CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006 95

Software pentru Interpretarea Amprentei Plantare

Tom SAVU, Gabriela SAVU

Abstract—Interpreting the sole's print can be a usefull task in a series of clinical analysis, allowing to identify some problems

concerning the pressure distribution over the sole. The LabVIEW application presented here is using a set of digitized images

obtained with special carbon paper and allows the determination of some specific parameters. The pressure distribution over the

sole is also computed. The application is managing a database for tracking the patient's evolution.

Index Terms—LabVIEW, sole pressure, foot parameters, patients database.

—————————— � ——————————

1 INTRODUCERE

nterpretarea amprentei plantare este utilă într-o serie de analize clinice, permiţând identificarea unor probleme legate de distribuţia presiunii pe talpa piciorului. O amprentă plantară poate fi obţinută, printre alte

metode, prin aşezarea pacientului cu tălpile pe o coală de hărtie specială, autocopiativă, hârtie pe care, datorită presiunii exercitate, apare o imagine în tonuri de gri.

Tonurile de gri respective au o intensitate cu atât mai mare (sunt cu atât mai apropiate de culoarea neagră) cu cât presiunea exercitată de talpa pacientului în zona respectivă a fost mai mare.

Imaginea astfel obţinută este digitizată (scanat) şi salvată într-un fişier ce urmează a fi prelucrat de aplicaţia software prezentată în această lucrare. Sunt de asemenea digitizate şi două categorii de radiografii.

2 FUNCŢIUNILE PRINCIPALE ALE APLICAŢIEI

Prin apăsarea unor butoane, utilizatorul selectează calea şi numele fişierelor din care aplicaţia va încărca imaginile

digitizate ale amprentei plantare şi ale celor două tipuri de radiografii, pe direcţie verticală respectiv orizontală. După încărcarea unei imagini, aceasta apare într-o zonă aflată imediat sub butonul corespunzător (Fig. 1).

Un grup de şase butoane permite specificarea imaginii care să fie reprezentată mărit într-o zonă din partea stângă a ferestrei în care rulează aplicaţia. În zona de afişare respectivă, utilizatorul are la dispoziţie unelte selectabile pentru mărirea, micşorarea sau deplasarea imaginii.

Se poate de asemenea specifica reprezentarea mărită: 1. A uneia din cele trei imagini încărcate anterior din

fişiere (Fig. 2); 2. A unei imagini obţinute prin suprapunerea

conturului amprentei plantare peste radiografia pe direcţie verticală (Fig. 3);

3. A unei imagini color reprezentând distribuţia presiunii, caz în care este afişată şi o scară de corespondenţă culoare – presiune (Fig. 4).

Conturul amprentei şi distribuţia presiunii sunt determinate automat de către aplicaţia software imediat după ce imaginea digitizată a amprentei plantare este încărcată din fişierul de date.

• Tom SAVU, Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, Centrul de Tehnologii Avansate - CTANM. E-mail: savu@ctanm.pub.ro

• Gabriela SAVU, Grupul Școlar Industrial ”Petre Poni” București. E-mail:

gabisavu67@yahoo.com

I

Fig. 1. Interfaţa pentru încărcarea şi afişarea imaginilor.

Fig. 2. Reprezentarea mărită a unei imagini încărcate anterior.

96 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

Pentru a realiza corespondenţa dintre distanţele în pixeli din cadrul imaginilor şi distanţele reale, utilizatorul poate activa o procedură de scalare, separat pentru fiecare din cele trei imagini digitizate.

Pentru a realiza scalarea, este necesar ca pe hârtia autocopiativă şi pe cele două radiografii să fi fost trasate, anterior digitizării, două repere de genul unor segmente de dreaptă aflate la o distanţă cunoscută.

În cadrul procedurii de scalare, utilizatorului i se solicită să traseze în imagine, cu ajutorul unei unelte de desenare, două segmente paralele poziţionate peste reperele trasate anterior digitizării, apoi să specifice distanţa reală dintre cele două repere (Fig. 5).

Valorile constantelor de scalare (în pixeli / cm) sunt stocate separat de aplicaţia software, pentru fiecare imagine în parte.

Odată ce constantele de scalare au fost determinate în mod interactiv, pentru fiecare imagine există posibilitatea ca utilizatorul să traseze o serie de elemente geometrice cu ajutorul cărora aplicaţia software să calculeze valorile unor parametri specifici:

1. Înălţimea arcului plantar, pe radiografia din direcţie orizontală (Fig. 6);

2. Unghiul dintre metatarsiene, pe radiografia din direcţie verticală (Fig. 7);

3. Ariile diverselor zone ale amprentei plantare şi presiunile minimă, maximă şi medie în fiecare dintre aceste zone (Fig. 8).

Trasarea elementelor geometrice necesare calculelor se

realizează interactiv, utilizatorul fiind ghidat în legătură cu ordinea şi semnificaţia segmentelor pe care trebuie să le traseze peste o imagine la fiecare etapă.

Valorile calculate ale parametrilor specifici sunt afişate de către aplicaţia software într-o zonă separată a interfeţei grafice cu utilizatorul (Fig. 9). În aceeaşi zonă, utilizatorul poate specifica o serie de alte informaţii referitoare la pacient: data naşterii, înălţimea, greutatea, tipul afecţiunii şi diverse valori obţinute prin observare directă.

Aplicaţia poate gestiona o bază de date cu informaţii despre pacienţi. Pentru fiecare pacient în parte pot fi definite mai multe seturi de date, fiecare set corespunzând

Fig. 3. Suprapunerea conturului amprentei peste radiografie. Fig. 4. Reprezentarea distribuţiei de presiuni.

Fig. 5. Procedura de scalare a imaginii. Fig. 6. Determinarea înălţimii arcului plantar.

T. SAVU, G. SAVU – SOFTWARE PENTRU INTERPRETAREA AMPRENTEI PLANTARE 97

unei consultaţii efectuate la o anumită dată la care au fost obţinute amprenta plantarăşi radiografiile. Utilizatorul poate încărca date din consultaţii anterioare şi poate completa prelucrările asupra acestora.

3 ASPECTE PRIVIND REALIZAREA APLICAŢIEI

Aplicaţia a fost realizată în mediul de programare grafică LabVIEW 7.1, utilizând pachetul de funcţii IMAQ Vision dedicat achiziţiei, prelucrării şi analizei imaginilor.

Versiunile prototip ale procedurilor de prelucare complexă a imaginilor (determinarea conturului amprentei sau a distribuţiei de presiuni) au fost realizate cu ajutorul pachetului software Vision Assistant 7.0 al Corporaţiei National Instruments.

Algoritmul după care aplicaţia realizează eliminarea “zgomotelor” din exteriorul suprafeţei ocupate de tălpi a fost conceput utilizând imaginea digitizată cu cea mai bună calitate dintre cele avute la dispoziţie.

Prelucrarea unor imagini de calitate mai slabă (datorată procedeului de obţinere a amprentei) a evidenţiat, aşa cum

era de aşteptat, faptul că un algoritm de calcul de o complexitate rezonabilă nu are posibilitatea de a identifica într-o imagine anumite particularităţi care pot părea aproape evidente la examinarea subiectivă de către un observator uman.

Deoarece creşterea complexităţii algoritmului ar implica un volum de muncă mult mai mare, ar conduce la obţinerea unei aplicaţii mai lente (deci mai dificil de utilizat) şi nu ar garanta neapărat obţinerea corectă a informaţiei utile dintr-o imagine afectată de erori, s-a preferat să se limiteze complexitatea algoritmului în speranţa îmbunătăţirii ulterioare a metodei de obţinere a amprentei plantare.

Pentru etalonarea imaginilor digitizate ale amprentei plantare în unităţi de măsură pentru presiune au fost utilizate trei imagini obţinute prin dispunerea pe dispozitivul de amprentare a unor corpuri de masă cunoscută.

Pentru fiecare din cele trei imagini a fost trasată câte o curbă (Fig. 10) reprezentând intensitatea medie a pixelilor din cadrul amprentei în funcţie de presiunea corpului care a provocat amprenta respectivă.

Un pixel cu intensitate mare reprezintă un pixel cu o nuanţă apropiată de alb, astfel încât se observă, aşa cum era de aşteptat, o tendinţă de scădere a intensităţii pixelilor odată cu creşterea presiunii.

Fig. 9. Afişarea valorilor parametrilor specifici.

Fig. 8. Determinarea ariilor diverselor zone ale amprentei.

Fig. 7. Determinarea unghiului dintre metatarsiene.

Fig. 10. Curbe utilizate la etalonarea imaginilor digitizate.

98 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

Pe grafice au apărut însă şi zone crescătoare datorită unor benzi albe provenite din timpul desprinderii straturilor dispozitivului de amprentare.

Cele trei curbe sunt uşor translatate, datorită aspectelor generale uşor diferite ale celor trei imagini. Mediile intensităţilor pixelilor din cadrul unei amprente au fost corectate în funcţie de intensitatea medie a imaginii din care a provenit amprenta. Corecţia respectivă nu a fost însă suficientă şi nu a condus la suprapunerea foarte bună a celor trei curbe. S-a apreciat că o corecţie mai puternică ar fi influenţat prea puternic datele obţinute.

Presupunând că digitizarea celor trei imagini s-a efectuat în aceleaşi condiţii, este foarte posibil ca dispunerea translatată a celor trei curbe să provină şi din calitatea diferită a celor trei dispozitive de amprentare utilizate, caz în care nu se poate efectua o etalonare adecvată oricărei imagini.

Pentru determinarea prin tehnici de regresie a unei funcţii de etalonare mai precise, se intenţionează:

1. Creşterea volumului eşantionului de astfel de amprente studiate;

2. Obţinerea mai multor amprente pentru aceeaşi valoare a presiunii;

3. Dispunerea amprentelor astfel încât să scadă riscul afectării mai multor amprente, corespunzătoare unor presiuni apropiate, de către o aceeaşi eroare a dispozitivului de amprentare;

4. Ajustarea datelor corespunzătoare fiecărei amprente nu doar funcţie de calitatea întregii imagini ci şi în funcţie de aspectul vecinătăţii amprentei respective.

4 CONCLUZII

Aplicaţia permite interpretarea mai exactă a amprentei plantare, comparativ cu situaţia în care interpretarea se realizează în mod subiectiv de către un medic. Metoda de obţinere a imaginii cu ajutorul hârtiei

autocopiative prezintă o serie de inconveniente ce se manifestă prin creşterea erorilor de prelucrare a imaginilor. Aplicaţia urmează a fi adaptată şi testată şi pentru

imagini obţinute prin alte metode de prelevare a amprentei. Aplicaţia software urmează a fi completată prin

adăugarea următoarelor facilităţi: 1. Determinarea gradului de pronaţie sau supinaţie

al piciorului, prin compararea cu indexul arcului plantar;

2. Tipărirea unor rapoarte clinice, referitoare la un pacient, care să conţină datele calculate prin program;

3. Tipărirea în mărime naturală şi color a amprentei plantare, a structurii osoase a picioarelor, preluată din radiografii, precum şi a imaginii obţinute prin suprapunerea acestor două imagini;

4. Posibilitatea exportului datelor în format ASCII şi HTML;

5. Posibilitatea de configurare a ridicătorilor susţinătorilor plantari, prin poziţionarea peste forma amprentei şi apoi mărirea lor cu ajutorul mouse-ului (o bază de date separată a aplicaţiei va trebui să conţină forme utilizate în practică la confecţionarea ridicătorilor);

6. Tipărirea formelor optime necesare la realizarea susţinătorilor plantari.

ACKNOWLEDGMENT

Realizarea aplicaţiei a fost finanţată în cadrul unui proiect din cadrul programului naţional CALIST pentru calitate şi standardizare. Imaginile digitizate au fost furnizate de către Institutul Naţional de Cercetare – Dezvoltare pentru Mecanică Fină, coordonatorul proiectului respectiv.

BIBLIOGRAFIE

[1] T. Savu, G. Savu, “Informatică – Tehnologii Asistate de Calculator”, Editura ALL, Bucureşti, 2000

[2] *** LabVIEW Development Guidelines; April 2003 Edition; National Instruments Corp. Austin, Texas, U.S.A.

[3] *** LabVIEW User Manual; April 2003 Edition; National Instruments Corp. Austin, Texas, U.S.A.