CC BY
25
Доклады БГУИР
2014 № 3 (81)
УДК 616.711
ОБЪЕКТИВИЗАЦИЯ НАРУШЕНИЙ БИОМЕХАНИКИ ПОЯСНИЧНОГО ОТДЕЛА ПОЗВОНОЧНИКА ПО ДАННЫМ ВИДЕОАНАЛИЗА У ПАЦИЕНТОВ С НЕВРОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЯВЛЕНИЯМИ ОСТЕОХОНДРОЗА
С.А. ЛИХАЧЕВ, С В. ЕЛЕНСКАЯ *, В В. ВАЩИЛИН, И.С. ГУРСКИЙ
ГУ «РНПЦ неврологии и нейрохирургии» Скорины, 24, 220030, Минск, Беларусь
*ГУ «Республиканский госпиталь Департамента финансов и тыла МВД Республики Беларусь»
Золотая Горка, 4, 220005, Минск, Беларусь
Поступила в редакцию 1 апреля 2014
Разработан новый метод объективизации движений в поясничном отделе позвоночника. Метод осуществляется за счет видеорегистрации цветовых маркеров, размещенных на коже над остистыми отростками позвонков поясничного отдела позвоночника. Приведен математический инструмент для обработки полученных данных.
Ключевые слова: позвоночник, остеохондроз, функциональные пробы, видеорегистрация, видеоанализ движений.
Введение
Оценка движений позвоночника важна для диагностики вертеброгенных заболеваний, сопровождающихся поясничными или шейными болевыми синдромами, повышением мышечного тонуса, ограничением объема движений. В клинической практике оценка движений в позвоночнике проводится врачом путем визуального наблюдения за движениями анатомических ориентиров при выполнении пациентом определенных функциональных проб, таких как наклоны вперед, назад, вправо и влево [1]. Подобная оценка движений позвоночника в значительной степени субъективна.
Используемые угломеры требуют затраты времени и оценка углов также субъективна. Для измерения подвижности позвоночника во фронтальной плоскости может использоваться транспортир со стрелкой [2]. Широко используются в объективизации патологии позвоночника рентгенологические методы, в которых положение позвонков в процессе выполнения функциональных проб оценивают, просвечивая рентгеновскими лучами соответствующий отдел позвоночника [3]. Однако частое применение рентгенологических методов ограничено допустимой лучевой нагрузкой.
Целью работы явилась разработка метода объективизации движений поясничного отдела позвоночника во фронтальной плоскости у пациентов с неврологическими проявлениями поясничного остеохондроза (НППО) с помощью видеоанализа. Сущность способа заключается в регистрации видеокамерой максимальных наклонов пациента вправо и влево (функциональных проб), с последующей обработкой на компьютере полученных видеоизображений.
Методика исследования
Способ реализуют следующим образом: на коже пациента над остистыми отростками ТН12, Ь1, Ь2, Ь3, Ь4, Ь5, 51 позвонков закрепляют маркеры, выполненные в виде окрашенных в красный цвет полимерных сфер на плоском основании. Исследование проводят в обычных условиях освещенности рассеянным светом. Посредством цифровой видеокамеры с частотой
30 кадров в секунду с расстояния 1 м регистрируют цветное видеоизображение маркеров в процессе выполнения следующих функциональных проб: наклоны влево и наклоны вправо.
Для выполнения наклона влево пациент из исходной позиции с максимально комфортной скоростью наклоняется влево, скользя левой рукой вдоль бедра (насколько возможно, без ротации и наклонов вперед и назад), до ощущения боли или достижения максимально возможного объема движений в этом направлении. Затем пациент медленно возвращается в исходную позицию. После этого он выполняет наклон вправо аналогичным образом (рис. 1).
Рис. 1. Динамика движений пациента
Способ обработки полученных данных
На полученном с камеры изображении цвет каждого пикселя задается тремя числами: R, G, B, характеризующими интенсивность красного, зеленого и синего компонентов соответственно.
Для сравнения цвета пикселей изображения с известным цветом маркера изображение представляют в цветовом пространстве HSV.
Значение H («оттенок») рассчитывают по формуле:
H =
И0+ п, при (2R - G - B) = 0 AND (G - B) = 0,
(
arctan
0,866025404 •(G - B ) 0,5 •( 2R - G - B)
, при ( 2R - G - B )* 0 OR (G - B )* 0,
где Но - известный оттенок цвета маркера; Я, G и В - интенсивность красного, зеленого и синего компонентов пикселя соответственно.
Значение S («насыщенность») рассчитывают по формуле:
S =
0,0, при max(R, G, B) = 0: (max(R, G, B) - min(R, G, B))
max(R, G, B)
при max(R, G, B) Ф 0,
где R, G и B - интенсивность красного, зеленого и синего компонентов пикселя соответственно; max (R, G, B) - наибольшее из значений R, G и B; min (R, G, B) - наименьшее из значений R, G и B.
Величину D, характеризующую степень соответствия цвета пикселя известному цвету маркера, рассчитывают по формуле:
D = -
255 • S
1 + 4 • (sin(H0) - sin( H ))2 + 4 • (cos(H0) - cos(H) )2
где и Н - значения насыщенности и оттенка цвета пикселя, Но - значение оттенка цвета маркера. Чем больше величина В, тем больше цвет пикселя соответствует цвету маркера.
Значение функции Ж (х, у, г), характеризующей степень соответствия изображению маркера с координатами центра (х, у) и радиусом г рассчитывают по формуле:
W (x, y, r) = r
Z Du Z V
(,-xf +(j - y)2 <r2 ('-x)2 +Q--y)2e[r2,(2r)2 )
Z 1 Z 1
V
(i-x)2 +(j - y)2 <r2 (i-x)2 +(j-y)2 e[r2,(2r )2 )
где i, j - целые числа; D, - значение величины D (характеризующей степень соответствия цвета пикселя известному цвету маркера) для пикселя с координатами i, j; r - радиус маркера; х и y -координаты центра маркера.
Координату хт центра маркера рассчитывают по формуле: xm = arg max W(x, y, r), где
x
W (х, y, r) - функция, характеризующая степень соответствия изображению маркера с координатами центра (х, у) и радиусом r. При этом х6[хтт, Xmax], y6[ymm, ymax], r6[rmm, rmax] где хтт и Xmax - минимальное и максимальное значения координаты х, задающие область поиска маркера на изображении, ymin и ymax минимальное и максимальное значения координаты y, задающие область поиска маркера на изображении, rmm и rmax - минимальное и максимальное возможные значения радиуса маркера r.
Координату ym центра маркера рассчитывают по формуле: ym = arg max W (x, y, r), где
y
W (х, y, r) - функция, характеризующая степень соответствия изображению маркера с координатами центра (х, y) и радиусом r. При этом х6[х,ш, Xmax], y6[ymm, ymax], r6[rmin rmax], где Xmin и Xmax - минимальное и максимальное значения координаты х, задающие область поиска маркера на изображении; ymin и ymax - минимальное и максимальное значения координаты y, задающие область поиска маркера на изображении; rmin и rmax - минимальное и максимальное возможные значения радиуса маркера r.
Измерив на каждом изображении в последовательности из N изображений координаты каждого маркера, получают ряды данных:
1) Th\2хi - координата х центра маркера над Th 12 позвонком, Th12yi - координата y центра маркера над Th 12 позвонком, где i = 0... (N-1)- номер изображения;
2) Ь1хг - координата х центра маркера над L1 позвонком, L1yi - координата y центра маркера над L1 позвонком, где i = 0...(N-1) - номер изображения;
3) L2хi - координата х центра маркера над L2 позвонком, L2yi - координата y центра маркера над L2 позвонком, где i = 0. (N-1) - номер изображения;
4) L3хi - координата х центра маркера над L3 позвонком, L3yi - координата y центра маркера над L3 позвонком, где i = 0. (N-1) - номер изображения;
5) L4хi - координата х центра маркера над L4 позвонком, L4yi - координата y центра маркера над L4 позвонком, где i = 0. (N-1) - номер изображения;
6) L5хi - координата х центра маркера над L5 позвонком, L5yi - координата y центра маркера над L5 позвонком, где i = 0. (N-1) - номер изображения;
7) Stet - координата х центра маркера над S1 позвонком, S1yi - координата y центра маркера над S1 позвонком, где i = 0...(N-1) - номер изображения.
Время ti, когда было получено i-ое изображение, рассчитывают по формуле ti = i/fps, где fps = 30 Гц - частота следования кадров.
Таким образом получают зависимость координат центров маркеров (^^х^ Th12yi), (L^i, L1yi), L2yi), ^3хи L3y1), L4y-), (L5хi, L5yi), (S1Xi, S1yi) от времени ti,
отражающую движения исследуемого отдела позвоночника.
Для оценки движений позвонков в смежных сегментах рассчитывают значения углов Th12L1L2, L1L2L3, L2L3L4, L3L4L5, L4L5S1, образованных прямыми, соединяющими центры трех маркеров над тремя соседними позвонками поясничного отдела позвоночника (например, угол L2L3L4, образованный центрами маркеров над позвонками L2, L3 и L4 на рис. 2).
Рис. 2. Схема движений отделов позвоночника
Обозначим как ф(Ах, Ay, Bx, By, Cx, Cy) угол, образованный центрами маркеров A, B и C с координатами (Ax, Ay), (Bx, By), (Cx, Cy) соответственно, причем B - вершина угла (рис. 2). Точки A, B и C образуют треугольник ABC, стороны которого AB, BC и AC рассчитывают по формулам:
(B - A )2+(B - Л )2, = , .
Значение ф (Ax, Ay, Bx, By, Cx, Cy) (в градусах) рассчитывают по формуле:
Ф( Ax,Ay,Bx,By,Cx,Cy) =
180 AB2 +BC2 - AC2 // „ „ Wn „ „ w „
. arccos-. , при ((By - Ay )-(Cx - A )-(B, - A^ )• (Cy - Ay )) > 0,
n
2 -VAB2 • BC2 AB2 +BC2 - AC2
^n 180
360---arccos ._
n 2 VAB2 • BC2
при ((By - Ay )-(Cx - Ax)-(Bx - Ax )-(Cy - Ay ))< 0.
Искомые значения углов на /-ом изображении Th12L1L2/, L1L2L3/, L2L3L4/, L3L4L5i, L4L5Sli рассчитывают по формулам:
Th12L1L2¡ = ф(Th\2x¡,Th\2y¡,L\x¡,L\y¡,L2x¡,L2y¡), L1L2L3, = ф( L\xi,L\yi,L7xi,L2yi,L3xi,L3yi), L2L3L4 = ф(L2x. ,L2y¡ ,L3x¡, L3y¡, L4x , L4y ), L3L4L5, = ф(L3x¡,L3y¡,L4x¡,L4y¡,L5x¡,L5y¡), L4L5S1, = ф(L4x¡,L4y¡,L5x¡,L5y¡,S1x¡,S1y¡).
Для оценки объема движений отдела позвоночника в целом рассчитывают значение общего угла р, между прямой, проведенной через центры маркеров над двумя верхними позвонками (Thl2 и L1), и прямой, проведенной через центры маркеров над двумя нижними позвонками (L5 и S1) исследуемого отдела (рис. 2).
Обозначим как a(Ax, Ay, Bx, By, Dx, Dy, Ex, Ey) угол, образованный прямой, проходящей через центры маркеров A и B с координатами (Ax, Ay), (Bx, By) соответственно, и прямой, проходящей через центры маркеров D и E с координатами (Dx, Dy), (Ex, Ey) соответственно; прямые пересекаются в точке O. Построим отрезок BC, параллельный DE; тогда ZABC = ZAOE = a. Координаты (Cx, Cy) точки C рассчитывают по формулам: Cx = Bx+Ex-Dx; Cy = By+Ey-Dy. Точки A, B и C образуют треугольник ABC, стороны которого AB, BC и AC рассчитывают по формулам:
AB = J (Bx - Ax )2 + (By - Ay )2, BC = J(B-CJ+(B-CJ, AC = J (Cx - Ax )2 + (Cy - Ay )2.
Значение угла a(Ax, Ay, Bx, By, Dx, Dy, Ex, Ey) (в градусах) рассчитывают по формуле:
((A ,А ,В ,В ,D ,D ,Е ,E ) =
у х' у' х' у' х' у' х' у/
180 АВ2 +ВС2 - АС2
--агссо8
п
,при (( Ву - АУ - А НВ' - А НС - АУ ))" °
г-Лй^ ^Ри (( ВУ - АУ - А -А У(су - А ^
„^ 180 АВ2 +ВС2 - АС
360---агссо8
п
Искомое значение общего угла на /-ом кадре рг- рассчитывают по формуле: Р = а(ТИ\2х[,ТИ\2у[,Ых[,Ь\у[,Ь5х[,Ь5у[,81х[,8\у[). Для характеристики изменения углов при выполнении функциональной пробы используют угловые отклонения, которые рассчитывают по формулам:
Арг- = рг-ро,
АТНИПЫг = ГНИПЫг - TН12Z1Z2о, АL1Z2Z3г = ЫЬ2Ь3г - Z1Z2Z3о, АZ2Z3Z41 = Z2Z3Z4г - Z2Z3Z4о, А!314!,5г- = Z3Z4Z5г - Z3Z4Z5о, АL4Z5S1г = Z4Z5S1г - Z4Z5S1о,
где Арг - значение углового отклонения угла р для г-ого кадра, рг- - значение угла р для г-го кадра; ро - значение угла р для первого кадра (до начала выполнения функциональной пробы); АTН12Z1Z2г - значение углового отклонения угла TН12Z1Z2 для г-ого кадра; TН12Z1Z2i -значение угла TН12Z1Z2 для г-го кадра; TН12Z1Z2о - значение угла TН12Z1Z2 для первого кадра; АL1Z2Z3г - значение углового отклонения угла Z1Z2Z3 для г-ого кадра; Z1Z2Z3i - значение угла Z1Z2Z3 для г-го кадра; Z1Z2Z3о - значение угла Z1Z2Z3 для первого кадра; АL2Z3Z4i - значение углового отклонения угла Z2Z3Z4 для г-ого кадра; Z2Z3Z4i - значение угла Z2Z3Z4 для г-го кадра; Z2Z3Z4о - значение угла Z2Z3Z4 для первого кадра; АL3Z4Z5i - значение углового отклонения угла Z3Z4Z5 для г-ого кадра; Z3Z4Z5i - значение угла Z3Z4Z5 для г-го кадра; Z3Z4Z5о - значение угла Z3Z4Z5 для первого кадра; АL4Z5S1i - значение углового отклонения угла Z4Z5S1 для г-ого кадра; Z4Z5S1i - значение угла Z4Z5S1 для г-го кадра; Z4Z5S1о - значение угла Z4Z5S1 для первого кадра.
Максимальное по модулю значение углового отклонения тах(Арг), достигнутое во время функциональной пробы, используют для характеристики объема движений в поясничном отделе позвоночника в целом. Находят т - номер кадра, на котором значение Ар достигло тах(Арг). Значения АTН12Z1Z2m, АL1Z2Z3m, АZ2Z3Z4m, АL3Z4Z5m, АL4Z5S1m, используют для характеристики объема движений в соответствующих сегментах поясничного отдела позвоночника.
Результаты и их анализ
Пациент О. 60 лет поступил в 1-е неврологическое отделение ГУ РНПЦ неврологии и нейрохирургии с жалобами на стойкие боли в пояснице, онемение голеней и стоп. Движения позвоночника были исследованы вышеописанным способом.
Результаты измеренных величин углов до выполнения функциональных проб (до пробы - влево, до пробы - вправо), величин углов при максимальном отклонении влево (макс. влево) и вправо (макс. вправо), величины соответствующих угловых отклонений (А влево и А вправо) представлены в таблице.
Величины углов поясничных сегментов по данным видеоанализа движений поясничного отдела
позвоночника пациента О.
Угол до пробы-влево макс. влево А влево до пробы-вправо макс. вправо А вправо
р 185,2 194,6 9,4 186,1 17о,3 -15,8
тшш 179,5 182,6 3,1 179,9 171,о -8,9
L1L2L3 181,6 189,о 7,4 181,4 182,8 1,4
L2L3L4 184,7 184,4 -о,3 184,9 174,1 -1о,8
L3L4L5 179,2 18о,4 1,1 18о,9 177,6 -3,2
L4L5S1 18о,4 188,8 8,5 178,7 176,9 -1,8
Из таблицы видно, что максимальное угловое отклонение поясничного отдела позвоночника в целом (р) при наклоне вправо превышает по модулю таковое для наклона влево
(-15,8 и 9,4 градуса соответственно). Угловое отклонение в сегментах Th\2-L\-L2 при наклоне вправо превышает по модулю таковое при наклоне влево (-8,9 и 3,1 градуса соответственно). Угловое отклонение в сегментах L1-L2-L3 при наклоне влево превышает по модулю таковое при наклоне вправо (7,4 и 1,4 градуса соответственно). Угловое отклонение в сегментах L2-L3-L4 при наклоне вправо превышает по модулю таковое при наклоне влево (-10,8 и -0,3 градуса соответственно). Угловое отклонение в сегментах L4-L5-S1 при наклоне влево превышает по модулю таковое при наклоне вправо (8,5 и -1,8 градусов соответственно).
По результатам исследования можно сделать заключение: у пациента выраженное ограничение наклонов туловища влево и умеренное ограничение наклонов вправо. На уровне L2L3L4 зафиксировано отсутствие движения в этом сегменте, а при наклоне вправо зарегистрирован наибольший изгиб позвоночной дуги, что может говорить о локальной миофиксации слева. Полученные данные соответствуют данным неврологического статуса.
Заключение
Таким образом, нами разработан метод регистрации движений позвоночника во фронтальной плоскости, позволяющий зафиксировать, обработать и изучить биомеханику позвоночно-двигательных сегментов поясничного уровня. Отсутствие лучевой нагрузки позволяет контролировать заболевание в динамике, не ограничивая количество обследований, сохраненные результаты обследования на бумажных носителях или в электронном виде могут быть использованы для последующей экспертной оценки состояния здоровья.
THE OBJECTIVITY OF BIOMECHANICAL DISORDERS OF THE LUMBAR SPINE ACCORDING TO VIDEO ANALYSIS IN PATIENTS WITH NEUROLOGICAL MANIFESTATIONS OF SPINE OSTEOCHONDROSIS
S.A. LIKHACHEV, S.V. ELENSKAYA, V.V. VASHCHYLIN, IS. GOURSKY
Abstract
A new method for objective movement registration of lumbar spine is developed. Method is implemented by means of videoregistration of color markers situated at the skin over the lumbar spine spinous processes. Mathematic tool is demonstrated for processing of the data acquired.
Список литературы
1. Недзьведь Г.К., Анацкая Л.Н., Забаровский В.К. и др. Клиника, диагностика и лечение дисфиксационных синдромов поясничного остеохондроза. Минск, 1993.
2. Билялов М.Ш., Веселовский В.П., Попелянский А.Я. и др. Особенности клинического обследования при вертеброгенных заболеваниях нервной системы. Казань, 1980.
3. ТагерИ.Л. Рентгенодиагностика заболеваний позвоночника. М., 1985.
