Конвеєр перетворення медичних томографічних даних при проєктування індивідуальних імплантатів

Анотація

У роботі представлено комплексну методологію автоматизованого перетворення серій комп'ютерної томографії (формату DICOM) у монолітні тривимірні полігональні моделі (STL). Система орієнтована на забезпечення безпосереднього адитивного виробництва індивідуальних кісткових імплантатів та формування верифікованих навчальних наборів даних для нейромережевих алгоритмів просторової реконструкції. Досліджено проблему розбіжності оптичної щільності тканин у нативних та контрастних фазах діагностики. Виявлено та алгоритмічно усунуто ефект «розгерметизації контуру» в епіфізарних зонах суглобів із малою товщиною кортикальної пластинки, що у класичних підходах призводить до утворення порожнистих дефектів або спотворення суглобової щілини. Запропоновано багаторівневий алгоритм просторової стандартизації координат, гістерезисної фільтрації тканин за співвідношенням несучого ядра та оболонки, а також мультиаксіального заповнення внутрішніх каверн на ізольованих анатомічних компонентах. Обґрунтовано використання стандартизованого формату NIfTI як інтеграційного мосту між модулем первинної обробки КТ-даних, моделями глибокого навчання та кінцевим генератором полігональної сітки. Розроблено предиктивний модуль на основі алгоритмів машинного навчання (ML), який на основі вилучених морфометричних векторів, локального розподілу оптичної щільності HU та тензорів біомеханічних навантажень здійснює автоматизовану генерацію оптимальної геометрії протеза, топологічну оптимізацію його внутрішньої пористості та мультикритеріальний вибір біосумісного матеріалу. Для подолання ефекту «чорної скриньки» реалізовано підсистему пояснюваного штучного інтелекту (Explainable AI, XAI) на базі оцінок важливості ознак (значень SHAP/LIME), яка генерує деталізований аналітичний звіт. Звіт повністю розкриває причиново-наслідкові зв'язки між анатомічними параметрами пацієнта та підсумковим рішенням моделі, обґрунтовуючи вибір градієнта пористості, товщини конструктивних елементів і фізико-механічних властивостей сплаву для клінічної верифікації. Описано архітектуру автономного програмного комплексу з апаратним графічним прискоренням для клінічного застосування.