Спосіб стереоскопічних зображень біомедичних об’єктів

Реферат: Спосіб стереоскопічних зображень біомедичних об'єктів включає застосування стереоскопічних ефектів у біомедичній галузі. На основі обробки візуальної біомедичної інформації, отриманої з широкого діапазону джерел - променевої діагностики, ультразвукової діагностики, фотографічної інформації в ендоскопії, хірургії, стоматології, анатомії, а також мікроскопії, вексельних та векторних тривимірних зображень біомедичних об'єктів, за принципом стереозйомки створюють стереопару, представлену двома зображеннями одного об'єкта з двох різних точок, розташованих на деякій відстані у горизонтальній площині під певним кутом за однакових умов фотозйомки. Проводять моделювання стереофотографічного зображення, яке можна проглядати за допомогою доступних методів стереоскопії, здебільшого за допомогою спеціальних окулярів з двоколірним фільтром, як кольорозакодовані (анагліфні) зображення. UA 67883 U (12) UA 67883 U UA 67883 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини, а зокрема променевої діагностики, ультразвукової діагностики, ендоскопії, хірургії та стоматології, анатомії, мікроскопії, молекулярної біології, засобів отримання стереозображень, тривимірної візуалізації зображень біомедичних об'єктів і може використовуватись з метою покращення якості передачі, більш повного уявлення біомедичної візуальної інформації, забезпечення більш реалістичної тривимірної перспективи, виявлення особливих ознак біомедичного об'єкта, які неможливо зареєструвати та передати на площинному зображенні, шляхом надання зображенню стереоскопічного тривимірного ефекту, може застосовуватися в телемедицині, для архівування, ілюстрації візуальної інформації; при комп'ютерному моделюванні та для візуального контролю інвазивних маніпуляцій; з науковою, навчальною метою, зокрема для створення стереоскопічних фотографій малюнків, креслень, в друкованих виданнях (книгах, статтях), репродукцій анатомічних схем, моделей внутрішніх органів людини на основі створення стереоскопічних ефектів, для перегляду відео- і фотостереодемонстрацій. Більшість процесів в сучасній медицині приймають цифровий формат. Отримання цифрового формату (дігіталізація) є відправною точкою для вимірювання. Відмічається постійне зростання інтересу до методів медичної візуалізації. Візуальна інформація набуває все більшого сенсу та значення, якість її підвищується, а методи її отримання постійно вдосконалюється. Інтенсивно розвивається телемедицина, способи навчання технологій та шляхи наукової комунікації. Зазвичай, коректне сприйняття візуальної складової інформації фахівцем може впливати на прийняття рішення. Тривимірні зображення можуть вважатися максимально інформативними візуальними моделями досліджуваних об'єктів. Найбільш перспективним можна вважати застосування даних тривимірного дослідження в інтраопераційній навігації та комп'ютерному моделюванні інвазивних маніпуляцій. Проте, стандартний спосіб формування зображень на екрані комп'ютера забезпечує тільки 2½-вимірне зображення. Перспективна проекція, оклюзії і тіньові ефекти забезпечують досить сильну глибину, але зображення все ще є двовимірним. З метою забезпечення більш реалістичної тривимірної перспективи стереоскопічна графіка може використовуватися за умови існування двох зображень: для лівого і для правого ока користувача. Відомий фотограмметричний спосіб досліджень, який застосовується для виготовлення топографічних карт місцевості (патент США № 3783294 опубл. 01.1974). Створені з використанням цього способу карти точно відтворюють дійсність даної місцевості. Якщо відзняти одну і ту саму місцевість з двох різних точок, то ми отримаємо два знімки. Один з них буде лівим, а другий - правим. Ці два знімки називають стереопарою. Коли розглядати стереопару під стереоскопом, то бачимо об'ємне зображення місцевості. Відомий метод анагліфної стереоскопії (Патент США № 4290675 опубл. 22.09.1981), згідно з яким використовують стереоскопічні пристрої з системою лінз для перегляду стереоскопічних зображень зі зміненим кольоровим кодуванням, що мають приблизно збалансовані характеристики яскравості, використовують окуляри для перегляду з кольоровими лінзами, переважно блакитного і червоного кольору або додаткові кольори фільтрації, наприклад зеленого і пурпурного. Відомі різні конструкції стереоскопів, які призначені для отримання стереоефекту під час переглядання знімків - стереопар. Відомий портативний стереоскоп (корисна модель; № 2464 опубл. 15.04.2004), що містить основу з встановленою на ній оптичною системою із двох плоских дзеркал, встановлених з можливістю створення ефекту відхилення поля зору одного ока глядача, який відрізняється тим, що його доповнено встановленими на основі плоскими підставками, а також лінзовий стереоскоп (UA 28789 U від 25.12.2007), який додатково містить контейнер, виконаний з можливістю встановлення його в корпус, при цьому на передній стінці корпусу закріплена оптика, а на передній стінці контейнера виконані оглядові вікна. Описана декоративна основа для персональних візитних, бізнес- або ідентифікаційних карток, сувенірних або вітальних листівок або ілюстрацій або грошових документів (корисна модель UA 2425 U, опубл. 15.03.2004), що містить принаймні одне плоске зображення, нанесене на неї поліграфічним та/або друкованим способом і щонайменше одне об'ємне зображення, об'ємне зображення виконано у вигляді лінзорастрового стереоваріозображення, з'єднаного з основою, яке має такі форму, розміри і розташування, які забезпечують створення з плоским зображенням потрібного художнього образа. Відоме технічне рішення автостереоскопічної системи - (згідно з патентом України UA 14885 U, "Автостереоскопічна система (StereoStep)"), яка включає поверхню візуалізації з підготовленою до сепарації стереопарою і знімний екран з растровою оптичною системою, розташований перед поверхнею візуалізації. 1 UA 67883 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий спосіб ідентифікації матеріальних об'єктів (корисна модель № 22545 опубл. 15.01.2003) для виявлення та ідентифікації різноманітних предметів, зокрема музейних експонатів, картин, творів мистецтва. Він полягає в тому, що з метою виявлення характерних ознак об'єкта, заздалегідь виготовляють стереопару оригінала об'єкта у відповідному масштабі з координуванням точок планового і висотного геодезичного обґрунтування об'єкта, вимірюють характерні елементи об'єкта з використанням універсальних фотограмметричних приладів з точністю до 0,01 мм і співставляють отримані виміри з ідентичними вимірами даного матеріального об'єкта. Відомий спосіб відновлення тривимірної поверхні людського обличчя за послідовністю фотознімків, у якому кожен наступний знімок мало відрізняється від попереднього (патент США № 7103221). Спосіб базується на відстеженні особливих точок, на основі яких відновлюється ракурс зйомки для кожного із зображень та будується грубе наближення тривимірної поверхні. Далі, на основі інформації про ракурси зйомки, зображення попарно ректифікуються з метою застосування алгоритму стереореконструкції для уточнення тривимірної конфігурації поверхні. Відомий спосіб автоматичного відновлення тривимірної поверхні людського обличчя (корисна модель UA 55157 U від 10.12.2010) за серією фотознімків, включаючи серію з одного єдиного знімка, з використанням фіксованого набору семантично впорядкованих тривимірних поверхонь, заснований на апроксимації тривимірної поверхні обличчя, зображеного на серії фотознімків, у вигляді лінійної комбінації деякого фіксованого набору тривимірних поверхонь, який відрізняється тим, що виконують нормалізацію зображень обличчя людини за масштабом та поворотом, далі виконують пошук такої лінійної комбінації тривимірних поверхонь з деякого фіксованого набору, а також такого ракурсу зйомки для кожного з вхідних зображень, які мінімізують цільову функцію. Відома автостереоскопічна система (корисна модель № 22925 24.01.2007), що включає поверхню візуалізації з підготовленим до сепарації кольорозакодованим зображенням і розташований перед поверхнею візуалізації знімний екран, що складається з двох растрів, розташованих по різні сторони загальної фокальної площини, яка розсіює світловий потік, кожний з яких складається з лінзових елементів і/або їх оптичних еквівалентів, розташованих на поверхні без проміжків з утворенням співвісних пар лінзових елементів і/або їх еквівалентів, кожна з яких містить фільтр, яка відрізняється тим, що кольорозакодоване зображення є багаторакурсною паралакс-стереограмою, виконаною в певному наборі і певній послідовності комплементарних кольорів, а фільтр виконаний у формі мультиколорного фільтра з відповідним паралакс-стереограмі набором і послідовністю кольорів. Відомий спосіб отримання стереозображень розподіленням їх монопотоку (корисна модель UА 59630 А від 15.09.2003), який відрізняється тим, що зображення подаються почергово для кожного ока окремо. Метод стереоскопічного (анагліфного) зображення використовується у мистецтві (патент США № 7856181, опубл. 21.12.2010, патенті США № 0085912, опубл. 01.10.2008). Існують поодинокі повідомлення про використання у біомедичних дисциплінах - анатомії [Shimizu Satoru, Tanaka Ryusui, Rhoton Albert L. et al. Anatomic Dissection and Classic Three-dimensional Documentation: A Unit of Education for Neurosurgical Anatomy Revisited Neurosurgery: May 2006 Volume 58 - Issue 5-p E1000.], молекулярній біології, мікроскопії [Heuser John E. Membrane Traffic in Anaglyph Stereo Traffic 2000 1: 35-37]. Відома стерео ендоскопічна система (патент США 12/373,036 опубл. 09.07.2007). Проте, нами не знайдено повідомлень про широке застосування стереоскопії в медицині, з діагностичною метою, зокрема в ультрасонографії, променевій діагностиці. За прототип взято найближчий за технічним рішенням та галуззю застосування спосіб, описаний у патенті США № 10/509,644, опубл. 26.03.2003 р., в якому описується створення реконструкції поверхні порожнистого органу з серії сканів комп'ютерної томографії, після чого для кожного ока створюється окреме зображення тривимірної реконструкції внутрішньої поверхні порожнього органу. Проте у способі не ставилась задача оптимізувати тривимірне зображення, спосіб стосується виключно віртуальної ендоскопії, растрових моделей на основі даних комп'ютерної томографії, стереопара виготовляється автоматично програмою, що суттєво впливає на якість стереозображення і супроводжується втратою інформації, також не описується метод представлення стереоскопічної інформації. В основу даної корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб представлення біомедичної інформації на основі обробки даних з різних джерел - променевої діагностики, ультразвукової діагностики, ендоскопії, хірургії та стоматології, анатомії, мікроскопії, молекулярної біології, засобів отримання стереозображень, тривимірної візуалізації зображень біомедичних об'єктів на основі створення стероскопічних ефектів. 2 UA 67883 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Це може використовуватись з метою покращення якості передачі, більш повного уявлення біомедичної візуальної інформації, забезпечення більш реалістичної тривимірної перспективи, виявлення особливих ознак біомедичного об'єкта, які неможливо зареєструвати та передати на площинному зображенні, шляхом надання зображенню стереоскопічного тривимірного ефекту, що дозволить підвищити якість діагностики, може застосовуватися в телемедицині, для ілюстрації візуальної інформації в друкованих виданнях (книгах, статтях), її архівуванні; при комп'ютерному моделюванні та для безпосереднього контролю інвазивних маніпуляцій; з науковою, навчальною метою, для перегляду відео- і фото- стерео демонстрацій. Поставлена задача вирішується тим, що в способі, що включає застосування стереоскопічних ефектів у біомедичній галузі, який відрізняється тим, що на основі обробки візуальної біомедичної інформації, отриманої з широкого діапазону джерел - променевої діагностики, ультразвукової діагностики, фотографічної інформації в ендоскопії, хірургії, стоматології, анатомії, а також мікроскопії, вексельних та векторних тривимірних зображень біомедичних об'єктів, за принципом стереозйомки створюють стереопару, представлену двома зображеннями одного об'єкта з двох різних точок, розташованих на деякій відстані у горизонтальній площині під певним кутом за однакових умов фотозйомки, проводять моделювання стереофотографічного зображення, яке можна проглядати за допомогою доступних методів стереоскопії, здебільшого за допомогою спеціальних окулярів з двоколірним фільтром, як кольорозакодовані (анагліфні) зображення, аналогічним чином створюють стереопару зображень віртуальних моделей, також використовують принцип стереопари для обробки біомедичної відеоінформації. Спосіб здійснюється наступним: для фотографічних зображень виготовляють стереопару, використовуючи принцип стереозйомки: створюють два зображення однієї і тієї ж сцени (об'єкта) двома ідентичними фотокамерами з двох різних точок, рознесених горизонтально на деяку відстань з виставленням оптимального кута. Для обчислення параметрів стереозйомки доцільно використовувати формулу: А=0,03В, де А - є відстань між точками стереозйомки, В дистанція до найближчого об'єкта. Постійний коефіцієнт 0,03 вказує на оптимальний кут (1-2 град.) між осями зйомки. Після отримання стереопари її можна проглядати в існуючих стереоскопах. Оптимальним і загальнодоступним способом перегляду є сепарація ракурсів стереопари за допомогою анагліфічної фільтрації. Створення анагліфу здійснюється за допомогою колірного кодування зображень, призначених для лівого і правого ока. Для отримання стереоефекту використовують спеціальні (анагліфні) окуляри, кожний з яких складається з лінзових елементів і/або їх оптичних еквівалентів, кожна з яких містить анагліфічні світлофільтри з хроматично протилежними у спектрі кольорами, як правило, правило, для лівого ока - червоний, для правого - блакитний чи синій. Створене таким чином стереозображення представляє собою комбінацію зображень стереопари, в якій в червоному каналі зображена картина для лівого ока (правий її не бачить через наявність світлофільтра), а в синьому (або синьому і зеленому - для блакитного світлофільтра) - для правого (Фіг. 1). Тобто, кожне око сприймає зображення, забарвлене в колір, відповідний кольору світлофільтра в окулярах. Зазвичай, головний об'єкт знаходиться в центрі. При зміщенні один відносно одного, створюється ефект глибини. Зорова зона кори головного мозку забезпечує тривимірне стереоскопічне сприйняття. Для віртуальних тривимірних вексельних і векторних моделей створення стереопари виконується аналогічним чином, отримуючи два зображення моделі з різних віртуальних ракурсів з дотриманням правил визначення умовного оптимального кута. Для формування стереовідеозображення кожний кадр відеокліпу формують за описаним способом, переважно ручним та напівавтоматичним, після чого налаштовують окремі постійні канали відеотрансляції для правого та лівого ока з перетворенням їх у стереоскопі. Корисна модель пояснюється кресленнями, на яких зображено: Фіг. 1. Схема формування зображення у червоно-блакитному анагліфі. Фіг. 2. Стереозображення медичного об'єкта - фантом. Червоно-блакитний анагліф. Фіг. 3. Тривимірне моделювання тканин черепа перед пункцією жувальних м'язів з метою протибольової терапії. Анагліф, векторної моделі на основі інтегрованого використання даних комп'ютерної томографії та сонографії. Фіг. 4. Векторна модель тканин грудної клітки створена за даними комп'ютерної отмографії. Фіг. 5. Анагліф створений основі векторної моделі сонографічних даних. Фіг. 6. Анагліф, створений основі растрової моделі сонографічних даних. Фіг. 7. Анагліф-ультрасонограма тканин пахової ділянки (растрова модель). Візуалізується співвідношення стегнового нерва та стегнової артерії. 60 3 UA 67883 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Приклади конкретного використання: Приклад 1 Пацієнт В, пухлина слинної залози. Проведене ультразвукове сканування привушної ділянки. Отримано зображення тривимірної растрової моделі. При реєстрації на паперовому носії та площинних зображеннях інформативність співвідношення тканин втрачається. Створено стереопару об'єкта та анагліфне зображення, для архівування та консультацій. Приклад 2 Пацієнтка В., 56 років, проведене тривимірне моделювання тканин черепа перед пункцією жувальних м'язів з метою протибольової терапії. Створена векторна модель на основі інтегрованого використання даних комп'ютерної томографії та сонографії. Проте, проглядати модель можливо лише у спеціальному програмному забезпеченні. Демонструвати для консультації, з метою навчання, публікації з науковою метою можна лише зі значною втратою інформаційної складової. Зафіксований оптимальний ракурс. Створена стереопара - анагліф. Стереозображення, демонстровано фахівцям для дистанційної консультації, опубліковане у статті та монографії. Приклад 3 Ендоскопічно виявлена пухлина кишечника. З різних ракурсів отримано стереопару зображення пухлини з витримкою кута. Проведено моделювання стереофотографії для архівування та публікації. Таким чином, запропонований спосіб стереоскопічних зображень біомедичних об'єктів може використовуватись з метою покращення якості передачі, більш повного уявлення біомедичної візуальної інформації, забезпечення більш реалістичної тривимірної перспективи, виявлення особливих ознак біомедичного об'єкта, які неможливо зареєструвати та передати на площинному зображенні, шляхом надання зображенню стереоскопічного тривимірного ефекту, може застосовуватися в телемедицині, для архівування, ілюстрації візуальної інформації; при комп'ютерному моделюванні та для візуального контролю інвазивних маніпуляцій; з науковою, навчальною метою, зокрема для створення стереоскопічних фотографій малюнків, креслень, в друкованих виданнях (книгах, статтях), репродукцій анатомічних схем, моделей внутрішніх органів людини на основі створення стереоскопічних ефектів, для перегляду відео- і фотостерео демонстрацій та може бути рекомендованим для фахівців різних спеціальностей, які в роботі використовують візуальну біомедичну інформацію, а відсутність необхідності використання додаткового дорогого обладнання робить метод доступним та прийнятним за вартістю. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб стереоскопічних зображень біомедичних об'єктів, що включає застосування стереоскопічних ефектів у біомедичній галузі, який відрізняється тим, що на основі обробки візуальної біомедичної інформації, отриманої з широкого діапазону джерел - променевої діагностики, ультразвукової діагностики, фотографічної інформації в ендоскопії, хірургії, стоматології, анатомії, а також мікроскопії, вексельних та векторних тривимірних зображень біомедичних об'єктів, за принципом стереозйомки створюють стереопару, представлену двома зображеннями одного об'єкта з двох різних точок, розташованих на деякій відстані у горизонтальній площині під певним кутом за однакових умов фотозйомки, проводять моделювання стереофотографічного зображення, яке можна проглядати за допомогою доступних методів стереоскопії, здебільшого за допомогою спеціальних окулярів з двоколірним фільтром, як кольорозакодовані (анагліфні) зображення, аналогічним чином створюють стереопару зображень віртуальних моделей, також використовують принцип стереопари для обробки біомедичної відеоінформації. 4 UA 67883 U 5 UA 67883 U 6 UA 67883 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7