Komputerowy model symulacyjny zabiegu bronchoskopii oraz jego zastosowanie do opracowania i testowania metod estymacji przesunięcia końcówki bronchofiberoskopu

mgr inż. Mirosław Socha

Promotor: Prof. zw. dr hab. inż. Tomasz P. Zieliński
Dyscyplina: Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna


Wczesna diagnostyka zmian nowotworowych ma kluczowe znaczenie dla przeżywalności pacjentów. Dlatego niezbędne jest rozwijanie wszelkich metod wspomagania takiej diagnostyki, zwłaszcza w obrębie klatki piersiowej. Estymacja położenia końcówki bronchofiberoskopu jest zagadnieniem kluczowym w komputerowych systemach wspomagania zabiegów przezoskrzelowej biopsji aspiracyjnej. Zabieg ten polega na pobraniu za pomocą cienkiej igły, poprzez aspirację, tkanek z powiększonych węzłów chłonnych znajdujących się za ścianami drzewa oskrzelowego. Próbki takie są następnie poddawane analizie histopatologicznej w celu stwierdzenia obecności tkanek nowotworowych.

Proponowana przez autora metoda wspomagania zabiegu biopsji bazuje na rejestrowanych przez kamerę obrazach z wideobronchofiberoskopu oraz na przestrzennych danych pacjenta, pochodzących z tomografii komputerowej. Celem rozprawy było opracowanie parametrycznego modelu drzewa oskrzelowego, umożliwiającego generowane obrazów wirtualnej bronchoskopii, a następnie opracowanie i przetestowanie, z wykorzystaniem opracowanego modelu, algorytmów estymacji przesunięcia końcówki endoskopu. Tak postawione cele zostały spełnione, a uzyskane wyniki opublikowano w licznych pracach na forum krajowym, jak i zagranicznym.

Autor rozprawy opracował metodologię tworzenia parametrycznego modelu drzewa oskrzelowego, który obejmuje: tworzenie kształtu wirtualnych dróg oddechowych, dodawanie szczegółów anatomicznych oraz modelowanie wyglądu utworzonej trójwymiarowej powierzchni. Połączenie modelu drzewa oskrzelowego z modelami kamery endoskopu i oświetlenia umożliwia generowanie obrazów wirtualnej bronchoskopii, które wykazują znaczne podobieństwo do obrazów rejestrowanych w trakcie rzeczywistych zabiegów bronchofiberoskopii. Druga cześć rozprawy dotyczy algorytmów estymacji ruchu końcówki bronchofiberoskopu. Algorytm szacowania przesunięcia zakłada uproszczony model otoczenia endoskopu - tchawica traktowana jest jako walec, wewnątrz którego współosiowo porusza się końcówka endoskopu przekazująca szerokokątny obraz otoczenia. Autor rozprawy zaimplementował, a następnie przetestował na opracowanym fantomie drzewa oskrzelowego algorytm estymacji ruchu endoskopu. Kluczowe pod względem wydajności fragmenty algorytmu zostały przeprojektowane i zaimplementowane z wykorzystaniem technologii CUDA. Uzyskano ponad 26-krotne skrócenie czasu obliczeń, co umożliwia estymowanie przesunięć endoskopu między kolejnymi obrazami.

Pełna wersja doktoratu: doktorat.pdf

1. Socha, M., Duplaga, M., Turcza, P.: Methods of bronchial tree reconstruction and camera distortion corrections for virtual endoscopic environments. Studies in Health Technology and Informatics, tom 105: s. 285–295. 2004.
2. Socha, M., Duplaga,M., 2005. Aplikacja oparta na bibliotece VTK wspomagająca zabiegi bronchoskopowe. BIO-ALGORITHMS AND MED-SYSTEMS, tom 1, nr 1/2: s. 191–196. 2005.
3. Socha, M., Duda, K., Zieliński, T. P., Duplaga, M.: Algorytmiczna korekcja zniekształceń geometrycznych kamery bronchoskopu. W Modelowanie i Pomiary w Medycynie MPM 2005, Krynica, s. 219–228. 2005.
4. Bułat, J., Duda, K., Skalski, A., Socha, M., Turcza, P., Twardowski, T., Zieliński, T., Duplaga, M.: Image and video processing tasks in computer aided medical interventions on the example of transbronchial biopsy. W „New trends in audio and video”: XI symposium AES, s. 34–42. 2006 IX.
5. Duda, K., Zieliński, T., Socha, M., Twardowski, T., Duplaga, M.: Navigation in bronchial tree based on motion estimation and mutual information. W International Conference on Signals and Electronic Systems, tom 2, s. 683–686. 2006.
6. Duplaga, M., Socha, M., Wojciechowski, W.: The impact of the support of the bronchial needle aspiration with interactive virtual bronchoscopy application on the effectiveness of the procedure. W Biomedical engineering, proceedings of international conference, s. 17–21. Kauno Technologijos Universitetas. 2006.
7. Twardowski, T., Zieliński, T., Duda, K., Socha, M., Duplaga, M.: Fast estimation of bronchofiberoscope egomotion for Ct-guided transbronchial biopsy. W Image Processing, 2006 IEEE International Conference on, s. 1189 –1192. IEEE. ISSN 1522-4880. doi: 10.1109/ICIP.2006.312696. 2006 VIII.
8. Zieliński, T., Duplaga,M., Bułat, J., Duda, K., Skalski, A., Socha, M., Turcza, P.: Model algorytmiczny komputerowego systemu nawigacyjnego do wspomagania zabiegów igłowej biopsji przezoskrzelowej metodą wirtualnej bronchoskopii. tom 53, s. 87–94. Pomiary Automatyka Kontrola. 2007.
9. Bułat, J., Duda, K., Socha, M., Turcza, P., Zieliński, T., Duplaga, M.: Computational tasks in bronchoscope navigation during computer-assisted transbronchial biopsy. W Proceedings of the 8th international conference on Computational Science, Part III, ICCS ’08, s. 178–187. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. ISBN 978-3-540-69388-8. 2008.
10. Duplaga, M., Socha, M., Wojciechowski, W., Soja, J., Tomaszewska, R., Urbanik, A., Niżankowska-Mogilnicka, E., Sładek, K.: Comparison of the effectiveness of the transbronchial needle aspiration supported with the interactive virtual bronchoscopy application or with non-real time endobronchial ultrasonography in patients suspected of lung cancer. European Respiratory Society Annual Congress Berlin Germany October 48, s. [P3396]. 2008.
11. Socha, M., Zieliński, T. P., Duplaga, M.: Symulowanie charakterystycznych dla endoskopu zjawisk zniekształcających obraz. W Modelowanie i Pomiary w Medycynie MPM 2009, Krynica, s. 175–178. 2009.
12. Bułat, J., Duda, K., Socha, M., Turcza, P., Zieliński, T., Duplaga, M.: Computational tasks in computer-assisted transbronchial biopsy. Future Generation Computer Systems, tom 26, nr 3: s. 455–461. 2010.
13. Skalski, A., Socha, M., Duplaga, M., Duda, K., Zieliński, T.: 3D segmentation and visualisation of mediastinal structures adjacent to tracheobronchial tree from CT data. W E. Piętka, J. Kawa, red., Information Technologies in Biomedicine, tom 69 z serii Advances in Intelligent and Soft Computing, s. 523–534. Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-13104-2. 2010.
14. Socha, M.: Parametryczny model powierzchni drzewa oskrzelowego. W Materiały XV Sympozjum nt.: ”Modelowanie i Symulacja Systemów Pomiarowych”, Krynica, s. 101–104. ISBN 978-83-61528-24-1. 2011.
15. Socha, M.: Wizualizacja danych biomedycznych. Wydawnictwa AGH. ISBN 978-83-7464-376-4. 2011.
16. Socha, M.: Szybka metoda estymacji położenia końcówki bronchoskopu - implementacja w GPU. XII Sympozjum Modelowanie i Pomiary w Medycynie MPM 2013, Krynica Górska. 2013.