Способ определения морфологических количественных параметров рельефа поверхности биологических объектов: кожи, ногтей, волос, костей, хрящей, зубов и других

 

Изобретение относится к медицине, а именно к морфологии. Способ позволяет определять морфологические количественные параметры рельефа поверхности биологических объектов: высоту, наклон, объем, извилистость, линейные размеры, ориентацию элементов рельефа поверхности или структурных элементов, слагающих объемную микроструктуру исследуемого объекта, дифференциальное распределение приведенных параметров. Получение информации осуществляется оцифровыванием стереоизображений поверхности исследуемого объекта, полученного с помощью оптического стереомикроскопа и последующей компьютерной стереореконструкции с графической распечаткой в виде трехмерной блок-диаграммы, карты изолиний и профиля вдоль любого заданного направления. Определение и использование указанных параметров может способствовать диагностике различных заболеваний кожи, остеопороза, деформирующего артроза, кариеса и др. Способ позволяет повысить скорость обработки стереопар, точность измеренных параметров и расширить число последних, таких как кожа, хрящи, кости, волосы и т. д. 4 ил.

Изобретение относится к медицине, а именно к морфологии.

В практической и научной работе часто необходимы точные морфологические параметры рельефа поверхности кожи, ногтей, волос, костей, хрящей, зубов и др. Возможность получения количественных параметров рельефа имеет большое значение в диагностике различных заболеваний кожи, при которых имеет место изменение поверхностного рельефа, при остеопорозе, деформирующем артрозе, кариесе и др.

Известен способ измерения рельефа поверхности к заявляемому способу за счет использования системы для измерения поверхности [1].

Работа системы основана на использовании оптического щупа, позволяющего измерять рельеф поверхности путем ее сканирования оптическим излучением. Работа щупа базируется на использовании явления интерференции света от источника с малой временной когерентностью.

Недостатком этой системы является малое быстродействие, не превышающее 120 точек поверхности в секунду. Для получения данных о высотах изучаемого рельефа в узлах сетки даже с относительно небольшой размерностью - 256 х 256 элементов - потребуется проводить съемку в течение 9 минут. При исследовании живых биологических объектов их сохранение в неподвижном состоянии в течение такого длительного промежутка времени не представляется возможным. Из-за незначительных смещений объекта в процессе накопления информации точность результатов значительно снижается. Отсутствие фото- и видеоизображений, т.е. визуального контроля исследуемой поверхности, снижает репрезентативность данного метода.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения морфологических количественных параметров рельефа поверхности биологических объектов, использующий метод стереофотограмметрических измерений. Была разработана специализированная фотограмметрическая системы "Мультиплекс" для изучения рельефа отдельных частей головы, зубов, глаз [2]. Эта система используется как аналоговый прибор для графической обработки материалов стереосъемки. К недостаткам системы следует отнести низкую точность и большую длительность фотограмметрической обработки стереоснимков, достигающую нескольких суток работы над одной полученной стереопарой.

Технический результат состоит в повышении скорости обработки стереопар, точности измеренных параметров и расширении области использования за счет увеличения числа измеряемых параметров, таких как кожа, хрящи, кости, волосы и т.д.

Для его достижения в способе определения морфологических количественных параметров рельефа поверхности биологических объектов: кожи, ногтей, волос, костей, хрящей, зубов и т.д., включающем получение стереоизображений исследуемого объекта и обработку полученной стереопары, получение стереоизображений осуществляют с помощью оптического стереомикроскопа и двух видеокамер, подключенных к компьютеру, а обработку стереопары проводят путем компьютерной стереореконструкции с помощью программы "СТЕРЕКОН", а в качестве количественных параметров рельефа поверхности определяют его высоту, наклон, объем, извилистость, линейные размеры, а также ориентацию элементов рельефа поверхности или структурных элементов, слагающих объемную микроструктуру исследуемого объекта, дифференциальное распределение исследуемых параметров.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, с помощью которого осуществляется заявленный способ, на фиг. 2 - микрофотографии (стереопары) участков тыльной поверхности кожи пальца человека, на фиг. 3 - графические иллюстрации результатов обработки оцифрованной стереопары, а на фиг. 4 - блок-схема алгоритма программы "СТЕРЕКОН".

Способ осуществляется следующим образом.

Изучаемый биологический объект помещают под оптической бинокулярной стереомикроскоп.

С помощью видеокамер (фиг. 1) Вк1 и Вк2, располагающихся на тубусах Т1 и Т2, стереомикроскопа производится скоростная (менее 50 миллисекунд) стереосъемка поверхности исследуемого объекта с требуемым разрешением. При этом изучаемый объект должен быть зафиксирован и находиться в фокусе поля зрения микроскопа не более 50 миллисекунд, т.е. только в процессе стереосъемки. Изображения, полученные видеокамерами, оцифровываются и передаются в память ЭВМ персонального компьютера ПК. Дальнейшая обработка введенных изображений, представляющих собой стереопару участка поверхности исследуемого биологического объекта, осуществляется автономно и не требует присутствия самого объекта в поле зрения микроскопа. Оцифрованные изображения обрабатываются на ЭВМ с помощью пакета прикладных программ "СТЕРЕКОН". Обработанные данные могут выводиться на телемонитор ТМ или печатающее устройство ПУ, позволяющее осуществлять графическую распечатку в виде трехмерной блок-диаграммы, карты изолиний и профиля вдоль любого заданного направления.

Обработка оцифрованных стереоизображений с помощью пакета программ "СТЕРЕКОН", реализующего итерационный алгоритм стереореконструкции, осуществляется следующим образом (см. блок-схему алгоритма - фиг. 4).

Введенные изображения на первом этапе подвергаются операции ректификации, целью которой является компенсация взаимного сдвига и разворота изображений. Ректификация может осуществляться как в полностью автоматическом, так и в интерактивном режимах, с участием оператора, контролирующего правильность нахождения угла относительного разворота и сдвига изображений.

По окончании работы блока ректификации осуществляется операция попарного отождествления элементов стереоизображений. Отождествление осуществляется по иерархической схеме, когда в первую очередь обрабатываются наиболее грубые детали изображений, затем производится отождествление менее грубых деталей и т.д., до тех пор, пока не будет достигнут заданный оператором уровень детализации.

На основании результатов отождествления определяются относительные смещения соответствующих участков стереоизображений (параллаксы), которые после субпиксельной коррекции непосредственно используются в формулах вычисления высот рельефа. Помимо параллаксов в этих соотношениях также участвуют параметры, характеризующие используемую оптическую систему: фокусное расстояние, стереоугол, увеличение, карта дисторсионных искажений. Увеличение задается оператором в интерактивном режиме, остальные параметры определяются в автоматическом режиме по тест-объекту.

Полученная карта высот может быть подвергнута последующей обработке либо с помощью функций пакета "СТЕРЕКОН", либо после экспорта данных в текстовый файл с помощью другого программного обеспечения. В пакете "СТЕРЕКОН" реализованы функции визуализации результатов реконструкции (построение цветной и контурной карт высот, построение трехмерной блок-диаграммы реконструированного рельефа, визуализация профилей рельефа вдоль любого заданного направления), функции статистического анализа рельефа, измерения линейных размеров и объемов, операции фильтрации, отсечения и совмещения рельефов. Описания программы СТЕРЕКОН содержатся в опубликованных работах [3 - 8].

В результате стереореконструкции, произведенной с помощью пакета прикладных программ "СТЕРЕКОН", получается объемная цифровая модель исследуемой поверхности, по которой можно получить многостороннюю количественную информацию о микрорельефе изучаемой поверхности: высота, наклон, объем, извилистость, линейные размеры, ориентация элементов рельефа поверхности или структурных элементов, слагающих объемную микроструктуру исследуемого объекта, дифференциальное распределение приведенных параметров. На фиг. 2 приведены две микрофотографии одного и того же участка тыльной поверхности кожи пальца человека, сделанные через два объектива стереомикроскопа под разными углами и представляющие собой одну стереопару. На фиг. 3 представлена графическая иллюстрация результатов обработки оцифрованной стереопары с помощью предлагаемого способа анализа: а - трехмерная блок-диаграмма тыльной поверхности кожи пальца, б - карта изолиний микрорельефа, в - профиль вдоль отрезка А-Б. Профиль может быть получен вдоль любого заданного направления. Из примера, приведенного на фиг. 3, следует, что абсолютные отметки микрорельефа поверхности кожи пальца (в данном случае исследования) изменяются от 20 до 100 мкм. Диапазон размеров элементов изучаемого рельефа зависит от используемого увеличения оптического стереомикроскопа.

Таким образом, предлагаемый способ определения количественных параметров рельефа поверхности и различных биологических объектов в отличие от прототипа имеет более высокую (на несколько порядков) скорость считывания исходной информации с поверхности исследуемого объекта. Это позволяет исследуемому объекту находиться в относительно неподвижном (фиксированном) состоянии более короткое время в период считывания. Это преимущество предлагаемого способа особенно важно при изучении поверхности живых биологических объектов, т. к. последние имеют определенную подвижность, связанную с пульсацией и сокращениями мышц. Еще одним важным достоинством предлагаемого метода в отличии от прототипа является то, что диапазон измеряемых размеров варьирует в широких пределах за счет смены увеличения микроскопа. Способ определения количественных параметров рельефа достаточно прост в конструкции и в работе. Как уже было показано, для его реализации необходимо иметь оптический стереомикроскоп, две телекамеры, персональный компьютер, блок сопряжения телекамер с компьютером и специализированное программное обеспечение.

Используемые источники информации: 1. Большаков О.П. и др. Система для измерения рельефа поверхности и упругости кожи, Медицинская техника, 1997, N 5, с. 35 - 38.

2. CHIFFINS O.W. et al. W.A.S. Close-range photogrammetry appliad to research in orthodontics, PHOTOGRAM. REC; 1969, N 6, р. 276.

3. Соколов В.Н. и др. Метод трехмерной реконструкции микрорельефа поверхности твердых тел по их РЭМ-стереизображениям, Изв. AH Сер. Физ., 1995, т. 59, N 2, с. 28 - 34.

4. Соколов В.Н. и др. Анализ РЭМ-стереоизображений, Изв. AH Сер. Физ., 1996, т.60, N 2, с. 55 - 64.

5. Соколов В. Н. и др. Метод трехмерной реконструкции структуры горных пород по их РЭМ-стереоизображениям. В сб.: "Компьютерные аспекты в научных исследованиях и учебном процессе", М.: МГУ, 1996, с. 18 - 20.

6. Соколов В. Н. и др. Метод трехмерной реконструкции структуры горных пород по их РЭМ-стереоизображениям, Тез. докладов ежегодной научной конф. "Ломоносовские чтения", М.: МГУ, 1996, с. 103 - 104.

7. Соколов В.Н. и др. Определение коэффициента извилистости поровых каналов с помощью компьютерного анализа РЭМ-изображений, Изв. AH Сер. Физ, 1997, т. 61, N 10, с. 1898 - 1903.

8. Юрковец Д.И. Алгоритмы для оценки морфологических характеристик микроструктуры по РЭМ-изображениям. Труды международной конференции Graphicon, 97, М.: МГУ, 1997, с. 162 - 169.

Формула изобретения

Способ определения морфологических количественных параметров рельефа поверхности биологических объектов кожи, ногтей, волос, костей, хрящей, зубов и т.д., включающий получение стереоизображений исследуемого объекта и обработку полученной стереопары, отличающийся тем, что получение стереоизображений осуществляют с помощью оптического стереомикроскопа и двух видеокамер, подключенных к компьютеру, а обработку стереопары проводят путем компьютерной стереореконструкции с помощью программы "СТЕРЕКОН", а в качестве количественных параметров рельефа поверхности определяют его высоту, наклон, объем, извилистость, линейные размеры, а также ориентацию элементов рельефа поверхности или структурных элементов, слагающих объемную микроструктуру исследуемого объекта, дифференциальное распределение исследуемых параметров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5