Алгоритмизация процесса обработки информации в системе технического зрения автоматического ортопедического артикулятора

Актуальность.

В последнее время в области ортопедической стоматологии всё более актуальным становится создание и внедрение информационно-диагностических комплексов, позволяющих автоматизировать и максимально облегчить труд врача-ортопеда.

Одними из важнейших критериев определяющих состояние зубочелюстной системы является траектория движения нижней челюсти (далее объекта оригинала) и состояние зубных рядов пациента. Анализ параметров траектории позволяет выявить отклонения от нормы, определить курс лечения и осуществить подгонку зубных протезов.

Использование бесконтактной методики анализа состояния зубочелюстной системы уменьшает нагрузку на врача и пациента, сокращая время проведения исследования до нескольких минут, и позволяет провести подгонку зубных рядов без участия пациента и избавиться от целого ряда погрешностей, причиной возникновения которых являются естественные психофизиологические реакции, возникающие при мануальном контакте врача и пациента и неточность ручных измерений.

Для решения данной задачи необходима разработка способа бесконтактного определения объёмных параметров объекта оригинала, обеспечивающего минимальное воздействие на пациента и высокую достоверность получаемых данных.

Реализация бесконтактного способа исследования на практике требует решения задачи разработки и создания аппаратно-программной автоматизированной системы обработки информации, позволяющей проводить диагностирование на основе экспериментальных данных, а также обеспечивающей возможность обработки и хранения результатов, как в графическом, так и в текстовом виде.

В этой связи актуальность темы диссертационного исследования продиктована необходимостью разработки средств формализованного описания траектории движения объекта оригинала, алгоритмов идентификации его динамических координат, а также алгоритмов, позволяющих провести статическое исследование функционального состояния объекта оригинала с учетом следующих требований: обеспечения требуемого объёма информации и точности получаемых данныхиндивидуализации свойств траектории движения объекта оригиналаразмера занимаемой машинной памятибыстродействия и наглядности получаемых результатов.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Проблемно-ориентированные системы управления».

Объектом исследования является информационно-диагностический комплекс, включающий систему идентификации координат движения объекта оригинала, используемых в качестве управляющих сигналов системы управления автоматического артикулятора, инструментарий графического представления информации, а также систему диагностирования гипсовых моделей и электронную картотеку;

Цель и задачи исследования

: Целью диссертационной работы является разработка комплекса алгоритмов обработки медицинской информации, идентификации координат движения объекта оригинала в трёхмерном пространстве, а также средств обеспечения требуемой точности, достаточной для индивидуализации экспериментальных данных. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ существующих компьютерных информационно-диагностических медицинских комплексов, алгоритмов обработки изображений и типов баз данных.

2. Разработать способ измерения параметров объёмной поверхности объекта оригинала.

3. Разработать алгоритм идентификации динамических координат объекта оригинала на видеокадрах, с учетом требований предъявляемых к средствам обработки графической информации.

4. Разработать алгоритмы отображения сформированных траекторий движения объекта оригинала в рамках процедуры формирования вектора задающего воздействия на робот-артикулятор.

5. Разработать алгоритм диагностирования зубных рядов пациента на основе измерений, проводимых по фотографиям гипсовых моделей с требуемой степенью точности.

6. Разработать электронную картотеку с автоматически загружаемыми данными, формируемыми на основе измерений фотоаналогов гипсовых моделей.

Методы исследования. Полученные результаты работы базируются на использовании методов теории математического моделирования, численных методов, основных положений теории обработки изображений, теории объектно-ориентированного программирования, теории реляционных баз данных.

Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Бесконтактный способ измерения параметров объёмной поверхности нижней челюсти человека, отличающийся реализацией технологии обработки информации в системе технического зрения автоматического ортопедического артикулятора.

2. Алгоритмы параметрической идентификации графических моделей объекта оригинала, отличающиеся учётом индивидуальных амплитуд движений объекта оригинала.

3. Комплексный алгоритм обработки данных, полученных средствами системы технического зрения автоматического артикулятора, отличающийся реализацией альтернативных методов обработки информации.

4. Алгоритмизация процедуры измерения гипсовых моделей челюстей, обеспечивающая автоматизированный процесс обработки информации, формирование электронной картотеки и её взаимодействие с программным комплексом на основе технологии ADO.

Практическая значимость и результаты внедрения. Результаты диссертационного исследования являются основой разработки средств математического, программного и информационного обеспечения аппаратно-технического комплекса автоматического ортопедического артикулятора, предназначенного для диагностирования функционального состояния зубочелюстной системы человека. Разработанные алгоритмы идентификации динамических координат объекта оригинала включают инвариантную процедуру, позволяющую применять их в других предметных областях, требуемых обработки графических данных, в том числе не связанных с медициной.

Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматики и информатики в технических системах» Воронежского государственного технического университета в рамках дисциплин «Оптимальные системы управления», «Теория автоматического управления» и «Адаптивные системы управления».

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, внедрены в учебный и лечебный процессы кафедры ортопедической стоматологии ВГМА имени Н. Н. Бурденко (г. Воронеж).

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» (Воронеж, 2006) — в рамках областного конкурса в области науки и техники «Золотой лев» (Воронеж, 2006) — VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2007) — Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи XXI века» (Воронеж, 2007) — ежегодных научно-технических конференциях кафедры АИТС (2004;2007).

Публикации по работе: Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах, в том числе 2 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФполучен патент на изобретение «Способ измерения параметров объёмной поверхности нижней челюсти человека» (патент РФ № 2 284 750, 2005).

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в автореферате, лично соискателю принадлежат: в [2] - анализ основных причин, возникающих при определении координат реперных точек системой технического зрения (далее СТЗ) — в [3] - выбор и обоснование использования аппаратной базы, используемой для построения оптимизационных моделейв [4] - практическая реализация рассматриваемой модели решения обратной кинематической задачив [7] - разработка алгоритма измерения гипсовых моделей по фотографиив [11, 13, 14] - аппаратное и программное обеспечение комплекса СТЗ.

Структура и объём работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 164 страницы машинописного текста, 48 иллюстраций и список литературы из 91 наименования.

Выход.

Рис. 4.10 Оконная форма отображения поставленного диагноза в интерфейсе программного обеспечения.

После завершения процесса измерения гипсовой модели, врач получает автоматически заполненную карточку, сохраняемую в картотеке. Вид карточки приведён на рис. 4.11.

КАРТА ОБСЛЕДОВАНИЯ.

Крылов Григорий Леонидович.

Биометрическое исследование диагностических моделей.

N истории болезни 7 Сумма медиолатеральных размеров постоянных резцов верхней челюсти 39.076.

Сумма медиолатеральных размеров постоянных резцов нижней челюсти-40,584.

Методика Измер. точки Норма Фактические показания.

15.08.2007.

Метод Болтона 13−23 36,484.

Метод Болтона 33−43 35,102.

17.08.2007.

Молярный индекс Пона 12−22 39,076.

Молярный индекс Пона 16−26 44,624.

Молярный индекс Пона 36−46 52,219.

Премолярный индекс Линдер-Харта 12−22 66 324.

Премолярный индекс Линдер-Харта 14−24 71,203.

Премолярный индекс Линдер-Харта 34−44 83,559.

Рис. 4.11 Карта обследования пациента.

Созданное программное обеспечение, позволяет автоматизировать процесс измерения гипсовых моделей челюстей, используя основные методы диагностирования, таким образом, значительно облегчив нагрузку, возлагаемую на врача-ортопеда, при проведении данных измерений ручным способом [48,69].

Листинг основного модуля программы измерения гипсовых моделей челюстей по фотографии приведён в приложении 2.

Заключение

.

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие результаты:

1. Разработан метод определения параметров объёмной поверхности объекта оригинала, позволяющий проводить бесконтактное высокоточное определение координат движения объекта в трёх плоскостях, на предложенный метод получен патент РФ;

2. Разработана автоматизированная система обработки изображений, осуществляющая идентификацию координат реперных точек, на изображении объекта оригинала, а также диагностирование функционального состояния покоя, с учетом требований предъявляемых к данным средствам;

3. Разработан алгоритм обработки изображения, позволяющий практически полностью избавить от помех, возникающих на изображении, интенсивность которых зависит от условий проведения видеосъёмки;

4. Разработаны графические средства, наглядно отображающие индивидуальные свойства движений объекта оригинала, позволяющие провести первоначальную диагностику и определить дальнейшее направление исследования;

5. Разработан комплекс алгоритмов, позволяющих проводить диагностирование функционального состояния зубочелюстной системы человека при помощи измерений гипсовых моделей челюстей по их фотографиям с использованием основных методик, применяемых врачом-исследователем, а также автоматически заполняемая карта обследования, хранимая в базе данных;

6. Реализована база данных пациентов, прошедших обследование по методикам измерения гипсовых моделей, на основе реляционной модели, сопрягаемая с разработанным программным обеспечением по технологии ADO, позволяющая хранить и обрабатывать информацию, полученную в результате проведённого обследования.

7. Основные теоретические и практические результаты апробированы и внедрены в учебный и лечебный процессы на кафедре ортопедической стоматологии ВГМА им. Бурденко и внедрены в учебный процесс на кафедре АИТС Воронежского государственного технического университета.