[论文解读] Pelvis Surface Estimation From Partial CT for Computer-Aided Pelvic Osteotomies

Robert B. Grupp, Yoshito Otake+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2019

Pelvic and Acetabular Injuries被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于统计形状模型（SSM）的平滑外推方法，用于从部分CT扫描中重建完整的骨盆表面，与传统剪切粘贴技术相比，显著降低了表面误差。通过利用髋臼和髂骨嵴上部5%作为先验信息，该方法在均方根（RMS）表面误差上平均降低1.31 mm，在最大误差上降低3.16 mm，实现了辐射暴露更低的精准计算机辅助骨盆截骨术。

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.

研究动机与目标

• 减少不完整骨盆CT扫描在计算机辅助骨盆截骨术中的表面重建误差。
• 解决现有剪切粘贴外推方法中不连续过渡的局限性。
• 通过仅使用术前部分CT扫描，实现在计算机辅助手术（CAS）系统中的精准患者-CT配准。
• 通过避免进行全骨盆CT扫描，减少青少年及育龄期患者的辐射暴露。
• 提高经髋臼周围截骨术（PAO）中三维手术规划与导航的准确性与可靠性。

提出的方法

• 基于70个体素CT扫描数据中的42个有效骨盆表面网格，采用基于形变强度的体素配准方法，构建了正常女性骨盆的统计形状模型（SSM）。
• 采用留一法交叉验证训练SSM，以评估泛化误差并指导外推过程。
• 比较了两种外推方法：(1) 剪切粘贴法，即直接将SSM预测区域粘贴到已知先验区域；(2) 平滑外推法，利用薄板样条（TPS）确保已知区域与估计区域之间的连续性。
• 通过部分先验与SSM估计区域之间的公共区域计算TPS变换，确保边界处的平滑插值。
• 通过在不同先验大小（0%至15%的髂骨嵴上部）下，量化外推区域的RMS误差与最大表面误差，评估表面误差。
• 通过模拟缺失的CT层面，并比较不同先验区域与外推技术下的重建精度，对方法进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 与剪切粘贴法相比，基于统计形状模型的平滑外推方法是否能降低不完整骨盆CT扫描中的表面重建误差？
• RQ2 将髂骨嵴上部解剖结构（作为先验）纳入，对骨盆表面重建的准确性有何影响？
• RQ3 平滑外推方法在计算机辅助手术系统中对骨盆截骨术的配准精度提升程度如何？
• RQ4 不同先验表面区域（如髂骨嵴上部0%至15%）对SSM基骨盆表面估计精度的影响程度如何？
• RQ5 所提出的方法是否能实现显著降低辐射暴露的精准三维手术规划？

主要发现

• 在所有先验配置下，平滑外推法相比剪切粘贴法，平均RMS表面误差降低了1.31 mm。
• 平滑法相比剪切粘贴法，平均最大表面误差降低了3.16 mm，且最小改善仍达0.68 mm（RMS误差）。
• 当使用髋臼和5%的髂骨嵴上部作为先验时，外推区域的RMS误差为2.21 mm，仅比SSM的泛化误差（1.61 mm）高出0.60 mm。
• 即使仅包含5%的髂骨嵴上部，也能显著降低平滑法的表面误差，而剪切粘贴法在增加先验后改善有限。
• 平滑法在外推区域与已知区域之间生成了视觉上连续且解剖学上合理的过渡，而剪切粘贴法则表现出明显的不连续性。
• SSM在留一法测试中展现出强大的泛化能力，当使用完整解剖结构作为先验时，RMS表面误差为1.61 mm。