Способ диагностики состояния стоп человека Российский патент 2024 года по МПК G16H50/00 A61B5/107 G06T7/12 

Заявляемое изобретение относится к области медицины, а именно – к диагностике состояния стопы, и может быть использовано для определения размеров стопы и выявления ее деформаций, мониторинга динамики развития и лечения заболевания, определения показаний к назначению ортопедического изделия на стопу и требований к его конструкции и функциональным свойствам, а также для подбора обуви по размеру.

Известен способ диагностики состояния стопы [1], согласно которому пациента устанавливают на опорное стекло планшетного сканера, выдерживающее вес человека, и поочередно сканируют его стопы снизу, получая электронные плантограммы левой и правой стопы в виде изображений плантарной поверхности стопы в опоре.

Специалист (врач) производит разметку этих плантограмм на компьютере, расставляя значимые ключевые (диагностически значимые) точки на изображении стопы в соответствии с имеющимся образцом разметки. После установки одной точки на плантограмме, на образце разметки появляется мигающая точка, обозначающая следующую точку, которую необходимо установить на плантограмме. Так специалист, глядя на образец и анализируя геометрические и оптические характеристики изображения, устанавливает 12 точек, между которыми посредством компьютерной программы комплекса автоматически проводятся прямые. Затем определяют координаты этих точек на изображении стопы и по ним рассчитывают подометрические показатели, отражающие размеры стопы, и плантографические – отражающие форму опорного отпечатка стопы. Совокупность этих показателей характеризует форму стопы. Далее определяют отклонение значений этих показателей от нормативных с учетом возраста и пола обследуемого и таким образом выявляют отсутствие или наличие деформации левой и/или правой стопы, ее вид и степень.

Недостатком известного способа является большая продолжительность процесса диагностики состояния стопы, так как для получения плантограмм производят поочередное сканирование левой и правой стопы. Кроме того, при таком способе разметки плантограмм имеется большая вероятность совершить методические ошибки, связанные с недостаточным профессионализмом человека, устанавливающего точки на изображении стоп, что снижает достоверность результатов диагностики.

Известен также широко применяемый в практической медицине способ диагностики состояния стоп, основанный на оптическом планшетном сканировании плантарной поверхности одновременно обеих стоп [2]. Данный способ принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

В этом случае, благодаря большому формату окна планшетного сканера, сканируют вместе левую и правую стопы, что сокращает время обследования по сравнению с предыдущим аналогом. После окончания сканирования на экране монитора на фоне изображений левой и правой стопы автоматически генерируются соответственно левый и правый комплекс точек, соединенных прямыми линиями в соответствии с методикой разметки этих изображений [3]. Электронные плантограммы специалист подвергает компьютерной предобработке настройкой яркости и контраста изображений стоп. Затем, как и в первом аналоге, он, основываясь на анализе геометрических и оптических характеристик изображения стопы, устанавливает ведущие значимые точки из сгенерированного комплекса в нужные позиции. Другие – ведомые точки устанавливаются автоматически в зависимости от положения ведущих точек в соответствии с заложенными в программное обеспечение алгоритмами методики разметки плантограмм, принятой в ортопедии [3]. После этого автоматически определяются координаты положения точек на изображении каждой стопы. По координатам этих точек рассчитываются подометрические и плантографические показатели, отражающие соответственно размеры стопы и форму ее опорного отпечатка, характеризующих форму стопы. По отклонению значений этих показателей от половозрастной нормы выявляют наличие деформации левой и/или правой стопы, ее вид и степень.

Недостатком этого способа, как и в предыдущем аналоге, является большая продолжительность процесса диагностики состояния стоп, так как ведущие значимые точки на их изображениях должен устанавливать оператор, а также большой риск совершения методических ошибок, связанных с недостаточным профессионализмом специалиста, устанавливающего ведущие точки, что приводит к снижению достоверности результатов диагностики и качества изготовления ортопедического изделия.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в сокращении продолжительности обследования и повышении достоверности результатов диагностики состояния стопы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе диагностики состояния стоп человека, включающем получение плантограммы в виде электронного оптического изображения стоп, присвоение ей классификационных признаков в виде значений возраста и пола пациента, основную предобработку плантограммы настройкой яркости и контраста изображений стоп, обработку плантограмм разметкой изображений стоп с расстановкой на них диагностически значимых точек на основе анализа геометрических и оптических характеристик изображения, расчет плантографических и подометрических показателей по координатам диагностически значимых точек, выявление деформации стоп и определение ее вида и степени по отклонению текущих значений показателей от нормативных с учетом возраста и пола обследуемого, согласно настоящему изобретению формируется обучающая репрезентативная выборка в виде изображений стоп больных и здоровых людей, предварительно размеченных врачами-экспертами, классифицированных по видам деформаций и поло-возрастным признакам обследованных, после основной предобработки плантограмма подвергается дополнительной предобработке посредством программно реализованного алгоритма в виде выделения контуров изображения стоп, удаления данных изображения за пределами этих контуров, разделения плантограммы на два отдельных изображения – левой и правой стопы, центрирования каждого из них, поворота изображения правой стопы справа-налево относительно ее продольной оси с сохранением классификационных признаков по возрасту и полу пациента, а разметка изображения стопы пациента производится посредством программно реализованной модели машинного обучения, обученной на обучающей выборке, и заключается в определении координат диагностически значимых точек изображения по значениям его геометрических и оптических характеристик согласно корреляционным зависимостям между координатами точек и значениями характеристик изображения, выявленными в обучающей выборке.

Технический результат в виде сокращения продолжительности обследования при таком способе достигается тем, что разметка изображений стоп обследуемого пациента происходит за секунды – автоматически, т.е. компьютерной программой, обученной посредством машинного обучения на обучающей выборке размеченных и классифицированных врачами-экспертами изображений стоп. Таким образом специалисту не приходится самостоятельно расставлять эти точки, на что потребовалось бы потратить около 5 минут. При этом технический результат в виде повышения достоверности результатов диагностики состояния стопы достигается тем, что исключается влияние на правильность и точность расстановки точек таких субъективных факторов как недостаточный профессионализм специалиста, плохое зрение, дрожание руки при управлении курсором, Кроме того, дополнительной программно реализованной автоматической предобработкой плантограмм (в виде выделения контуров изображения стоп, удаления данных изображения за пределами этих контуров, разделения плантограммы на два отдельных изображения – левой и правой стопы, центрирования каждого из них, поворота изображения правой стопы справа-налево относительно ее продольной оси с сохранением классификационных признаков по возрасту и полу пациента) по сути достигается двухкратное увеличение объема обучающей выборки, что положительно влияет на результаты обучения машины и, соответственно, достоверность результатов диагностики пациента.

Реализация предлагаемого способа диагностики состояния стопы заключается в следующем.

Сначала должна быть сформирована репрезентативная выборка электронных плантограмм (пациентов и контрольной группы лиц без патологии стоп), обработанных врачами-экспертами и отражающих их мнение относительно зависимостей между, с одной стороны, геометрическими и оптическими характеристиками изображения стопы и, с другой стороны, расположением диагностически значимых точек на этом изображении, по координатам которых рассчитываются плантографические и подометрические показатели.

Каждая из таких плантограмм регистрируется специалистом – врачом-ортопедом или техником-оператором программно-аппаратного комплекса для компьютерной оптической плантографии и подометрии. При этом обследуемого устанавливают в позу стоя с опорой босыми стопами на опорное стекло, которое в комплексах, основанных на регистрации изображений стоп способом оптического планшетного сканирования, расположено непосредственно над кареткой горизонтального напольного сканера. В отличие от этого, в комплексах, основанных на фото- или видеорегистрации, опорное стекло располагается горизонтально над зеркалом, установленным под углом 95⁰, чтобы отраженное в нем изображение стопы можно было регистрировать фото- или видеокамерой. Из этих двух способов метод оптического планшетного сканирования позволяет получить более точную электронную плантограмму.

Начиная обследование, специалист вводит в компьютер возраст и пол обследуемого, которые присваиваются далее плантограмме в качестве классификационных признаков.

После регистрации плантограммы ее подвергают основной предобработке – настройке яркости и контраста изображения стоп. Для этого используют программный модуль, подобный тем, что широко применяются в программах для редактирования изображений.

Сразу после регистрации изображений на них появляется маска из точек и линий. Некоторые из этих элементов значимые для диагностики. Они должны устанавливаться на изображении стопы врачом-экспертом, посредством их захвата курсором мыши и смещения в нужную позицию. Другие – ведомые устанавливаются автоматически вслед за перемещением ведущих – значимых точек в соответствии с алгоритмами, обеспечивающими принятую в ортопедии разметку плантограмм [3].

Врач-эксперт производит разметку плантограмм. На основе визуального анализа геометрических и оптических характеристик изображения он расставляет диагностически значимые точки на изображениях плантарной поверхности стоп. Далее по координатам точек на изображении проводится автоматический расчет плантографических и подометрических показателей, отклонение значений которых от поло-возрастной нормы является критерием наличия и типа деформации стопы [4].

Накопленные таким образом электронные плантограммы, отражающие опыт врачей-экспертов, путём программно реализованного алгоритма подвергаются дополнительной компьютерной автоматической предобработке, в результате которой на плантограмме выделяются контуры изображения левой и правой стопы, удаляются те фрагменты изображения, которые находятся за пределами этих контуров, т.е. им присваиваются значение цвета, принятого как фон, например черного. Далее плантограмма разделяется на два отдельных изображения, т.е. на одной половине плантограммы – отображена левая стопа, а на другой – правая. Таким образом, каждая стопа отображается в своем прямоугольнике, составляющем половину прямоугольника исходной плантограммы. После этого изображение каждой стопы автоматически центруется в своем прямоугольнике таким образом, чтобы продольная ось стопы совпадала с продольной осью прямоугольника, в котором она находится, и координаты центра изображения стопы, определяемого как середина продольной оси стопы, совпадали с координатами центра прямоугольника, в котором это изображение находится. Затем изображение правой стопы автоматически поворачивается справа-налево относительно ее продольной оси и представляет собой зеркальное отображение исходного изображения. Благодаря этому обучение машины алгоритму диагностики будет проходить не отдельно по левой и правой стопе, а по унифицированной стопе, т.е. обучающая выборка увеличивается в два раза.

Далее производится программная реализация модели диагностики состояния стопы с обучением ее на обучающей репрезентативной выборке изображений электронных плантограмм, полученных, размеченных, рассчитанных и классифицированных по наличию, виду и степени деформации стопы, а также по половозрастной группе пациентов.

Благодаря созданию такой программно реализованной модели диагностики, обследование последующих пациентов проводится следующим образом.

Специалист – врач-ортопед или техник-оператор программно-аппаратного комплекса для плантографии и подометрии регистрирует плантограмму, указывает возраст и пол пациента, настраивает яркость и контраст изображения стоп, таким образом, как это указано выше.

Далее плантограмма путём программно реализованного алгоритма подвергается дополнительной компьютерной автоматической предобработке, в результате которой выделяются контуры изображения левой и правой стопы, удаляются те фрагменты изображения, которые находятся за пределами этих контуров. Далее плантограмма разделяется на два фрагмента – прямоугольника с изображением в одном из них левой стопы и в другом – правой. Изображение каждой стопы автоматически центруется, как это указано выше, и изображение правой стопы автоматически поворачивается справа-налево, Каждому из полученных изображений стоп присваиваются значения возраста и пола, указанные в исходной плантограмме пациента, а также устанавливается индекс, идентифицирующий сторону, к которой относится изображение (левая или правая стопа).

Затем каждое из изображений стоп подвергается разметке посредством программно реализованной модели диагностики состояния стопы, обученной на репрезентативной выборке плантограмм, полученных, классифицированных, предобработанных и размеченных врачами-экспертами. Таким образом, диагностически значимые точки на изображениях стоп устанавливаются компьютерной программой, реализующей модель машинного обучения, с определением их координат по значениям геометрических и оптических характеристик изображения согласно корреляционным зависимостям между ними, выявленными машиной (компьютерной программой) в обучающей выборке.

Расчет значений плантографических и подометрических показателей и отклонений их от половозрастной нормы, выявление по ним деформации стоп, их вид и степень проводятся автоматически по заложенным в программу алгоритмам, принятым в ортопедии.

Результат диагностики деформации стопы, в частности – продольного плоскостопия, распластанности переднего отдела стопы, вальгусной деформации первого пальца, вальгусной и варусной установки или деформации пятки, полой деформации стопы у взрослых и детей используется для последующей оценки этих патологических состояний в процессе развития заболевания и его лечения, определения требований к назначению вкладных ортопедических изделий. Подометрические показатели используются также для определения размеров ортопедического изделия на стопу, а также для подбора обуви по размеру.

Использованные источники:

1. Способ диагностики состояния отделов стопы. Патент RU 2253363 С1, Бюл. 10.06.2005, №16.

2. Смирнова Л. М. Программно-аппаратные комплексы для оценки состояния стопы и опорно-двигательной функции: «Скан», «ДиаСлед», «ДиаСлед-Скан» [Текст] / Л. М. Смирнова // Современные технологии в здравоохранении. – М. : РИАМЕД, 2007. – № 1 (19). – С. 10-11.

3. Использование аппаратно-программного комплекса «Плантоскан» для объективной оценки анатомо-функционального состояния стопы [Текст] / Л. М. Смирнова, Е. Е. Аржанникова, В. А. Кудрявцев, Л. Е. Войнова // Вестник гильдии протезистов-ортопедов. – 2002. – № 2 (8). – С. 55-58.

4. Методика использования комплексов серии «Скан» при диагностике состояния стопы и назначении ортопедических стелек: метод. пособие / ФГБУ СПб НЦЭПР им. Г. А. Альбрехта Минтруда России; [Л. М. Смирнова, Е. Е. Аржанникова, С. В. Карапетян, О. Э. Гаевская]. – СПб: ООО «ЦИАЦАН», 2015. – 75 стр. http://www.diaserv.ru/articles/2015-1-Методика-комплекса-Скан-при-диагностике-стопы-и-назначении-ортстелек.pdf

Изобретение относится к области медицины, а именно – к диагностике состояния стопы, и может быть использовано для определения размеров стопы и выявления ее деформаций, мониторинга динамики развития и лечения заболевания, определения показаний к назначению ортопедического изделия на стопу и требований к его конструкции и функциональным свойствам, а также для подбора обуви по размеру. Предложен способ диагностики состояния стоп человека, который включает получение плантограммы в виде электронного оптического изображения стоп, присвоение ей классификационных признаков в виде значений возраста и пола пациента, основную предобработку плантограммы, обработку плантограмм разметкой изображений стоп с расстановкой на них диагностически значимых точек на основе анализа геометрических и оптических характеристик изображения, расчет плантографических и подометрических показателей по координатам диагностически значимых точек, выявление деформации стоп и определение ее вида и степени по отклонению текущих значений показателей от нормативных с учетом возраста и пола обследуемого, при этом формируется обучающая репрезентативная выборка в виде изображений стоп больных и здоровых людей, предварительно размеченных врачами-экспертами, классифицированных по видам деформаций и половозрастным признакам обследованных, после основной предобработки плантограмма подвергается дополнительной предобработке посредством программно-реализованного алгоритма в виде выделения контуров изображения стоп, удаления данных изображения за пределами этих контуров, разделения плантограммы на два отдельных изображения - левой и правой стоп, центрирования каждого из них, поворота изображения правой стопы справа налево относительно ее продольной оси с сохранением классификационных признаков по возрасту и полу пациента, а разметка изображения стопы пациента производится посредством программно-реализованной модели машинного обучения, обученной на обучающей выборке, и заключается в определении координат диагностически значимых точек изображения по значениям его геометрических и оптических характеристик согласно корреляционным зависимостям между координатами точек и значениями характеристик изображения, выявленными в обучающей выборке. Изобретение обеспечивает сокращение продолжительности обследования и повышение достоверности результатов диагностики состояния стопы.

Способ диагностики состояния стоп человека, включающий этапы, на которых получают плантограмму в виде электронного оптического изображения стоп, присваивают ей классификационные признаки в виде значений возраста и пола пациента, выполняют основную предобработку плантограммы настройкой яркости и контраста изображений стоп, выполняют обработку плантограмм разметкой изображений стоп с расстановкой на них диагностически значимых точек на основе анализа геометрических и оптических характеристик изображения, осуществляют расчет плантографических и подометрических показателей по координатам диагностически значимых точек, выявляют деформацию стоп и определяют ее вид и степень по отклонению текущих значений показателей от нормативных с учетом возраста и пола обследуемого, формируют обучающую репрезентативную выборку в виде изображений стоп больных и здоровых людей в формате прямоугольника, предварительно размеченных врачами-экспертами, классифицированных по видам деформаций и половозрастным признакам обследованных, после основной предобработки полченную плантограмму подвергают дополнительной предобработке посредством программно-реализованного алгоритма в виде выделения контуров изображения стоп, удаляют данные изображения за пределами этих контуров, разделяют плантограмму на два отдельных изображения - левой и правой стопы, причем каждая стопа отображается отдельно на своем изображении - прямоугольнике, составляющем половину изображения - прямоугольника исходной плантограммы, после чего изображение каждой стопы центрируют в своем прямоугольнике таким образом, чтобы продольная ось стопы совпадала с продольной осью прямоугольника, в котором она находится, и координаты центра изображения стопы, определяемого как середина продольной оси стопы, совпадали с координатами центра прямоугольника, в котором это изображение находится, поворачивают изображение правой стопы справа налево относительно ее продольной оси с сохранением классификационных признаков по возрасту и полу пациента, производят разметку изображения стопы пациента посредством программно-реализованной модели машинного обучения, обученной на обучающей выборке, которая заключается в определении координат диагностически значимых точек изображения по значениям его геометрических и оптических характеристик согласно корреляционным зависимостям между координатами точек и значениями характеристик изображения, выявленными в обучающей выборке.