автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Разработка моделей и алгоритмов судебно-медицинского установления возраста человека по микроструктуре трубчатых костей

;Боа .-во»

Ц ДЕ^ \ ^ ^^ ^ На правах рукописи

МАНДРЫКИИ Андреи Владимирович

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКОГО УСТАНОВЛЕНИЯ

ВОЗРАСТА ЧЕЛОВЕКА ПО МИКРОСТРУКТУРЕ ТРУБЧАТЫХ КОСТЕЙ

Специальность 05.13.09 - Управление в биологических и

медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ - 1998

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Мутафян М.И.

Научный консультант доктор медицинских наук, член-корр. МАИ,

профессор Бахметьев В.И.

Официальные оппоненты: Заслуженный работник Высшей школы,

доктор технических наук, профессор Смоленцев В.П.

кандидат медицинских наук, доцент Должанов А.Я.

Ведущая организация Курский государственный

технический университет

Защита диссертации состоится 18 декабря 1998 г. в 15°" часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 063.81.02 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026 Воронеж, Московский проспект 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан <уОЛ 1998

Ученый секретарь диссертационного совета

асмурнов С М.

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема идентификации личности человека по микроморфологическим признакам костей возросла на текущий момент как никогда прежде.

Локальные боевые действия, участившиеся техногенные катастрофы, природные катаклизмы, небывалый рост преступности приводит к тому, что на территории России ежегодно пропадают десятки тысяч людей.

Все чаще с целью сокрытия преступлений против жизни человека преступники используют изощренные, уничтожающие труп способы (кремация, водяное и земельное погребение, сегментация тела и т.д.).

Анализ работы Республиканского Центра возрастной микроостеологии, объектами исследования которого являются мелкие фрагменты костей, в том числе подвергшиеся сожжению, указывает на важность задачи идентификации возраста человека по микроостеологическим останкам. Так, например, после создания Центра (1988-1991 гг.),. проведено около 40 экспертиз по заданию прокуратур различных регионов Советского Союза, тогда как за период с 1993 по 1997 гг. только по Воронежской области количество экспертиз костей, лишенных четких анатомических ориентиров, составило 135.

Распределение экспертиз по возрастному фактору показывает, что 80 % из них приходится на первый н второй периоды зрелого возраста, 15 % - на пожилой и старческий, и лишь в 5 % случаев объектами исследования являются останки детей и подростков. Характерные микроостеологические особенности довольно точно позволяют определять возрастную принадлежность костей детей и подростков.

Вместе с тем, диагностика возраста лиц более старших возрастов вызывает существенные затруднения. Существующие методики определения возраста по мнкроморфологии трубчатых костей, разработанные в 70-80-х гг., ограничивают результаты исследований рамками общеизвестных возрастных групп (1-3, 4-7, 8-12 ... 18-35, 36-60, 61 и более) и в настоящее время не полностью удовлетворяет требованиям правоохранительных органов. Обращает на себя внимание трудоемкость их выполнения, отсутствие дифференцированного учета количественных микроструктурных компонентов, диагностически значимых для конкретного возрастного интервала.

Это свидетельствует о недостаточной формализации остеонной организации костей для восприятия глазом человека и ставит в зависимость исход экспертизы от опыта, навыков и интуиции эксперта.

В настоящее время накоплен огромный опыт в области методов визуализации и обработки изображений. Использование компьютерных технологий, методов фиксации, хранения и обработки видеоинформации, математического и физического моделирования, с последующей алгоритмизацией действий эксперта в зависимости от конкретной исходной

ситуации значительно упростит процесс установления возраста личности по костям скелета.

Таким образом, разработка моделей и алгоритмов судебно-медицинского установления возраста человека по микроструктуре трубчатых костей, алгоритмического и программного обеспечения компьютерной системы обработки видеоинформации является актуальной и имеет важное значение для решения задачи идентификации личности.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине" и направления ВГМА им.Н.Н.Бурденко "Морфология и фрактография костей человека в судебно-медицинском отношении" при выполнении ГБ темы научных исследований № 96.27.

Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка моделей и алгоритмов в составе автоматизированной системы для выявления и обработки формализованных характеристик микроструктуры трубчатых костей с последующим установлением возраста человека.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. На основе проведения критического обзора выявить особенности обработки информации в судебно-медицинских исследованиях при анализе микроструктуры костной ткани.

2. Формализовать микроструктурные дескриптивные признаки срезов трубчатых костей человека.

3. Разработать математические модели для установления возраста человека путем выявления взаимосвязи микроструктурных статистических характеристик срезов трубчатых костей.

4. Разработать программно-алгоритмическое обеспечение для обработки изображений срезов трубчатых костей и осуществить интеграцию разработанного программно-алгоритмического обеспечения в составе автоматизированной информационной системы АСОИ "КОСТЬ" с различными прикладными программными системами статистической обработки данных.

5. Провести апробацию созданных моделей и алгоритмов на практических объектах при прогнозировании возраста человека по микроструктуре трубчатых костей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе применялись методы теории управления, компьютерной графики, цифровой обработки изображений, математического моделирования, математической статистики, теории вероятностей. При разработке программных средств использовались методы модульного программирования и технологии объектно-ориентированного программирования.

Научная nonunia результатов исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

разработан метод объективного определения возраста в процессе судебно-медицинской идентификации личности, позволяющий осуществлять автоматизированный анализ изображений микроструктуры костей человека на основе формализации морфологических признаков;

разработан комплекс моделей установления возраста человека, отличающийся использованием методов статистической обработки и анализа микроструктурпых характеристик костной ткани трубчатых костей;

создано алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы обработки изображений поперечных срезов костей, позволяющее проводить обработку микроостеологической информации в задачах судебно-медицинских исследований.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Внедрение разработанных моделей и алгоритмов

повышает качество и воспроизводимость экспертных выводов; сокращает время экспертизы;

расширяет возможности судебно-медицинского установления возраста за счет предоставления ей инструментария, позволяющего проводить исследования по схеме «а что, если ...», адаптируя вычислительную среду под специфику прикладных задач исследований;

объективизирует и переводит на качественно новый уровень процесс сбора и обработки микроостеологических данных.

Разработанная система обладает высокой гибкостью при решении поставленных задач в любой области исследований и инвариантна к предметной области приложений, связанных с использованием визуальной информации.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение основано на принципах модульного синтеза, что позволило оформить отдельные подсистемы как автономные комплексы, способные решать задачи обработки и анализа любых изображений.

За счет использования средств стандартной СУБД предоставляется возможность хранения и обработки большого объема архивной статистической информации.

Реализация результатов работы. Автоматизированная система обработки изображений костных останков (ЛСОИ "КОСТЬ") внедрена на кафедре судебной медицины Воронежской государственной медицинской академии им.H.H.Бурденко. Материалы диссертации используются в учебном процессе межвузовской кафедры системного анализа и управления в медицинских и педагопгческих системах при обучении студентов специальности 190500 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" в курсе "Автоматизация обработки биомедиципской информации" и в учебном

процессе кафедры "Управление в социальной сфере и медицине" в курсе "Информационные основы организации здравоохранения".

Годовой экономический эффект от внедрения составляет 18 тыс. рублей (в ценах на конец 1998 года).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: научно-практической конференции "Высокие технологии в практике учреждений здравоохранения г. Воронежа" (Воронеж, 1995); IV Всероссийском съезде судебных медиков "Проблемы идентификации в теории и практике судебной медицины" (Москва-Владимир, 1996); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1997); Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 1997); III Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998); XIII пленуме Всероссийского общества судебных медиков (Москва, 1998); семинарах кафедры системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах и кафедры «Управление в социальной сфере и медицине»; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 122 страницах, списка литературы из 102 наименований , 3 приложений. Содержит 27 рисунков, 14 таблиц,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, приведено основное содержание разделов диссертационной работы, изложены основные научные и практические результаты.

В первой главе диссертации проводится критический анализ применяемой в медицине компьютерной вычислительной техники, ориентированной на использование систем обработки изображений. Рассматриваются системы, выполняющие роль аналитического аппарата для решения задач по обработке и анализу изображений различных медицинских объектов. Приводятся технические характеристики, возможности, слабые и сильные стороны в работе этих систем. По способу реализации все системы отвечают требованиям решения конкретных задач как аниаратно, так и программно. По несовместимость подобных систем, закрытость их

архитектуры (затруднения интеграции различных алгоритмов в уже созданный комплекс при необходимости изменения условий исследования) не позволяют использовать их для решения аналогичных задач в других областях, связанных с компьютерной обработкой изображений.

Проведенный анализ компьютерных диагностических медицинских систем позволяет сделать вывод, что каждая из них значительно расширяет диагностические возможности за счет повышения объективности, надежности, обоснованности, воспроизводимости экспертных выводов (при значительном сокращении время- и трудозатрат).

Одной из возможных областей применения подобных систем является судебно-медицинская экспертиза, где одной из наиболее актуальных проблем является идентификация личности, в частности, определение возраста человека.

Особый интерес в этом плане представляет скелет, поскольку кости, закономерно изменяясь в постназальном онтогенезе, несут существенную гено-и фепотипическую информацию и, кроме того, достаточно устойчивы к воздействию различных факторов внешней среды (земляное погребение, гниение, высушивание, действие крайних температур и т.п.).

Анализ методик, предложенных рядом авторов, показывает, что решение вопроса идентификации (определение возраста, пола, роста или веса) базируется на традиционных анатомических образованиях костей, известных из нормальной анатомии. При этом диагностическая точность методов ограничена фупповым уровнем, что не позволяет определять личность конкретного человека, особенно в случаях экспертизы скелетизированных и фрагментированных костей при массовых катастрофах и боевых действиях, когда дифференцировка людей но возрастному и половому факторам невозможна (например, солдаты срочной военной службы).

Решение проблемы установления возраста человека становится возможным путем анализа микроостеологической информации. Приводится описание используемых на данный момент судебными экспертами неавтоматизированных традиционных методик определения возраста личности. Анализируются недостатки и пути их устранения.

Существующие методики определения возраста по микроструктуре костной ткани характеризуются наличием многочисленных временных и трудоемких этапов, недостаточной формализацией микроостеологических признаков. Это привело к зависимости экспертных выводов по качеству и воспроизводимости объективности результатов от опыта, навыков и ингуиции эксперта.

Таким образом, сделан вывод о необходимости разработки специализированного аппаратно-программного комплекса для решения задач, возникающих в процессе судебно-медицинских исследований при решении проблемы установления возраста человека на основе анализа микроостеодогической информации.

Вторая глава посвящена вопросу создания формализованного описаиия количественных и геометрииеских характеристик микроструктуры костной ткани трубчатых костей. Наряду с традиционными и применяемыми в существующих методиках параметрами, учитываются характеристики, ранее не используемые в практике судебно-медицинских исследований.

Рассматриваются основные этапы построения регрессионных моделей для решения вопроса установления возраста человека па основе анализа микроостеологических параметров трубчатых костей.

Проведено исследование 103 лучевых костей, изъятых из трупов лиц обоего пола (мужчин - 58; женщин - 45) в возрасте от 15 до 85 лет. На рис.1 представлены гистограммы возрастной репрезентативности изучаемой выборки.

Гистограммы возрастной репрезентативности в изучаемой выборке

Без учета полового фактора

шавюйаншйаа

Дескриптивная статистика

Пол Объем выборки Л*иимальное значени« Максимальное значение Среднее значение Стандартное отклонение

Б«э учета полового фактора 103 17.00 85,46 45.1664 16,7501

Женщины 45 17,00 85,46 48,9584 18,5614 .

Мужчины 5а 10.00 70,00 44,0002 15,0062

15,0 25,0 35.0 45,0 55,0 65,0 75,0 85,0 20,0 30.0 40,0 50,0 60.0 70,0 60,0

Возраст Жешцины

Мужчины

/

/

\

15,0 25 0 35,0 45,0 55,0 65.0 75,0 85,0 20 0 30.0 40.0 50.0 60,0 70,0 80.0

Возраст

20.0 ЗО.О 40,0 50,0 60.0 70.0 25.0 35.0 45.0 55.0 65.0 Возраст

Рис А

Путем анализа изображений поперечных костных шлифов получен набор из 101 количественной и метрической характеристики, описывающих объект исследования:

. . . = {l'i - периметр среза; площадь среза с учетом площадей ГК и КМП; периметр КМП; площадь КМП; количество ГК на всем срезе; суммарная плогцадь ГК без учета КМП на всем срезе; ...¡среднее значение количества перепадов среза без периоста вдоль секущих; ... ¡среднее значение ширины компакты среза без мезоста вдоль секущих;...; расстояние между центрами тяжести всего среза с учетом и без учета ГК и KMII; ...;PWi — расстояние между центром тяжести среза без мезоста без учета ГК и КМП и центром тяжести КМП}.

Па их основе были построены диаграммы рассеивания, позволившие провести отбор наиболее информативных и значимых признаков (итоговое признаковое пространство - 32 характеристики). Примеры диаграмм рассеивания предикторов в зависимости от возраста с учетом половой дифференциации приведены на рис.2.

Методами корреляционного и линейного регрессионного анализов был построен ряд идентификационных моделей, позволяющих с достоверной точностью определять возраст человека с учетом половой дифференциации в процессе проведения судебно-медицинской идентификации личности.

Анализ построенных моделей позволяет сделать вывод о возможности определения возраста не только на основе исследования целого шлифа кости, но и по его части без периоста и без мезоста. Данный подход предоставляет судебно-медицинской экспертизе возможность установления возраста человека в случае частичного разрушения поверхностных отделов костной ткани трубчатых костей.

В целях максимального сокращения времени, затрачиваемого на определение возраста человека в процессе судебно-медицинской идентификации личности, существует возможность применения регрессионных моделей, в качестве предикторов которых выступает лишь один определенный признак, а остальные характеристики используются в более время- и трудоемких, но более точных моделях. Например, возраст женщины можно определить по периметру костно-мозговой полости с точностью +11,7 года. Включение в модель площади всего среза с учетом площадей ГК и КМП повышает точность до + 10,8 года. Добавление среднего значения ширины компакты среза без мезоста вдоль секущих и расстояния между центрами тяжести всего среза с учетом и без учета ГК и КМП доводят точность до ± 8,2 года.

Результаты моделирования в виде лучших по значимости моделей, представлены в табл. 1.

Таблица I

Результирующие линейные регрессионные модели установления возраста по микроструктуре лучевых костей

jV» № 1 2 Пол Предикторы P¡ (чем определяется) в, ± <Тш R К2 (7

£ f 2 IV, Периметр костно-мозговой полоегк 0,069 + 0,017 0.681 0,464 1 1,286

■'21 1 i) Площадь среза без мезоста с вычетом ГК и КМП - 0.011 ± 0,003

Суммарная площадь ГК без умета КМП на веем ept: ie 0.0ÜS ± 0,003

Const Копе ганта 44,338 ± 14,839

* й Перимсгр ¡шетно-мозговой полости 0,091 ±0,016 0,783 0,614 10,619

t'9 I's Суммарна! площадь ГК без утета КМП на срезе 0,009 ± 0,002

Площадь в;его среза с учетом площадей ГК и КМП - 0,004 + 0,000

Ры Периметр среза без мезоста 0,080 + 0,030

Const Константа 34,525 ±7,155

IV, Периметр костно-мозговой полости 0,150 ± 0,024 0,908 0,825 8,253

р5 Площадь всего среза с учетом птошадей ГК и КМП -0,006 ±0,001

! _ X Рм. Периметр среза без мезосга 0,155 ± 0,035

3 3 53 Р25 Сре днее значение ширины компякты среза без мезге га вдоль секущих 3,582 ± 0,987

Р;:б Расстояние между ЦТ всего среза с учетом и без учета ГК и КМП -2,131 ± 1,019

Const Константа 2,225 ± 15,877

Примечания. 1) Расчеты выполнены методом пошаговой регрессии с

.v

лобавлснис-м регрессорои: У = сопЫ + XI ,

-1) Статистическая выборка - 103 наблюдения (58 мужчин и 45 женщин); 3) Данные приведены по степени увеличения Я-коэффицнента множественном корреляции,

I) Регреесоры приводятся в порядке включения в соответствующие модели

В третьей главе рассматривается структура автоматизированной системы обработки изображений АСОИ "КОСТЬ" (рнс.З), предназначенная для определения возраста человека путем получения и дальнейшей обработки формализованных микроструктурных признаков поперечных шлифов трубчатых костей в процессе судебно-медицинской идентификации личности.

Структурная схема АСОИ "КОСТЬ'

Ii

Внешние устойства

Микроскоп

т V камера

TV

Внешний монитор

Цифровой фотоаппарат

Прогрей, иию-алгершп-мическое обеспечение

Вычис-

Предвари- ление

тельна! формали-

обработка зованных

изобра- характе-

жения. ристик

ж

Windows 95

Внешние программные средства

•лъ&ЯЫаь. KfW. в

' ■•>' I

Статистический паке:

IfiüKlUJE

-- SPSS 1-1 ШЗВШШШЗж]

11ВШШ

Y

Корреляционный анализ

Рс[рессионный ,„

анализ Iii -теп диитаигтЯ

Текстовый процессор WinWord

1ИШ11Ш

: ЛчйКНМДОЯвгемвШ*^^

Подробно излагается методика приготовления костного материала с последующим вводом изображений костных шлифов в компьютер, приводится сравнительный анализ применяемых для ввода методик и технических компонентов, используемых для этого.

Специфика обработки изображений поперечных костных шлифов (сложные гистограммкпе профили, сильная зависимость от порогов сегментации затрудняют выполнение полностью автоматического процесса обработки) определила необходимость разработки специальной подсистемы предварительной обработки изображений для решения проблемы определения возраста человека ira основе анализа микроскопических признаков костных шлгфов. 1>ыли реализованы следующие алгоритмы: линейная и нелинейная фильтрация; построение и преобразование гистограмм яркости; одно- и многопороговая сегментация (бинеаризация); преобразовании палитры; перекодирование изображений.

В связи с преобладанием описательного характера и отсутствием формализации микроостеопогических признаков возникла необходимость в разработке ряда специальных алгоритмов, ответственных за вычисление характеристик поперечны* костных шлифов (рис.4), необходимых для построения математических моделей. В руки эксперта необходимо было предоставить специально созданный инструментарий «манипулирования» объектами, исходя ш качества зарегистрированных изображений с целью проведения обработки требуемой точности.

В оспопу "

данной подсистемы положены следующие алгоритмы:

1) скелетизация изображений;

2) построение и анализ набора профило-грамм плотности изображения по радиус-векторам (анализируется количество перепадов вдоль секущих, что соответствует количеству микроструктурных элементов, попавших в зону зек-тора); при этом происходит одновременно вычисление ширины костномозговой полости и

Структура поперечного шлифа трубчатой кости

Компонепты

А - Костно-мозговая полость (ХМП). В - Эндосмальныи отдел РО).

С - Мезосталлный отдел (МО).

D - Периостачьпый отдел (ПО).

Е - Остеомы.

Мх,Му - Центр тяжести.

Медианные радиксы

rl - Радиус вектор КМП r2 - Poduyc-ot к тор ЭО. г S - Радиус-вектор МО. г4 • Радиус-всктор ПО

ширины компакты в зоне секущих;

3) автоматическое выделение и отслеживание контуров изображения; нахождение периметра, площади и центров тяжести как всего изображения, так и его отдельных фрагментов с учетом и без учета внутренней структуры в автоматическом и полуавтоматическом режимах.

4) автоматический подсчет количества ми кроет руктурных элементов на всем шлифе, шлифе без периоста и шлифе без мезоста.

На рис.5 приведен комплекс алгоритмов, разработанной в составе автоматизированной системы АСОИ «КОСТЬ» для обработки изображений поперечных костных шлифов.

Структура комплекса алгоритмов обработки микроостеологической информации в составе АСОИ "КОСТЬ"

Л

Вычисление параметров целого шлиф:

Алгоритмы Фримена и Брезенхейма

Алгоритмы кодирования изображений

Алгоритмы скелетизации изображений

Вычисление параметров шлифа без периоста

полученйя -формализованных I -характеристик изображения

Вычисление параметров шлифа без мезоста.

Алгоритмы отслеживания

контуров изображения

Алгоритмы одно-и многопороговой сегментации (бинаризации)

Алгоритмы построения и преобразования гистограммы яркости

Линейная и нелинейная Простая и рекурсивная Низкочастотная и высокочастотная

1 1 1

В составе автоматизированной системы для управления обработкой изображений используется специально разработанный командный язык, служащий для формирования сценария диалоговой обработки, в соответствии с которым выполняется вся работа системы.

Таблица 2

Структура командного языка_

Ontparop Параметры Назначение

Load *.img; *.bmp Чтение файла

Save *.img; *.bmp {2; 16; 256} Запись файла

Palit - Переопределение палитры

Scale x У {2; 3;5} Увеличение фрагмента в 2, 3 ,5 раз

Swap A<B; A>B; AoB Спопинг изображений

Shape Avto; Semi Получение формализованных характеристик

invert - Инверсия изображения

IJist - Построение гистограммы

Logic SegmCoIcrl Color2 xl,...,x„; Сегментация (бинеаризация)

Vector Radian CM; Racian x y; Goriz; Vertic; Построение профилограмм яркости

Filter Lowfiltr_ 1 ;Lowfiltr_2;L owfiltr_3; HighfiltrJ ;High/;itr 2; LineSharp1; LineSharp 2;LineSharp_3;Kirsh_I; Kirsh 2;Prcwitt_l;Prewitl_2; Roberts;Sobel !;l'obel 2 Фильтрация изображеяия

Exit - Выход из системы

Идеология обработки информации состоит л построении математического инструментария на основе командного языка посредством использования тщательно спроектированных функционально выделенных утилит, каждая из которых отвечает за реализацию одного из методов обработки изображений, что фактически избавляет исследователя от необходимости программирования. Структуры и типы данных при этом подходе остаются привилегией утилит и могут быть спрятапы от пользователя, для которого, как правило, "что" получить важнее, чем "как" это сделать.

Реализация подобной возможности приводит к снижению участия человека-оператора в работе по конвейерной обработке большого количества костного материала за счет использования заранее сформированного сценария.

В_четвертой главе описывается программная реализация

автоматизированной системы обработки изображений АСОИ "КОСТЬ", приводятся характеристики отдельных элементов. Рассматриваются различные режимы работы и возможности отдельных подсистем.

Программа работает как под операционной системой MS-DOS версии 3.0 или более поздних версий, так и используя оболочку Windows любых версий. Но заложенная на этапе проектирования локализация программных интерфейсов позволит перенести программное обеспечение на платформу

операционной системы UNIX в целях оптимизации вычислительных ресурсов АСОИ "КОСТЬ' .

Работа системы построена на использовании быстрого и легко понятного интерфейса, ориентированного на непрофессионального пользователя.

В дополнение к информационной подсистеме, используемой для хранения личностных идентификационных признаков (пол, зозрг.ст, конституциональный тип и.т.д.), для накопления микроостеологических характеристик разработана специальная информационная подсистема.

Структура объекта в рафаботанной базе данных есть кортеж вида: {изображение, ключ, статистический портрет (Р), {мстка(1), мегка(2), ..., M6TKa(N)}}, где изображение есть bitmap массив костного среза, ключ - порог бинеаризации, статистический портрет (i) - набор числовых характеристик, описывающих данное изображение, метка (к) - элемент ассоциированного списка из алфавита ключевых слов. Атрибуты изображения (маски цифровых фильтров и последовательность их использования, цветовая палитра, разрешение, формат хранения и пр.) и конкретная выборка из списка возможных дескриптивных характеристик записываются в конфигурационные файлы и определяются контекстом обработки. Реализована возможность обмениваться данными с другими используемыми приложениями операционной системы.

На рис.6 показана интеграция разработанного программно-алгоритмического обеспечения с существующими прикладными программными средствами.

Интеграция разработанного программно-алгоритмического обеспечения

Графические

пакеты Corel Draw, PhotoShop,... .

, ^Viiylows 95 ., -OLE ^механизм';'.

ПрйхрамАрго-алгоритмическое обеспечение

АСОЙ "КОСТЬ"

Рис.6

СУБД FoxPro

Электронная таблица Excel,

текстовый редактор Word

Практическая апробация разработанных моделей и алгоритмов определения возраста человека по микроструктуре поперечных шлифов трубчатых костей была основана на проведении ряда «слепых» опытов с априори неизвестным возрастом. Сравнение полученных по регрессионным моделям возраста уМСд с паспортными данными упасп позволило оценить на заданном уровне значимости а=0,05 адекватность разработанных моделей.

Проанализирована эффективность работы системы, что позволило сделать еывод об экономической целесообразности использования разработанной системы и внедрения ее в практику диагностических учреждений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Для решения проблемы судебно-медицинского установления возраста человека в процессе судебно-медицинской идентификации личности на. основе анализа микроструктуры фрагментов трубчатых костей были поставлены и решены следующие задачи.

1. Проведен критический обзор и на его основе выявлены особенности обработки информации в судебно-медицинских исследованиях при анализе микроструктуры костной ткани.

2. Формализованы дескриптивные признаки срезов трубчатых костей человека.

3. Разработаны математические модели для установления возраста человека путем выявления взаимосвязи микроструктурных статистических характеристик срезоз трубчатых костей.

4. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение для обработки изображений срезов трубчатых костей и осуществлена интеграция разработанного программно-алгоритмического обеспечения в составе автоматизированной информационной системы АСОИ "КОСТЬ" с различными прикладными программными системами статистической обработки данных.

Проведена апробация' и подтверждена адекватность созданных моделей и алгоритмов на практических объектах при прогнозировании возраста человека по микроструктуре трубчатых костей. Разработанная автоматизированная система обработки изображений костных останков (АСОИ "КОСТЬ") внедрена на кафедре судебной медицины Воронежской государственной медицинской академии им.Н.Н.Бурденко. Материалы диссертации используются в учебном процессе межвузовской кафедры " кафедры системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах при обучении студентов специальности 190500 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" н курсе "Автоматизация сбэаботкн биомедицинской информации" и в учебном процессе кафедры "Управление в социальной сфере и медицине" в курсе "Пнформацюштые основы организации здравоохранения".

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1. Возможности судебно-медицинской идентификации личности но морфологии сегментов тела, человека / В.И.Бахметьев, Ю.В.Зазулнн, М.И.Мутафян, В.НБабенко, А.В.Мандрыкин, А.В.Фролов // Материалы ХШ-го пленума Всероссийского общества судебных медиков. Москва, 1998. С.32-33.

I. Интеграция различных морфологических уровнел тела в составе автоматизированной системы судебно-медицинской идентификации личности по костям скелета человека / Ю.В.Зазулнн, М.И.Мутафян, В.П.Бабенко, А.В.Мащрыкин, А.В.Фролов. // Материалы XIII-io пленума Всероссийского общества судебных медиков. Москва, 1998. С.31-32.

3. Использование автоматизированной системы обработки изображений для идентификации личности человека по морфологии костей / В.И.Еахметьев, Ю.В.Зазулнн, А.В.Мандрыкин, М.И.Мутафян // Проблемы идентификации з георшг и практике судебной медицины: Материалы IV Всероссийского съезда судебных медиков. Москва-Владимир, 1996. 4.1. С.38-39.

4. К вопросу судебно-медицинского отождествления личности по костям скелета человека / Ю.В.Зазулнн, В.П.Бабенко, Н.Ф.Гайкалова, Е.О.Гусева, С.В.Эммерт, Г.В.Басова, А.В.Мандрыкин, А.В.Фролов // Новости клинической цитологии России: журнал практической и теоретической цитологии. Москва, 1998. Т.2. С.76-77.

5. Мандрыкнн A.B., Мутафян М.И., Степанян H.A.. Профглирование как одни из методов обработки изображений при изучении микроостеологических препаратов // Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине: Тез.докл. Всероссийского совещания-семинара. Воронеж, 1997.4.1. С.78.

6. Мандрыкнн A.B., Мутафян М.И., Фролов A.B. Организация обработки информации в автоматизированной системе АСОИ "КОСТЬ" для решения задач судебно-медицинских исследований // Компьютеризация в медицине: Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж: ВГТУ, 1997. С.141-145.

7. Мандрыкнн A.B., Мутафян М.И., Фролов A.B. Формализация дескриптивных признаков костной ткани в процессе идентификации личности с использованием автоматизированной системы обработки изображений // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: Тездокл. Всероссийской научно-технической конферешщи студентов, молодых ученых и специалистов. Рязань, 1997. С.35.

8. Мандрыкнн A.B., Мутафян М.И.. Разработка интерактивных, процедур программного инструментария обработки изображений для задач медицинской диагностики // Высокие технологии в практике учреждений здравоохранения г.Воронежа: Тез.докл. научно-практической конференции. Воронеж, 1995. С.36.

9. Мандрьшш A.B., Мутафян М.И.. Разработка подсистемы построения математических моделей в составе АСОИ "КОСТЬ" // Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине: Тез-докл. Всерос. совещания-семинара. Воронеж, 1997.4.1. С. 99-100.

10. Принципы построения базы данных для храьения микроостеологическнх объектов при судебно-медицинских исследованиях / А.В.Мандрыкин, М.И.Мутафян, А.В.Фролов, Ю.В.Зазулнн // Современные проблемы информатизации: Тез.докл. III Международной электронной научной конференции. Воронеж, 1998. С. 104-105.

II. Структура автоматизированной системы обработки изображений для идентификации личности по морфологии костей / А.В.Фрслов, А.В.Мандрыкин, Ю.В.Зазулнн, М.И.Мутафян // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: Тез.докл. Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. Рязань, 1997. С.36-37.

12. Формирование информационной системы "ИНФО-КОСТЬ" / Ю.В.Зазулнн, Г.П.Саяпина, Г.В.Горохов, Г.В.Басова, А.В.Мандрыкин, М.И.Мутафян, А.В.Фролов // Новости клинической цитологии России: журнал практической и теоретической цитологии. Москва, 1998. Т.2.С.76. у / J -

А /

у

Г

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

МАНДРЫКИН АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКОГО УСТАНОВЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ЧЕЛОВЕКА ПО МИКРОСТРУКТУРЕ ТРУБЧАТЫХ КОСТЕЙ

Специальность 05.13.09 - Управление в биологических и

медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Мутафян М.И.

\ \ Научный консультант: доктор медицинских наук,

\ профессор, член-корр. МАИ

\ Бахметьев В.И.

ВОРОНЕЖ - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................4

1. АНАЛИЗ РЕЗЕРВОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ.....................15

1.1. Критический обзор и перспективы развития компьютерных медицинских систем, ориентированных на использование систем обработки изображений..........................................15

1.2. Описание и анализ существующих в судебной медицине методик идентификации личности на основе анализа микроостеологической информации.................................33

1.3. Цель и задачи исследования...................................................42

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.............................................................................................43

2.1. Формализация количественных и метрических характеристик микроструктуры трубчатых костей...................................43

2.2. Формирование процедур предварительной обработки экспертной информации для построения статистических моделей определения возраста человека........................................50

2.3. Этапы построения идентификационных моделей.................52

2.4. Построение идентификационных моделей определения возраста на основе формализованных микроструктурных характеристик трубчатых костей..........................................................67

ВЫВОДЫ ВТОРОЙ ГЛАВЫ.............................................................77

3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ПРОЦЕССЕ СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ....................................................79

3.1. Структура автоматизированной системы обработки изображений АСОИ "КОСТЬ"..........................................................................79

3.2. Алгоритмизация первичной обработки изображений................84

3.3. Алгоритмизация получения количественных и метрических характеристик костной ткани...........................................90

ВЫВОДЫ ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЫ...........................................................104

4. РЕАЛИЗАЦИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ В ПРАКТИЧЕСКУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ................................................................................................106

4.1 Программное обеспечение автоматизированной системы обработки изображений АСОИ "КОСТЬ" для идентификации возраста человека........................................................106

4.2. Реализация информационной подсистемы..............................119

4.3. Анализ показателей эффективности автоматизированной системы обработки изображений АСОИ "КОСТЬ".................121

4.4. Результаты практической реализации построенных моделей определения возраста..................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................127

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема идентификации личности человека по микроморфологическим признакам костей возросла на текущий момент как никогда прежде.

Локальные боевые действия, участившиеся техногенные катастрофы, природные катаклизмы, небывалый рост преступности приводит к тому, что на территории России ежегодно пропадают десятки тысяч людей.

Все чаще с целью сокрытия преступлений против жизни человека преступники используют изощренные, уничтожающие труп способы (кремация, водяное и земельное погребение, сегментация тела и т.д.).

Анализ работы Республиканского Центра возрастной микроостеологии, объектами исследования которого являются мелкие фрагменты костей, в том числе подвергшиеся сожжению, указывает на важность задачи идентификации возраста человека по микроостеологическим останкам. Так, например, после создания Центра (1988-1991 гг.),. проведено около 40 экспертиз по заданию прокуратур различных регионов Советского Союза, тогда как за период с 1993 г. по 1997 г. только по Воронежской области количество экспертиз костей, лишенных четких анатомических ориентиров, составило 135.

Распределение экспертиз по возрастному фактору показывает, что 80 % из них приходится на первый и второй периоды зрелого возраста, 15 % - на пожилой и старческий, и лишь в 5 % случаев объектами исследования являются останки детей и подростков. Характерные микроостеологические особенности довольно точно позволяют определять возрастную принадлежность костей детей и подростков.

Вместе с тем, диагностика возраста лиц более старших возрастов вызывает существенные затруднения. Существующие методики определения возраста по микроморфологии трубчатых костей, разработанные в 70-80-х гг.,

ограничивают результаты исследований рамками общеизвестных возрастных групп (1-3, 4-7, 8-12 ... 18-35, 36-60, 61 и более) и в настоящее время не полностью удовлетворяет требованиям правоохранительных органов. Обращает на себя внимание трудоемкость их выполнения, отсутствие дифференцированного учета количественных микроструктурных компонентов, диагностически значимых для конкретного возрастного интервала.

Это свидетельствует о недостаточной формализации остеонной организации костей для восприятия глазом человека и ставит в зависимость исход экспертизы от опыта, навыков и интуиции эксперта.

В настоящее время накоплен огромный опыт в области методов визуализации и обработки изображений. Использование компьютерных технологий, методов фиксации, хранения и обработки видеоинформации, математического и физического моделирования, с последующей алгоритмизацией действий эксперта в зависимости от конкретной исходной ситуации значительно упростит процесс установления возраста личности по костям скелета.

Таким образом, разработка моделей и алгоритмов судебно-медицинского установления возраста человека по микроструктуре трубчатых костей, алгоритмического и программного обеспечения компьютерной системы обработки видеоинформации является актуальной и имеет важное значение для решения задачи идентификации личности.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине" и направления ВГМА им.Н.Н.Бурденко "Морфология и фрактография костей человека в судебно-медицинском отношении" при выполнении ГБ темы научных исследований № 96.27.

Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка моделей и алгоритмов в составе автоматизированной системы для выявления и обработки формализованных характеристик микроструктуры трубчатых костей с последующим установлением возраста человека.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. На основе проведения критического обзора выявить особенности обработки информации в судебно-медицинских исследованиях при анализе микроструктуры костной ткани.

2. Формализовать микроструктурные дескриптивные признаки срезов трубчатых костей человека.

3. Разработать математические модели для установления возраста человека путем выявления взаимосвязи микроструктурных статистических характеристик срезов трубчатых костей.

4. Разработать программно-алгоритмическое обеспечение для обработки изображений срезов трубчатых костей и осуществить интеграцию разработанного программно-алгоритмического обеспечения в составе автоматизированной информационной системы АСОИ "КОСТЬ" с различными прикладными программными системами статистической обработки данных.

5. Провести апробацию созданных моделей и алгоритмов на практических объектах при прогнозировании возраста человека по микроструктуре трубчатых костей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе применялись методы теории управления, компьютерной графики, цифровой обработки изображений, математического моделирования, математической статистики, теории вероятностей. При разработке программных средств использовались методы модульного программирования и технологии объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

разработан метод объективного определения возраста в процессе судебно-медицинской идентификации личности, позволяющий осуществлять автоматизированный анализ изображений микроструктуры костей человека на основе формализации морфологических признаков;

разработан комплекс моделей установления возраста человека, отличающийся использованием методов статистической обработки и анализа микроструктурных характеристик костной ткани трубчатых костей;

создано алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы обработки изображений поперечных срезов костей, позволяющее проводить обработку микроостеологической информации в задачах судебно-медицинских исследований.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Внедрение разработанных моделей и алгоритмов

повышает качество и воспроизводимость экспертных выводов; сокращает время экспертизы;

расширяет возможности судебно-медицинского установления возраста за счет предоставления ей инструментария, позволяющего проводить исследования по схеме «а что, если ...», адаптируя вычислительную среду под специфику прикладных задач исследований;

объективизирует и переводит на качественно новый уровень процесс сбора и обработки микроостеологических данных.

Разработанная система обладает высокой гибкостью при решении поставленных задач в любой области исследований и инвариантна к предметной области приложений, связанных с использованием визуальной информации.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение основано на принципах модульного синтеза, что позволило оформить отдельные подсистемы как автономные комплексы, способные решать задачи обработки и анализа любых изображений.

За счет использования средств стандартной СУБД предоставляется возможность хранения и обработки большого объема архивной статистической информации.

Реализация результатов работы. Автоматизированная система обработки изображений костных останков (АСОИ "КОСТЬ") внедрена на кафедре судебной медицины Воронежской государственной медицинской академии им.Н.Н.Бурденко. Материалы диссертации используются в учебном процессе межвузовской кафедры "Системный анализ и управление в медицинских и педагогических системах" при обучении студентов специальности 190500 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" в курсе "Автоматизация обработки биомедицинской информации" и в учебном процессе кафедры "Управление в социальной сфере и медицине" в курсе "Информационные основы организации здравоохранения".

Годовой экономический эффект от внедрения составляет 18 тыс. рублей (в ценах на конец 1998 года).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: научно-практической конференции "Высокие технологии в практике учреждений здравоохранения г. Воронежа" (Воронеж, 1995); IV Всероссийском съезде судебных медиков "Проблемы идентификации в теории и практике судебной медицины" (Москва-Владимир, 1996); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1997); Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань,

1997); III Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998); XIII пленуме Всероссийского общества судебных медиков (Москва, 1998); семинарах кафедр «Системный анализ и управление в медицинских и педагогических системах» и «Управление в социальной сфере и медицине»; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 122 страницах, списка литературы из 102 наименований, 3 приложения. Содержит 27 рисунков, 14 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные научные и практические результаты.

В первой главе диссертации проводится критический анализ применяемой в медицине компьютерной вычислительной техники, ориентированной на использование систем обработки изображений. Рассматриваются системы, выполняющие роль аналитического аппарата для решения задач по обработке и анализу изображений различных медицинских объектов. Приводятся технические характеристики, возможности, слабые и сильные стороны в работе этих систем. По способу реализации все системы отвечают требованиям решения конкретных задач как аппаратно, так и программно. Но несовместимость подобных систем, закрытость их архитектуры (затруднения интеграции различных алгоритмов в уже созданный комплекс при необходимости изменения условий исследования) не позволяют использовать их для решения аналогичных задач в других областях, связанных с компьютерной обработкой изображений.

Проведенный анализ компьютерных диагностических медицинских систем позволяет сделать вывод, что каждая из них значительно расширяет диагностические возможности за счет повышения объективности, надежности, обоснованности, воспроизводимости экспертных выводов (при значительном сокращении время- и трудозатрат).

Одной из возможных областей применения подобных систем является судебно-медицинская экспертиза, где одной из наиболее актуальных проблем является идентификация личности, в частности, определение возраста человека.

Особый интерес в этом плане представляет скелет, поскольку кости, закономерно изменяясь в постнатальном онтогенезе, несут существенную гено-и фенотипическую информацию и, кроме того, достаточно устойчивы к воздействию различных факторов внешней среды (земляное погребение, гниение, высушивание, действие крайних температур и т.п.).

Анализ методик, предложенных рядом авторов, показывает, что решение вопроса идентификации (определение возраста, пола, роста или веса) базируется на традиционных анатомических образованиях костей, известных из нормальной анатомии. При этом диагностическая точность методов ограничена групповым уровнем, что не позволяет определять личность конкретного человека, особенно в случаях экспертизы скелетизированных и фрагментированных костей при массовых катастрофах и боевых действиях, когда дифференцировка людей по возрастному и половому факторам невозможна (например, солдаты срочной военной службы).

Решение проблемы установления возраста человека становится возможным путем анализа микроостеологической информации. Приводится описание используемых на данный момент судебными экспертами неавтоматизированных традиционных методик определения возраста личности. Анализируются недостатки и пути их устранения.

Существующие методики определения возраста по микроструктуре костной ткани характеризуются наличием многочисленных временных и трудоемких этапов, недостаточной формализацией микроостеологических признаков. Это привело к зависимости экспертных выводов по качеству и воспроизводимости объективности результатов от опыта, навыков и интуиции эксперта.

Таким образом, сделан вывод о необходимости разработки специализированного аппаратно-программного комплекса для решения задач, возникающих в процессе судебно-медицинских исследований при решении проблемы установления возраста человека на основе анализа микроостеологической информации.

Вторая глава посвящена вопросу создания формализованного описания количественных и геометрических характеристик микроструктуры костной ткани трубчатых костей. Наряду с традиционными и применяемыми в существующих методиках параметрами, учитываются характеристики, ранее не используемые в практике судебно-медицинских исследований.

Рассматриваются основные этапы построения регрессионных моделей для решения вопроса установления