МОДЕЛЮВАННЯ КОЛІННОГО СУГЛОБА З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДІВ ГЕОМЕТРИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ТА ФРАКТАЛЬНОЇ ГЕОМЕТРІЇ НА ОСНОВІ ДАНИХ З МАГНІТНО-РЕЗОНАНСНОЇ ТЕРАПІЇ
Ключові слова:
медичні дані, тривиміорна модель, колінний суглоб, візуалізація, фрактальна геометрія, геометричне моделювання, програмне забезпечення
Анотація
У даній статті розглядається підхід до створення тривимірних моделей колінного суглоба, який базується на використанні геометричного моделювання та принципів фрактальної геометрії. Основою для моделювання слугують дані, отримані з магнітно-резонансної томографії (МРТ). Це дозволяє з високою точністю відтворити анатомічну структуру колінного суглоба, включаючи кісткові елементи, хрящову тканину та зв'язки. Проаналізовано методи геометричного моделювання, які застосовуються для створення точних тривимірних моделей на основі двовимірних зображень МРТ. Досліджено застосування фрактального аналізу для визначення складних структур, які важко описати за допомогою традиційних геометричних методів. Окрема увага приділяється алгоритмам обробки зображень, які дозволяють виокремити об'єкти інтересу з МРТ-зображень та автоматизувати процес сегментації. Результати дослідження демонструють, що використання комбінованого підходу, який об'єднує геометричне моделювання та фрактальну геометрію, що значно підвищить якість та точність тривимірних моделей колінного суглоба та дозволить проводити більш якісний аналіз медичних досліджень, діагностики та планування лікувальних заходів, особливо в ортопедії та травматології. Також наведено порівняльний аналіз наведеного підходу з традиційними методами моделювання, аналіз переваг та недоліків запропонованого підходу, а також рекомендації щодо його практичного застосування
Посилання
1. Carrier J. F, Archambault L., Beaulieu L., Roy R. Validation of GEANT4, an object-oriented Monte Carlo toolkit, for simulations in medical physics. Med Phys. 2004. Vol. 31(3). P. 484-492. https://doi.org/10.1118/1.1644532. PMID:15070244.
2. Blackley H. R., Howell G. E., Rorabeck C. H. Planning and management of the difficult primary hip replacement: preoperative planning and technical considerations. Instr Course Lect. 2000. Vol. 49. P. 3–11.
3. Schiffers N., Schkommodau E., Portheine F., Radermacher K., Staudte H. W. [Planning and performance of orthopedic surgery with the help of individual templates]. Orthopade. 2000. Vol. 29. P. 636–640 [in German].
4. Eggli S., Pisan M., Muller M. E. The value of preoperative planning for total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg Br. 1998. Vol. 80(3). P. 382–390. https://doi.org/10.1302/0301-620X.80B3.0800382.
5. Goldstein W. M., Gordon A., Branson J. J. Leg length inequality in total hip arthroplasty. Orthopedics. 2005. Vol. 28(9). P. 1037–1040. https://doi.org/10.3928/0147-7447-20050902-06.
6. Haddad F. S., Masri B. A., Garbuz D. S., Duncan C. P. The prevention of periprosthetic fractures in total hip and knee arthroplasty. Orthop Clin North Am. 1999. Vol. 30(2). P. 191–207. https://doi.org/ 10.1016/S0030-5898(05)70074-2.
7. Schiffers N., Schkommodau E., Portheine F., Radermacher K., Staudte H. W. Planning and performance of orthopedic surgery with the help of individual templates. Orthopade. 2000. Vol. 29. P. 636–640.
8. Hendrikus J. A., Laumen M., Van Pul C., Van Mourik J. A New Digital Preoperative Planning Method for Total Hip Arthroplasties. Clin Orthop Relat Res. 2009. Vol. 467. P. 909–916. https://doi.org/ 10.1007/s11999-008-0486-y.
9. Carter L. W., Stovall D. O., Young T. R. Determination of accuracy of preoperative templating of noncemented femoral prosthesis. J Arthroplasty. 1995. Vol. 10(4). P. 507–513. https://doi.org/10.1016/S0883-5403(05)80153-6.
10. Knight J. L., Atwater R. D. Preoperative planning for total hip arthroplasty: quantitating its utility and precision. J Arthroplasty. 1992. Vol. 7. P. 403–409. https://doi.org/10.1016/S0883-5403(07)80031-3.
11. Diercks R. B., van Ooijen P., van Horn J. R. Comparison of analog and digital preoperative planning in total hip and knee arthroplasty. Acta Orthop. 2005. Vol. 76(1). P. 78–84. https://doi.org/10.1080/ 00016470510030364.
12. Viceconti M., Chiarini A., Testi D., Taddei F., Bordini B., Traina F., Toni A. New aspects and approaches in pre-operative planning of hip reconstruction: a computer simulation. Langenbecks Arch Surg. 2004. Vol. 389(5). P. 400–404. https://doi.org/10.1007/s00423-003-0446-7.
13. Petretta R., Strelzow J., Ohly N. E., Misur P., Masri B. A. Acetate templating on digital images is more accurate than computer-based templating for total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 2015. Vol. 473(12). P. 3752–9. https://doi.org/10.1007/s11999-015-4321-y.
14. Sears Z., Young F. Física Universitaria. 11a ed.. 2004. 964 p.
15. Chotas H. G., Iii J. T. D., Ravin C. E. Review principles of digital radiography with large-area , electronically readable detectors . A review of the basics radiology. 1999. Is. 5. P. 595–599.
16. Franken M., Grimm B., Heyligers I. A comparison of four systems for calibration when templating for total hip replacement with digital radiography. J Bone Joint Surg. Br. 2010. Vol. 92(1). P. 136–141. https://doi.org/10.1302/0301-620X.92B1.22257.
17. Kulkarni A., Partington P., Kelly D., Muller S. Disc calibration for digital templating in hip replacement. J Bone Joint Surg Br. 2008. Vol. 90(12). P. 1623–1626. https://doi.org/10.1302/0301-620X. 90B12.20238. 18. Залевська О., Фіногенов О., Демиденко О., Олійник Ю. & Ільєнко Р. Бінарна класифікація медичних зображень з використанням нейронної мережі. Сучасні проблеми моделювання. 2022. Вип. 23. С. 81-89. 19. Ванін В., Залевська О., Воробйов О. & Лазарчук-Воробйова Ю. (2022). Переваги та недоліки існуючих програмних застосунків для обробки графічних зображень Сучасні проблеми моделювання. 2022. Вип. 23. С. 38-48. 20. Залевська О., Мірошниченко І., Смаковський Д., Гагарін О. & Паламар І. Удосконалення методу кластеризації зображення. Сучасні проблеми моделювання. 2023. Вип. 24. С. 79-86.
21. Rotondi M.A., Donner A. A confidence interval approach to sample size estimation for interobserver agreement studies with multiple raters and outcomes. J Clin Epidemiol. 2012. Vol. 65(7). P. 778–784. https://doi.org/10.1016/j.jclinepi.2011.10.019.
22. Cortés-Reyes É., Rubio-Romero J., Gaitán-Duarte H. Métodos estadísticos de evaluación de la concordancia y la reproducibilidad de pruebas diagnósticas. Rev Colomb Obstet Ginecol. 2010. Vol. 61(3). P. 247–255. https://doi.org/10.18597/rcog.271.
23. Gamble P., de Beer J., Petruccelli D., Winemaker M. The accuracy of digital templating in uncemented total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 2010. Vol. 25(4). P. 529–532. https://doi.org/10.1016/ j.arth.2009.04.011.
24. Oddy M. J., Jones M. J., Pendegrass C. J., Pilling J. R., Wimhurst J. A. Assessment of reproducibility and accuracy in templating hybrid total hip arthroplasty using digital radiographs. J Bone Joint Surg Br. 2006. Vol. 88. P. 581–585. https://doi.org/10.1302/0301-620X.88B5.17184.
25. Wang Q., Xiao J., Zhu L., Zhao X., Liu Z., Wang J., Qin Y. Acetate templating on calibrated standing digital radiograph improves accuracy of preoperative templating for total hip arthroplasty. Orthop Traumatol Surg Res. 2017. Vol. 103(3). P. 341–347. https://doi.org/ 10.1016/j.otsr.2016.12.022.
2. Blackley H. R., Howell G. E., Rorabeck C. H. Planning and management of the difficult primary hip replacement: preoperative planning and technical considerations. Instr Course Lect. 2000. Vol. 49. P. 3–11.
3. Schiffers N., Schkommodau E., Portheine F., Radermacher K., Staudte H. W. [Planning and performance of orthopedic surgery with the help of individual templates]. Orthopade. 2000. Vol. 29. P. 636–640 [in German].
4. Eggli S., Pisan M., Muller M. E. The value of preoperative planning for total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg Br. 1998. Vol. 80(3). P. 382–390. https://doi.org/10.1302/0301-620X.80B3.0800382.
5. Goldstein W. M., Gordon A., Branson J. J. Leg length inequality in total hip arthroplasty. Orthopedics. 2005. Vol. 28(9). P. 1037–1040. https://doi.org/10.3928/0147-7447-20050902-06.
6. Haddad F. S., Masri B. A., Garbuz D. S., Duncan C. P. The prevention of periprosthetic fractures in total hip and knee arthroplasty. Orthop Clin North Am. 1999. Vol. 30(2). P. 191–207. https://doi.org/ 10.1016/S0030-5898(05)70074-2.
7. Schiffers N., Schkommodau E., Portheine F., Radermacher K., Staudte H. W. Planning and performance of orthopedic surgery with the help of individual templates. Orthopade. 2000. Vol. 29. P. 636–640.
8. Hendrikus J. A., Laumen M., Van Pul C., Van Mourik J. A New Digital Preoperative Planning Method for Total Hip Arthroplasties. Clin Orthop Relat Res. 2009. Vol. 467. P. 909–916. https://doi.org/ 10.1007/s11999-008-0486-y.
9. Carter L. W., Stovall D. O., Young T. R. Determination of accuracy of preoperative templating of noncemented femoral prosthesis. J Arthroplasty. 1995. Vol. 10(4). P. 507–513. https://doi.org/10.1016/S0883-5403(05)80153-6.
10. Knight J. L., Atwater R. D. Preoperative planning for total hip arthroplasty: quantitating its utility and precision. J Arthroplasty. 1992. Vol. 7. P. 403–409. https://doi.org/10.1016/S0883-5403(07)80031-3.
11. Diercks R. B., van Ooijen P., van Horn J. R. Comparison of analog and digital preoperative planning in total hip and knee arthroplasty. Acta Orthop. 2005. Vol. 76(1). P. 78–84. https://doi.org/10.1080/ 00016470510030364.
12. Viceconti M., Chiarini A., Testi D., Taddei F., Bordini B., Traina F., Toni A. New aspects and approaches in pre-operative planning of hip reconstruction: a computer simulation. Langenbecks Arch Surg. 2004. Vol. 389(5). P. 400–404. https://doi.org/10.1007/s00423-003-0446-7.
13. Petretta R., Strelzow J., Ohly N. E., Misur P., Masri B. A. Acetate templating on digital images is more accurate than computer-based templating for total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 2015. Vol. 473(12). P. 3752–9. https://doi.org/10.1007/s11999-015-4321-y.
14. Sears Z., Young F. Física Universitaria. 11a ed.. 2004. 964 p.
15. Chotas H. G., Iii J. T. D., Ravin C. E. Review principles of digital radiography with large-area , electronically readable detectors . A review of the basics radiology. 1999. Is. 5. P. 595–599.
16. Franken M., Grimm B., Heyligers I. A comparison of four systems for calibration when templating for total hip replacement with digital radiography. J Bone Joint Surg. Br. 2010. Vol. 92(1). P. 136–141. https://doi.org/10.1302/0301-620X.92B1.22257.
17. Kulkarni A., Partington P., Kelly D., Muller S. Disc calibration for digital templating in hip replacement. J Bone Joint Surg Br. 2008. Vol. 90(12). P. 1623–1626. https://doi.org/10.1302/0301-620X. 90B12.20238. 18. Залевська О., Фіногенов О., Демиденко О., Олійник Ю. & Ільєнко Р. Бінарна класифікація медичних зображень з використанням нейронної мережі. Сучасні проблеми моделювання. 2022. Вип. 23. С. 81-89. 19. Ванін В., Залевська О., Воробйов О. & Лазарчук-Воробйова Ю. (2022). Переваги та недоліки існуючих програмних застосунків для обробки графічних зображень Сучасні проблеми моделювання. 2022. Вип. 23. С. 38-48. 20. Залевська О., Мірошниченко І., Смаковський Д., Гагарін О. & Паламар І. Удосконалення методу кластеризації зображення. Сучасні проблеми моделювання. 2023. Вип. 24. С. 79-86.
21. Rotondi M.A., Donner A. A confidence interval approach to sample size estimation for interobserver agreement studies with multiple raters and outcomes. J Clin Epidemiol. 2012. Vol. 65(7). P. 778–784. https://doi.org/10.1016/j.jclinepi.2011.10.019.
22. Cortés-Reyes É., Rubio-Romero J., Gaitán-Duarte H. Métodos estadísticos de evaluación de la concordancia y la reproducibilidad de pruebas diagnósticas. Rev Colomb Obstet Ginecol. 2010. Vol. 61(3). P. 247–255. https://doi.org/10.18597/rcog.271.
23. Gamble P., de Beer J., Petruccelli D., Winemaker M. The accuracy of digital templating in uncemented total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 2010. Vol. 25(4). P. 529–532. https://doi.org/10.1016/ j.arth.2009.04.011.
24. Oddy M. J., Jones M. J., Pendegrass C. J., Pilling J. R., Wimhurst J. A. Assessment of reproducibility and accuracy in templating hybrid total hip arthroplasty using digital radiographs. J Bone Joint Surg Br. 2006. Vol. 88. P. 581–585. https://doi.org/10.1302/0301-620X.88B5.17184.
25. Wang Q., Xiao J., Zhu L., Zhao X., Liu Z., Wang J., Qin Y. Acetate templating on calibrated standing digital radiograph improves accuracy of preoperative templating for total hip arthroplasty. Orthop Traumatol Surg Res. 2017. Vol. 103(3). P. 341–347. https://doi.org/ 10.1016/j.otsr.2016.12.022.
Опубліковано
2024-07-02
Як цитувати
Залевська, О. В., Можаровський, В. М., Суворов, Л. В., Половий, А. С., & Олєнєва, К. Д. (2024). МОДЕЛЮВАННЯ КОЛІННОГО СУГЛОБА З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДІВ ГЕОМЕТРИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ТА ФРАКТАЛЬНОЇ ГЕОМЕТРІЇ НА ОСНОВІ ДАНИХ З МАГНІТНО-РЕЗОНАНСНОЇ ТЕРАПІЇ. Праці Таврійського державного агротехнологічного університету імені Дмитра Моторного, 24(2), 166-175. https://doi.org/10.32782/2078-0877-2024-24-2-14
Розділ
Комп'ютерні науки
