بخش ­بندی خودکار استخوان ماگزیلا با استفاده از روش ­های یادگیری عمیق به منظور افزایش دقت جراحی­ های اورتوگناتیک مبتنی بر سیستم نویگیشن

سال شروع: 1400

دانشجو: حدیث مقدسی، مقطع کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی-بیوالکتریک

در دهه اخیر به کارگیری سیستم های نویگیشن در بالا بردن دقت جراحی های مختلف فک و صورت به ویژه جراحی های اورتوگناتیک بسیار مورد توجه واقع شده است. در این جراحی ها به منظور انطباق موقعیت بیمار با تصاویر پیش از عمل از اسپیلنت های دندانی استفاده می شود که این اسپلینت ها از دقت پایینی برخوردار می باشند. اگرچه اخیرا راهکارهایی از جمله پرینت سه بعدی اسپلینت های مختص بیمار به منظور ساخت اسپلینت های بهبود یافته، پیشنهاد شده است و منجر به افزایش دقت آن ها شده است، اما استفاده از آن ها همچنان با مشکلاتی از جمله محدود کردن فضای جراحی و صرف هزینه و زمان جهت ساخت مواجه است. راهکار پیشنهادی این پژوهش جهت حذف اسپلینت ها، استفاده از ویژگی های ذاتی بیمار است مانند ویژگی های ذاتی استخوان ماگزیلا (انحنای حفره بینی) جهت افزایش دقت و کاهش زمان جراحی است. این امر نیازمند بخش بندی دقیق و خودکار استخوان ماگزیلا می باشد. از سوی دیگر بخش بندی ماگزیلا به دلایل متعددی مانند ساختارهای پیچیده، اثر تضعیف بالای مواد مورد استفاده در پر کردن دندان و ایمپلنت های فلزی که منجر به ایجاد نویز و آرتیفکت های زیادی در حین تصویربرداری می شوند با چالش های بسیاری مواجه است. در حال حاضر روش های دستی و نیمه خودکار برای بخش بندی استخوان های گوناگون صورت از جمله استخوان ماگزیلا پیشنهاد شده است، اما اکثر این روش ها با چالش هایی نظیر دقت پایین، زمان بر بودن و همچنین وابستگی روش بخش بندی دستی به مهارت پزشک، مواجه هستند. بخش بندی استخوان ماگزیلا به علت تنوع و پیچیدگی ساختارها، نیازمند روش های خودکار، دقیق و کارآمدی همچون تکنیک های مبتنی بر یادگیری عمیق می باشند. این تکنیک ها ویژگی ها را مستقیما از داده های مورد بررسی، یاد می گیرند و این امر باعث بالا رفتن دقت بخش بندی خودکار می شود. در نتیجه هدف از انجام این پژوهش بخش بندی دقیق و خودکار ماگزیلا با استفاده از روش های مبتنی بر یادگیری عمیق و استخراج ویژگی های مورد نظر از آن جهت انجام فرآیند انطباق و افزایش دقت جراحی های اورتوگناتیک مبتنی بر سیستم نویگیشن است.

بخش بندی و بازسازی سه بعدی بطن چپ قلب با استفاده از تصاویر اکوکاردیوگرام مبتنی بر روش های یادگیری عمیق

سال شروع: 1401

دانشجو: رضا نقنه، مقطع کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی-بیوالکتریک

بیماری‌های قلبی عروقی، اصلی‌ترین عامل مرگ‌ومیر در جهان هستند که درمان بیماری های قلبی و عروقی مستلزم تشخیص زود هنگام و دقیق آن ها است. در این راستا سیستم های تصویربرداری تشخیصی، نقش به سزایی را در تعیین دقیق این پارامترها ایفا می کنند. امروزه اکوکاردیوگرام به عنوان تکنیکی رایج، مقرون به صرفه، غیریونیزان و بلادرنگ به صورت گسترده در دسترس می باشد و به منظور تشخیص در طیف وسیعی از بیماری های قلبی استفاده می شود. علیرغم مزایای اکوکاردیوگرافی در مقایسه با سایر روش ها، عدم امکان استخراج پارامترهای تشخیصی دقیق از تصاویر دو بعدی و با کیفیت پایین اکوکاردیوگرافی از محدودیت های جاری این سیستم تصویربرداری محسوب می شود. اگرچه تبدیل تصاویر دوبعدی اکوکاردیوگرام قلب به تصویر سه‌بعدی منجر به استخراج پارامترهای دقیق تر تشخیصی قلب برای مدیریت و تشخیص بیماری توسط پزشک می شود. این در حالی است که بسیاری از بیماری های قلبی عروقی با تعیین پارامترهای فیزیولوژیکی و آناتومیکی از بطن چپ قابل تشخیص هستند. با توجه به اهمیت مدل سه بعدی بطن چپ قلب از یک سو و محدودیت دسترسی به سیستم های تصویربرداری سه بعدی اکوکاردیوگرام از سوی دیگر، در نتیجه هدف از انجام این پژوهش، بخش بندی دقیق بطن چپ قلب از تصاویر دو بعدی اکوکاردیوگرام مبتنی بر روش های یادگیری عمیق و بازسازی سه بعدی دقیق آن در راستای ایجاد بستری مناسب برای پزشک جهت تعیین دقیق پارامترهای تشخیصی در فضای سه بعدی است.

سه بعدی سازی تصاویر التراسوند دو بعدی بدون قید، به کمک دوربین های استریو

رشد کیفیت تصاویر و تکنولوژی سیستم های تصویربرداری التراسوند از یک سو، و تصویربرداری آسان، زنده و بدون آسیب التراسوند از سوی دیگر سبب شده تا بکارگیری این نوع تصاویر با اقبال بیشتری روبرو شود. یکی از کاربردهای تصویربرداری التراسوند، در عمل های جراحی با رویکرد حداقل تهاجم (MIS) است که در آن جراح علاوه بر دانش مربوط به آناتومی بیمار که در تصاویر توموگرافی پیش از عمل وجود دارد، به مکان بافت ها در حین عمل نیاز دارد. در این پروژه تلاش شده تا جمع آوری تصاویر دو بعدی که در مکان و زاویه دلخواه تهیه شده اند و ساخت تصویر سه بعدی، امکان به روز رسانی محل قرار گیری بافت ها در تصاویر توموگرافی فراهم شود. برای این منظور، به کمک سیستم های ردیابی موقعیت پروب التراسوند در حین تصویربرداری ثبت می شود. در این طرح از نرم افزار های Plus Server، برای برقرار ارتباط و اخذ داده ها میان سیستم های ردیابی و التراسوند و نرم افزار 3D Slicer، برای نمایش داد ها بهره گرفته شده است.

طراحی و پیاده سازی سیستم رهگیری سوزن با استفاده از اثر فرومغناطیس فلزات و آرایه سنسورهای مغناطیسی در مداخلات هدایت سوزن با اولتراسوند ناحیه ستون فقرات

هدایت و جایگذاری دقیق نوک سوزن در نقطه هدف، یکی از پروسه‌های مهم در مداخلات هدایت سوزن است. امروزه روش غالب استفاده از دستگاه C-arm و تصویربرداری X-Ray است که دوز اشعه بالایی را به بیمار و به‌ویژه پزشک و تکنسین‌ها وارد می‌کند. اخیرا تلاش‌های زیادی جهت به‌کارگیری مدالیته اولتراسوند در این مداخلات شده است که علارغم مزایای متعدد، به دلایلی همچنان کاربرد محدود دارد. یکی از این دلایل سخت بودن رهگیری همزمان نواحی هدف و نوک سوزن در تصاویر in-plane و بویژه out-of-plane بوده است. در این پروژه، هدف طراحی و پیاده‌سازی سیستمی مبتنی بر آرایه سنسور‌های مغناطیسی جهت رهگیری مارکر مغناطیسی متصل به نوک ابزار و یا استفاده از اثر فرومغناطیس فلزات و رهگیری سوزن مغناطش‌شده است. برای این‌کار از شبکه‌های عصبی پرسپترون به‌عنوان روشی شناخته‌شده و کارا در حل مسایل رگرسیون و کلاس بندی استفاده می‌کنیم.

ارزیابی و بهینه سازی هندسه ی سیستم تصویربرداری فوتوآکوستیک به منظور تصویربرداری فانتوم معادل بافت پستان

امروزه جهت غربال گری سرطان پستان علاوه بر معاینات متداول پزشکان، استفاده از مدالیته های تصویربرداری تبدیل به امری جدایی ناپذیر در تشخیص شده است. روش های تصویربرداری متداول جهت غربالگری سرطان پستان شامل روشهای تصویربرداری ماموگرافی، ام آرآی و سونوگرافی می باشد. هر یک از این روش های تصویربرداری در کنار مزایا دارای معایبی نیز هستند که سبب می شود به عنوان روش روتین غربالگری سرطان پستان در نظر گرفته نشوند. فوتوآکوستیک روش تصویربرداری نسبتا جدیدی است که با بهره مندی از قدرت تفکیک فراصوتی و کنتراست نوری قابلیت نمایش انواع مختلف تومور را دارد.

هدف این پروژه ارزیابی و بهینه سازی هندسه ی سیستم فوتوآکوستیک به منظور تصویربرداری از بافت پستان می باشد. با توجه به توانمندی تصویربرداری فوتوآکوستیک، این روش توانایی شناسایی انواع بیشتر تومور در مقایسه با ماموگرافی و فراصوت را دارد. هندسه های تصویربرداری مختلفی برای فوتوآکوستیک وجود دارد که در این پروژه به ارزیابی و بهینه سازی این هندسه ها برای تصویربرداری از پستان پرداخته می شود. 

طراحی و پیاده‌سازی سیستم مبتنی بر ترکیب اطلاعات سنسور‌های مغناطیسی و تصاویر اولتراسوند جهت راهبری پروسه تزریق ستون فقرات کمری

زمان شروع: 1397

هدایت و جایگذاری دقیق نوک سوزن در نقطه هدف، یکی از پروسه‌های مهم در مداخلات هدایت سوزن است. در این میان، تزریقات مفصل facet و ناحیه اپیدورال با توجه به نزدیکی محل تزریق به عصب، از جمله بارز‌ترین کاربرد‌هایی است که اهمیت دقت در این پروسه را نمایان می‌کند. امروزه روش غالب استفاده از دستگاه C-arm و تصویربرداری X-Ray است که دوز اشعه بالایی را به بیمار و به‌ویژه پزشک و تکنسین‌ها وارد می‌کند. اخیراً تلاش‌های زیادی جهت به‌کارگیری مدالیته اولتراسوند در این مداخلات شده است که علیرغم مزایای متعدد، همچنان کاربرد محدود دارد. یکی از این دلایل سخت بودن رهگیری همزمان نواحی هدف و نوک سوزن در تصاویر in-plane و بویژه out-of-plane بوده است. در این پروژه، هدف طراحی و پیاده‌سازی سیستمی مبتنی بر ترکیب اطلاعات سنسور‌های مغناطیسی و تصاویر اولتراسوند است، طوریکه کم هزینه و قابل اتکا بوده و با قالب فعلی اتاق عمل سازگار باشد. برای این منظور تخمین موقعیت شفت و نوک سوزن بصورت سلسله مراتبی و تعاملی توسط بلوک‌های پردازش نرم افزاری و پردازش سخت افزاری انجام می‌شود.

طراحی و پیاده سازی الگوریتم تعاملی به منظور بخش ­بندی گلیومای مغزی در تصاویر MRI با استفاده از روش ­های یادگیری عمیق

سال شروع: 1399

گلیوما یکی از تهاجمی­ ترین و رایج­ ترین انواع تومورهای مغزی است که بخش ­بندی آن در تصاویر MRI در برنامه­ های کاربردی مانند برنامه­ ریزی جراحی، ارزیابی پس از جراحی اهمیت بسزایی دارد. تصاویر مغز معمولاً ساختارهای پیچیده ­ا­ی دارند و بخش ­بندی دقیق آنها در تشخیص بالینی امری ضروری و درعین حال دشوار می­ باشد. اخیرا تکنیک­ های یادگیری عمیق به­ عنوان روش­ های تماما خودکار، در حوزه بخش ­بندی گلیوما بسیار پیشرفت کرده­ اند با این حال نتایج بخش ­بندی خودکار در مواردی نیاز به اصلاح پزشک دارند. در این پژوهش با هدف بالا بردن دقت بخش ­بندی و به دنبال آن، به حداقل رساندن میزان تعامل مورد نیاز کاربر، بخش ­بندی با بهینه ­سازی شبکه عصبی عمیق کپسولی برای بخش ­بندی تصاویر گلیوما از پایگاه داده پیچیده BraTS2020 انجام شد سپس نواحی که  از دید کاربر نیاز به اصلاح دارند با رسم خطوط دلخواه بر روی تصویر مشخص می­ شوند. یک میدان تصادفی شرطی با استفاده از اطلاعات ارائه شده توسط کاربر و تصویر اصلی، بخش­ بندی اولیه را در فضای گراف بهینه می­ کند و بخش ­بندی­ های زمخت و غیردقیق را به بخش­ هایی با مرزهای کاملا مشخص و باکیفیت بالا تبدیل می­ کند.

ارایه روش جدید جایگذاری پیچ در مهره های کمری به کمک انطباق سطوح تصاویر استریو حین عمل و تصاویر CT قبل از عمل ستون فقرات

زمان شروع: 1398

ستون فقرات یکی از بافت های بسیار مهم و حیاتی است که به دلیل ساختار پیچیده اش و نیز حساسیت ساختارهای عروقی-عصبی احاطه کننده آن همواره مورد توجه بوده است. در میان عمل های جراحی صورت گرفته روی این بافت عمل جایگذاری پیچ در مهره ها بسیار حائز اهمیت است.عمل جایگذاری پیج در مهره ها به منظور fixation ستون فقرات انجام می گیرد و خطا در این با استفاده از تصاویر گرفته شده از بافت مورد نظر و هدایت جراحی به کمک این تصاویر می توان به دقت بالایی در جراحی دست یافت اما در اثر جابجایی ستون فقرات، هم راستایی بین تصاویر قبل از عمل و شرایط حین عمل از بین می رود که باعث می شود تصاویر پیش از عمل چندان قابل اطمینان نباشند. با استفاده از دوربین استریو می توان دوز دریافتی را به میزان زیادی کاهش دهد و میزان جابجایی را از طریق انطباق تصاویر CT و استریو محاسبه کرد.جایگذاری می تواند منجر به وارد آمدن صدماتی به ساختارهای عروقی یا عصبی احاطه کننده آن شود

طراحی فرآیند جااندازی استخوان گونه، پیش از عمل، به کمک اطلس CT برای استفاده در سامانه راهبری جراحی

زمان شروع: 1396

در جراحی های جاگذاری پروتز در ناحیه میانی صورت یک چالش بسیار بزرگ اطمینان از قرارگیری پروتز در محل دقیق برنامه ریزی شده است چرا که در غیر این صورت نتایج بالینی و رضایت بیمار مطلوب نخواهد بود. ما در این پروژه به دنبال توسعه یک سیستم راهبری جراحی در حوزه جراحی فک و صورت هستیم. این سیستم به جراح کمک می کند تا از محل دقیق پروتز جاگذاری شده را ارزیابی کند. از سوی دیگر، در شکستگی های دو طرفه ناحیه میانی صورت استفاده از یک الگوی مناسب برای طراحی پروتز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در بخش دیگری از تحقیق در حال تهیه یک اطلس آماری برای بیمارانی هستیم که دچار شکستگی در استخوان زیگوماتیک هستند. این اطلس که با استفاده از تصاویر CT ساخته می شود به عنوان بخشی از فرآیند درمان بیمار قابل استفاده خواهد بود.

مکان یابی توده های ریه در فانتوم برونش از طریق فیوژن تصاویر EBUS و CT در سیستم نویگیشن برونکوسکوپی

زمان شروع: 1396

اهمیت تشخیص زودهنگام و درمان سرطان ریه برای بیماران در مراحل اولیه بیماری در حال افزایش است. برونکوسکوپی حین عمل یک روش تهاجمی زنده برای تشخیص ضایعات بدخیم ریوی است در حالی که سونوگرافی تکمیلی انتهای ریه (EBUS) که راهنمای مستقیمی برای مکان یابی سایت های خارج از درخت هوایی فراهم می کند، به رویه ی استانداردی برای تشخیص سرطان از طریق برونکوسکوپی تبدیل شده است. متأسفانه ، هیچ ارتباط مستقیمی بین EBUS و سایر روشهای تصویربرداری تشخیصی برقرار نشده است، که این امر منجر به تغییرات گسترده عملکرد پزشک و بیوپسی نا صحیح می شود. در این مطالعه ی ما یک سیستم ناوبری EBUS / CT را پیشنهاد می کنیم که به صورت هم افزایی EBUS را با تصاویر سه بعدی توموگرافی کامپیوتری (CT) از قفسه سینه بیمار ترکیب می کند و ترکیبی واقعی از EBUS و CT را جهت مکان یابی محل سایت های بیوپسی خارج از درخت هوایی در طول برونشوسکوپی امکان پذیر می سازد.

ارایه روش انطباق ترکیبی داده های فوتواکوستیک و MRI در فضای تنک به منظور محاسبه تغییر فرم بافت مغز در حین جراحی به کمک سیستم IGS

زمان شروع: 1395

‏ بافت مغز یکی از حیاتی­ ترین بافت‎­های بدن انسان است و هر گونه آسیب به آن اثرات مخرب جبران­ ناپذیری دارد. جراحی­ های مدرن مغز و اعصاب به سمت روش ­هایی ‏با کمترین تهاجم گرایش یافته است و استفاده از ‏سیستم­ های IGS در حین جراحی­ بسیار مورد توجه واقع شده است. در جراحی مغز هنگامی که جمجمه باز می­شود بافت مغز دچار جابه ­جایی و تغییر فرم می ­شود. این جابه­‏ جایی که نتیجه ترکیب عوامل گوناگونی از جمله نشت مایع مغزی نخاعی است یکی از عوامل مهم محدود کردن دقت ‏سیستم های IGS می باشد. یکی از روش ­های مفید برای به ­روزرسانی تصاویر قبل از عمل ‏IGS‏، استفاده از تصویربرداری در ‏حین جراحی است. با تصاویری حین جراحی می توان تصاویر قبل ‏از عمل را به­ روز کرد. به این منظور برای اولین بار استفاده از تصاویر فوتواکوستیک حین جراحی پیشنهاد می ­شود. تصاویر فوتواکوستیک به­ علت نمایش آناتومی، عروق و رگ ­زایی تومور ویژگی­ های بهینه­ ای جهت ‏شناسایی دقیق ناحیه تومور در اختیار جراح قرار می ­دهند.‏ با انطباق تصاویر فوتوآکوستیک حین جراحی و MRI قبل از جراحی، خطای ایجاد شده در اثر تغییر فرم بافت مغز محاسبه و جبران می ­شود. 

طراحی و ارزیابی سیستم پروتوتایپ فوتوآکوستیک به منظور تصویربرداری از تومور گلیوما در فانتوم مغز

زمان شروع: 1395

هدف از این پروژه طراحی و ارزیابی سیستم فوتوآکوستیک مبتنی بر ال ای دی است. در این پروژه ارزیابی سیستم بر روی فانتوم معادل بافت انجام شد. در این مطالعه امکان سنجی به کارگیری این روش تصویربرداری برای استفاده در جراحی مغز سنجیده می شود. نمایش حاشیه تومور گلیوما برای برداشت حداکثری تومور که شباهت ظاهری با بافت نرمال مغزی دارد یکی از چالش های جراحی مغز است. با توجه به توانمندی روش فوتوآکوستیک در نمایش رگ های حاشیه تومور امکان نمایش حاشیه تومور در حین جراحی گلیوما برای برداشت امن حداکثری تومور وجود دارد.