Введение к работе
Актуальность исследования. На сегодняшний день одной из важнейших областей приложения современных методов визуализа ции, математического моделирования и обработки информации является компьютерная медицинская диагностика Важная роль отводится диагностике патологий сердечно-сосудистой системы (ССС), так как именно они занимают одно из первых мест среди причин заболеваний и смерти трудоспособного населения Академик РАИ М П Рощевский убежден, «что диагностика сердечно-сосудистой системы будущего будет основываться на моделировании злекіричс-ских процессов в сердце по электрокардиографическим данным, полученным на поверхности тела» При этом использование графических представлений делает более доступным выполнение мнопнх исследований, связанных с изучением и моделированием работы сердца. Визуализация становится инструментом анализа решения. Ключевым элементом подсистем визуализации является трехмерная модель сердца
В связи с этим построение геометрической модели сердца, отвечающей требованиям адекватности, ресурсоемкое ги и визуализация состояния сердца средствами компьютерной графики, является актуальной научной задачей, решение которой позволит вывести диагностику состояния ССС на качественно новый уровень.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка способов и средств, позволяющих синтезировать трехмерное изображение сердца, включая его внутреннее строение, и отображать диагностическую информацию на визуальной модели сердца
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Определить функции визуализации на основе анализа процесса диагностики состояния сердца
-
Проанализировать и разработать способы формирования и визуализации объемного представления сердца
-
Выбрать способ формирования поверхностного представления сердца и отображения диагностической информации на визуальной модели сердца
4 Реализовать способы визуализации состояния сердца.
Объектом исследования является визуализация состояния сердца
Предметом исследования являются способы и средства математического описания и визуализации сложных трехмерных объектов
Методы исследования Для решения поставленных задач использовались теоретические основы диагностики состояния ССС, аналитической геометрии, геометрического моделирования, объемного моделирования, топологии, а также математический аппарат компьютерной графики
Научная новизна исследования состоит в следующем
1 Предложена новая методика визуализации состояния сердца, которая позволяет наглядно представить результаты диагностики состояния сердца Данная методика основана на использовании объемной и поверхностной моделей сердца
2. Впервые в визуализации предложен фрактальный алгоритм математического описания воксельного заполнения каркасного объекта и рекурсивного деления пространства объекта на основе систем итерированных функций, позволяющий оптимизировать формирование объемного представления трехмерных объектов
-
Предложен новый способ изменения разрешения объемного представления объекта путем перехода между уровнями восьмеричного дерева (octree), позволяющий оптимизировать формирование изображения при изменении размера области вывода и приближении/удалении объекта
-
Предложен способ определения направления нормали к элементу дискретного пространства (вокселю), позволяющий оптимизировать вычисление нормалей и повышать реалистичность визуального изображения сердца.
5. Предложен новый способ генерирования текстуры для визуализации диагностической информации на поверхности модели сердца
Практическая значимость исследования заключается в следующем
1. Предложенные способы и средства визуализации трехмерных объектов, позволяющие синтезировать реалистичное трехмерное изображение сердца, могут быть использованы как основа визуализации в новых методах кардиодиагностики Результаты диссертационного исследования используются в подсистеме визуализации диагностической системы «Кардиовид» для наглядного представления
диагностической информации Макетный образец системы «Кардио-вид» проходит испытания в ЗАО «НПП "Антарес"», г Москва
-
Полученная в процессе выполнения работы объемная модель сердца используется для обучения студентов медицинских специальностей. Специальная интерактивная обучающая система внедрена в Медицинском институте Пензенского государственного университета
-
Способы получения и визуализации объемного представления ірехмерньїх объектов и метод генерирования текстуры нашли свое применение в системе визуализации полета, наблюдения за виртуальной визуальной обстановкой за бортом летательного аппарата и обучения пилотов. Система визуализации полета внедрена в ЦПК им Ю. А. Гагарина
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы прошли апробацию на научных конференциях, среди которых Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2004), XVII и XVIII конференции профессорско-преподавательского состава и студентов ПТУ (Пенза, 2006, 2007), III Международная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2006), IV Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2006), конференция «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Нижний Новгород, 2007), Всероссийский конгресс «Неинвазивная электрокардиология в клинической медицине» (Москва, 2007) Разработка была удостоена золотой медали ВВЦ на I Международной выставке «Интеллектуальные и адаптивные роботы» (Москва, 2005)
Положения, выносимые на защиту'
1. Визуализация состояния сердечно-сосудистой системы на основе геометрической модели сердца, позволяющая отображать внутреннюю структуру сердца и диагностическую информацию, является неотъемлемой частью нового способа кардиодиагностики
2 Фрактальный подход, основанный на использовании систем итерированных функций, обеспечивает формализацию алгоритма рекурсивного деления пространства объекта и формирование объемного представления сердца.
3. Алгоритм изменения разрешения объемного объекта путем перехода между уровнями восьмеричного дерева (octree) и алгоритм определения направления нормали к элементу дискретного пространства на основе анализа его окрестности позволяют оптимизировать формирование и повысить реалистичность изображения объемного объект
4 Способ наложения по маске различных образцов текстур позволяет генерировать текстуры для визуализации диагностической информации
Публикации. Основные положения работы представлены в 13 публикациях, в том числе 3 патентах РФ, 1 зарегистрированной нрої раммной разработке, 9 статьях и тезисах конференций, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (105 наименований) и 3 приложений. Общий объем составляет 137 страниц основного машинописного чексіа Работа содержит 68 рисунков, 8 таблиц
