https://inobitec.ru/downloads/dicomviewer/&rut=47b170302cc3bd14e23cfe71a4e04201a147966849092235414029c70fa7ea4b
https://www.linkedin.com/company/inobitec&rut=add473660a71fef84673a0711271d094913b3761479579a38ee95cb99d84ac1e
https://m.youtube.com/watch?v=fk-Eoi2YIH0&rut=bd58db35b7c3cd0ff1619e20de3475af2a01b9a7073d34f90e37bbe6258fa8e7
https://m.youtube.com/watch?v=vAc9_Oq09oQ&rut=553ece6edd924239a918b398eaaaefc781e6dbd8457a5b7205c46c1574bd2027
https://habr.com/ru/users/Inobitec/&rut=cefa12ac40f68a75feadfffabffa588f7d54f4239b9069004ef987a6038e5cc5
https://www.youtube.com/c/InobitecCompany&rut=4eecccf4af9b62c229a7bf9bee699d1c69392570e463fb5bf0abd6eecae354d2
https://career.habr.com/companies/inobitec&rut=412a6f78ae1402e80383dbcfc00fad084a78d30f2eb29473ace187bd33184d3a
https://m.youtube.com/watch?v=5SJTDlkh-_c&rut=69b026bf7a83783519a180484cbab88856dcbb090af376f7ed8c02de6f30d962