CC BY
11
УДК 004.932.4 Б01: 10.20998/2411-0558.2016.44.10
А.Ю. Т1ТОВА, асп. ДонНТУ, Покровськ
РОЗРОБКА МОДЕЛ1 ФОРМУВАННЯ ТЕРМОГРАМИ
МОЛОЧНИХ ЗАЛОЗ НА ОСНОВ1 ПЕРЕТВОРЕННЯ
ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОКАЗНИК1В ТЕРМОГРАФА
Проаналiзовано принципи формування термограм в сучасних системах дiагностики онкологiчних захворювань молочних залоз на основi термографи та визначеш етапи формування теплового зображення. Розроблено аналггичну модель формування термограми молочних залоз ж1нок та проведено аналiз И адекватностi. 1л.: 2. Бiблiогр.: 10 назв.
Ключовi слова: термограма молочних залоз, дiагностика онколопчних захворювань, аналiтична модель.
Постановка проблеми. Активний розвиток шформацшних технологш д1агностики онколопчних захворювань молочно! залози (МЗ) сприяе створенню новптах та ефективних засоб1в для раннього виявлення та лжування раку. Використання контактно! термографа в процес первинно! д1агностики захворювань МЗ дае хорош1 показники виявлення пащент1в групи ризику [1, 2]. 1снуюч1 комп'ютерш системи реал1зують кшькюний анал1з температурних показниюв при вщбор1 термограм з патолопчними змшами. Для розвитку даного виду д1агностики раку МЗ актуальною задачею являеться розробка аналогично! модел1 формування термограми на основ1 перетворення температурних показниюв контактного термографа для забезпечення можливосп в1зуального анал1зу отриманого зображення.
Анал1з лггератури. Зараз юнуе багато р1зних способ1в реестрацп температури шюри та вщображення даних у вигляд1 термограм. Автори [3] створили кругов! зображення температурно! карти кожно! МЗ з 1зотерм1чними лЫями та топограф1чними зонами. В [4] температурна карта МЗ пащента тсля обстеження контактним термографом представлена кольоровими прямокутниками з границями позицш сканера та датчиюв чорного кольору. В рамках розвитку контактно! об'емно! термографа створено двохвим1рне та трьох вим1рне теплов1 зображення, що вщображають температуры змши в тканиш МЗ глибиною до 8 см [5]. В [6,7] сформовано кольорове теплове зображення верхньо! частина тша з температурною чутливютю 0,07 °С. Автором [8] визначена роль анал1зу термограм, створених на баз1 мшроболометрично! матриц з форматом 384 х 288 елемешив в дiагностицi гострих параназальних синутв. В [9] iнфрачервонi термограми реестрували безконтактним термографом зi спектральною чутливютю 8 - 12 мкм, програмне забезпечення
© А.Ю. Титова, 2016
комп'ютерно'' системи дiагностики створило оброблене кольорове зображення грудей.
Термограми, що створюються юнуючими системами зазвичай, мають низьку якють зображення, нестандартне розширення, котре значно ускладнюе автоматизацiю вiзуальноi обробки або додатковi елементи -границi квадран^в та кольорових квадратiв, iзотерми, мггки соска, якi необхiдно вилучати перед подальшою обробкою, тому в данш роботi запропоновано розробити нову модель формування термограми.
Мета дослщження - розробка анал^ично'' моделi формування термограми на основi перетворення температурних показниюв термографа в кольорове зображення при створенш шформацшно'' технологи дiагностики онколопчних захворювань МЗ.
Для досягнення дано'' мети необхщно вирiшити наступнi задача
- визначити етапи формування теплового зображення;
- формалiзувати змiннi та залежносп моделi формування термограми;
- дослщити застосування розроблено'' моделi на конкретних прикладах.
Матер1али досл1дження. Об'ектом дослiдження е температурнi показники шкiри МЗ, що отримаш в процесi обстеження контактним термографом цифровим (КТЦ). В КТЦ сканер представляе собою матрицю штелектуальних датчикiв-термометрiв, що дозволяе вимiрювати коливання температури з розподшьною здатнiстю 0,06 °С, шляхом послiдовного позицiонування даних датчиюв на обстежуваних дiлянках шюри [4]. Показання датчикiв завжди виводяться у вщповщнш послiдовностi та в сукупносп дають карту розподiлу температури дшянки тiла, котру потрiбно обстежити. Масив температур заноситься в файл з розширенням *mmg, з якого необхщно вилучити потрiбну iнформацiю для подальшого дослiдження.
Координатна сiтка вихщного файлу складаеться з чотирьох рядюв (Row) та восьми стовбцiв (Col), що вщповщають позицiям сканера при обстеженш. Всi данi роздiляються на двi половини, отриманi показники для право'' МЗ розмщеш з нульового по третш стовпець по вам рядкам координатно'' сiтки та лiвоi МЗ - з четвертого по восьмий стовпець координатно'' сiтки файлу, що розбиваються на однакову кшькють полiв (квадрантiв). Кожна позицiя сканера - квадрант даних - вщповщае 36 значенням температури шюри з матриц iнтелектуальних датчикiв.
Квадранти з температурними даними можуть займати всю координатну сггку, що обумовлено фiзiологiчними особливостями МЗ пащента або мати додатковi квадранти внизу основного зображення МЗ -це окремо знят температуры показники соска вщповщних МЗ.
Квадранти складаються з 36 маленьких квадра^в, котрi вщповщають температурi з датчикiв-термометрiв. Все це необхщно враховувати при розробцi алгоритму читання даних з вихщного файлу та формування масиву температур. Описана координатна сггка файлу з розширенням *шш§ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Координатна сггка файлу з розширенням *mmg
Як видно з рис. 1, n, m = 0; 6 - номери строки та стовпця одного
датчика термографа з 36 датчиюв одше! позици сканера, row = 0;3 -кшькють позицш сканера по строкам для 36 датчиюв термографа, col = 0;7 - кшькють позицш сканера по стовпцям для 36 датчиюв.
При розробщ анал1тично! модел1 формування термограми запропоновано створити теплове зображення з термограмами право! та л1во! МЗ, квадрантами та кольоровими квадратами, що не мають границь. Термограма представляв собою теплове випромшювання шюри, тому для бшьшого в1зуального сприйняття медичним персоналом та пащентами необхщно використати кольорову модель RGB для заповнення квадрат1в кольорами, що вщповщають значенням температури з датчиюв термографа. Тобто, основна щея формування теплового зображення - це проецшвання температурних показниюв в певний кольоровий тон, яким заповнюеться кожен з 36 квадрат1в квадранту термограми.
Для цього слщ виконати наступш етапи:
1. Зчитати з файлу з розширенням *mmg потр1бну шформацш.
2. Сформувати масив температур.
3. Розрахувати основш температурш показники.
4. Обрати початков1 значення параметр1в кольорово! модел1 HSV.
5. Розрахувати температурний коефщент.
6. Отримати наб1р нормованих значень кольорового тону.
7. Конвертувати даш в кольорову модель RGB.
8. Намалювати квадрат кольору, що вщповщае певному значенню температури кожного з 36 датчиюв сканера термографа.
Для вилучення температурних показниюв з текстового формату файлу з розширенням *mmg потрiбно врахувати всi особливосп розмiщення даних в координатнiй сггщ файлу.
Потiм показники, що вщповщають значенням температури дiлянки шкiри, послщовно заносяться в масив температур {ti j} з урахуванням кшькосп квадратiв в квадрантах та кшькосп квадрантiв у вихiдному файлi, i = 0; 23 - номери строк положення датчика (значення
температури) в координатнш сгтщ вихiдного файлу, j = 0; 47 - номери стовпщв кожного значення температури в координатнш сгтщ.
Для вщповщносп показникам температури параметрам кольорово! моделi необхiдно розрахувати максимальне та мшмальне значення температури з набору температур:
tmax = max{ti,j}, i = 07Z3, j = 0~47, (1)
i,J
де tmax - максимальне значення температури з вах температурних показникiв вихiдного файлу;
tmin = max{ti,j}, i = 07^3, j = 0~47, (2)
'J
де t min - мЫмальне значення температури з набору температур.
В термограмi для малювання маленького квадрату певного кольору палпри RGB необхщно перетворити показники температури, використовуючи спектр кольорово! моделi HSV. Вщомо, що дана модель описуе колiрний простiр, заснований на трьох характеристиках кольору: колiрному тонi (Hue), насиченосп (Saturation) i значення кольору (Value) або яскравосп (Brightness).
Колiрний тон (H) вимiрюеться вiд 0 до 360°, значення якого вщповщають певному кольору об'екта, де 120 - зелений, 240 - синш, 355 - червоний. Насиченють (S) - це стввщношення основного тону та рiвному йому за яскравiстю безбарвного арого, що вимiрюеться вiд 0 до 100% (0 позначае вщсутнють кольору або вщтшок сiрого, 100 -насичений колiр), чим менше значення насиченостi тим складнiше визначити колiр. Яскравiсть (V) - вимiрюеться вiд 0 до 100%, де 0 позначае чорний колiр, а 100 - бший або в будь-якому ступеш насичений колiр. Виходячи з цього, обраш початковi значення параметрiв кольорово! моделi, а саме: S = 100 - початкове значення насиченосп кольору; V = 100 - початкове значення яскравосп кольору;
119
palmax = 360 - обране максимальне значення кольорового тону HSV моделц palmin = 120 - встановлене мЫмальне значення кольорового тону кольорово'' моделi HSV [10].
З урахуванням температурних показниюв термографа необхiдно перерахувати параметри кольорово'1 моделi HSV в значення кожного спектру кольорово'1 моделi RGB на основi вихiдних даних. Для цього слщ обчислити температурний коефщент, що дозволить провести масштабування значення температури в колiр певного тону, за наступною формулою
k = (palmax — palmin V(tmax — ^min ),
де k - температурний коефщент кольорово'' моделi HSV.
Потiм параметр кольорового тону H кожного квадрата термограми треба розрахувати з використанням температурного коефщенту для перетворення значень температури в значення кольорового тону на основi формули виду:
Hi, j palmin + (fi, j ^min ) k,
де Hi j - набiр значень кольорового тону вах квадратiв термограми,
даш якого вiдповiдають температурним показникам.
Тепер необхщно розрахувати додатковi параметри на основi параметрiв кольорово'' моделi HSV, що використовуються для формування компонент кожного кольору з RGB спектру, за наступними формулами:
Нj =(Hi j / 6o)mod 6, Vmin = ((10,0 - S )V)/100,
(V-Vmin)(Hi,j mod60/60),
ai, i
де Н\ i - Ha6ip нормованих значень кольорового тону, Fmjn - отримане
мЫмальне значення яскравосп, aj у - додатково введений параметр.
Останшм етапом формування термограми в запропонованш аналiтичнiй моделi е розрахунок кольорiв спектру RGB та малювання квадра^в певного кольору. Якщо значення температури з вихщного файлу дорiвнюе нулю - то це пуст квадрати, що заповнюються сiрим кольором. Значення червоно'1, зелено! та синьо-блакитно! складово! спектру RGB, позначенi вщповщно Rj у , Gj у та Bj у розраховуються на
основi набору нормованих значень кольорового тону таким чином:
<
R j =
V, H¡ J = О або H¡ J = 5,
Vmin + Ъ H¡, J = 1,
Vmin, H¡, j = 2 або H i, j = 3, Vmin - a, Hi, j = 4,
G,j =
Vmin - «I, H¡, j = О, V, H¡ J = 1 або H¡ J = 2,
Vmin + a H¡, J = 3
Vmin, H¡, j = 4 або Hi j = 5,
V
min
H¡ J = О або H¡ J = 1,
B, j ^
min aHi , J 2,
V.
V, H¡ J = 3 або H¡ J = 4, Vmin + a H¡, j = 5-
Дaлi нeoбxiднo cтвopити фyнкцiю мaлювaння квaдpaтa (пpямoкyтникa) з викopиcтaнням пpoгpaмнo-aлгopитмiчниx зacoбiв тa poзpaxoвaниx cпeктpiв кoльopy RGB. Рeaлiзaцiя вcix eтaпiв aнaлiтичнoï мoдeлi фopмyвaння тepмoгpaм дoзвoляe oтpимaти тепгове зoбpaжeння, щй cклaдaeтьcя з кoльopoвиx квaдpaтiв. Пpoвeдeнo дocлiджeння зaпpoпoнoвaнoï aнaлiтичнoï мoдeлi нa 52 фaйлax з poзшиpeнням *mmg, щo пoкaзaлo aдeквaтнe пepeтвopeння тa вiдoбpaжeння тeмпepaтypниx пoкaзникiв y виглядi тepмoгpaм, пpиклaд oднieï тepмoгpaми з цьoгo нaбopy пpeдcтaвлeний нa pиc. 2.
Phc. 2. Тepмoгpaмa з пaтoлoгieю в л1вш МЗ
Висновки. В xoдi дocлiджeння визнaчeнi ocнoвнi eтaпи фopмyвaння тeплoвoгo зoбpaжeння, фopмaлiзoвaнo змiннi тa зaлeжнocтi
моделi формування термограми на основi перетворення температурних показниюв термографа, виконано дослщження застосування моделi на конкретних прикладах. Отримаш результати свщчать про можливiсть використання моделi пiд час формування термограм та !х в1зуально'1' обробки в iнформацiйнiй теxнологГi дiагностики онкологiчниx захворювань МЗ..
Список лiтератури: 1. Piana A. Contemporary evaluation of thermal breast screening /A. Piana - Pan American Journal of Medical Thermology. - 2014. - №. 1 (2). - Р. 93-100. 2. Дехтярев Ю.П. Место и роль дистанционной инфракрасной термографии среди современных диагностических методов / Ю.П. Дехтярев // Электроника и связь. - 2010. - № 2 (55). - C. 192-196. 3. Павлов А.С. Применение компьютеризированного радиотермометра РТМ-01-РЭС для выявления пациентов группы риска и для оценки эффективности лечения заболеваний молочных желез [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.resltd.ru/rus/literature/tmp/med_tech.pdf - Дата доступа: декабрь 2016. 4. Лях Ю. С. Розробка автоматизовано! експертно! системи для попередньоi' скринiнговоi' оцшки даних контактно1 цифрово1 термографи / Ю. С. Лях // Ушверситетська клшжа. -2011. - № 1. - С. 109-112. 5. Шихман С.М.Контактная объемная термография молочных желез / С.М. Шихман // Эндоскопическая хирургия. - 2007. - № 6. - С. 40-44.
6. Ковальчук И.С. Возможности дистанционной инфракрасной термографии в диагностике заболеваний молочных желез (доброкачественные изменения) / И.СКовальчук // Укр. мед. часопис. - 2013. - № 3 (92). - С. 165-169.
7. Котовський В.Й. 1нфрачервона термографiя як сучасний метод первинно1 дiагностики / В.Й. Котовський // Бюмед. iнженерiя. - 2011. - № 1. - С. 38-43.
8. Карчинський О. О. Використання дистанцiйноi' iнфрачервоноi' термографи в дiагностицi гострих параназальних синутв / О.О. Карчинський // Scientific Journal "ScienceRise: Medical Science". - 2016. - № 10 (6) - С. 13-19. 9. Milosevic M. Thermography based breast cancer detection using texture features and minimum variance quantization / M. Milosevic. - EXCLI Journal. - 2014. - Vol. 13. - Р. 1204-1215. 10. Ковалева И.Л. Получение и обработка изображений [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://rep.bntu.by/handle/data/1411 - Дата доступа: декабрь 2016.
References:
1. Piana, A. (2014), "Contemporary evaluation of thermal breast screening", Pan American Journal of Medical Thermology, No. 1(2), pp. 93-100.
2. Dekhtyarev, Y.P. (2014), "The place and role of remote infrared thermography among modern diagnostic methods", Electronics and Communications, No. 2 (55), pp. 192-196.
3. Pavlov, A.S. "The use of computer-RTM-01-RES to identify at-risk patients and to evaluate the effectiveness of treatment of breast", available at: http://www.resltd.ru/rus/literature/tmp/med_tech.pdf (accessed 15 December 2016).
4. Lyakh, Y.E. (2011), "Development of an automated expert system for pre-screening assessment data digital contact thermography", University Clinic, No. 1, pp. 109-112.
5. Shykhman, S.M. (2007) "Contact volumetric breast thermography", Endoscopic surgery, No. 6, pp. 40-44.
6. Kovalchuk, I.S. (2013), "Features remote infrared thermography in the diagnosis of breast disease (benign changes)", Ukr. med. magazine, No. 3 (92), pp. 165-169.
7. Kotovsky, V.I. (2011), "Infrared thermography as a modern method of primary diagnosis",
Biomed. Engineering, No. 1, pp. 38-43.
8. Karchynskyy, A.A. (2016), "Using remote infrared thermography in the diagnosis of acute paranasal sinusitis", Scientific Journal "ScienceRise: Medical Science", No. 10 (6), pp.13-19.
9. Milosevic, M. (2014), "Thermography based breast cancer detection using texture features and minimum variance quantization", EXCLI Journal, Vol. 13, pp. 1204-1215.
10. Kovaleva, I.L. (2008), "Production and processing of images", available at: http://rep.bntu.by/handle/data/1411 (accessed 16 December 2016).
Статтю представив д-р техн. наук, проф. ДонНТУ Федоров С. С.
Надшшла (received) 21.12.2016
Titova Anastasiya, postgraduate
Donetsk National Technical University
square Shybankova, 2, Pokrovsk, Donetsk region, 85300, Ukraine
Tel.: (095) 333-51-01, e-mail: a.titova.wk@gmail.com
ORCID ID: 0000-0002-4803-2090
УДК 004.932.4
Розробка моделi формування термограми молочних залоз на 0CH0Bi перетворення температурних показнишв термографа / Тггова А.Ю. // Вiсник НТУ "ХШ". CepiH: 1нформатика та моделювання. - Харшв: НТУ "ХШ". - 2016. - № 44 (1216). - С. 116 - 124.
Проаналiзовано принципи формування термограм в сучасних системах дiагностики онкологiчних захворювань молочних залоз на OCTOBi термографп та визначеш етапи формування теплового зображення. Розроблено аналггачну модель формування термограми молочних залоз жшок та проведено аналiз И адекватностi. 1л.: 2, Бiблiогр.: 10 назв.
Ключовi слова: термограма молочних залоз, дiагностика онкологiчних захворювань, аналогична модель.
УДК 004.932.4
Разработка модели формирования термограммы молочных желез на основе преобразования температурных показателей термографа / Титова А.Ю. // Вестник НТУ "ХПИ". Серия: Информатика и моделирование. - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2016. -№ 44 (1216). - С. 116 - 124.
Проанализированы принципы формирования термограмм в современных системах диагностики онкологических заболеваний молочных желез на основе термографии и определены этапы формирования теплового изображения. Разработана аналитическая модель формирования термограммы молочных желез женщин и проведен анализ ее адекватности. Ил.: 2, Библиогр.: 10 назв.
Ключевые слова: термограмма молочных желез, диагностика онкологических заболеваний, аналитическая модель.
UDC 004.932.4
Developing model of forming breast thermal images on the basis of the transformation by temperature indicators of thermograph / Titova A.Yu. // Herald of the National Technical University "KhPI". Subject issue: Information Science and Modelling. -Kharkov: NTU "KhPI". - 2016. - №. 44 (11216). - P. 116 - 124.
Analyzed the principles of forming thermal image in modern diagnostic systems of breast cancer based on thermography and defined stages of the thermal image. The analytical model of breast thermal image women was created and the analysis of its adequacy. Figs.: 2, Refs.: 10 titles.
Keywords: stages of thermal image, diagnostic systems of breast cancer, analytical
model.
