[論文レビュー] Bone Surface Reconstruction and Clinical Features Estimation from Sparse Landmarks and Statistical Shape Models: A feasibility study on the femur

Alireza Asvadi, Guillaume Dardenne+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Hip disorders and treatments参考文献 23被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、3つの疎な骨性標高点または非侵襲的な皮膚上触診点のみを用いて大腿骨表面を再構築し、その機械的軸を推定する統計的形状モデル（SSM）ベースの手法を提案する。この手法は機械的軸のずれ誤差が3.5°未塔を達成し、整形外科学およびリハビリテーション分野における非侵襲的下肢アライメント評価の強力な可能性を示している。

ABSTRACT

In this study, we investigated a method allowing the determination of the femur bone surface as well as its mechanical axis from some easy-to-identify bony landmarks. The reconstruction of the whole femur is therefore performed from these landmarks using a Statistical Shape Model (SSM). The aim of this research is therefore to assess the impact of the number, the position, and the accuracy of the landmarks for the reconstruction of the femur and the determination of its related mechanical axis, an important clinical parameter to consider for the lower limb analysis. Two statistical femur models were created from our in-house dataset and a publicly available dataset. Both were evaluated in terms of average point-to-point surface distance error and through the mechanical axis of the femur. Furthermore, the clinical impact of using landmarks on the skin in replacement of bony landmarks is investigated. The predicted proximal femurs from bony landmarks were more accurate compared to on-skin landmarks while both had less than 3.5 degrees mechanical axis angle deviation error. The results regarding the non-invasive determination of the mechanical axis are very encouraging and could open very interesting clinical perspectives for the analysis of the lower limb either for orthopedics or functional rehabilitation.

研究の動機と目的

• 統計的形状モデル（SSM）を用いた大腿骨表面再構築および機械的軸推定における、標高点の数、位置、正確さの影響を評価すること。
• 骨性標高点と皮膚上触診標高点の両者の性能を比較し、大腿骨表面再構築および機械的軸推定に与える影響を検討すること。
• 整形外科学および機能的リハビリテーション分野における非侵襲的機械的軸推定の臨床的妥当性を評価すること。
• 独立した解剖的標本および公開済み大腿骨データセットを用いて、2つの統計的形状モデル（SSM）を構築・検証し、強固な再構築を実現すること。
• 最小侵襲的標高点取得法を用いる場合の、再構築精度と臨床的実用性のトレードオフを調査すること。

提案手法

• 主成分分析（PCA）を用いて14例の解剖的標本大腿骨（自施設データセットの70％）およびSicasデータセットの35例（公開データセットの70％）を対象に、2つの統計的形状モデル（SSM）を構築した。
• 初期姿勢の標準化のため、6つの解剖学的標高点（窪部、大転子・小転子、内側・外側後方膝関節端、関節間溝）を用いた剛体アライメントを実施した。
• 表面距離誤差を最小化する制約付き最適化手法を用いて、SSMを疎な標高点に適合させることで、大腿骨表面再構築を達成した。
• 機械的軸は、股関節中心（窪部）と膝関節中心（関節間溝）を結ぶ直線として計算し、正解とのずれ角を主な評価指標とした。
• 表面再構築の精度は、予測された表面と正解表面間の点対点距離の平均二乗誤差（RMSE）で定量化した。
• 本手法は自施設データセットの6例およびSicasデータセットの15例を対象に評価され、バイアスと分散を評価するための繰り返し試行が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 骨性標高点の数と位置が、統計的形状モデル（SSM）を用いた大腿骨表面再構築の精度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 標高点取得法（直接的な骨性標高点 vs. 非侵襲的皮膚上触診標高点）が、再構築品質および機械的軸推定に与える影響は何か？
• RQ3 統計的形状モデルは、大腿骨上部を十分な精度で再構築できるか？ その結果、臨床的に許容可能な範囲内（3°～5°）で機械的軸を推定できるか？
• RQ4 トレーニングデータセットのサイズと多様性が、SSMの表面および機械的軸推定における予測性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 軟部組織の変形が、皮膚上標高点に基づく再構築精度に与える影響はどの程度か？ また、実際の臨床応用においてこれを軽減できるか？

主な発見

• 骨性標高点を3つだけ用いても、SSMは平均点対点表面誤差が5 mm未満で大腿骨表面を再構築でき、SicasデータセットでトレーニングされたモデルではRMSEが0.5–2 mmを達成した。
• 骨性標高点から推定した機械的軸は、正解からの平均ずれ角が2°未塔であり、高位骨切り術（HTO）の臨床基準を満たした。
• 皮膚上標高点に基づく再構築では、平均機械的軸ずれ角が3.5°であったが、これは下肢アライメント補正の臨床的許容範囲（3°–5°）内に収まった。
• SicasデータセットでトレーニングされたSSMは、より大きなトレーニングデータセットのおかげで、自施設データセットのモデルを上回り、すべての実験で一貫して低い表面再構築誤差を示した。
• 皮膚上標高点を用いた場合の表面再構築精度は低かった（RMSE 7.5–10.5 mm）が、機械的軸推定は臨床的に妥当な結果を示し、非侵襲的下肢解析の可能性を示唆した。
• 本研究では、極めて少ない標高点入力でも、SSMが臨床的に重要なパrameterを信頼性高く推定できることを示した。これは、将来的な機能的リハビリテーションおよび非侵襲的整形外科計画への応用を支持する。