M08 Robotická 3D termovize v medicíně

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: 152 796 Vedoucí práce: Ing. Adam Chromý, Ph.D. Rok: 2018

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 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.

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.

x X Y Z α β γ scan S 60 485 390-90 0 180 scan E -140 485 390-90 0 180 color S 60 420 390-90 0 180 thermo S -80 420 310-90 0 180 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 19 23 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.

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

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 35.831 34.251 35.041 1.58 36.749 36.162 36.4555 0.587 Aleš 33.697 33.099 33.398 0.598 34.778 34.575 34.6765 0.203 Peťa 32.493 31.796 32.1445 0.697 34.167 34.388 34.2775 0.221 Martin 33.001 32.169 32.585 0.832 33.835 32.658 33.2465 1.177 Jarek 36.979 34.683 35.831 2.296 35.388 34.989 35.1885 0.399 Tomáš 29.469 28.545 29.007 0.924 31.029 31.314 31.1715 0.285 David 35.371 34.673 35.022 0.698 35.449 34.685 35.067 0.764 Eva 32.392 32.251 32.3215 0.141 33.595 33.855 33.725 0.26 Bára 30.044 29.403 29.7235 0.641 30.985 30.642 30.8135 0.343 Nikola 32.041 31.209 31.625 0.832 32.817 31.889 32.353 0.928 průměr 33.1318 32.2079 32.66985 0.9239 33.8792 33.5157 33.69745 0.5167 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 35.542 33.882 34.712 1.66 36.283 35.647 35.965 0.636 Aleš 32.507 31.926 32.2165 0.581 34.616 34.744 34.68 0.128 Peťa 32.427 31.519 31.973 0.908 33.805 33.701 33.753 0.104 Martin 32.049 31.596 31.8225 0.453 33.746 32.549 33.1475 1.197 Jarek 37.331 35.115 36.223 2.216 35.374 34.764 35.069 0.61 Tomáš 29.366 28.378 28.872 0.988 31.193 31.455 31.324 0.262 David 34.608 34.307 34.4575 0.301 35.153 34.596 34.8745 0.557 Eva 32.246 32.209 32.2275 0.037 33.519 33.381 33.45 0.138 Bára 29.239 28.972 29.1055 0.267 30.814 30.548 30.681 0.266 Nikola 31.231 30.611 30.921 0.62 32.488 31.894 32.191 0.594 průměr 32.6546 31.8515 32.25305 0.8031 33.6991 33.3279 33.5135 0.4492 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

Přední pohled blok 3 Vnitřní pohled v klidu po zátěži průměr rozdíl v klidu po zátěži průměr rozdíl Zuzana 36.272 34.306 35.289 1.966 35.627 35.231 35.429 0.396 Aleš 32.261 31.957 32.109 0.304 33.432 33.316 33.374 0.116 Peťa 33.601 32.174 32.8875 1.427 33.555 33.722 33.6385 0.167 Martin 31.564 31.905 31.7345 0.341 32.898 32.145 32.5215 0.753 Jarek 38.066 35.379 36.7225 2.687 34.881 34.133 34.507 0.748 Tomáš 29.895 29.045 29.47 0.85 31.038 31.282 31.16 0.244 David 34.365 33.804 34.0845 0.561 34.911 34.064 34.4875 0.847 Eva 33.135 32.759 32.947 0.376 33.129 33.209 33.169 0.08 Bára 29.096 28.757 28.9265 0.339 30.308 30.121 30.2145 0.187 Nikola 31.432 30.589 31.0105 0.843 32.588 31.979 32.2835 0.609 průměr 32.9687 32.0675 32.5181 0.9694 33.2367 32.9202 33.07845 0.4147 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 37.501 35.493 36.497 2.008 36.594 35.831 36.2125 0.763 Aleš 33.791 33.669 33.73 0.122 33.987 34.201 34.094 0.214 Peťa 32.801 33.11 32.9555 0.309 33.498 33.988 33.743 0.49 Martin 32.838 32.935 32.8865 0.097 34.129 33.482 33.8055 0.647 Jarek 37.984 35.86 36.922 2.124 35.856 35.423 35.6395 0.433 Tomáš 31.803 30.485 31.144 1.318 31.501 32.571 32.036 1.07 David 35.667 35.298 35.4825 0.369 35.839 35.058 35.4485 0.781 Eva 33.438 33.473 33.4555 0.035 33.358 32.998 33.178 0.36 Bára 31.117 29.831 30.474 1.286 31.761 31.412 31.5865 0.349 Nikola 32.874 32.629 32.7515 0.245 32.307 31.635 31.971 0.672 průměr 33.9814 33.2783 33.62985 0.7913 33.883 33.6599 33.77145 0.5779 Tab. 6: Teplota ve C v Bloku 4

blok 5 Přední pohled v klidu po zátěži průměr rozdíl Zuzana 36.243 34.722 35.4825 1.521 Aleš 33.927 33.162 33.5445 0.765 Peťa 32.351 32.085 32.218 0.266 Martin 33.536 32.647 33.0915 0.889 Jarek 35.993 33.661 34.827 2.332 Tomáš 31.224 30.498 30.861 0.726 David 34.949 33.678 34.3135 1.271 Eva 33.04 32.893 32.9665 0.147 Bára 30.076 29.444 29.76 0.632 Nikola 31.999 31.766 31.8825 0.233 průměr 33.3338 32.4556 32.8947 0.8782 Tab. 7: Teplota ve C v Bloku 5 3.5 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

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 35.88167 37.501 36.243 36.872 1.619333 0.361333 0.990333 Aleš 32.82167 33.791 33.927 33.859 0.969333 1.105333 1.037333 Peťa 32.84033 32.801 32.351 32.576-0.03933-0.48933-0.26433 Martin 32.20467 32.838 33.536 33.187 0.633333 1.331333 0.982333 Jarek 37.45867 37.984 35.993 36.9885 0.525333-1.46567-0.47017 Tomáš 29.57667 31.803 31.224 31.5135 2.226333 1.647333 1.936833 David 34.78133 35.667 34.949 35.308 0.885667 0.167667 0.526667 Eva 32.591 33.438 33.04 33.239 0.847 0.449 0.648 Bára 29.45967 31.117 30.076 30.5965 1.657333 0.616333 1.136833 Nikola 31.568 32.874 31.999 32.4365 1.306 0.431 0.8685 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.

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.

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.

5 POUŽÍTÁ LITERATURA [1] CHROMÝ, Adam. HIGH-RESOLUTION MULTISPECTRAL 3D SCANNING AND ITS MEDICAL APPLICATIONS. Brno, 2017. 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. 2018-05-04]. Dostupné z: http://www.fsps.muni.cz/~novotny/termografie.htm [3] Termovize - Alterum Medica. Http://alterummedica.sk/ [online]. Praha: Web & go, 2016 [cit. 2018-05-04]. Dostupné z: http://alterummedica.sk/cz/termovize/ [4] VYUŽITÍ TERMOKAMERY VE VÝUCE FYZIKY. Olomouc, 2013. Diplomová práce. Univerzita Palackého v Olomouci. Vedoucí práce RNDr. Renata Holubová, CSc. [5] Lékařské přístroje. Brno, 2007. Skripta. Masarykova univerzita. Vedoucí práce Ing. Gabriela Štěpánová. [6] BEZKONTAKTNÍ TERMOGRAFICKÉ VYŠETŘENÍ V KLINICKÉ MEDICÍNĚ. Brno, 2017. Bakalářská práce. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Vedoucí práce Mgr. Vladan Bernard, Ph.D. [7] Termografie ve sportovní medicíně. Brno, 2007. 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]. 2014 [cit. 2018-05-04]. DOI: 10.3831/KPI.2014.17.036. Dostupné z: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc4332010/