M08 Robotická 3D termovize v medicíně

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘÍCÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION M08 Robotická 3D termovize v medicíně Semestrální Projekt do MRBT Autor práce: Bc.Tomáš Kruták ID: Vedoucí práce: Ing. Adam Chromý, Ph.D. Rok: 2018

2 1 ZADÁNÍ Zadání znělo provést rešerši literatury a dalších zdrojů a vytipovat oblast, ve které by mohlo být užitečné 3D skenování lidského těla s termovizí. Následně v této oblasti provést pilotní experiment, prokazující vhodnost/nevhodnost užití systému RoScan v této konkrétní aplikaci. 2 ÚVOD Cílem této práce bylo seznámit se s využitím robotické 3D termovize v medicíně, navrhnout vhodnou aplikaci použití a následně provést testovací experiment. Po počátečním průzkumu problematikou se zaměření projektu začalo soustředit do oblasti kolen. Konkrétně poté na zkoumání přetrženého předního křížového vazu a natrženého vnitřního postranního vazu kolene. Toto zkoumání si kladlo za cíl, zdali je možné vypozorovat případné přetěžování daných struktur a na základě toho provést preventivní opatření. Pro provedení experimentu byl jako hardware využit multispektrální robotický 3D skenovací systém RoScan.

3 3 HLAVNÍ ČÁST 3.1 Analýza kolen Před samotným měřením bylo potřeba zjistit, jakým způsobem nastavit koleno pod kamery a jak a kde vyznačit body pro následnou orientaci při zpracování dat. Křížové vazy se nacházejí za patellou čéškou, a to přibližně centimetr za její prostřední částí. Vnitřní postranní vaz lze relativně jednoduše nalézt pomocí výběžků na kostech, ke kterým se upíná, a to ke stehenní a holenní. Konkrétně pak vyznačeno na obr. 1. Obr. 1: Grafické ohraničení vazů na koleni Pro relevantní výsledky pokusu bylo zapotřebí sehnat nejméně tři lidi s danou problematikou a tři lidi, kteří tento problém zcela jistě nemají. Při samotném pokusu bylo přítomno deset lidí. Tři s přetrženým křížovým vazem, dva s natrženým postranním vazem, jeden, který měl oba problémy, a čtyři zdraví jedinci.

4 3.2 Nastavení RoScan Pro robotické rameno RoScan bylo potřeba vymyslet vhodnou trajektorii pohybu, aby byla nasnímána požadovaná část kolene v dostatečné kvalitě a v dobrém rozlišení. Také bylo potřeba dbát na bezpečnost účastníků výzkumu. Součástí samotného ramene nejsou žádné senzory, ty jsou však externě přimontovány na jeho konec. Jedná se celkem o tři senzory, kterými jsou scanner, barevná kamera a termokamera. Obr. 2: Robotické rameno RoScan Pro nastavení trajektorie tohoto mechanismu je potřeba zadat souřadnice ve tvaru x/y/z/, které reprezentují osy a souřadnice α/β/γ, což jsou úhly natočení. Musí se však počítat se skutečností, že souřadný systém os se pokaždé otáčí spolu s ramenem, což mírně komplikuje nastavování. Pro každý z výše zmíněných senzorů je potřeba nastavit unikátní souřadnice, a to z toho důvodu, že každý má jiný rozsah a střed jeho směřování je mírně posunutý v závislosti na ostatních senzorech. V následující tabulce lze vyčíst seznam souřadnic po kterých se rameno pohybovalo.

5 x X Y Z α β γ scan S scan E color S thermo S Tab. 1: Tabulka souřadnic všech senzorů pro pohyb ramena (S Start, E End) 3.3 Měření Samotné měření probíhalo následovně. Každá osoba musela nejprve po dobu nejméně deseti minut setrvat v místnosti, ve které měření probíhalo, aby se tělo přizpůsobilo okolní teplotě. Teplota v místnosti by se měla pohybovat v rozmezí C. Při měření byla v laboratoři naměřena teplota 22,5 C. Poté co bylo tělo aklimatizováno, proběhla první série měření, tedy v klidu, a to z pohledu zepředu a z pohledu z vnitřní strany. V další fázi se prováděla fyzická aktivita pro prokrvení svalstva a vazů. Cvičení probíhalo formou deseti dřepů. Předpoklad pro tento počet byl takový, že by tělo mělo dostatečně zvýšit krevní oběh, ale cvičení není tak náročné, aby se tělo více přehřálo a znehodnotilo měření. Ihned po konci cvičení proběhla druhá série měření obdobně jako ta první. 3.4 Výsledky měření Pro zpracování výsledků byla použita aplikace od RoScan, a to ModelViewer. Snímky nafocené z pozice zepředu byly rozděleny do pěti částí, ze kterých se odečítala a zpracovávala teplota. Křížový vaz byl rozdělen na bloky 1, 2 a 3. Bloky 4 a 5 představují referenční body, tj. pomocná místa upřesňující teplotu v oblasti dolní končetiny. Tato místa jsou určena pomocí přímky procházející blokem 1 a horním a dolním okrajem patelly, ke kterým je kolmo. Toto rozdělení lze pozorovat na obr. 3.

6 Obr. 3: Zobrazení pěti bloků z předního pohledu, na kterých byla zpracovávána teplota Na bočních snímcích byly zvoleny bloky čtyři. Bloky 1, 2, 3 jsou stejně jako u předchozího obrázku rozdělení vazu. Posledním blokem je opět referenční plocha. Rozdělení lze pozorovat na Obr. 4. Obr. 4: Zobrazení čtyř bloků z bočního pohledu, na kterých byla zpracovávána teplota

7 Zde jsou vyobrazeny tabulky naměřených hodnot podle výše zmíněných oblastí. Přední pohled blok 1 Vnitřní pohled v klidu po zátěži průměr rozdíl v klidu po zátěži průměr rozdíl Zuzana Aleš Peťa Martin Jarek Tomáš David Eva Bára Nikola průměr Tab. 2: Teplota ve C v Bloku 1 Přední pohled blok 2 Vnitřní pohled v klidu po zátěži průměr rozdíl v klidu po zátěži průměr rozdíl Zuzana Aleš Peťa Martin Jarek Tomáš David Eva Bára Nikola průměr Tab. 3: Teplota ve C v Bloku 2 přetržený křížový vaz natržený vnitřní vaz obě zranění bez úrazu Tab. 4: Legenda barev ve všech použitých tabulkách

8 Přední pohled blok 3 Vnitřní pohled v klidu po zátěži průměr rozdíl v klidu po zátěži průměr rozdíl Zuzana Aleš Peťa Martin Jarek Tomáš David Eva Bára Nikola průměr Tab. 5: Teplota ve C v Bloku 3 Přední pohled blok 4 Vnitřní pohled v klidu po zátěži průměr rozdíl v klidu po zátěži průměr rozdíl Zuzana Aleš Peťa Martin Jarek Tomáš David Eva Bára Nikola průměr Tab. 6: Teplota ve C v Bloku 4

9 blok 5 Přední pohled v klidu po zátěži průměr rozdíl Zuzana Aleš Peťa Martin Jarek Tomáš David Eva Bára Nikola průměr Tab. 7: Teplota ve C v Bloku Vyhodnocení výsledků Při vyhodnocování výsledků měření se objevuje první komplikace, a to ta, že od prvního snímání po poslední klesá teplota celé končetiny přibližně konstantně o šest stupňů. Tento jev je celkem očekávaný a je to způsobeno tím, že se kamera při provozu zahřívá. Proto by bylo vhodné hodnoty nějakým způsobem kalibrovat, což se v tomto případě neděje. Tím pádem nelze zjistit skutečnou teplotu daných částí, ale je nutno posuzovat naměřené hodnoty pouze relativně a srovnávat je s referenčními body na snímku. Tyto body tvoři plochy v bloku 4 a 5. Při porovnávání číselných hodnot, jak lze vidět v tab. 8, bylo však zjištěno, že se nevyskytuje žádná číselná teplotní spojitost mezi jedinci, kteří utrpěli zranění a jedinci zdravými. Je to velice zajímavá skutečnost, protože při pohledu na termogramy je zřejmé, že ti, kteří utrpěli zranění, mají na předním snímku výrazně nižší teplotu v oblasti patelly než ti, jejichž koleno zdravé. U číselných výsledků je to dáno pravděpodobně tím, že teplota jak referenčních bodů, tak i teplota v oblasti vazu je zásadně ovlivněna vrstvou podkožního tuku, který zkresluje výsledky. Taktéž nebyla zvolena optimální forma cvičení a postup měření. Deset dřepů je sice dostatečně náročné cvičení na rozproudění krve po těle a prokrvení svalstva, ale

10 v kombinaci s druhým měřením bezprostředně po cvičení má za následek to, že tělo během vykonávání fyzické činnosti reaguje stejně, jakoby reagovalo na stres, což znamená, že krev se v prvních okamžicích mobilizuje z periferie především do srdce, mozku a kosterních svalů. Ve chvíli, kdy začnou svaly svou prací tvořit teplo, navrací se krev zpět do kůže, aby se přebytečného tepla zbavila. Tento fakt vysvětluje, proč je povrchová teplota těla v měřených místech ihned po vykonání zátěže nižší, než je teplota v klidu. A b c d průměrb1+b2+b3 blok 4 blok 5 průměr b-a c-a d-a b4+b5 Zuzana Aleš Peťa Martin Jarek Tomáš David Eva Bára Nikola Tab. 8: Porovnávání teploty [ C] vazu k referenčním bodům (přední pohled) Na obrázku 5 je srovnání zdravého a nemocného kolene. Vždy levé koleno z dvojice reprezentuje předchozí přetržení křížového vazu a druhé patří zdravé osobě. Je nutno podotknout, že teplota barevného spektra je sice relativní, ale i tak lze dobře vypozorovat chladnější části v oblasti vazů u poraněných kolen. To vysvětlujeme tím, že poškozené struktury prochází určitou fází hojení, kdy dominuje tvorba vaziva, které ovšem není tolik prokrvené a tím pádem vyzařuje menší teplotu.

11 Obr. 5: Porovnání snímku termokamery zraněného a zdravého kolena,pohled zepředu s vyznačenou oblastí vazu Obrázek 6 zobrazuje snímky z vnitřní strany kolene s vyznačenou oblastí postranního vazu. Horní snímky zobrazují kolena s danou patologií, spodní jsou bez poškození. Na první pohled je však jasné, že zde nejsou vidět žádné vzorce, které by rozlišily postranní vazy poškozených kolen od těch zdravých. Stejných výsledků je dosaženo na fotkách před i po aktivitě. Obr. 6: Porovnání snímku termokamery zraněného a zdravého kolena, pohled z boku s vyznačenou oblastí vazu Následující obr. 7 se srovnává čelní pohled před a po vykonání deseti dřepů. Jak je vidět, focení snímku ihned po cvičení nepomohlo odhalit další patologie. Snímky jsou prakticky identické, pouze po cvičení mají menší teplotu zhruba o 1 C. Vzhledem k tomu, že teplotní škála barev je na fotkách relativní, vypadají snímky totožně.

12 Obr. 7: Srovnání kolen zdravých a poškozených, v levé části v klidu, v pravé části po aktivitě, ovály zobrazují oblast křížových vazů 4 ZÁVĚR V rámci celého projektu proběhlo podrobné seznámení s problematikou užití termovize v medicíně. V první části byla provedena rešerše a bližší specifikování vlastního experimentu. Jeho cílem bylo zjistit, zda může být termovize využita ve sportovní medicíně, jako prostředek prevence proti zranění a při analyzování následné rekonvalescence. Data byla získána v laboratoři CEICET za pomoci vedoucího práce. První část experimentu se týkala předních křížových vazů. Byly pořízeny dvoje snímky kolen z čelního pohledu každé osoby, jednou v klidovém stavu, podruhé ihned po odcvičení deseti dřepů. Grafické výsledky byly uspokojivé a potvrdily očekávání. Ve výsledcích číselných však nešel nalézt předpokládaný vzorec. Je to pravděpodobně dáno nevhodně zvolenými referenčními body, které jsou až příliš ovlivňovány vrstvou podkožního tuku. V části druhé se používalo stejných principů jako v části první, zde se však měření soustředilo na vnitřní postranní vaz kolene. Tentokrát nebyl nalezen žádný vztah mezi zdravými a nemocnými jedinci, a to jak v číselných datech, tak na snímcích z termokamery. Po přezkoumání zjištěných faktů z experimentu by se daly navrhnout změny postupu v získávání dat. V první řadě by bylo vhodné zvolit jiný typ cvičení. Ideálně cvičení na rotopedu po dobu alespoň 5 minut. Další skutečnost, která by mohla dopomoci k získání reálnějších výsledků je, že by kolena nebyla snímána ihned po dokončení cvičení, ale s prodlevou 10 až 15 minut.

13 5 POUŽÍTÁ LITERATURA [1] CHROMÝ, Adam. HIGH-RESOLUTION MULTISPECTRAL 3D SCANNING AND ITS MEDICAL APPLICATIONS. Brno, DOCTORAL THESIS. BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. Vedoucí práce Prof. Ing. Luděk Žalud, Ph.D. [2] Fakulta sportovních studíí Masarykovy univerzity. Fakulta sportovních studií [online]. Brno: Fakulta sportovních studií, 2018 [cit ]. Dostupné z: [3] Termovize - Alterum Medica. [online]. Praha: Web & go, 2016 [cit ]. Dostupné z: [4] VYUŽITÍ TERMOKAMERY VE VÝUCE FYZIKY. Olomouc, Diplomová práce. Univerzita Palackého v Olomouci. Vedoucí práce RNDr. Renata Holubová, CSc. [5] Lékařské přístroje. Brno, Skripta. Masarykova univerzita. Vedoucí práce Ing. Gabriela Štěpánová. [6] BEZKONTAKTNÍ TERMOGRAFICKÉ VYŠETŘENÍ V KLINICKÉ MEDICÍNĚ. Brno, Bakalářská práce. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Vedoucí práce Mgr. Vladan Bernard, Ph.D. [7] Termografie ve sportovní medicíně. Brno, Bakalářká práce. MASARYKOVA UNIVERZITA. Vedoucí práce Doc. MUDr. Jan Novotný, CSc. [8] YANG, HyunJung, HaeIn PARK, Chungsan LIM a SangKyun PARK. Infrared Thermal Imaging in Patients with Medial Collateral Ligament Injury of the Knee - A Retrospective Study [online] [cit ]. DOI: /KPI Dostupné z: