Three-Dimensional Biplanar Reconstruction of the Scoliotic Spine for Standard Clinical Setup

• Type: Thesis
• Date: 2010

Authors

Daniel Cardoso de Moura (Author) FEUP

Scientific classification

FOS: Engineering and technology > Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering

Associated Institutions

FEUP - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

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DOI: 10.34626/d828-ka94

Resumo (PT): A escoliose é caracterizada por uma deformação tridimensional (3D) da coluna vertebral que requer uma avaliação a três dimensões. No entanto, as técnicas convencionais de imagem 3D mostram-se desadequadas e, por isso, as reconstruções são normalmente realizadas recorrendo a radiografias planares, uma no plano frontal e outra no plano lateral. Porém, esta abordagem apresenta desafios. O primeiro prende-se, desde logo, com a extracção de dados 3D a partir de radiografias 2D. Actualmente, este problema é solucionado através de métodos de calibração que recorrem a objectos de calibração radiopacos, e de plataformas rotatórias que visam minimizar os erros de posicionamento do indivíduo. No entanto, estes métodos requerem alterações consideráveis nos protocolos e instalações radiológicas, para além de introduzirem artefactos nas imagens que, por vezes, se sobrepõem a estruturas anatómicas de interesse. Após a calibração das radiografias torna-se necessário resolver um segundo problema, a recuperação da forma da coluna. Os métodos de referência requerem identificação manual de um conjunto extenso de pontos em cada uma das radiografias, o que os torna dispendiosos e propensos a erros. Por este motivo, e pelas razões supramencionadas, os métodos actualmente utilizados para a reconstruação 3D da coluna vertebral não são viáveis para avaliações clínicas de rotina em serviços de radiologia com configurações comuns. Esta tese assentou na hipótese de que é possível construir modelos geométricos personalizados da coluna vertebral escoliótica a partir de duas radiografias adquiridas em ambiente clínico comum, por meio de métodos computacionais que requerem baixa interacção com o utilizador. Para alcançar este objectivo são propostos dois métodos: um método de calibração geométrica que recorre a uma distância, facilmente medida no local, que visa minimizar o recurso a objectos de calibração; e um método de reconstrução 3D baseado na deformação de um modelo articulado da coluna que visa reconstruções rápidas e exactas. Mostra-se pela primeira vez, nesta tese, que é possível recuperar a escala da coluna vertebral sem recurso a objectos de calibração, ainda que a introdução de um pequeno objecto permita melhorar a exactidão e robustez das reconstruções 3D. Adicionalmente, mostra-se que o modelo proposto permite melhorar os resultados de calibração de radiografia biplanar baseada na minimização do erro de retro-projecção. O método de calibração proposto requer apenas mudanças pontuais nos protocolos de aquisição radiográfica, introduzindo poucos ou nenhuns artefactos nas radiografias. Conclui-se, assim, que satisfaz os requisitos necessários para utilização em ambientes clínicos comuns. No que diz respeito à recuperação da estrutura da coluna vertebral, o método proposto alcançou o menor tempo de reconstrução, tendo em conta o tempo de interacção com o utilizador e o tempo de computação da solução. Alcançou ainda, de entre os métodos semi-supervisionados, a maior exactidão na determinação da localização das vértebras, assim como do centro das faces dos corpos vertebrais, tanto em casos de escoliose moderada como severa. Adicionalmente, foi mostrado que o método permite o cálculo de índices clínicos de forma fiável, mesmo quando o input é fornecido por utilizadores não-especialistas. Conclui-se, deste modo, que o método de reconstrução 3D pode ser utilizado para avaliações clínicas de rotina.

Abstract (EN): Scoliosis is characterized by a three-dimensional (3D) deformation of the spine that requires a 3D evaluation. However, conventional 3D imaging techniques have shown to be inadequate and, therefore, 3D reconstructions are typically performed from planar radiographs, one on the frontal plane and another on the lateral. Yet, this approach presents several challenges. The first is concerned with extracting 3D data from 2D radiographs. Currently, this is solved by calibration methods that make use of radiopaque objects and rotatory platforms that minimise patient positioning errors. However, these methods require considerable changes in radiological setups and protocols, besides introducing artefacts on the images that, sometimes, overlap anatomical structures of interest. After calibrating the acquired radiographs another problem arises, recovering the shape of the spine. The gold-standard methods require an extensive set of landmarks that must be manually identified on each radiograph, making them resource-consuming and error-prone. For this and the aforementioned reasons, the methods that are currently used for 3D reconstructing the spine are not viable for routine clinical evaluations on radiological services with standard setups. In this thesis it was hypothesised that it is possible to build personalised geometrical models of scoliotic spines from two radiographs acquired in standard clinical environments by means of computational methods that require limited user-interaction. For accomplishing this goal, two methods are proposed here: a calibration method that makes use of a distance, easily measured on site, that aims at minimising the need for calibration objects; and a 3D reconstruction method based on the deformation of an articulated model of the spine that aims at providing fast and accurate 3D reconstructions. In this thesis, it is shown by the first time that it is possible to recover the scale of the spine without calibration objects, although introducing a small calibration object improves both accuracy and robustness of the 3D reconstructions. In addition, it is shown that the proposed model enables to improve results of calibrations of biplanar radiographs based on the minimisation of the retro-projection error. The calibration method proposed here only requires minimal changes to the radiographs acquisition protocols, resulting in minimal artefacts on the radiographs. Thus, we conclude that it satisfies the requirements for being used in standard clinical environment. Concerning recovering the shape of the spine, the proposed method achieved the fastest reconstruction times ever, including user-interaction time and computation time. Additionally, it achieved, within semi-supervised methods, the highest accuracy determining the location of vertebrae and the centres of their endplates for both mild and severe scoliotic patients. Furthermore, it was shown that the method enables to reliably calculate clinical indices, even by non-expert users. Therefore, we conclude that the 3D reconstruction method can be used for routine clinical evaluations.

Language: Portuguese

Type (Professor's evaluation): Scientific

No. of pages: 168