AVTOMATSKA ANALIZA HRBTENIČNIH STRUKTUR V TRIDIMENZIONALNIH MEDICINSKIH SLIKAH Z UPORABO DEFORMABILNIH MODELOV

KOREZ, ROBERT (author), Vrtovec, Tomaž (mentor)

Medicinsko slikanje, kot sestavni del sodobne medicinske prakse, je v zadnjem stoletju doživelo izjemen tehnološki razvoj, predvsem zaradi napredka v tehnologiji in zmogljivosti razumevanja anatomije in delovanja človeškega telesa. Vloga medicinskega slikanja je napredovala daleč preko preprostega prikazovanja in pregledovanja anatomskih struktur, saj so nove tehnike in metodologije privedle do višjih standardov pri diagnostično preiskovalnih postopkih, zdravljenju in spremljanju bolnikovega stanja (Burns in dr., 2015). Poleg tega je medicinsko slikanje postalo napredno orodje za uporabo v številnih kompleksnih kliničnih aplikacijah, kot so načrtovanje in simulacija kirurških posegov, medoperativna navigacija, načrtovanje radioterapij, ocena učinkovitosti zdravljenja ter spremljanje napredka bolezni. Temelji medicinskega slikanja segajo v leto 1985, ko je nemški fizik Wilhelm Conrad Röntgen odkril novo vrsto elektromagnetnega sevanja, ki prodira skozi različne trdne materiale, med drugim skozi človeško kožo in oblačila. To novo vrsto sevanja, ki ga je poimenoval žarki X (ang. X-rays), je uporabljal za slikanje skozi človeško tkivo, saj so na radiografskem filmu (ang. radiograph) ostale le slike kosti in kovin. V naslednjih desetih letih je radiografija (tj. slikanje z žarki X) postala prevladujoč način diagnosticiranja v vseh večjih bolnišnicah po svetu. Naslednjih 60 let se postopek radiografije ni bistveno spreminjal in je ostal edini način pridobivanja slik notranjosti človeškega telesa. ˇ Sele razvoj sonarja (tj. tehnike, ki uporablja zvok za določanje položaja) med drugo svetovno vojno, je vodil do nove prelomnice v medicinskem slikanju, ko je leta 1958 škotski zdravnik Ian Donald predstavil prvi ultrazvok (ang. Ultrasound - US). Prednost US je bila, da je bilo sliko možno rekonstruirati in prikazati s povsem analognimi vezji, brez uporabe računalnikov. Dandanes moderne US naprave seveda uporabljajo računalniško obdelavo slike. Z razvojem računalnikov je razvoj medicinskega slikanja dobil nov zagon. Leta 1971 sta angleški elektroinženir Sir Godfrey Newbold Hounsfiled in južnoafriškoameriški fizik Allan McLeod Cormack predstavila prvo napravo, ki je izdelala ne le ravninske slike (kakor žarki X) pač pa tudi slike prečnih prerezov. Uporabljena metoda je znana kot računalniška tomografija (ang. computed tomography - CT) in je prva metoda, ki je potrebovala računsko moč za sestavljanje slike. Zadnji veliki mejnik predstavlja slikanje z magnetno resonanco (ang. magnetic resonance - MR), ki so jo leta 1977 predstavili armensko-ameriški zdravnik Raymond Vahan Damadian, ameriški kemik Paul Christian Lauterbur in angleški fizik Sir Peter Mansfield. Čeprav je postopek sestave končne slike pri MR podoben postopku pri CT, je osnovno pridobivanje slike bistveno drugačno. Tehnika CT uporablja žarke X in pri tem izpostavi tkivo sevanju, medtem ko slikanje z MR uporablja magnetno polje in pulze energije elektromagnetnih valov ter tako pridobi sliko brez zdravju škodljivih dejavnikov. Od takrat je razvoj medicinskega slikanja veliko bolj postopnejši. Bistveno se je pohitril postopek pridobivanja (izračuna) slike ter povečali sta se ločljivost in kvaliteta slike. Trenutni razvoj je usmerjen v nove tehnike slikanja z uporabo vidne in infrardeče svetlobe (Haidekker in dr., 2013, Vrtovec in dr., 2011). Vsem metodam medicinskega slikanja je skupno, da je poškodba ali bolezen na sliki vidna kot kontrast med določeno anatomsko strukturo in sosednjim tkivom. To torej pomeni, da se dajo poškodbe in bolezni prepoznati na sliki in da jih izkušen radiolog lahko natančno pregleda. Vsaka tehnika medicinskega slikanja izkorišča določene fizikalne lastnosti za zajem informacije o človeškem telesu in s tem ustvari čim bolj natančno sliko. Glede na informacije, ki jih podajajo, lahko medicinske slikovne tehnike delimo na anatomske in funkcionalne. Glede na prostorske dimenzije dobljenih slik pa jih delimo na dvodimenzionalne (2D) in tridimenzionalne (3D). Anatomske slikovne tehnike, kot so npr. radiografija, CT, MR in US, podajajo informacijo izključno o zgradbi telesa, nasprotno pa funkcionalne slikovne tehnike, kot so npr. fluoroskopija (ang. fluoroscopy), funkcionalna MR (ang. functional MR), pozitronska izsevna tomografija (ang. positron emission tomography) in enofotonska izsevna CT (ang. single-photon emission CT), podajajo informacijo o funkciji določene anatomske strukture (npr. spremembe v metabolizmu ali v krvnem obtoku). Področje uporabe različnih medicinskih slikovnih tehnik določajo razni dejavniki, npr. omejitve in zahteve določenih medicinskih postopkov, kvaliteta, invazivnost, hitrost in cena slikanja. Zaradi visoke cene in počasnosti zajema se 3D slikovne tehnike (npr. CT ali MR) običajno uporabljajo za postavljanje diagnoze, predhodno načrtovanje kirurških ali radioloških posegov, vrednotenje uspešnosti posegov ter oceno napredovanja bolezni. Redkejša je njihova uporaba med samimi terapevtskimi posegi. Po drugi strani pa se občutno cenejše 2D slikovne tehnike (npr. radiografija ali US), ki omogočajo zajem v realnem času, uporabljajo tako za diagnozo in načrtovanje terapevtskih posegov kot tudi za nadzor kirurških ali radioloških posegov (Tomaževič in dr., 2005, Vrtovec in dr., 2007). Predvsem zaradi nizke cene ter širokega področja uporabe so 2D slikovne tehnike še vedno močno prisotne, vendar pa zaradi svoje narave ne omogočajo prostorske informacije kot 3D slikovne tehnike. Neprestano povečevanje števila slikovnih rezin v enem zajemu, zmanjševanje debeline slikovnih rezin ter časa, potrebnega za zajem slike, poleg tega pa tudi obstoj velikega števila anatomskih značilnic, ki so dobro vidne na CT ali MR slikah (niso pa denimo vidne na radiografskih slikah), vodi v vse večji razmah uporabe 3D slikovnih tehnik (Sakas in dr., 2002).

• Language: Slovenian
• Keywords: tridimenzionalne slike analiza slik deformabilni modeli hrbtenica vretenca medvretenčne ploščice
• Work type: Doctoral dissertation
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2016
• PID: 20.500.12556/RUL-81714
• COBISS.SI-ID: 11355732
• Publication date in RUL: 04.05.2016

Secondary language

• Language: English
• Title: AUTOMATED ANALYSIS OF SPINAL STRUCTURES IN THREE-DIMENSIONAL MEDICAL IMAGES USING DEFORMABLE MODELS

Abstract

Medical imaging, as an integral part of the modern medical practice, has undergone a remarkable technological evolution over the past century due to advancements in technology and the capability to evaluate the anatomy and functionality of the human body. The role of medical imaging progressed far beyond the simple visualization and inspection of anatomical structures since new techniques and methodologies have led to higher standards of medical diagnosis, monitoring and treatment. Although modern and computerized equipment for the acquisition of medical images provides exceptional views of internal anatomical structures by peering into the human body, the use of computers to quantify and analyze the embedded structures with accuracy and efficiency is limited. Accurate, repeatable and quantitative data must be efficiently extracted from medical images to support the wide spectrum of medical applications and clinical activities from diagnosis to radiotherapy and surgery. A key step towards a successful analysis and quantitative interpretation of image data is segmentation, which is a natural way to obtain high-level semantics. The identification, visualization and quantitative evaluation of many spinal disorders by routine examinations is difficult because the spine is a complex and articulated anatomical structure. Accurate and robust segmentation of spinal structures in medical images is therefore an essential tool in many clinical applications of spinal imaging. Knowledge of the detailed shape of different spinal structures can considerably aid early diagnosis, surgical planning and follow-up assessment of a number of spinal pathologies, such as degenerative disorders, spinal deformities (e.g. scoliosis), trauma and tumors. Automated and semi-automated segmentation is still a challenging task due to a relatively high degree of anatomical complexity, presence of unclear boundaries, and articulation of spinal structures with each other. Moreover, the segmentation process may also be hampered by insufficient image spatial resolution, partial volume effects, presence of image artifacts, intensity variations and low signal-to-noise ratio. This thesis concentrates on the design, development and validation of deformable model-based frameworks for automated analysis of spinal structures in three-dimensional (3D) medical images. The developed frameworks demonstrate potential of using parametric deformable models, such as superquadrics and triangular mesh models, for accurate and robust segmentation of intervertebral discs (IVDs) and vertebrae in computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) images of the spine. The obtained numerical results showed that the proposed frameworks give a superior performance in comparison to existing segmentation methods.

• Keywords: three-dimensional images image analysis deformable models spine vertebrae intervertebral discs