Способ оптико-электронной диагностики тромбоза глубоких вен голени

Изобретение относится к медицине и предназначено для диагностики тромбоза глубоких вен голени. Осуществляют пережатие поверхностных вен компрессионной манжетой с давлением 40 мм рт.ст. Получают изображение голени с различных позиций наблюдения при помощи оптико-электронных датчиков. Выполняют предварительную обработку изображения. Сопоставляют одинаковые точки голени на разных изображениях. Определяют трехмерные координаты точек голени. Формируют трехмерную поверхность голени аппроксимацией элементарными треугольниками. Определяют объем голени до и после пережатия поверхностных вен суммированием объемов элементарных тетраэдров. Предлагаемый способ позволяет автоматизировать процесс диагностики и уменьшить его сложность. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к вычислительной технике и медицине, а именно хирургии, и используется для автоматизированной диагностики тромбоза (флеботромбоза, тромбофлебита) глубоких вен нижних конечностей при помощи оптико-электронной системы технического зрения.

Известен способ ранней диагностики посттравматического тромбоза нижних конечностей [патент РФ 2258459 С1, опубл. 20.08.2005, БИ № 23], основанный на исследовании симметричных сегментов больной и здоровой конечностей путем проведения электромагнитнорезонансной импедансометрии указанных сегментов конечностей и установлении наличия тромбоза по превышению импеданса сегмента больной конечности на более чем 25% относительно импеданса сегмента здоровой конечности.

Недостатком способа является низкая достоверность диагностики тромбоза при ошибочном использовании в качестве здоровой конечности конечности с тромбозом, а также низкая достоверность при отсутствии здоровой конечности у исследуемого пациента и использовании в качестве здоровой конечности здоровой конечности другого пациента.

Наиболее близким к предлагаемому является способ диагностики тромбоза глубоких вен голени и устройство для его осуществления [патент РФ 2262883 С2, опубл. 27.10.2005, БИ № 30], согласно которому получают изображения голени, производят вычисление соотношения площадей изображений голени до пережатия и после пережатия поверхностных вен компрессионной манжетой с давлением 40 мм рт.ст. и диагностируют тромбоз глубоких вен голени по превышению площади изображения голени после пережатия на 15% относительно площади до пережатия.

Недостатком способа является низкая достоверность диагностики тромбоза, вызванная низкой точностью определения изменения объема участка конечности по изменению площадей двух проекций участка конечности.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности диагностики тромбоза глубоких вен голени по изменению объема голени до и после пережатая поверхностных вен.

Техническая задача решается тем, что в известный способ диагностики тромбоза глубоких вен голени, включающий пережатие поверхностных вен компрессионной манжетой с давлением 40 мм рт.ст., введены получение изображений голени с различных позиций наблюдения, предварительная обработка изображения, включающая фильтрацию изображения и выделение контуров, сопоставление одинаковых точек голени на разных изображениях, определение трехмерных координат точек голени, формирование трехмерной поверхности голени аппроксимацией элементарными треугольниками, определение объема голени до и после пережатия поверхностных вен суммированием объемов элементарных тетраэдров.

Изобретение может быть использовано для неинвазивной диагностики тромбоза глубоких вен голени на ранней стадии и соответствует критерию «промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано размещение оптико-электронных датчиков (ОЭД) для получения изображений голени с различных позиций наблюдения, на фиг.2 представлены изображения голени, на фиг.3 показана схема расчета трехмерных (пространственных) координат точки по ее изображениям, поступающим с разных ОЭД, фиг.4 поясняет процесс формирования трехмерной поверхности голени, на фиг.5 приведен пример сформированной трехмерной поверхности голени, используемой для определения объема, на фиг.6 - эхосонограмма (а) и флебограмма (б) бедренной вены у больного С., фиг.7 - рентгенограмма костей левой голени (а) и эхосонограмма подколенной вены (б) больного П.

Способ реализуют следующим образом.

В горизонтальном положении больного производят укладку голени между тремя оптико-электронными датчиками. Предварительно три ОЭД жестко фиксируют в вершинах равнобедренного треугольника, выполненного из твердого материала, так что главные оптические оси ОЭД лежат в плоскости треугольника и пересекаются в центре описанной вокруг треугольника окружности. Радиус r описанной вокруг треугольника окружности определяется углом обзора ОЭД и составляет (20±5) см. Голень располагают примерно перпендикулярно плоскости треугольника с ОЭД (фиг.1). Для получения изображения голени с различных позиций наблюдения вместо трех оптико-электронных датчиков также используют один оптико-электронный датчик, закрепленный на обруче и перемещаемый по обручу вокруг голени.

Получают изображения голени, поступающие с трех ОЭД. В области подколенной ямки накладывают компрессионную манжету с давлением 40 мм рт.ст. до полного прекращения кровотока по поверхностным венам. Через 3-5 минут вновь производят получение изображений голени с трех ОЭД. В ЭВМ автоматически определяют по полученным изображениям объем требуемого участка голени, задаваемого нанесенными шариковой ручкой или маркером метками на кожу, до и после пережатия вен манжетой. Если объем участка голени после пережатия вен манжетой превышает объем до пережатия вен более чем на заданную величину (15%), то диагностируют тромбоз глубоких вен.

Рассмотрим более подробно операции, производимые в ЭВМ, необходимые для определения объема голени (участка голени): предварительную обработку изображения, сопоставление одинаковых точек голени на разных изображениях, определение трехмерных координат точек на поверхности голени, формирование трехмерной поверхности голени и, собственно, определение объема голени.

Предварительная обработка заключается в фильтрации и выделении контуров на изображениях и состоит из пяти этапов. На первом этапе выполняют сглаживание исходного изображения ƒ(x,y) для подавления шумов и компенсации неравномерной яркости контурных линий объектов при помощи фильтра Тихонова. Процесс сглаживания заключается в свертке исходного изображения с функций отклика фильтра Тихонова. В результате формируют изображение ƒ(x,y):

α, N - параметры, а=0,0001, N=16.

На втором этапе выполняют пространственное дифференцирование сглаженного изображения ƒ(x,y) с помощью оператора Собела и получают градиентное изображение g(x,y). На третьем этапе производят утончение контурных линий, предназначенное для определения центральной линии контура объекта, которое заключается в удалении всех точек контура на градиентном изображении g(x,y), яркость которых не является максимальной в направлении градиента контурной линии и получают скелетное градиентное изображение g^/(х,y)

где (х₁, y₁), (х₂, у₂) - соседние точки, находящиеся на линии максимального перепада яркости контура.

На четвертом этапе выполняют пороговую обработку скелетного градиентного изображения g'(x,y) с помощью глобального порогового оператора с гистерезисом b(х,у)

пороговая функция, T₁ - меньшее по величине пороговое значение, определяемое с помощью σ - метода, Т₂ - большее пороговое значение, вычисляемое методом Отсу, M×N - размер изображения.

На пятом этапе контурные линии объектов кодируют однопроходным потоковым алгоритмом.

Выделенные контура используются для сопоставления одинаковых точек голени на разных изображениях. Количество контуров влияет на точность определения объема голени и зависит от контрастности волосяного покрова и кожи. В случае, если визуально волосяной покров просматривается слабо, на кожу наносят дополнительные метки в произвольном порядке, равномерно расположенные по поверхности голени (фиг.2в).

Сопоставление (поиск) одинаковых точек голени на разных изображениях производят следующим образом. Каждый контур описывают совокупностью внутренних и внешних по отношению к контуру параметров. Для описания контура определяется множество векторов ν_ij с i-ой точки T_i(x_i,y_i) контура на j-ую точку T_j(X_j,y_j) этого же контура

ν_ij={d_ij,α_ij}, i=1...N_kl,=1...N_kl, i≠j,

где d_ij - расстояние между точками T_i, и T_j, α_ij - направление с i-ой точки контура на j-ую точку.

Расстояние d_ij с учетом пропорционального увеличения контура равно

Углом с i-ой точки контура на j-ую точку считают угол между вертикальной осью кадра и направлением на j-ую точку, равный

Внешние параметры, аналогично внутренним, представляют множество векторов V_l, определяемых расстоянием d_l и направлением α_l на N_nr соседних контуров

где d_l, α_l определяются из треугольника ΔT_fT_i,T_j, вершины T_i, T_j которого являются центрами координат текущего и соседнего контуров.

Сопоставление контура на кадре изображения, поступающего со второго ОЭД, осуществляется на основе математического аппарата нечеткой логики путем расчета функции принадлежности μ_f2 терма «идентичный контур»:

где μ_ид - функция принадлежности терма «внутренняя идентичность», по которой производят сравнения контуров по расположению составляющих каждый контур точек; μ_идвн - функция принадлежности терма «внешняя идентичность», характеризующая схожесть контуров по взаимному расположению с соседними контурами; μ_sp - функция принадлежности «яркостная идентичность», характеризующая идентичность контура по гистограмме распределения частот яркостей пикселов в прямоугольных областях, ограничивающих контур на изображениях.

Функция принадлежности μ_ид равна

где - разность расстояний между точками контура на разных кадрах изображения; - разность величин углов между точками контура на разных кадрах изображения.

ФП μ_идвн, характеризующая идентичность контура по множеству векторов внешних параметров, определяют как

где - разность расстояний между контурами на разных кадрах изображения; - разность величин углов на разных кадрах.

ФП «яркостная идентичность» μ_sp, характеризующая идентичность контура по гистограмме K(I_w) распределения частот яркостей пикселов в прямоугольных областях, ограничивающих контур на обоих изображениях, равна

где W(I₁), W(I₂) - количество точек с яркостями I₁ и I₂ на изображениях с первого и второго ОЭД соответственно.

В результате расчетов для каждого контура на изображении с одного ОЭД однозначно сопоставляют этот же контур на изображении с другого ОЭД, что позволяет по координатам центра каждого контура на разных изображениях, составляющих стереопару, определить трехмерные координаты центра каждого контура (координаты точки на поверхности голени).

Для определения трехмерных координат точек попарно используют изображения со смежных ОЭД (в расчете координат точки используют изображения только с двух ОЭД, три ОЭД требуются для получения изображений со всех сторон голени). Расчетная схема, основанная на геометрической модели ОЭД с передней плоскостью изображения, необходимая для получения формул определения трехмерных координат точки, представлена на фиг.3б.

Обозначим: О - точка пересечения главных оптических осей ОЭД, Т - точка на поверхности голени, координаты (Х_T, Y_T, Z_T) которой определяют, r=OO₁=OO₂, t=O₁T, l=O₁O₂, l₁=O₁T^/, l₂=O₂T^/, G₁, G₂ - плоскости изображений двух ОЭД, (x₁, y₁), (х₂, у₂) - двумерные координаты проекции точки Т на плоскости изображений двух ОЭД (на фиг.2 y₁, y₂ не показаны), α=O₁OO₂=120°, α₀=OO₁O₂=OO₂O₁=30°, α₁=OO₁O₂, α₂=OO₂O₁, β₁=α₀-α₁, β₂=α₀-α₂, f₁, f₂ - фокусные расстояния ОЭД. Ось Z трехмерной декартовой системы координат совпадает с главной оптической осью одного из ОЭД, оси X, Y - с осями X, Y кадра изображения (фиг.3а).

Получим расчетные соотношения. Из треугольников O^/ ₁O₁x₁ и O^/ ₂O₂x₂:

Из треугольников TO₁T^/ и TO₂Т^/:

TT^/=l₁ tgβ₁=l₂ tgβ₂;

l₁ tgβ₁=(l-l₁)tgβ₂;

Из треугольника OO₁O₂ по теореме косинусов:

l =(2r²-2r² cos α)^1/2.

Из треугольников O₁Z_TT и O₁Х_TТ:

Z_T=tcos α₁;

Х_T=t sin α₁.

Аналогично определению координаты Х_T определяют координату Y_T:

Полученные трехмерные координаты множества точек на поверхности голени объединяют в элементарные треугольники (фиг.4), в результате чего формируется трехмерная поверхность исследуемого участка голени (фиг.5). Так как объем пространственной фигуры, заданной множеством точек на ее поверхности, определяется суммарным объемом элементарных тетраэдров, составляющих фигуру, то объем участка голени V_г определяется как сумма объемов V_i n элементарных тетраэдров, образованных четырьмя точками поверхности голени с ранее определенными координатами:

Клинические примеры использования способа.

Больной С., 37 лет, история болезни № 15116, поступил в травмотделение ОКБ г. Курска 30.11.03 г. Травма в быту за 3 часа до поступления - упал дома на область правого бедра. Диагноз: закрытый перелом в н/3 правой бедренной кости со смещением. В течение 2 суток проводилось лечение методом скелетного вытяжения, затем 2.12.2005 г. под общей анестезией выполнена открытая репозиция и фиксация перелома L-образной пластиной 95°. Длительность операции составила 1,5 часа. На 2 сутки послеоперационного периода у больного обнаружен отек оперированной конечности, температура тела повышена до 38°. Заподозрен илеофеморальный тромбоз справа. Произведена диагностика предложенным способом: установлено, что разность объемов голени и бедра до пережатия поверхностных вен и после составила 18%. Диагностирован илеофеморальный тромбоз вен правой нижней конечности. Для подтверждения данного диагноза было выполнено ультразвуковое исследование глубоких вен оперированной конечности, а также флебография вен бедра и голени. Обнаружен венозный окклюзионный тромбоз поверхностной бедренной вены (фиг.6).

Больной П., 39 лет, история болезни № 15668/713, получил травму в 1984 году - открытый перелом обеих костей левой голени, который несмотря на проводимое лечение осложнился остеомиелитом левой большеберцовой кости, который принял хроническое течение. Неоднократно лечился в аппаратах Илизарова. В настоящее время поступил для этапного лечения. На фиг.7а представлена рентгенограмма левой голени больного в 2-х проекциях. Больному предполагалась некрсеквестрэктомия левой большеберцовой кости. Однако у больного отмечен выраженный отек левой голени - до 6 см по сравнению с правой нижней конечностью. Заподозрен глубокий венозный тромбоз левой нижней конечности. Выполнена диагностика предложенным способом: разность объемов голени до и после пережатия поверхностных вен составила 20% исходного. Диагностирован окклюзионный тромбоз левой подколенной вены. Для подтверждения диагноза выполнено УЗДГ сосудов левой нижней конечности. Обнаружено, что общая бедренная вена, поверхностная вена бедра и глубокая бедренная вены не расширены, проходимы. Левая подколенная вена: стенки уплотнены, просвет неоднородный (фиг.7б). Аналогичная картина в в/3 задней большеберцовой вены.

Изобретение позволяет:

- производить диагностику тромбозов нижних конечностей на ранней стадии с большей по сравнению с известными способами достоверностью;

- снизить стоимость используемой для высокоточной диагностики аппаратуры до 8-12 т.руб. (ОЭД стоит от 300 до 700 руб., ЭВМ - от 7 т.руб.);

- автоматизировать процесс диагностики и уменьшить его сложность, что позволит использовать для диагностики низкоквалифицированный медицинский персонал.

1. Способ оптико-электронной диагностики тромбоза глубоких вен голени, включающий пережатие поверхностных вен компрессионной манжетой с давлением 40 мм рт.ст., отличающийся тем, что дополнительно получают изображения голени с различных позиций наблюдения, выполняют предварительную обработку изображения, сопоставляют одинаковые точки голени на разных изображениях, определяют трехмерные координаты точек голени, формируют трехмерную поверхность голени аппроксимацией элементарными треугольниками, определяют объем голени до и после пережатия поверхностных вен суммированием объемов элементарных тетраэдров.

2. Способ по п.1, согласно которому для получения изображения голени с различных позиций наблюдения производят укладку голени между тремя оптико-электронными датчиками, которые жестко фиксируют в вершинах равнобедренного треугольника, выполненного из твердого материала, так что главные оптические оси оптико-электронных датчиков лежат в плоскости треугольника и пересекаются в центре описанной вокруг треугольника окружности; голень располагают примерно перпендикулярно плоскости треугольника с оптико-электронными датчиками.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для получения изображения голени с различных позиций наблюдения используют один оптико-электронный датчик, закрепленный на обруче и перемещаемый по обручу вокруг голени.