СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПАТОЛОГИЧЕСКИХ АНАТОМИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ КОСТНЫХ ТКАНЕЙ ПО РЕНТГЕНОВСКИМ СНИМКАМ
METHOD OF DETERMINING AREA OF PATHOLOGICAL ANATOMICAL FORMATIONS OF BONE TISSUES BY X-RAY IMAGES

Изобретение относится к медицине, в частности к рентгенологии, и предназначено для анализа рентгеновских снимков. Изобретение может быть использовано для анализа как цифровых, так и пленочных рентгеновских изображений с целью определения площади патологических анатомических образований костной ткани, проявляющихся в локальном потемнении снимка.
В настоящее время определение патологических анатомических образований костных тканей в основном производится субъективно по данным рентгенологического обследования и последующего визуального анализа рентгеновского снимка, результат которого существенно зависит от квалификации и опыта врача. При этом возникают сложности объективного определения границ, размеров и площади патологического анатомического образования.
Известен метод диагностирования заболеваний внутренних полостей зубов на основе способа сравнения стоматологических рентгенограмм (заявка №94036781/14 от 27.09.1994). Суть данного способа заключается в анализе плотности изображения одного и того же участка рентгенограмм, полученных с интервалом времени. При сопоставлении первичного и последующего обследований становится возможным выявить изменение патологии в динамике.
Недостатками данного способа являются визуальное определение патологии врачом, невозможность оценки реальной площади очага патологии и трудности при сопоставлении первичного и последующего обследований, выполненных в неидентичных условиях.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения размеров и площади анатомических образований посредством устройства (патент РФ №2401642 от 26.02.2008), представляющего собой прозрачную пластиковую пленку размером 5 на 5 см, с нанесенной на ней с помощью лазерного луча разметкой в виде окружности диаметром 3 см, разделенной линиями на 8 равных секторов, причем четвертая часть круга размечена миллиметровой сеткой. Определение размеров анатомических образований происходит путем наложения данной пленки на измеряемый объект, после чего врач визуально определяет область анатомического образования и с помощью маркера отмечает размеры объекта снаружи пленки, определяет размеры и площадь объекта по миллиметровой сетке, затем измерения заносятся, например, в историю болезни.
Недостатками прототипа являются субъективность идентификации патологических анатомических образовании, вследствие особенностей визуального восприятия врачом изображения на снимке, низкая точность определения размеров и площади анатомических образований при помощи миллиметровой сетки, в частности, скрывающей часть изображения исследуемого объекта.
Задачей данного изобретения является создание способа, обеспечивающего увеличение точности определения площади анатомических образований, объективно идентифицируемых на рентгеновских снимках.
Для решения поставленной задачи предложен следующий способ. Предложенный способ определения площади патологических анатомических образований костных тканей по рентгеновским снимкам осуществляется путем идентификации патологического участка по локальному уменьшению плотности костной ткани, проявляющемуся в локальном потемнении снимка, и последующем измерении его площади, отличающийся тем, что идентификацию проводят в два этапа с использованием эталонного диапазона значений яркости, соответствующего патологическим участкам костной ткани, при этом на первом этапе устанавливают соответствие шкал яркости эталона и цифрового изображения на снимке, а на втором фиксируют пиксели изображения кости, численное значение яркости которых соответствует эталонному диапазону, после чего определяют площадь патологического участка по количеству зафиксированных пикселей с учетом масштаба изображения на рентгеновском снимке.
В случае реализации заявляемого способа для рентгеновского снимка на пленочном носителе, последний предварительно переводят в цифровую форму и определяют масштаб изображения на снимке.
Техническим результатом от использования предложенного технического решения является объективная идентификация патологического анатомического образования на основе заранее известного эталонного диапазона значений яркости пикселей, соответствующих патологии, а также увеличение точности определения площади патологического анатомического образования за счет подсчета количества пикселей, яркость которых соответствует эталонному диапазону патологических значений. Искомая площадь патологического участка определяется по количеству зафиксированных пикселей с учетом масштаба изображения.
2
2
2
Повышение объективности идентификации очага патологии и уточнение значения его площади достигается тем, что при ее проведении учитываются численные значения яркости каждого пикселя цифрового изображения кости в градациях серого цвета во всем диапазоне значений, размах которого может достигать значений от 0 до 4096 и более, получающихся в результате формирования цифрового рентгеновского изображения, например, среза компьютерной томографии, в отличие от прототипа, в котором изображение исследуется визуально. Известно, что человеческий глаз способен одновременно различить не более 900 различных градаций серого цвета (KimpeT., Tuytschaever T. Increasing the Number of Gray Shades in Medical Display Systems - How Much is Enough? Journal of Digital Imaging, 2007, Volume 20, Number 4, Pages 422-432; Прокоп М., Галански М. Спиральная и многослойная компьютерная томография. М.: МЕДпресс-информ, 2006. - Т.1), причем для отображения отсканированных снимков на экране монитора используются обычно только 256 градаций. Увеличение точности определения площади очага патологии обусловлено тем, что в предложенном способе используются цифровые изображения, для которых точно определен масштаб изображения (отношение линейного размера одного пикселя изображения к соответствующему этому пикселю размеру реального объекта - «в 1 пикселе М мм») и вычислено количество пикселей, соответствующих очагу патологии, что и обеспечивает достижение технического результата. (Площадь одного пикселя - квадратного элемента изображения -определяется с учетом масштаба изображения, а их общее количество определяет реальную площадь патологического участка костной ткани). Для традиционно используемых снимков компьютерной томографии челюстно-лицевой области масштаб изображения составляет «в 1 пикселе 0,3 мм», поэтому 0,81 ммизображения образован 9 пикселями, что обеспечивает погрешность определения площади патологического участка твердой ткани до 0,1 мм. В то же время, в прототипе при использовании миллиметровой сетки погрешность измерения площади составляет не менее 0,5 мм.
Способ определения площади патологических анатомических образований костных тканей по рентгеновским снимкам осуществляется с использованием заранее известного эталонного диапазона значений яркости, соответствующего патологическим участкам костной ткани. Данные эталонные значения определяются по конкретной шкале яркости
В качестве эталона может быть использован диапазон значений яркости изображения костной ткани, полученный в результате исследований на спиральном компьютерном томографе и приведенный в монографии (Прокоп М., Галански М. Спиральная и многослойная компьютерная томография. - М.: МЕДпресс-информ, 2009) по шкале Хаунсфилда (HU). Также могут быть использованы и другие эталоны, соответствующие патологическим состояниям костной ткани при тех или иных патологиях той или иной локализации, полученные на различном оборудовании с использованием различных шкал.
Способ определения площади патологических анатомических образований костных тканей по рентгеновским снимкам осуществляется в два этапа следующим образом.
На первом этапе устанавливают соответствие шкал яркости исследуемого цифрового изображения и эталонного диапазона значений. Если шкалы идентичны, то соответствие считается установленным и переходят ко второму этапу. Если шкалы не идентичны, то производят перевод изображения из исходной шкалы в шкалу эталонного диапазона значений. Для этого проводят пересчет исходных значений яркости каждого пикселя изображения в значения, соответствующие шкале эталонного диапазона значений. После пересчета шкала яркости полученного изображения становится идентичной шкале эталонного диапазона значений, их соответствие считается установленным и переходят ко второму этапу.
На втором этапе фиксируют пиксели изображения кости, численное значение яркости которых соответствует эталонному диапазону, после чего определяют площадь патологического участка по количеству зафиксированных пикселей с учетом масштаба изображения на рентгеновском снимке.
Указанные операции по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Проводят сравнение значения яркости каждого пикселя изображения кости с эталонным диапазоном значений яркости, соответствующего патологическим участкам костной ткани. В случае, если значение яркости исследуемого пикселя попадает в эталонный диапазон, он фиксируется на изображении, после чего переходят к следующему пикселю. По завершении данной процедуры сравнения совокупность зафиксированных пикселей идентифицирует патологический участок (или участки) костной ткани. По количеству зафиксированных пикселей с учетом масштаба изображения определяют площадь патологического участка.
В случае исследования рентгеновского снимка на пленочном носителе, его предварительно переводят в цифровую форму и определяют масштаб изображения на снимке.
Подробное описание каждого из перечисленных действий приведено ниже.
Для перевода рентгеновского изображения в цифровую форму пленочный рентгеновский снимок подвергают сканированию, после чего сохраняют в одном из форматов цифровых изображений (например, JPEG, BMP, PNG).
Определение масштаба цифрового изображения проводят следующим образом. При выполнении плоскостного рентгеновского снимка используют специальный свинцовый шарик известного диаметра (обычно 5 мм) для возможности оценки реального размера костных структур. Масштаб отсканированного изображения плоскостного рентгеновского снимка определяется путем деления реального диаметра свинцового шарика на количество пикселей, составляющих его диаметр на изображении.
Все остальные процедуры по идентификации патологических участков костной ткани и определению их площади проводят так же, как описано выше для цифровых снимков.
2
В дальнейшем, области изображения костной ткани, отмеченные как патологические, используются врачом-рентгенологом для постановки или уточнения диагноза. При этом считается, что минимальное значение площади достоверного определения патологии составляет 0,21 мм (Алпатова В.Г., Кисельникова Л.П., Васильев А.Ю. Анализ результатов эндодонтического лечения постоянных зубов у подростков и лиц молодого возраста. Журнал Российская стоматология. М.: Медиа Сфера, 2009. - Т.2. №1. С.30-35).
Ниже приведен пример реализации предложенного способа определения площади патологических участков костной ткани по поперечным срезам компьютерной томографии, выполненным на компьютерном томографе с коническим лучом GALILEOS (производство Sirona, Германия), случайно выбранной пациентки П. 37 лет, проходившей обследование по поводу наличия радикулярной кисты верхней челюсти в области 24 зуба.
Для идентификации патологических образований в челюстных костях человека использовался эталонный диапазон значений яркости, соответствующий патологическим участкам костной ткани именно челюстных костей человека. Указанный эталон имел линейную шкалу яркости, минимальное значение которой - О (черный цвет) - соответствует плотности воздуха, а максимальное - 4095 (белый цвет) - соответствует плотности специального калибровочного фантома Sirona (производство Sirona, Германия). Общее количество делений шкалы - 4095. Значения эталонного диапазона, соответствующие патологическим участкам костной ткани, составили от 0 до 944 относительных единиц.
Исследуемый цифровой рентгеновский снимок челюстно-лицевой области человека (как и все снимки компьютерной томографии) был записан в формате DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) и содержал как само оцифрованное изображение, так и информацию о его масштабе. Для отображения полученных при компьютерной томографии изображений используется линейная шкала в относительных единицах, в соответствии с которыми для плотности воздуха значение равно 0 (соответствует черному цвету на изображении), а для максимальной плотности специального калибровочного фантома Sirona значение равно 4095 (соответствует белому цвету на изображении). Рентгеновский снимок, получаемый на данном компьютерном томографе с коническим лучом, представляет собой изображение в градациях серого цвета, которые изменяются линейно в соответствии с относительными единицами (Инструкция по использованию GALILEOS, Sirona Dental Systems GmbH, 2008).
Масштаб изображения составляет «в 1 пикселе 0,3 мм» для всех трех измерений пространства (в соответствии с записью в файле формате DICOM).
2
Соответственно, площадь одного пикселя изображения составляет 0,09 мм.
На первом этапе было установлено соответствие шкал яркости эталонного диапазона значений яркости и исследуемого изображения. Они оказались идентичными, поэтому приступили ко второму этапу.
Для идентификации патологических участков используется только изображение кости, поэтому ее необходимо выделить на исследуемом рентгеновском снимке. Изменяя яркость и контрастность изображений, добивались выделения костных структур на каждом из поперечных срезов (Фиг.1а). Далее к каждому из поперечных срезов с костными структурами (Фиг.1а) применялся фильтр Канни (Canny) для распознания границ челюстных костей на основе перепада яркости (Фиг.1б). Для подавления шумов изображение поперечного среза может быть предварительно обработано фильтром Гаусса. Все дальнейшие процедуры осуществлялись только для пикселей изображения кости.
Идентификация патологического участка осуществлялась следующим образом. Значение яркости каждого пикселя изображения в пределах границ челюстных костей (области челюстных, костей выделены белым цветом на Фиг.2а), сравнивалось со значениями эталонного диапазона (от 0 до 944). Если значение яркости пикселя было меньше 944, то он фиксировался на изображении.
2
2
2
Общее количество зафиксированных пикселей оказалось равно 9. С учетом масштаба изображения «в 1 пикселе 0,3 мм» (площадь каждого пикселя составляет 0,09 мм), общая площадь патологического участка оказалась равной 0,8 мм. Она превышает минимальное значение площади достоверного определения патологии (0,21 мм), поэтому исследуемый участок был идентифицирован как патология костной ткани. Совокупность зафиксированных пикселей идентифицирует патологический участок на верхней челюсти, который выделен белым цветом на Фиг.2б.
При последующем анализе рентгеновских снимков врачом-рентгенологом было подтверждено наличие обнаруженной патологии челюстных костей. Также были выявлены случаи, когда врачом-рентгенологом не диагностировалась патология костной ткани (Фиг.3а), в то время как в результате обработки снимков указанным способом были отмечены участки возможной патологии (выделены белым цветом на Фиг.3б), которые могут являться начальной стадией патологической резорбции костной ткани.
Следующий пример иллюстрирует реализацию предложенного способа для рентгеновского снимка челюстных костей на пленочном носителе..
Перевод пленочного снимка пациента М. 29 лет мужского пола в цифровую форму был выполнен на мультифункциональном устройстве HewlettPackardLaserJetProM1536dnf (CE538A) (Фиг.4).
2
Определение масштаба изображения осуществлялось следующим образом. На исследуемом снимке (Фиг.5) размер (диаметр) свинцового шарика составляет 50 пикселей, в то время как его реальный диаметр составляет 5 мм. Таким образом, масштаб данного изображения «в 1 пикселе 0,1 мм», а площадь одного пикселя равна 0,01 мм.
Использованный для исследования данного снимка эталонный диапазон значений яркости, соответствующий патологическим участкам костной ткани, составил от 0 до 46. При этом нулевое значение (черный цвет) соответствует прохождению рентгеновского излучения через воздух, а максимальное - 256 (белый цвет) - соответствует прохождению излучения сквозь свинцовый шарик по линии его диаметра. Общее количество делений линейной шкалы - 256.
Далее было установлено соответствие шкал яркости исследуемого изображения и эталонного диапазона значений, яркости.
Для определения шкалы яркости полученного цифрового изображения пленочного снимка были выявлены максимальное (в области центра свинцового шарика) и минимальное (над коронками зубов) значения яркости изображения, которые составили 251 и 32 соответственно. Общее количество делений линейной шкалы - 251-32=219. Данная шкала отличается от шкалы эталона как по количеству делений, так и по крайним (максимальному и минимальному) значениям. Поэтому необходимо провести пересчет значений яркости исследуемого изображения по шкале эталона.
Минимальное значение яркости пикселей соответствует фоновому значению плотности и обусловлено прохождению рентгеновского излучения сквозь мягкие ткани щеки. Поэтому из значения яркости каждого пикселя изображения было вычтено фоновое значение плотности, равное 32, а затем значение яркости каждого пикселя было нормировано на диапазон в 256 делений путем деления на 219 и умножения на 256 с последующим округления (при необходимости). Таким образом, максимальное значение яркости пикселей, соответствующее белому цвету, стало равным 256, а минимальное значение яркости пикселей, соответствующее черному цвету, стало равным 0. Соответствие шкал изображения и эталонного диапазона значений яркости установлено.
Поскольку не все границы челюстных костей попали в область снимка на Фиг.5, то необходимо определить только верхнюю границу области челюстной кости для последующего анализа костной ткани. Нижняя, правая и левая границы челюстной кости соответствуют границам снимка. Верхняя граница области челюстной кости была определена вручную следующим образом: пользователь (врач) последовательно наносит набор точек на цифровом изображении вокруг исследуемой области, затем нанесенные точки соединяются в линию, очерчивающую контур кости (Фиг.6).
2
2
Определение площади патологического участка по предлагаемому способу осуществлялось следующим образом. Значение яркости каждого пикселя изображения кости сравнивалось со значениями эталонного диапазона. При значении яркости пикселя меньше 46 он фиксировался на изображении. Совокупность фиксированных пикселей идентифицирует патологический участок, он отмечен белым цветом на Фиг.7. Общее количество фиксированных пикселей составило 438 штук. С учетом масштаба изображения площадь патологического участка составила 4.38 мм (438×0.01 мм).
Была проведена сравнительная оценка эффективности предложенного способа определения площади патологических анатомических образований костных тканей по рентгеновским снимкам и стандартного визуального способа диагностики на примере выборки из 100 пациентов. Предлагаемый способ лучше выявляет патологию (284 находки по сравнению со 179 находками, полученными стандартным визуальным способом диагностики) при существенно меньшей длительности диагностической процедуры (0,5 мин и 12 мин в среднем соответственно).
Таким образом, применение предложенного способа определения площади патологических анатомических образований костных тканей по рентгеновским снимкам позволяет повысить эффективность диагностики при уменьшении временных и трудовых затрат.