Metody 2D-3D registrace modelů pro analýzu konvenčních rentgenových snímků
Loading...
Date
Authors
Klíma, Ondřej
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií
Abstract
Konvenční radiografie hraje klíčovou roli v oblastech dignostiky zlomenin kostí, předoperačního plánování a pooperačního hodnocení ortopedických zákroků. Tato dizertační práce je zaměřena na metody umožňující 3D analýzu konvenčních rentgenových snímků, založené na registraci digitálních modelů. Práce prezentuje metodu pro rekonstrukci celistvých modelů kostí, které utrpěly dislokované zlomeniny diafýzy, na základě konvenčních rentgenových snímků jejich fragmentů. Rekonstrukce je dosaženo použitím 2D-3D registrace statistického tvarového modelu do jednotlivých fragmentů a jejich současně prováděné repozice. Repozice je umožněna díky přesnému odhadu délky kosti, kterého je dosaženo automatickým dělením statistického tvarového modelu do jednotlivých fragmentů. Vytvořená metoda byla vestavěna do softwarové aplikace určené pro předoperační plánování osteosyntézy diafýzy se zaměřením na výběr vhodného intramedulárního hřebu nebo rekonstruční dlahy. Rekonstrukce částečně využívá navrženou intenzitní revizi registrační procedury minimalizující nepřekrývající se oblasti, určenou pro radiostereometrii založenou na modelech. Oproti původnímu přístupu využívajcí kontury modelů je revidovaná metoda schopna pracovat s jejich překrytými nebo nespolehlivými částmi. Provedené evaluace také vykazují řádově vyšší přesnost ve srovnání s přístupem založeným na konturách a dosahují srovnatelných hodnot se současnými hranovými metodami, zatímco je umožněno použití modelů s vysokým počtem polygonů, přímá akcelerace a snadná interpretovatelnost. Pro rekonstrukci modelů kostí byla kromě přístupu založeném na nepřekrývajících se oblastech vytvořena také registrace založená na hustotách a využívající stastistické tvarové a intenzitní modely. Ačkoliv metoda dosahuje mírně nižší přesnosti rekonstrukce povrchu, registrace založená na hustotách umožňuje odhadnout vnitřní struktury kosti tvořené kompaktní a houbovitou tkání a poskytnout tak více informací pro plánování. Pro praktické využití bylo také zkoumáno nasazení různých optimalizačních metod a možnosti ztrátové komprese statistických tvarových a intenzitních modelů.
Conventional radiography plays a key role within bone fracture diagnoses, preoperative planning, and postoperative evaluations of orthopedic interventions. The thesis is focused on methods enabling 3D analysis of conventional radiographs, based on the registration of digital models into pairs of calibrated X-ray images. The thesis presents a method for reconstruction of complete intact models of long bones suffering displaced diaphyseal fractures from conventional radiographs of individual fragments. The reconstruction is achieved using a 2D-3D registration of a statistical shape model into the fragments with simultaneously performed fracture reduction. The reduction is enabled by accurate estimation of the bone length, which is achieved by an automatic division of the statistical shape model into individual fragments. The proposed approach is involved in a software application intended for preoperative planning of diaphyseal fractures reduction with a focus on the identification of the best fitting intramedullary nail or bone plate. The reconstruction adopts a proposed intensity-based revision of nonoverlapping area registration procedure, intended for involvement in model-based radiostereometry. In contrast with the original contour-based formulation, the revised method is able to handle occlusions or unreliable parts of involved digital models. Moreover, performed evaluations reveal an order of magnitude higher accuracy in comparison with the contour-based approach, reaching similar results as the state-of-the-art feature-based approaches, while allowing the involvement of highly detailed 3D models and straightforward acceleration. In addition to the non-overlapping area approach, also a density-based registration pipeline using statistical shape and intensity models was created for reconstruction of patient-specific bone models. Although reaching slightly lower surface reconstruction accuracy, the density-based registration is able to estimate the internal bone structures such as spongy and compact tissues, potentially providing more information for the planning. For practical aspects, different optimisation methods and possibilities of statistical shape and intensity models lossy compression were investigated.
Conventional radiography plays a key role within bone fracture diagnoses, preoperative planning, and postoperative evaluations of orthopedic interventions. The thesis is focused on methods enabling 3D analysis of conventional radiographs, based on the registration of digital models into pairs of calibrated X-ray images. The thesis presents a method for reconstruction of complete intact models of long bones suffering displaced diaphyseal fractures from conventional radiographs of individual fragments. The reconstruction is achieved using a 2D-3D registration of a statistical shape model into the fragments with simultaneously performed fracture reduction. The reduction is enabled by accurate estimation of the bone length, which is achieved by an automatic division of the statistical shape model into individual fragments. The proposed approach is involved in a software application intended for preoperative planning of diaphyseal fractures reduction with a focus on the identification of the best fitting intramedullary nail or bone plate. The reconstruction adopts a proposed intensity-based revision of nonoverlapping area registration procedure, intended for involvement in model-based radiostereometry. In contrast with the original contour-based formulation, the revised method is able to handle occlusions or unreliable parts of involved digital models. Moreover, performed evaluations reveal an order of magnitude higher accuracy in comparison with the contour-based approach, reaching similar results as the state-of-the-art feature-based approaches, while allowing the involvement of highly detailed 3D models and straightforward acceleration. In addition to the non-overlapping area approach, also a density-based registration pipeline using statistical shape and intensity models was created for reconstruction of patient-specific bone models. Although reaching slightly lower surface reconstruction accuracy, the density-based registration is able to estimate the internal bone structures such as spongy and compact tissues, potentially providing more information for the planning. For practical aspects, different optimisation methods and possibilities of statistical shape and intensity models lossy compression were investigated.
Description
Citation
KLÍMA, O. Metody 2D-3D registrace modelů pro analýzu konvenčních rentgenových snímků [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Výpočetní technika a informatika
Comittee
doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA (předseda)
prof. RNDr. Miloslav Druckmüller, CSc. (člen)
prof. Dr. Ing. Ivana Kolingerová (člen)
prof. Ing. Jiří Sochor, CSc. (člen)
doc. Dr. Ing. Eduard Sojka (člen)
Date of acceptance
Defence
Student přednesl cíle a výsledky, kterých v rámci řešení disertační práce dosáhl. V rozpravě student odpověděl na otázky komise a oponentů. Diskuze je zaznamenána na diskuzních lístcích, které jsou přílohou protokolu. Počet diskuzních lístků: 4. Komise se v závěru většinou členů (4 ze 4 přítomných) usnesla, že student splnil podmínky pro udělení akademického titulu doktor. Komise jednomyslně doporučuje, aby studentovi byla udělena cena za výjimečně kvalitní disertační práci.
The student presented the goals and results, which he achieved within the solution of the dissertation. The student has competently answered the questions of the committee members and opponents. The discussion is recorded on the discussion sheets, which are attached to the protocol. Number of discussion sheets: 4. The committee has agreed by a majority (4 of 4 present) that the student has fulfilled requirements for being awarded the academic title Ph.D. The committee recommends awarding the thesis Dean’s prize.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení