بخشی از مقاله
کاربرد فتوگرامتری جهت تشخیص بیماری اسکولیوسیس
چکیده
در این مقاله به روند کاری یک سیستم فتوگرامتری برد کوتاه جهت تشخیص بیماری اسکولیوسیس پرداخته شده است. اسکولیوسیس یک انحنای غیرنرمال فقراتی می باشد که در طول رشد اسکلت بدن از همان دوران کودکی ظاهر می شود. روشهای رایج جهت تشخیص اسکولیوسیس نظیر رادیوگرافی، MRI و CT گران و خطرناک برای بدن هستند و لذا نمی بایست اغلب تکرار شوند. پس از انتخاب دو دوربین و کالیبراسیون آنها، تصویربرداری از پشت بدن کودک که تارگت گذاری شده بود؛ در سه وضعیت مختلف با تغییر فاکتور فاصله باز به ارتفاع دوربینها توسط دو دوربین بطور همزمان انجام شد. پردازش تصاویر مربوطه و بررسی نتایج نشان داد که با شرایط زیر دقت قابل قبول زیر میلی متر قابل دسترسی است (در حدود ۷، ۰ میلی متر(
دو دوربین دیجیتال Olympus C740 با فاصله کانونی ۳، ۶ میلیمتر برای اخذ همزمان تصاویر، شبکه ای به ابعاد ۱۸۰۰۸ متر مربع بعنوان سیستم کنترل، تارگت هایی با قطر ۰۱، ۱ متر، بهره گیری از تخصص پزشکی در ستون فقرات جهت تارگت گذاری روی نقاط خاص منظوره، فاصله باز به ارتفاع دو دوربین برابر ۱۲۰/ ۲۴۰(سانتی متر) ، ارتفاع تصویربرداری ۱، ۴ متر و استفاده از ۵۰ مشاهده نقطه ای. در نهایت، از داده های سه بعدی حاصل از بهترین حالت تصویر برداری، برای بررسی کمی و کیفی انحنای اسکولیوسیس فرد و نیز ثبت و نگهداری مشخصات فقراتی وی جهت اهداف کنترل رشد فرد، بهره گیری شد.
کلمات کلیدی: اسکولیوسیس، آماده سازی، پزشکی، تارگت،، دوربین استیل رقومی، رادیوگرافی، سیستم کنترل، فتوگرامتری، کالیبراسیون، وب کم
1- مقدمه
آرایشهای نامنظم فقراتی در نوجوانان انحناهایی را تولید می کند که مشکلات فقراتی را در زندگی بزرگسالی ایجاد می کند. لذا منظور از انحنا، یک منحنى فقراتی غیر نرمال است. اسکولیوسیس یک نوع از این انحناهاست که پیچ پهلو به پهلو دارد و در طول رشد اسکلت انسان ظاهر می شود. اسکولیوسیس در نوجوانان و بیشتر در میان دختران شایع می باشد که عمدتا بر مهره های وسط یا کمر (استخوانهای سازنده تیره پشت بدن را مهره گویند) اثر می گذارد و اکثرا هم با دردی همراه نمی باشد. این بیماری بسرعت بهنگام رشد بیمار تغییر می یابد و یک کنترل مداوم از پیشرفت آن، بمنظور دستیابی به بهترین درمان ممکن، امری ضروری تلقی می گردد. افراد در تمام بازه های سنی می توانند اسکولیوسیس داشته باشند اما تمرکز این مقاله بر بچه ها و نوجوانان می باشد. برای امر تشخیص، پزشک از روشهای مختلفی استفاده می کند همانند رادیوگرافی، CT MRI معایب هر یک از این روشها در شکل 1 دیده می شود.
همانگونه که دیده می شود موارد خطر تابش اشعه و هزینه، عمده معایب مطرح در زمینه بهره گیری از این روشها در تشخیص این بیماری می باشد. پس از بررسی محاسن و معایب هر کدام از این روشها، فتوگرامتری در مقایسه با آنها بدلایل هزینه و خطر کم، برای هدف مورد نظر انتخاب شد تا بررسی شود که مدل سازی سه بعدی نقاط خاص پشت بدن (شکل ۲) با دقت 1 میلی متر، با این روش آیا امکان پذیر است یا نه؟
۲- نیاز به داده های سه بعدی پشت بدن
داشتن مدل سه بعدی پشت می تواند در زمینه هایی چون: فراهم آوردن اطلاعات منحصر بفرد یک فرد در بازه های زمانی مختلف جهت اهداف کنترلی بیماریهای پشت بدن، بدست آوردن یک مرجع برای پشت یک انسان سالم و برخی اهداف ملزوم دیگر بکار گرفته شود. نگاه به داده های سه بعدی برای پشت بدن از دو منظر مطرح است: داده های کل سطح پشت بدن و داده های آناتومیکی پشت بدن که یکسری نقاط خاص روی پشت بدن هستند و عمدتا تارگت گذاری می شوند.
طی مشورتی که با متخصصین امر صورت گرفت جهت بیماری اسکولیوسیس، مورد دوم یعنی یکسری نقاط خاص مطرح می باشد که مدلسازی سه بعدی و بررسی روابط طولی بین آنها در وهله اول، می تواند بیماری را تشخیص داده؛ در مراحل تکراری میزان رشد آن را مشخص کند.
۳- بررسی فتوگرامتری بعنوان یک راه تشخیص اسکولیوسیس
در طراحی یک سیستم فتوگرامتری برای اهداف پزشکی مواردی چون : انتخاب سیستم کسب تصویر، همزمانی سیستم های کسب تصویر، آرایش سیستم کسب تصویر و پوشش مورد نیاز، کالیبراسیون سیستم کسب تصویر، کنترل، آماده سازی شئ، نوردهی سیستم و نحوه تبدیل داده ها مطرحند. این موارد هیچ کدام بطور جداگانه مطرح نیستند و ارتباط تنگاتنگ آنها با هم می باشد که شبکه ای را راه اندازی می کند.
سیستم کسب تصویری که برای این منظور انتخاب شد دوربینهای دیجیتال استیل رقومی بود. دوربینهای دیجیتال استیل رقومی از لحاظ شرایط تصویری و داشتن هزینه مناسب و عدم نیاز به فریم گرابر، مناسبترین مورد برای انجام این کار بود. البته در همین راستا دیگر دوربینهای موجود در بازار از این دسته بررسی شد که از موارد مطرح در انتخاب دوربین می توان داشتن دهانه گشایشی بزرگ برای جمع آوری نور بیشتری از محیط برای ایجاد تصویر بهتر، امکان داشتن تصویر در یک فاصله کانونی ثابت برای استحکام معرفی مقدار اولیه فاصله اصلی دوربین در فایل کالیبره دوربین، داشتن لنز شناخته شده، داشتن فرمت تصویری بالا را نام برد. پس از بررسیهای اولیه روی دوربینهای مختلف موجود در بازار، دوربین المپوس C740 مناسبترین گزینه بود چراکه هم شهره به داشتن لنز خوب با فاصله کنونی مناسب (۳، ۹ تا ۱۳ میلی متر) بود و نیز دهانه گشایشی بزرگ، فرمت تصویری بالا و امکان کسب تصویر در یک فاصله کانونی ثابت، داشت (شکل 3). لذا کار با دوربین المپوس C740 جهت نیل به دقت 1 میلی متر (در صورت امکان حتی کمتر) آغاز گردید.
ماکزیمم قدرت تفکیک دوربین المپوس ۲۰۶۸۷۱۵۳۹ پیکسل بود و فاصله کانونی 6، 3 تا 60 میلی متر را ارائه می کرد که برای تصویربرداری در این پروژه، فاصله کانونی ۱۳ میلی متر آن انتخاب شد. برای تست دقت نیز از تارگتهای ۱ سانتی متری که بخوبی در تصویر دیده می شد (شکل 1) در فاصله مدنظر از بدن (۱۱۰-۱۳۰ سانتی متر) تصویربرداری شد. در این کار از یک شبکه به ابعاد ۸۰×۱۰۰ سانتی متر استفاده گردید.
در ابتدا دو دوربین با استفاده از روش ۷ منظر" که از ۷ وضعیت مختلف محور دوربین ایجاد می شود، کالیبره شدند. طريقه تصویربرداری با این روش در شکل ه و تصاویر گرفته شده برای یکی از دوربین ها در شكل 6 نشان داده شده است.
پس از کسب پارامترهای موردنظر برای کالیبراسیون دوربین ها، این مقادیر بعنوان مقادیر فایل دوربین ( kam.*)شامل مشخصات دو دوربین، برای تک تک آنها جایگزین شده؛ در پردازش بعدی که مدلسازی سه بعدی نقاط خاص پشت بدن بود، مورد استفاده قرار گرفت. بی شک بدین ترتیب در صورت داشتن استحکام هندسی خوب شبکه، معادلات سریعتر همگرا خواهد گردید.
۴- مدلسازی سه بعدی نقاط خاص پشت بدن انسان:
بمنظور کشف و شناسایی انحنای اسکولیوسیس ستون فقرات کودک در طول رشد وی بنا بر نظر متخصصین امر، نیاز به دانستن وضعیت چند نقطه خاص از پشت بدن وی که معرف مهره هایی خاص از ستون فقرات او می باشند - بود. بدنبال همین هدف، کار مدلسازی نقاط شروع گردید. قبل از بیان پردازشهای لازم، به شرحی از تنظیمات موردنیاز این پروژه پرداخته می شود.
۱- آماده سازی پوست بدن برای تصویربرداری:
در ابتدا نقاط موردنظر می بایست روی بدن مشخص می گردید (شکل ۷). مارک کردن نقاط منظوره توسط متخصص مربوطه حول مركز تارگتها صورت گرفت. اندازه تارگت نیز پس از تست انواع آن در ایجاد شبکه کنترلی برای نقاط پشت بدن، انتخاب شد که با کنتراست بسیار قابل قبولی در محدوده مورد تصویربرداری دیده می شد.
۴۷۲- سیستم کنترلی کار:
نحوه انتخاب کنترل سیستم بر اساس موارد زیر صورت گرفت: - با توجه به اینکه نهایتا کار در یک محیط پزشکی نظیر کلینیک یا یک مطب انجام می شد و نیز با توجه به درخواست تنها اطلاعات زاویه ای و طولی از نقاط موردنظر؛ لذا سیستم کنترلی برای کار از لحاظ حجم و قابلیت
حمل، می بایست راحت بوده، ساده بوده کمترین تجهیزات جانبی را دارا باشد - توزيع تارگتها بر روی آن می بایست بسته به بالاترین حجم عرضی کودکان در نظر گرفته شود - نقاط زیادی را دارا باشد تا عامل بر حسب مورد اندازه گیری، امکان مانور روی طولهای چک برای مقیاس دهی مدل داشته باشد. با توجه به مفاد فوق، بهترین گزینه ای که می توانست خصوصیات مورد نظر را داشته باشد یک شبکه بود که بصورت یک فایل CAD یا دیگر نرم افزارهای ترسیمی با دقت بالا طراحی شده؛ تارگتها نیز در تقاطعهای شبکه جز ترسیمات قرار گیرد (شکل ۸)
