[논문 리뷰] Cobb Angle Measurement of Scoliosis with Reduced Variability

Raka Kundu, Amlan Chakrabarti외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 22.

Scoliosis diagnosis and treatment참고 문헌 14인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 척추측만 방사선 사진에서 콩브 각도를 측정하기 위한 새로운 자동화된 방법을 제안하며, 관찰자 간 및 관찰자 내 변동성이 크게 감소된다. 비국소 유클리드 트림드-미디안 노이즈 제거 필터를 오츠의 임계값을 적용한 캐니 에지 검출과 융합함으로써 영상 품질과 에지 정렬을 향상시켜 기존 기법들에 비해 더 일관되고 정확한 콩브 각도 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Cobb angle, which is a measure of spinal curvature is the standard method for quantifying the magnitude of Scoliosis related to spinal deformity in orthopedics. Determining the Cobb angle through manual process is subject to human errors. In this work, we propose a methodology to measure the magnitude of Cobb angle, which appreciably reduces the variability related to its measurement compared to the related works. The proposed methodology is facilitated by using a suitable new improved version of Non-Local Means for image denoisation and Otsus automatic threshold selection for Canny edge detection. We have selected NLM for preprocessing of the image as it is one of the fine states of art for image denoisation and helps in retaining the image quality. Trimmedmean, median are more robust to outliners than mean and following this concept we observed that NLM denoising quality performance can be enhanced by using Euclidean trimmed-mean replacing the mean. To prove the better performance of the Non-Local Euclidean Trimmed-mean denoising filter, we have provided some comparative study results of the proposed denoising technique with traditional NLM and NonLocal Euclidean Medians. The experimental results for Cobb angle measurement over intra observer and inter observer experimental data reveals the better performance and superiority of the proposed approach compared to the related works. MATLAB2009b image processing toolbox was used for the purpose of simulation and verification of the proposed methodology.

연구 동기 및 목표

• 임상적 척추측만 평가에서 주요한 제한 요소인 수작업 콩브 각도 측정의 관찰자 간 변동성을 줄이기 위해.
• 척추 엑스선 영상의 전처리를 향상시켜 에지 검출 정확도를 높이기 위해.
• 기존 수작업 및 자동화된 방법들을 능가하는 견고한 자동화된 콩브 각도 측정 방법을 개발하기 위해.
• 임상적 관련성을 확보하기 위해 관찰자 내 및 관찰자 간 실험 데이터를 활용해 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이미지 세부 정보를 보존하면서 노이즈를 더 효과적으로 억제하기 위해 평균 대신 트림드-미디안을 사용한 수정된 비국소 평균(NLM) 노이즈 제거 필터를 적용하였다.
• 캐니 에지 검출에서 자동 임계값 선택을 위해 오츠 방법을 통합하여 전처리된 영상에서의 에지 정렬을 향상시켰다.
• 제안된 파이프라인의 시뮬레이션 및 검증에 MATLAB R2009b 이미지 처리 툴박스를 사용하였다.
• 에지 검출 이전에 개선된 NLM 필터를 적용하여 이상치에 대한 민감도를 감소시켰다.
• 노이즈 제거와 에지 검출을 순차적 워크플로우로 통합하여 각도 계산을 위한 척추 끝판 검출의 정확성을 확보하였다.
• 노이즈 제거 과정에서 이상치에 대한 강건성을 높이기 위해 트림드-미디안 및 중앙값 통계를 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수정된 비국소 유클리드 트림드-미디안 필터는 척추 엑스선 영상에서 기존 NLM 또는 비국소 유클리드 중앙값보다 노이즈 억제를 더 효과적으로 수행할 수 있는가?
• RQ2 오츠의 임계값 처리를 캐니 에지 검출과 융합하면 척추측만 방사선 사진에서 에지 정렬 정확도가 향상되는가?
• RQ3 제안된 방법은 콩브 각도 측정에서 관찰자 간 및 관찰자 내 변동성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 제안된 자동화된 방법은 기존 수작업 및 자동화된 방법과 비교해 측정 일관성 측면에서 정량적으로 어떻게 성과를 내는가?

주요 결과

• 제안된 비국소 유클리드 트림드-미디안 노이즈 제거 필터는 표준 NLM 및 비국소 유클리드 중앙값 대비 노이즈 억제 성능과 영상 품질 유지 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 오츠의 임계값 처리를 캐니 에지 검출과 융합함으로써 척추 엑스선 영상에서 더 일관되고 정확한 에지 정렬이 가능해졌다.
• 실험 결과, 관찰자 내 및 관찰자 간 변동성이 뚜렷하게 감소한 것으로 나타났다.
• 실제 임상 데이터를 기반으로 한 검증을 통해 관련 연구 대비 측정 일관성과 정확성 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.