Rehabilitační inženýrství / Výpočetní technika a software pro odborné lékaře / Diagnostika / 3D topografie trupu a zad člověka

3D topografie trupu a zad člověka

Zejména u dětí v průběhu růstu, ale i u dospělých, je posouzení prostorového uspořádání jednotlivých struktur především axiálního systému (ale i ostatních systémů) důležitým ukazatelem stavu pohybového systému. Je zřejmé, že patologický stav (po úrazu, degenerativní změny apod.) se obvykle manifestuje na změně (např. omezení z důvodu bolesti) plnění určité funkce (pohybu, zajištění polohy). Charakteristické také je, že lokální dysfunkce nebo tvarová odchylka se projevuje globálním způsobem a její důsledky je možné sledovat i v relativně odlehlých částech těla.
Systémů pro snímání povrchu těla je více. Obvykle jsou založeny na optickém sledování vybrané oblasti těla specielním systémem, aby bylo možné zrekonstruovat i třetí rozměr objektu. Při celotělovém snímání se objekt a snímací jednotka vzájemně otáčejí tak, že je postupně sejmut celý povrch tělesa, nebo jsou kamery rozmístěny kolem celého sledovaného objektu. Mezi problémy, které je nutné řešit, patří především zajištění dostatečné přesnosti snímání a následné prostorové rekonstrukce a možnost "vidění" celé plochy zájmu (např. podpažní prostory). Důležitý je také požadavek na co nejkratší dobu snímání, tak aby se neprojevilo dýchání a spontánní pohyby sledované osoby. 
Typickým systémem dovolujícím získat prostorovou informaci o tvaru je 3D-scanner. Jedná se o řádkový snímač se čtecím paprskem usměrněným soustavou zrcadel, který se pohybuje po snímané předloze. Množství světla, které snímaným předmětem prošlo nebo se od něho odrazilo, se měří a digitalizuje. Při snímání velkoplošných předloh se využívá mechanický princip, kdy se snímací zařízení pohybuje nad předmětem a místo pouze bodového čidla je využita maticová CCD kamera. Nebo 3D scanner pracuje na principu projekce plošného světelného pruhu na povrch sledovaného objektu. Mimo osu tohoto světelného zdroje je umístěna kamera, která snímá povrch s deformovaným světelným proužkem. Rovinný světelný laserový pruh může být jak horizontální, tak vertikální. Na základě znalosti vzájemné polohy kamery a roviny světla a předpokládané polohy každého obrazového bodu je možné určit 3D souřadnice jednotlivých bodů na povrchu sledovaného tělesa.



Princip snímání 3D scaneru (Turner-Smith 1988)

Tohoto přístupu využívá celá řada systémů jako např. LASS systém, Cyberware´s WB4 a Vitronic VIRO systém. (2001) Hamamatsu BL (2002) scanner využívá detekce záření blízkého infračervenému spektru odrážejícího se od sledovaného povrchu polohovým senzitivním detektorem (PSD). Určitou modifikací je systém Telmat SymCAD (2002), který využívá dvou kamer a projekce světelné mřížky na těleso. Podobně jako u 3D-scaneru je zrekonstruován sledovaný tvar z deformovaného tvaru této mřížky.
Vysokou přesností se vyznačují stereofotogrametrické techniky jaké vyvíjí např. Tricoder a Turing Institut (Douros 2000). V těchto systémech je poloha bodu na povrchu objektu viděna dvěma (nebo více) kamerami s rovnoběžnými optickými osami a známou vzájemnou vzdáleností. Z kombinace pořízených obrazů lze snadno geometricky určit vzdálenost sledovaného bodu od roviny tvořené soustavou kamer - princip stereometrie Obtíže, které je nutné řešit při této analýze, se týkají automatického vyhledávání bodů v obrazech jedné a druhé kamery, které si odpovídají. 






Princip stereometrie
(2d je vzdálenost optických os kamer, f jejich ohnisková vzdálenost a XL a XR jsou souřadnice bodu A v obrazové rovině z=0)

Dalším principem je technika moiré proužků, kterou využívají např. systém Wicks@Wilson´s TriForm. (2001) U těchto systému jsou v důsledku interference světla a stínu vrhaného vlákny mřížky zobrazeny na sledovaném povrchu vrstevnicové čáry. Tím je umožněno z rovinného snímku identifikovat i třetí prostorovou dimenzi sledovaného objektu. Podrobněji se touto metodou budeme zabývat v dalším textu. 



Vznik vrstevnicového obrazu moiré proužků
(h vzdálenost kamera-světlo, l vzdálenost mřížky, p rozteč mřížky, l2 hloubka druhé vrstevnice)

Konturogram moiré v laboratořích biomechaniky FTVS UK

Na našem pracovišti je využíváno optické zařízení k detekci tvaru povrchu především trupu lidského těla, ale obecně i jiných objektů. Metoda je založena na moiré efektu vytvářejícího na sledovaném povrchu stínový obraz vrstevnic, který nám dovoluje provést prostorovou rekonstrukci tvaru. (Otáhal 1989) V našem případě jsou tedy z pořízeného snímku, kromě tvaru vlastního objektu v rovině tohoto snímku, navíc detekovány stínové obrazy vrstevnic. Jejich tvar a vzájemné uspořádání na sledovaném povrchu totiž jednoznačně popisují tvar objektu v prostoru, tedy převýšení ve směru osy kolmé na rovinu snímku.


Moiré snímek zad

Optická soustava je tvořena v jedné rovině světelným zdrojem a kamerou, v paralelní rovině postavenou mřížkou - tvořenou soustavou rovnoběžných vláken nepropouštějících světelné záření a volných, stejně širokých mezer mezi nimi. Sledovaný objekt je umístěn za mřížkou na opačné straně než zdroj světla, celá soustava je v zastíněném prostoru. Vzájemné vzdálenosti těchto paralelních rovin, vzdálenost kamery a zdroje světla a také tloušťka vláken mřížky určují výsledný krok - převýšení vznikajícího stínového obrazu vrstevnic. (Wijk 1980) Pro identifikaci topografie trupu se osvědčila konfigurace tj. vzdálenost mřížka - kamera, kamera - světla, kdy je tato ekvidistance 4 mm. V případě sledování povrchových tvarových charakteristik menších útvarů byla např. provedena studie baze lební (Dylevský 1997). Úpravou konfigurace pracoviště se podařilo snížit převýšení mezi vrstevnicemi na 1,5 mm. 
Pro dostatečný kontrast, v důsledku interference světla a stínu vrhaného vlákny mřížky, vzniklých vrstevnicových čar je nutné zajistit přesnou paralelnost obou zmiňovaných rovin a navíc paralelnost vláken mřížky a spojnice dvou světelných zdrojů. Václavík (1991) uvádí, že moiré proužky pozorované na lidském těle mají malou viditelnost, což je způsobeno rozptylem světla v lidské pokožce. Tento rozptyl světla snižuje hranovou ostrost ve stínu vrženém mřížkou na lidské tělo. Vzniklé moiré proužky proto mají zřetelně nízký kontrast. Pro vyšší podíl krátkovlnného světelného záření je náš systém vybaven soustavou dvou přežhavených halogenových žárovek s vysokou teplotou chromatičnosti. Také filtrací do kamery dopadajícího světla snižujeme podíl dlouhých vlnových délek světelného záření a světlo polarizujeme. Použití dvou světelných zdrojů je vhodné proto, aby bylo zajištěno dostatečné osvětlení konvexního tvaru jakým je povrch trupu. 




Uspořádání moiré pracoviště

Za účelem objektivizace sledování a posuzování topografie axiálního systému byl v našich laboratořích moiré systém pod vedením prof. Otáhala v 70. letech zkonstruován. V první řadě bylo nutné řešit technické problémy získání 3D grafické informace a vzniku vlastního moiré efektu. Vzhledem k rozvoji a stále širšímu uplatnění výpočetní techniky byl i náš konturogram převeden na PC on-line formu pořízení snímku CCD kamerou a jeho následného vyhodnocení. Náš konturogram je vybaven CCD kamerou s rozlišením 759 (H) x 596 (V). V našem konturogramu je obraz snímán digitalizační kartou v PC a následně zpracován a hodnocen programem OBR české firmy Vidis, který obstarává potřebné výše uvedené obrazové operace. (Valová 1994, Chalupová 1999) Oproti použití klasického fotoaparátu je nespornou výhodou tohoto provedení možnost okamžité kontroly stavu sledovaného objektu a vzniklého optického efektu během snímání. Softwarové vybavení dovoluje okamžité další zpracování snímků, ať již jednotlivých, či celých časových sekvencí (snímkovací frekvence 50 Hz). Výhodou je i možnost komunikace s dalšími programovými (databáze, grafické programy, tabulkové procesory aj.) či informačními systémy (počítačová síť aj.).
Na sledovanou osobu jsou před vlastním snímáním umístěny značky - orientační body, dovolující nám zpětnou orientaci na pořízených snímcích. Vyhodnocení je v naší laboratoři prováděno v první řadě formou parametrů vyjadřujících vzdálenosti jednotlivých struktur, a to jak v rovině snímku (při snímání zpředu a zezadu, tj. ve frontální rovině), tak ve směru předozadním (tj. v rovině sagitální). Vyjádření symetrie vůči mediánní rovině nám popisují poměry pravolevých hodnot a poloha jednotlivých struktur bývá popisována hodnotami úhlů. Další možností je zrekonstruování povrchových reliéfů ve zvolených rovinných či zakřivených řezech.



Princip rekonstrukce reliéfu ve zvoleném řezu moiré snímku



Zrekonstruovaný horizontální reliéf v oblasti trnového výběžku
Th 5 (⇑) - porovnání dvou osob s jednostrannou sportovní zátěží (Chalupová 2002)


Literatura:
  1. CYBERWARE´s WB4(2001): http://www.cyberware.com/products/.
  2. DOUROS I., BUXTON B., TRELEAVEN P.(2000): Developing Techniques for Building Active Shape Models from 3D Scanner Data for the Representation of Human Bodies, PhD Report, University College London. 
  3. DYLEVSKÝ I., CHALUPOVÁ M.(1997): Biomechanika a morfologie atlantookcipitálního skloubení, Lékař a technika, Praha, 28, No. 3, p.66-69. (radou EuroMise článek zařazen mezi nejlepší publikace roku 1997)
  4. HAMAMATSU BL (2002) http://usa.hamamatsu.com/sys-industrial/blscanner/default.htm
  5. CHALUPOVÁ M.(1995): Použití moire techniky jako zpětnovazebního ukazatele při výběru vhodného cvičení, Hlavní řešitelka, Interní grant FTVS UK pro mladé vědce.
  6. CHALUPOVÁ M., OTÁHAL S., OTÁHALOVÁ J.(1998): Respirační aspekt bilaterální asymetrie topografie trupu, Rehabilita a fyzikální lékařství, Praha, č.4.
  7. CHALUPOVÁ M., VALOVÁ D., OTÁHALOVÁ J.(1995): The Use of Computer Technology in Physiotherapy of Non-structural Deformations of the Trunk. (71. FD Olomouc), Abstracts In. Physiol. Research 1995, vol. 44, č. 4, s. 22P.
  8. CHALUPOVÁ, M.(1999): Trunk konturography and muscle spasmus evaluation as an instrument of the muscle dysbalantion identification, XVIIth congres of ISB, pp.564, Canada.
  9. CHALUPOVÁ, M.(2000): Utilize Of The Biomechanical Model Of The Scapula Region For The Muscle Disbalance Identification, 3-th International Conference of the International Shoulder Group, Newcastle, Velká Británie. 
  10. CHALUPOVÁ, M., JAKLOVÁ, T., MAHR, E.(2000): Tvarová odezva axiálního systému v pozici v sedu, Kineziologie 2000, Praha FTVS UK. 
  11. MAHR,E. (2001): Sledování sedu z longitudinálního pohledu, Nová generace ve vědě ne prahu milénia - Vědecká studentská konference FTVS UK, Praha.
  12. OTÁHAL J., NOVÁK P., CHALUPOVÁ M., OTÁHAL S., VOLF J., RESL O.(2001): Diagnostické zařízení pro identifikaci kontaktních sil, Lékař a technika, 32, No 4, pp.100 -104.
  13. OTÁHAL S., VÁCLAVÍK P.(1989): Moire tomografie. Lékař a technika, 20 (4), s. 89-93.
  14. PAIGEROVÁ, M., TVRDÍKOVÁ, H., CHALUPOVÁ, M. (2002): Detection of Thermal Manifestations Using Amir 7811-45e Pyrometer. Analysis of Biomedical Signals and Images. 16-th Biennial International Eurasip Conference Biosignal 2002. Proceedings. Vol.16, p. 183, ISBN 80-214-2120-7.
  15. PAZOUREK J.(1992): Simulace biologických systémů, Grada, Praha. 
  16. RSI 3D body builder (2001): http://www.rsi.gmbh.de/zemain.htm .
  17. STOKES I.(1999): http://www.uvm.edu/~istokes/srs/tospine.htm#40 
  18. TELMAT SYMCAD (2002) http://www.symcad.com/eng/index.htm
  19. TICHÝ M, MALBOHAN IM, OTÁHAL M, CHALUPOVÁ M(1999): Pelvic muscles influence the sacroiliac joint. The journal of orthopaedic medicine, 21(1): 3-6. 
  20. VÁCLAVÍK P.(1991): Technická optika II., skriptum ČVUT FSI, Praha.
  21. VALOVÁ , D., CHALUPOVÁ , M., TLAPÁKOVÁ, E.. (1996): Stabilometrie a její využití na FTVS, Lékař a technika, Praha 1996, 27, No.4-5, p. 86-90.
  22. VALOVÁ D., CHALUPOVÁ M.(1994): Software system of the moire frame interpretation for idiopathic scoliosis. (69. FD Olomouc), Abstracts In. Phys. Research, vol. 43/1p. 3P.
  23. VITRONIC VIRO systém (2001): http://www.tm.tno.nl/search/index.html.
  24. WICKS AND WILSON Limited TriForm™ system(2001): http://www.wwl.co.uk/triform.htm.
  25. WIJK M.C.(1980): Moiré Conturograph - an Accuracy Analysis, J. Biomechanics, Vol. 13, pp. 605-613, Great Britain.

Diagnostika Nahoru Endoprotézy