science-review.ru
Одним из подходов к двухмерной визуализации результатов реконструкции измерений, полученных методом электроимпедансной томографии (ЭИТ), является построение сетки конечных элементов [1]. В работе описываются принципы построения программного обеспечения представления внутренних структур исследуемого объекта в виде трёхмерного изображения. Такое представление данных даст пользователю возможность изучения нескольких томографических срезов, получаемых устройством и лежащих в плоскости наложения электродных поясов. Для получения трехмерного изображения модели необходимо выбрать геометрические объекты, с помощью которых возможно построение структуры исследуемого объекта.
Целью данной работы является разработка программного обеспечения (ПО) модуля трехмерной визуализации в составе информационно-измерительной системы электроимпедансной томографии.
Для достижения поставленной цели в рамках данной статьи предлагается разработка принципов построения ПО, алгоритмов функционирования ИИС ЭИТ, трехмерной модели томографического среза исследуемого объекта. В результате предложена разработка программного обеспечения модуля трехмерной визуализации, выполняющего функции приема, обработки, анализа и реконструкции визуализации измерительных данных.
Материалы и методы исследования
В качестве трехмерного конечного элемента выбрана треугольная прямая призма, так как за основу трёхмерной модели взяты треугольные нерегулярные сетки конечных элементов [1], каждая из которых представляет отдельный томографический срез. Соответственно, получение необходимого трехмерного конечного элемента в виде треугольной прямой призмы осуществляется параллельным переносом исходной геометрической фигуры (треугольника) перпендикулярно плоскости, в которой он лежит. Изображение полученного трехмерного конечного элемента показано на рис. 1.
Рис. 1. Изображение конечного элемента томографического среза трехмерной ЭИТ
На рисунке представлен конечный элемент исходного томографического среза С1, лежащий в плоскости А1, в результате параллельного переноса образована плоскость А2 и принадлежащий ей элемент томографического среза С2, и, соответственно, объемный конечный элемент, применение которого возможно в трехмерной ЭИТ.
Средствами платформы Java [2, 3] разработан модуль monitoring3D, включающий в себя пакеты, необходимые для работы с геометрическими объектами и отображения графического интерфейса.
На рис. 2 представлена структура организации модуля monitoring3D:
Рис. 2. Структурная схема программного модуля monitoring3D
В программный модуль monitoring3D входят следующие компоненты:
1) пакет view, который содержит классы, отвечающие за визуальное отображение данных как результат отслеживания изменения модели;
2) пакет model, который содержит классы для работы с подключенным устройством, служащим источником измерительных данных;
3) пакет controllers содержит набор классов, который интерпретирует действия пользователя, оповещая модель о необходимости изменений, а также включает в себя классы, нужные для взаимодействия с пакетом пакетов view;
4) пакет shapes содержит класс для построения 3-мерной фигуры.
Взаимодействие пакетов организовано согласно шаблону проектирования (паттерну) MVC [4, 5], или «Модель-Вид-Контроллер», который обеспечивает разделение ПО на три отдельных компонента: модель, вид и контроллер.
С помощью МVC происходит разделение вида и модели, между ними устанавливается протокол взаимодействия «подписка/оповещение». Вид должен гарантировать, что внешнее представление отражает состояние модели. При каждом изменении внутренних данных модель оповещает все зависящие от нее виды, в результате чего вид обновляет себя. Такой подход позволяет присоединить к одной модели несколько видов, обеспечив тем самым различные представления. Также преимуществом используемого является возможность создания нового вида без необходимости изменения модели. Данные решения позволяют повысить гибкость данных модулей и сделать их максимально независимыми от других частей системы. Отдельные модули в дальнейшем можно будет использовать и в других системах. Таким образом, снижается проблема масштабируемости системы. В итоге использование выбранного шаблона проектирования позволило достичь следующих результатов:
– универсальность создаваемых модулей;
– упрощение процесса разработки программного обеспечения;
– гибкость проектирования;
– надежность, отказоустойчивость создаваемого программного продукта;
– масштабируемость выбранных технических решений.
Работа данного модуля происходит по следующему алгоритму: для отображения объекта визуализации в программе создается окно, содержащее трехмерную сетку конечных элементов, затем производится инициализация устройства – источника измерительных данных, которые по мере их получения реконструируются и визуализируются с помощью вышеуказанной трехмерной сетки в соответствии с расположением поясов пациента i. Блок-схема алгоритма показана на рис. 3.
Рис. 3. Блок-cхема алгоритма работы модуля monitoring3D
Создание треугольной прямой призмы
Построение трехмерного конечного элемента в виде прямой треугольной призмы реализовано с помощью платформы JavaFX, поддерживающей трехмерную компьютерную графику [6, 7], с использованием треугольной полигональной сетки. Трехмерная модель строится в прямоугольной декартовой системе координат.
С учетом того, что двухмерная модель строится на основе массива, хранящего координаты вершин треугольников [1], возможно использование данных координат для задания основания призмы. Высота призмы определяется координатой height, а соответственно, с ее помощью определяется высота и всего томографического среза.
Для создания прямой треугольной призмы осуществляется вызов соответствующей функции разработанного модуля – createTriangularPrism, в качестве аргументов указываются координаты основания призмы и её высота в прямоугольной декартовой системе координат.
Возможно задание дополнительных параметров визуализируемого трехмерного конечного элемента, таких как цвет и прозрачность, соответствующие результатам измерений для данного элемента.
Построение 3D модели
Таким образом, для перевода двухмерной модели, основанной на треугольной сетке конечных элементов, в трехмерную предлагается вместо построения двухмерных треугольников создание прямых треугольных призм на основе исходных данных координат. Полученная модель визуализирует внутренние структуры исследуемого объекта как множество сегментов – призм, цвет которых изменяется в зависимости от значения изменения электрической проводимости в каждом сегменте, полученного в результате проведенных измерений и реконструкции их результатов. На рис. 4, а, показана исходная двухмерная модель, на рис. 4, б, и 4, в, показана трехмерная модель, построенная по алгоритму, описанному выше.
а) б) в)
Рис. 4. а) сходная двухмерная модель томографического среза исследуемого объекта, б) полученная с помощью разработанного программного обеспечения трехмерная модель томографического среза исследуемого объекта, вид сверху, в) полученная с помощью разработанного программного обеспечения трехмерная модель пяти томографических срезов исследуемого объекта
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенных работ разработан программный модуль, позволяющий построить трёхмерный объект исследования в окне интерфейса, в реальном времени отображающий изменение электрических свойств внутренних структур исследуемого объекта на основе реконструкции результатов измерений. В лабораторных условиях проведено тестирование программного обеспечения на искусственном макете (фантоме), подключённом к аппаратно-программному комплексу электроимпедансной томографии посредством двух поясов (показан на рис. 5, а).
а)
б) в) г)
Рис. 5. а) аппаратно-программный комплекс электроимпедансной томографии с подключенным фантомом, б–г) перемещения неоднородности в фантоме
Результаты работы разработанного приложения показаны на рис. 6, а–г.
В проведенном исследовании пригодности применения разработанного ПО в задачах трехмерной ЭИТ производилось перемещение неоднородности в фантоме в горизонтальной и вертикальной плоскости, показанное на рис. 5, б–г. В результате проводимых измерений и реконструкций измерительных данных на экране персонального компьютера наблюдались соответствующие перемещения конечных элементов построенной трехмерной модели (показаны на рис. 6, а–г).
а) б) в) г)
Рис. 6. а–г) Результаты работы разработанного программного обеспечения
Каждому элементу двухмерной матрицы ставятся в соответствие элементы соответствующего отдельного томографического среза. Программное обеспечение позволяет задание пользовательской цветовой палитры для визуализации изменения свойств каждого из конечных элементов в сетке. Цветовая палитра может быть модифицирована, к отображаемым элементам модели может быть применено свойство «прозрачность» для более наглядного представления.
На показанном примере белым цветом обозначены области с более низкой электропроводностью.
Выводы
В результате выполненной работы была осуществлена разработка принципов построения программного обеспечения информационно-измерительной системы трехмерной электроимпедансной томографии. Были разработаны алгоритмы функционирования ИИС ЭИТ, построена трехмерная модель томографического среза исследуемого объекта.
В результате разработки программного обеспечения получено представление внутренних структур исследуемого объекта в виде трёхмерного изображения. Полученное представление предоставляет пользователю новую функциональность в виде возможности изучения нескольких томографических срезов, соответствующих изменению электрических параметров внутренних структур, расположенных в плоскости размещения электродных поясов, подключенных к аппаратно-программному комплексу электроимпедансной томографии. Также разработанный программный модуль позволяет задавать пользовательскую цветовую палитру и уровни прозрачности для визуализируемых томографических срезов для повышения информативности их отображения.
Работы выполняются в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-196.2017.8.