Tái tạo 3D các cột sống bị cong vẹo từ Tia X quang ba chiều và Hình ảnh chiều sâu

Springer Science and Business Media LLC - Tập 46 - Trang 1206-1215 - 2018
Benjamin Groisser1, Ron Kimmel2, Guy Feldman3, Nimrod Rozen3, Alon Wolf4
1Department of Mechanical Engineering, Technion—Israel Institute of Technology, Haifa, Israel
2Department of Computer Science, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel
3Department of Orthopedics, Emek Medical Center, Afula, Israel
4Department of Mechanical Engineering, Technion–Israel Institute of Technology, Haifa, Israel

Tóm tắt

Hình dạng cột sống có thể được tái tạo từ tia X quang ba chiều, nhưng thường yêu cầu cơ sở hạ tầng chuyên dụng hoặc không tính đến tư thế của bệnh nhân. Bài báo này trình bày một giao thức cho các tái tạo hình ảnh ba chiều tích hợp bản ghi bề mặt với tia X quang và tính toán tự nhiên các biến đổi trong tư thế bệnh nhân. Máy ảnh độ sâu giá thấp được thêm vào hệ thống tia X quang hiện có để ghi lại tư thế của bệnh nhân. Một mô hình thống kê về hình dạng cơ thể người được học từ các bộ dữ liệu công cộng và đăng ký với các quét độ sâu, cung cấp sự tương ứng 3D giữa các hình ảnh cho việc tái tạo hình ảnh ba chiều các cột mốc X quang. Một ma trận X quang đã được sử dụng để xác thực các phương pháp này trong ống nghiệm với lỗi tái tạo hình dáng cột mốc 3D RMS là 2.0 mm. Các bề mặt được đăng ký tự động và đáng tin cậy, với độ lệch dịch chuyển SD 12 mm và độ lệch quay SD 0.5°. Phương pháp đề xuất là phù hợp cho các tái tạo X quang 3D và có thể có lợi trong việc bù đắp cho sự chuyển động không tự nguyện của bệnh nhân.

Từ khóa

#cột sống; tái tạo 3D; tia X quang ba chiều; hình ảnh chiều sâu; động học bệnh nhân

Tài liệu tham khảo

Agisoft, L. Photoscan http://www.agisoft.com/. Allen, B., B. Curless, and Z. Popović. The space of human body shapes: reconstruction and parameterization from range scans. ACM Trans. Gr. 22:587–594, 2003. Andre, B., J. Dansereau, H. Labelle, B. André, J. Dansereau, and H. Labelle. Optimized vertical stereo base radiographic setup for the clinical three-dimensional reconstruction of the human spine. J. Biomech. 27:1023–1035, 1994. Anguelov, D., P. Srinivasan, and D. Koller. Scape: shape completion and animation of people. ACM Trans. Gr. 24:408–416, 2005. Arun, K. S., T. S. Huang, and S. D. Blostein. Least-squares fitting of two 3D point sets. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 9:698–700, 1987. Aubin, C. E., J. Dansereau, F. Parent, H. Labelle, and J. Guise. Morphometric evaluations of personalised 3D reconstructions and geometric models of the human spine. Med. Biol. Eng. Comput. 35:611–618, 1997. Bogo, F., M. J. Black, M. Loper, and J. Romero. Detailed full-body reconstructions of moving people from monocular RGB-D sequences. Proceedings of the Iccv pp. 2300–2308, 2015. Bogo, F., J. Romero, M. Loper, and M. J. Black. FAUST: Dataset and evaluation for 3D mesh registration. Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition pp. 3794-3801, 2014. Breque, C., J. C. Dupre, and F. Bremand. Calibration of a system of projection moiré for relief measuring: Biomechanical applications. Opt. Lasers Eng. 41:241–260, 2004. Chen, Y., Z. Liu, and Z. Zhang. Tensor-based human body modeling. Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition pp. 105–12, 2013. Cheriet, F., J. Dansereau, Y. Petit, C. É. Aubin, H. Labelle, and J. A. Guise. Towards the self-calibration of a multi-view radiographic imaging system for the 3D reconstruction of the human spine and rib cage. Vision Interface 13:761, 1999. Cheriet, F., C. Laporte, S. Kadoury, H. Labelle, and J. Dansereau. A novel system for the 3-D reconstruction of the human spine and rib cage from biplanar X-ray images. IEEE Trans. Biomed. Eng. 54:1356–1358, 2007. Community, B. O. Blender - a 3D modeling and rendering package http://www.blender.org. Dai, J. S. Euler-Rodrigues formula variations, quaternion conjugation and intrinsic connections. Mech. Mach. Theory 92:144–152, 2015. Dansereau, J., and I. A. F. Stokes. Measurements of the three-dimensional shape of the rib cage. J. Biomech. 21:893–901, 1988. Drerup, B., and E. Hierholzer. Automatic localization of anatomical landmarks on the back surface and construction of a body-fixed coordinate system. J. Biomech. 20:967–970, 1987. Drerup, B., and E. Hierholzer. Back shape measurement using video rastereography and 3-dimensional reconstruction of spinal shape. Clin. Biomech. 9:28–36, 1994. Geman, S., D. E. McClure, and D. Geman. A nonlinear filter for film restoration and other problems in image processing. CVGIP 54:281–289, 1992. Hasler, N., C. Stoll, M. Sunkel, B. Rosenhahn, and H. P. Seidel. A statistical model of human pose and body shape. Comput. Gr. Forum 28:337–346, 2009. Hirshberg, D. A., M. Loper, E. Rachlin, and M. J. Black. Coregistration: Simultaneous alignment and modeling of articulated 3D shape. Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 7577 LNCS, pp. 242–255, 2012. Janicki, J., and B. Alman. Scoliosis: Review of diagnosis and treatment. Paediatr. Child Health 12:771–776, 2007. Kadoury, S., F. Cheriet, C. Laporte, and H. Labelle. A versatile 3D reconstruction system of the spine and pelvis for clinical assessment of spinal deformities. Med. Biol. Eng. Comput. 45:591–602, 2007. Labelle, H., J. Dansereau, C. Belleeur, and J. C. Jéquier. Variability of geometric measurements from three-dimensional reconstructions of scoliotic spines and rib cages. Eur. Spine J. 4:88–94, 1995. Legaye, J., P. Saunier, R. Dumas, and C. Vallee. Correction for patient sway in radiographic biplanar imaging for three-dimensional reconstruction of the spine: In vitro study of a new method. Acta Radiol. 50:781–790, 2009. Loper, M. Human shape estimation using statistical body models. Ph.D. thesis, Tubingen, 2017. Loper, M., N. Mahmood, and J. Romero. SMPL: a skinned multi-person linear model. ACM Trans. Gr. 34:248, 2015. Mitulescu, A., I. Semaan, J. A. De Guise, P. Leborgne, C. Adamsbaum, and W. Skalli. Validation of the non-stereo corresponding points stereoradiographic 3D reconstruction technique. Med. Biol. Eng. Comput. 39:152–158, 2001. Moura, D. C., and J. G. Barbosa. Real-scale 3D models of the scoliotic spine from biplanar radiography without calibration objects. Comput. Med. Imaging Gr. 38:580–585, 2014. Moura, D. C., J. G. Barbosa, A. M. Reis, and J. M. R. S. Tavares. A flexible approach for the calibration of biplanar radiography of the spine on conventional radiological systems. CMES 60:115–137, 2010. Pishchulin, L., S. Member, S. Wuhrer, T. Helten, C. Theobalt, and B. Schiele. Building statistical shape spaces for 3D human modeling. Comput. Vision Pattern Recogn. 67:1–10, 2015. Pons-Moll, G., J. Romero, N. Mahmood, and M. J. Black. Dyna: A model of dynamic human shape in motion. ACM Trans. Gr. 34:120, 2015. Stokes, I. A. F., D. Shuma-Hartswick, and M. S. Moreland. Spine and back-shape changes in scoliosis. Acta Orthop. 59:128–133, 1988. Sumner, R. W., and J. Popović. Deformation transfer for triangle meshes. ACM Transactions on Graphics 23:399, 2004. The MathWorks Inc. MATLAB. Tsoli, A., N. Mahmood, and M. J. Black. Breathing life into shape: capturing, modeling and animating 3d human breathing. ACM Trans. Gr. 33:1–11, 2014. Wood, G. A., and R. N. Marshall. The accuracy of DLT extrapolation in 3-dimensional film analysis. J. Biomech. 19:781–800, 1986.