СПОСОБ ОЦЕНКИ АСИММЕТРИИ ФОРМЫ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА ПО ЕГО РЕЛЬЕФАМ
METHOD FOR RELIEF-BASED ASSESSMENT OF INDIVIDUAL'S BODY SHAPE ASYMMETRY

Изобретение относится к области стереофотограмметрии, адаптированной для съемки человека цифровыми фотокамерами, а именно медицины, в частности к типам патологии, сопровождаемых изменением формы тела человека или отдельных его областей, и может быть использовано в любом медицинском учреждении - от клинических Центров до сельских больниц. В основе способа оценки динамики формы тела человека лежит метод стереофотограмметрии, адаптированный для съемки человека цифровыми фотокамерами.
Известны способы визуализации тела человека (мягких и костных его тканей), создающих их «medical imaging”, такие как компьютерная (КТ) и магнитно-резонансная (МРТ) томография, ультразвук и их модификации. Широко применяется рентгенография, в том числе цифровая [Блинов Н.Н. Биомедицинские изображения в современной медицине. Ж. Медицинская техника. 2010, №5, с.5-9].
Недостатками данных способов является небезопасность частого применения, наличие подготовительного этапа до 2-3-х часов, продолжительность самого обследования (до часа), большие габариты и высокая стоимость установок, как и самого обследования, при этом ни один из них не предназначен для обследования поверхности тела (в том числе лица или конечностей).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату как оптического, топографического метода регистрации формы спины человека, является способ оптической компьютерной топографии (КОМОТ), заключающийся в том, что специфика его связана исключительно со спиной человека, на которую проецируется картина параллельных полос [Сарнадский В.Н., Садовой М.А., Фомичев Н.Г. «Способ компьютерной оптической топографии формы тела человека и устройство для его осуществления». Евразийский патент №199600068, выд. 1998.08.27].
Недостатком данного способа является то, что фотокамера фиксирует изгибы на рельефе спины, а затем путем сложных расчетов с помощью компьютерной программы интерпретирует эти технически измеряемые данные (углы изгиба полос) в медицинские показатели - углы искривления позвоночного столба, получаемые методом рентгенографии, преобразующим его трехмерную структуру в плоскую тень, что с неизбежностью предопределяет значительную ошибку выходных данных.
Техническим результатом способа оценки динамики формы тела человека, в основе которого лежит метод стереофотограмметрии, обеспечивающий построение высокоточной цифровой модели тела человека по данным его координат с последующим построением цветовых рельефов ее поверхности, по данным которых, полученных в разное время, реализуется возможность количественной оценки динамики формы тела в разных его областях, выявляя таким образом устойчивые области и области активного изменения формы рельефа, отражающего зарождение или развитие патологического процесса. После назначаемого курса лечения процесс визуализации формы тела или отдельной его области продолжается, уже с целью оценки эффективности его лечения. Сущность оценки динамики формы тела человека заключается в выявлении областей ее неустойчивости и оценке скорости развития заболевания или его лечения, используя несколько рельефов, получаемых в разное время.
Существенным признаком способа оценки динамики формы тела человека служит получение цветовых рельефов, чьи параметры позволяют количественно рассчитывать скорость изменения формы тела на любых его участках, корректируя применяемые способы лечебной терапии или различных коррекционных приспособлений, включая корсеты. Высокая визуальная способность карт рельефов помогает оценивать эффективность лечения (например, осанки) не только врачам, но и пациентам. Сохранение всех данных обследования, включая изображение пациента в стерео формате, в электронном виде способствует их сохранению в электронной медицинской карте больного (или спортсмена), облегчая врачам ознакомление с историей больного в случае их замены. Одномоментность стереосъемки больного в естественной позе стоя или сидя в случае стереосъемок его лица или головы, с последующей обработкой получаемых стереопар фотоснимков в отсутствии пациента, отсутствие подготовительных этапов как в случае диагностики методами КТ или МРТ, делает весь процесс необременительным для больного. Опираясь на новые возможности оценки стабильности формы тела, например осанки, врач получает обоснование для отмены очередной рентгеновской съемки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1. показаны А - принцип построения цифровой модели тела по данным его координат X, Y, Z (модель Делоне), Б - ориентация осей рельефа тела; на фиг.2. даны рельефы серии 3-х стереосъемок с интервалом по 2 минуты как пример их воспроизводимости; на фиг.3 приведены 2 серии устойчивых рельефов спины за 1,5 года при ярко выраженной ее асимметрии; на фиг.4 даны А - рельеф спины девочки без реклинатора, Б - рельеф ее спины с впервые надетым реклинатором (съемка через 3 мин), В - рельеф спины спустя 8 месяцев его применения (съемка без реклинатора), на фиг.5 показаны: А - рельеф спины девочки с диагнозом сколиоз 2 степени. Начальный этап действия корсета. Б - рельеф спины спустя 8 месяцев воздействия корсета. В - рельеф спины спустя месяц после отказа носить корсет, на фиг.6 даны два изображения рельефов ребенка с диагнозом сколиоз 3 степени, полученных при стереофотосъемках с интервалом в 1 месяц.
В основе «Способ оценки динамики формы тела человека по его рельефам» лежит метод стереофотограмметрии, позволяющий создавать трехмерную цифровую модель формы тела человека с высокой степенью соответствия реальному объекту (с точностью до 1 мм). По данным этой модели строят совмещенную с ней цветовую карту рельефа как основу количественной оценки формы тела человека и ее динамики. Абсолютно безопасный оптический метод может быть применен в любом медицинском учреждении - от клинических Центров до сельских больниц в силу его общедоступности, в том числе как пример реализации современной дистанционной врачебной помощи.
Применение «Способа оценки динамики формы тела человека» в лечебном учреждении позволило выявлять группы детей с устойчивой формой осанки, в том числе в случае ее косметического нарушения.
Способ оценки динамики формы тела человека по его рельефам, получаемым методом стереофотограмметрии, заключается в том, что оценка результатов развития патологического процесса, как и его лечения, сопровождаемых изменением формы тела или отдельных его областей, осуществляют путем визуальной и количественной сравнительной оценки двух и более цветовых карт распределения высот исходного и последующего рельефов, получаемых по их цифровым моделям высокого соответствия поверхности реального объекта, отражающих динамику процессов и их направленность, при этом количественную оценку изменения формы тела определяют путем наложения на изображения 2-х и более рельефов масштабной сетки в виде точек с началом координат в вершине межъягодичной складки с последующим расчетом положения максимума и минимума высот правой и левой сторон рельефа тела, их удаленности от вертикальной и горизонтальной осей, площади областей рельефа по уровню общей их высоты, объемов над этими уровнями, с последующим расчетом разности всех этих величин, отражающих распределение областей тела с разной устойчивостью, и оценивают скорость и направленность изменения формы тела во времени и пространстве.
Следует добавить, что по тем же рельефам определяют углы взаимной ориентации их сечений на разных уровнях и под разными углами, оценивают их динамику, а по поперечным сечениям торса тела, на разных его уровнях, после учета местоположения грудины, позвоночного столба и остистых его отростков, через которые проводят воображаемую разделительную линию правой и левой сторон каждого сечения, рассчитывают общую площадь сечения торса и его составляющих, оценивают асимметрию составляющих площади сечения торса и координаты геометрических центров, определяют смещение их относительно вертикали, восстановленной из вершины межъягодичной складки и по полученным данным оценивают развитие нарушения формы тела или отдельных его областей.
В процессе разработки способа была проведена работа по оценке наиболее устойчивых точек тела из числа общепринятых в медицине. По нашим данным такой точкой является вершина межъягодичной складки, в отличие от удобно определяемой, но не такой устойчивой точки 7 шейного позвонка.
:
Способ реализуется следующим образом. Создают алгоритм его осуществления с учетом адаптации к работе с человеком
- однократно проводят калибровку фотокамер для определения особенностей их оптики и разметку стены (место дальнейших фотосъемок) путем нанесения на нее опорных знаков (марок) в соответствии с размером тела человека;
- стереосъемку пациента проводят на фоне размеченной стены в естественной позе стоя (или сидя, если объектом съемки служит лицо). Сама съемка одномоментна, но проводится трижды с целью последующего определения диапазона вариабельности координат X, Y, Z рельефа тела конкретного человека (как нестабильного объекта). Выполнение этого условия обязательно для исключения в будущем факта «попадания» эффекта лечения в диапазон вариабельности измеряемых величин. На этом этапе работа с пациентом заканчивается, заняв не более 10 минут.
Фотоснимки заносятся в компьютер для обработки снимков-стереопар по заданной программе:
- строят цифровую модель («medical imaging») высокой точности по его изображению в стерео формате высокой степени соответствия телу пациента (фиг.1). Затем оператор, в соответствии с заявкой врача, строит рельеф тела, по которому затем получает комплекс его параметров, а именно: цветовое изображение (карту) рельефа, наглядно отражающего характер нарушения общей симметрии формы тела или отдельных его участков, сечения рельефа тела под любым заданным углом, углы между сечениями любых участков тела, площади и объемы этих сечений, а также площади и объемы областей нарушения формы тела (например, новообразований). Информация отсылается по электронной почте заказчику и хранится в базе данных его компьютера, как и вся последующая. Поэтому она доступна врачу (даже в случае его замены) в любой момент, включая изображение тела пациента в стерео масштабе на момент предыдущей съемки).
При наличии этих данных, полученых в разное время с любым временным интервалом, врач получает возможность оценки динамики формы тела человека для конкретного пациента. Сравнительный анализ может осуществляться:
- либо во время очередного визита больного к врачу,
- либо путем анализа изменений формы тела пациента после получения врачом данных его очередной стереосъемки (в том числе в отсутствие больного).
В исследованиях и съемках принимали участие студенты МИИГАиК и дети школы-Интерната №76 для детей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата (более 100 человек). По данным стереофотосъемок строили не только «medical imaging” тела, но и рельеф его поверхности со всеми его сечениями, углами их разворота относительно друг друга, высотами отстояния лопаток, расстояниями между любыми точками 3-мерной поверхности, оценкой их разновысокости, наклона плеч, перекоса тазобедренных суставов и т.д. и т.п.
В основе реализации способа лежит принцип воспроизводимости получаемых этим методом данных. Для минимизации вклада пациента, как живого объекта, в суммарную погрешность новых показателей, были отработаны его позы и дыхание. На фиг.2 приведены результаты 3-х стереофотосъемок мальчика 14 лет (без манифестации нарушения осанки), сделанных в один день с интервалом в 1,5-2 минуты при условии ухода ребенка с места съемки и возвращения на него для следующей съемки. Именно такой режим съемок позволяет оценить реальную воспроизводимость получаемых результатов, как и диапазон их вариабельности, отметив при этом, что новый вид информации (изображения) потребует нового наполнения этих 2-х важных понятий из техники измерений.
В качестве критерия воспроизводимости был выбран прием 3-ступенчатой его оценки:
1) чисто визуальное (1 приближение),
2) описательное (2 приближение) и
3) количественное, т.е. путем расчета набора значимых для врача показателей (3 приближение).
Все три способа знакомы врачам-ортопедам, каждый использует их в разной степени, но все в отсутствии способа сохранения этой информации.
Выбранная высота слоев рельефа как 5 мм оптимальна для построения рельефа тела и стандартна (при построении рельефа лица оптимальной была высота слоя в 1 мм). Максимум высот рельефа условились отмечать красным цветом, последующие значения высот по убывающей указываются на шкале высот. Очевидно, что чаще всего этот максимум находится на вершинах лопаток. Просмотр карты рельефа фиг.2 (1 приближение) показывает отсутствие ярко выраженных нарушений осанки.
Переходя к описательному варианту (2 приближение), констатируем сохранность во всех 3-х съемках вида право-левосторонней асимметрии рельефов, которую можно оценить как «похожий и хорошо воспроизводимый» (для живого объекта). Право-левосторонняя асимметрия расположения лопаток относительно позвоночной линии выражена слабо, как и разность их высот. Красный цвет высоты уровня правой лопатки и коричневый цвет высоты уровня левой означает, что разность их высот (отстояния) не хуже 5 мм, т.е. в пределах выбранной точности метода. Более значимо отличаются площади лопаток на разных высотах, отражая масштаб вариабельности их положения на протяжении всех 3-х съемок. Однако в общей картине рельефов спины всех 3-х съемок право- и левосторонняя асимметрия осанки слегка (т.е. в пределах 1 слоя) варьирует и в верхней области спины и в области поясницы. Однако форма слоев высот рельефа, начиная с уровня, отмеченного салатным цветом, и до уровня серого цвета, что составляет 5 мм × 6 слоев = 30 мм, практически полностью воспроизводится во всех 3-х съемках. Форма рельефа верхней части плечевого пояса сохраняется наиболее стабильно. Число слоев между разными областями рельефа, умноженное на их «шаг» 5 мм, дает возможность оценить суммарную разность их высот. Равно (или разно) высокость любых право-левосторонних областей спины можно оценивать аналогично. Визуальная воспроизводимость формы отдельных слоев может быть уточнена путем их наложения. Используя масштабную сетку (в виде точек), совмещенную с рельефом, несложно оценить асимметрию их расположения, например, относительно позвоночной линии. Все эти «дотошные» приемы можно производить, если визуального анализа, как такового, врачу будет не достаточно.
Обращаясь к точечной сетке, (3 приближение) совмещенной с рельефами, (шаг которой произволен, но обязательно указывается) несложно рассчитать удаленность вершин лопаток от позвоночной линии, отмеченной маркерными точками, или от вертикали, опущенной из 7 шейного позвонка, или от вертикали, восстановленной из вершины межъягодичной складки. Аналогично можно получить информацию о месте положения любых областей спины, оценить их площади и объемы над ними, автоматически сохраняя эту информацию, получаемую уже в отсутствии ребенка.
В качестве следующего примера рассмотрим динамику формы спины ребенка с явно выраженным отклонением от нормы по результатам 2-х серий стереофотосъемки с интервалом в 1,5 года. Диагноз врача ОХП (общая хондропатия) предопределяет постоянное наблюдение осанки ребенка, включая рентгеновскую съемку 1 раз в год. В каждом случае стереосъемка производилась трижды при сходе ребенка с места съемки и возвращением его на место спустя 1-2 минуты. Результаты обработки 3-х стереопар фотоснимков 1 серии приведены на верхнем ряду фиг.3.
Асимметрия лопаток ярко выражена при разнице их отстояния в 3 слоя, т.е. около 1,5 см. Отмечается перекос в верхнеплечевой области (5 клеток × 4 мм = 2 см) при вполне удачной симметрии поясничной области. Общий анализ серии 3-х рельефов констатирует приличную устойчивость осанки на фоне наличия асимметрии формы тела.
Повторная съемка была проведена через 1,5 года, в том же режиме трехкратной стереофотосъемки. Полученные результаты даны в нижнем ряду фиг.3, вновь подтверждая вполне приличную картину воспроизводимости новых 3-х рельефов, отмечая вполне устойчивую осанку ребенка, как и выраженность асимметрии формы ее спины, что подтверждает сугубо индивидуальный характер формирования и развития формы тела каждого ребенка, как и его осанки. Имея такую информацию о форме рельефа спины, его устойчивости и зная масштаб вариабельности вида рельефов в каждый из 2-х конкретных моментов времени, врач вполне обоснованно принял решение об отмене очередной рентгеновской съемки.
На снимках фиг.4 даны: А - рельеф спины девочки без реклинатора; Б - рельеф ее спины с впервые надетым реклинатором (съемка сделана через 3 мин); В - рельеф спины спустя 8 месяцев его применения (съемка без реклинатора). Предполагаемый результат применения реклинатора был выявлен стереосъемкой в 1 день его примерки, что подтверждает актуальность и успешность способа оценки динамики формы тела человека и в этих случаях.
Рассмотрим пример оценки вклада корсета Шено, включая этап самовольного отказа пациентом. Первая серия съемок девочки 12 лет с диагнозом сколиоз 2 степени была сделана на начальном этапе его применения. Повторная серия съемок была проведена спустя 10 месяцев. Третья съемка состоялась через месяц по просьбе врача, т.к. девочка перестала носить корсет, решив, что процесс реабилитации завершен. Набор из 3-х рельефов (по 1 из каждой серии) дан на фиг.5.
Визуальный анализ представленных рельефов подтверждает успешность хода коррекции осанки на протяжении 8 месяцев, т.к. успешно осуществлена коррекция и перекоса плеч, и отстояния лопаток.
Используя сравнительный анализ рельефов А и Б, отображающих ход лечебного воздействия корсета (на фоне роста ребенка), отметим, что:
1 - левая лопатка имеет максимальную высоту и заметно приподнята в вертикальной плоскости спины по отношению к правой, что наиболее легко оценить по форме слоя высоты, отмеченного салатным цветом,
2 - формы сечений левой и правой лопаток, как и их площади, также отличаются по всем 7 цветовым уровням (красный, коричневый, розовый, синий, зеленый, черный, салатный),
3 - отмечается значительный наклон рельефа спины в его верхней плечевой области (по салатному уровню),
4 - ягодицы находятся практически на одном уровне.
Ограничась этими 4 признаками, сравним рельеф А с рельефом Б (т.е. спустя 8 месяцев) по тем же 4 признакам:
1 - право-левостороняя асимметрия высот (отстояния) вершин лопаток существенно скорректирована (даже слегка избыточно, т.к. теперь правая лопатка немного выше),
2 - заметно выросла площадь области правой лопатки (например, по тому же салатному уровню), что при увеличении ее отстояния означает положительный рост ее объема,
3 - существенно скорректирован наклон верхней части грудной клетки,
4 - но - увеличилась высота левой ягодицы в вертикальной плоскости, т.е. появился перекос таза, что должно было привлечь внимание врача раньше с целью проведения корректировки формы корсета и его воздействия на форму тела на более раннем этапе его применения для данной больной.
При анализе изображения третьего рельефа (В), зарегистрированного спустя месяц окончания применения корсета больной, был выявлен заметный регресс процесса коррекции спины по всем четырем рассмотренным выше признакам. Но особенно настораживает факт сохранения тенденции перекоса ягодиц, что выявляет определенную недоработку конструкции корсета. Выявленный факт очередной раз подтверждает актуальность введения способа оценки динамики формы тела человека с помощью цветовой визуализации процессов формирования тела, прежде всего детей с заболеванием типа сколиоз.
Проведенный вариант анализа вновь подчеркивает его специфику, т.к. анализируются не числовые показатели формы спины, a «medical imaging” тела, отражающий его состояние, для чего приходится искать новые варианты «показателей», способных описывать подобные информационные массивы типа рельефов неустойчивых поверхностей.
С этой целью способ оценки динамики формы тела человека был модифицирован и применен для оценки вклада корсетов, используя наиболее нестандартный, но и возможно, наиболее перспективный и оперативный способ оценки распределения по рельефу тела областей разной устойчивости, получаемых путем автоматического процесса получения разности высот рельефов спины, зарегистрированных в разное время. На фиг.6 даны 2 изображения рельефов ребенка с диагнозом сколиоз 3 степени, полученных при стереофотосъемках с интервалом в 1 месяц. Рядом (справа) дана карта разности их высот, привязанная к тому же телу. Многоцветная шкала в этом случае отражает разности высот (с шагом в 1 см). Очевидно, чем больше разность высот рельефа, тем быстрее шел процесс изменения формы спины в этой области. И наоборот, чем меньше разность величин высот рельефов, тем меньшее влияние в этих областях тела он оказывал. Нельзя не отметить, что карта разности высот имеет несколько большую ошибку, но общее представление о вкладе корсета в коррекцию разных областей тела она отражает безусловно, что подтверждает сравнительный анализ двух рельефов даже в 1 приближении. Приведенное поле-карта отражает распределение областей ускоренного и замедленного изменения формы спины за время, прошедшее между 2 съемками, что особенно важно для оперативного наблюдения результата ношения ребенком корсета.
Таким образом, применение способа оценки динамики формы тела человека обеспечило получение следующих показателей:
1 - смещение высот рельефов по данным масштабной сетки, совмещенной с рельефом с началом координат либо в 7 шейном позвонке (как общепринято), либо с аналогичной целью совмещенной с вершиной межъягодичной складки (как наиболее устойчивой точки по нашим данным), относительно которой можно отсчитывать любые расстояния;
2 - изменение числа слоев в симметричных областях спины;
3 - площади интересующих врача слоев, рассчитываемых с помощью той же масштабной сетки;
4 - объемы отдельных областей спины, рассчитываемых с помощью той же масштабной сетки, используя данные высот отдельных слоев;
5 - перекос в вертикальной плоскости объектов типа плечи, лопатки, ягодицы;
6 - оценка право- и левосторонней асимметрии показателей.
В результате построения поперечных и вертикальных сечений спины оценивали:
7 - углы между сечениями отдельных участков тела;
8 - разворот относительно друг друга разных областей тела.
Асимметрия всех перечисленных показателей оценивается общепринятым способом - расчетом коэффициента асимметрии КА для любого показателя как частное от деления показателей (высот, площадей, объемов) правой и левой областей рельефа.
При оценке эффекта коррекционных процедур (развития ли нарушения осанки, воздействие ли корсета, или развитие послеоперационного процесса восстановления формы тела, или лечения различной этиологии отеков на теле или лице) необходимо иметь в поле зрения 2 или более карты рельефов (начальной и последующих съемок). Только после этого можно анализировать динамику их показателей и принимать решение о варианте продолжения лечения.
Таким образом, осанка человека, ее рельеф в процессе жизнедеятельности объекта должен быть относительно стабильны. Та или иная степень вариации формы тела или отдельных его областей есть всегда. Именно поэтому необходимо корректно проводить наблюдения его «medical imaging”, отражающего форму тела конкретного пациента, обусловливающего его осанку и подтверждающего ее современное определение как реализацию устойчивой позы, сформированной компенсаторными механизмами организма, не дожидаясь серьезного ее изменения по причине нарушения этих компенсаторных механизмов.
Данный способ апробировали и применяли более 10 лет в Интернате №76 г. Москвы для детей с заболеванием опорно-двигательного аппарата. С его помощью были обследованы более 60 детей с разной формой нарушения осанки, в том числе для оценки эффективности коррекционных приспособлений типа корсеты, реклинаторы. Дети принимали участие в оценке вклада в коррекцию их осанки регулируемого наклона сиденья стула. В настоящее время разработан вариант построения поперечных сечений тела с целью расширить исследование роли корсета путем оценки асимметрии правой и левой сторон всего тела человека.