[논문 리뷰] Pelvis Surface Estimation From Partial CT for Computer-Aided Pelvic Osteotomies

Robert B. Grupp, Yoshito Otake외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 23.

Pelvic and Acetabular Injuries인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 부분적인 CT 스캔에서 완전한 골반 표면을 복원하기 위해 통계적 형태 모델(Statistical Shape Model, SSM)을 사용한 부드러운 외삽 기법을 제안한다. 기존의 자르고 붙이기 기법에 비해 표면 오차를 크게 감소시킨다. 히알라와 상부 5%의 대퇴골 연골을 사전 정보로 활용함으로써, 평균 1.31 mm의 RMS 표면 오차 향상과 3.16 mm의 최대 오차 향상을 달성하여, 방사선 노출을 줄이고 정확도가 높은 컴퓨터 보조 골반 절개 수술을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Computer-aided surgical systems commonly use preoperative CT scans when performing pelvic osteotomies for intraoperative navigation. These systems have the potential to improve the safety and accuracy of pelvic osteotomies, however, exposing the patient to radiation is a significant drawback. In order to reduce radiation exposure, we propose a new smooth extrapolation method leveraging a partial pelvis CT and a statistical shape model (SSM) of the full pelvis in order to estimate a patient's complete pelvis. A SSM of normal, complete, female pelvis anatomy was created and evaluated from 42 subjects. A leave-one-out test was performed to characterise the inherent generalisation capability of the SSM. An additional leave-one-out test was conducted to measure performance of the smooth extrapolation method and an existing "cut-and-paste" extrapolation method. Unknown anatomy was simulated by keeping the axial slices of the patient's acetabulum intact and varying the amount of the superior iliac crest retained; from 0% to 15% of the total pelvis extent. The smooth technique showed an average improvement over the cut-and-paste method of 1.31 mm and 3.61 mm, in RMS and maximum surface error, respectively. With 5% of the iliac crest retained, the smoothly estimated surface had an RMS surface error of 2.21 mm, an improvement of 1.25 mm when retaining none of the iliac crest. This anatomical estimation method creates the possibility of a patient and surgeon benefiting from the use of a CAS system and simultaneously reducing the patient's radiation exposure.

연구 동기 및 목표

• 컴퓨터 보조 골반 절개 수술을 위한 불완전한 골반 CT 스캔에서 표면 복원 오차를 줄이기 위해.
• 기존의 자르고 붙이기 외삽 기법에서의 불연속적인 전이 문제를 해결하기 위해.
• 전술적 CT 스캔이 부족한 환자에서 컴퓨터 보조 수술 시스템(CAS)에서의 정확한 환자-CT 정렬을 가능하게 하기 위해.
• 전체 골반 CT 스캔을 피하여 청소년 및 출산 연령대 환자의 방사선 노출을 최소화하기 위해.
• 골반 주위 절개 수술에서 3차원 수술 계획 수립 및 내시경 수술의 정확성과 신뢰성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 42개의 유효한 골반 표면 메esh를 70개의 전체 CT 볼륨에서 유도하여, 변형 강도 기반의 부피적 정렬을 사용해 정상 여성 골반의 통계적 형태 모델(SSM)을 구축하였다.
• 일반화 오차 평가 및 외삽 지침을 위해 이-minded cross-validation을 사용해 SSM을 훈련시켰다.
• 두 가지 외삽 기법을 비교하였다: (1) 자르고 붙이기 기법은 SSM 예측 영역을 직접 알려진 사전 정보에 복사하는 방식이며, (2) 부드러운 외삽 기법은 알려진 영역과 추정 영역 간의 연속성을 보장하기 위해 얇은 판 스플라인(Thin Plate Spline, TPS)을 사용하는 방식이다.
• TPS 변환은 부분적인 사전 정보와 SSM 예측 간의 공통 영역을 기반으로 계산되어 경계를 넘는 부드러운 보간을 보장한다.
• 다양한 사전 정보 크기(0%에서 15%까지의 상부 대퇴골 연골)에서 외삽 영역의 RMS 및 최대 표면 오차 지표를 사용해 표면 오차를 정량화하였다.
• 결과적으로, 결손이 있는 CT 슬라이스를 시뮬레이션하고, 다양한 사전 정보 영역과 외삽 기법을 비교함으로써 방법의 유효성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적인 골반 CT 스캔에서 통계적 형태 모델(SSM)을 사용한 부드러운 외삽 기법이 자르고 붙이기 기법에 비해 표면 복원 오차를 줄일 수 있는가?
• RQ2 상부 대퇴골 연골 해부학적 정보(사전 정보로)가 골반 표면 복원 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 부드러운 외삽 기법이 골반 절개 수술의 컴퓨터 보조 수술 시스템에서 정렬 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 상부 대퇴골 연골의 다양한 사전 표면 영역(예: 0%에서 15%까지)이 SSM 기반 골반 표면 추정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 기법이 현저히 감소된 방사선 노출로 정확한 3차원 수술 계획 수립을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 부드러운 외삽 기법은 모든 사전 정보 구성에서 자르고 붙이기 기법 대비 평균 RMS 표면 오차를 1.31 mm 감소시켰다.
• 부드러운 기법은 자르고 붙이기 기법 대비 평균 최대 표면 오차를 3.16 mm 감소시켰으며, 최소 개선률도 RMS 오차 0.68 mm 이상을 기록했다.
• 해면골과 상부 5%의 대퇴골 연골을 사전 정보로 사용했을 경우, 외삽 영역의 RMS 오차는 2.21 mm였고, SSM의 일반화 오차 1.61 mm보다 단지 0.60 mm 높을 뿐이었다.
• 상부 대퇴골 연골의 5%조차도 부드러운 기법에서 표면 오차를 크게 감소시켰지만, 자르고 붙이기 기법은 추가 사전 정보로 인한 개선 효과가 더 미미했다.
• 부드러운 기법은 알려진 영역과 추정 영역 간에 눈에 띄게 연속적이고 해부학적으로 타당한 전이를 만들어 냈으며, 자르고 붙이기 기법에서 관찰되는 불연속성과는 대조를 이룬다.
• SSM는 강력한 일반화 능력을 보였으며, 이-minded 테스트에서 전체 해부학적 정보를 사전 정보로 사용했을 경우 RMS 표면 오차가 1.61 mm였다.