提取代表性的临床图像基于惯性主轴

文摘

横断面图像被认为是金标准诊断各种疾病。然而,尽管它的广泛使用在临床实践和研究,没有被广泛接受的方法可以可靠地匹配横断面飞机在几个连续扫描。这个缺陷可以阻碍比较横截面图像,最终导致误诊。在这里,我们提出并演示方法寻找相同的成像平面在单独的扫描图像获得会话。我们的方法是基于重建的“虚拟器官”可以提取任意横截面图像,独立轴取向的原始扫描或减少;关键是要建立独特的身体器官的主惯性轴的坐标。来验证我们的方法进行了一系列的测试,和相同的横向飞机被成功提取。这种新方法提供临床医生的访问,一个扫描会话后,通过横截面的形态和结构损伤图像重建沿任意轴。艾滋病也类似的形态和结构的变化检测相同的成像平面的扫描同一病人在不同times-thus潜在的横断面图像解释时减少误诊率。

1。介绍

在活的有机体内和体外横截面图像(CSI)(这里定义为包括磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT),以及任何串行部分的人体器官)的图像在医学正在越来越重要的作用。临床,它被认为是黄金标准的诊断各种疾病(1- - - - - -3]。科学,战略与国际研究中心的分析是一个重要的步骤在一个广泛的研究(4- - - - - -9]。特别是,许多研究[10- - - - - -14)表明,战略与国际研究中心的分析是至关重要的描述和预测器官形态变化。

为了使用战略与国际研究中心的医学检查,可靠的方法来确定解剖坐标系,解剖标志和他们的关系是必需的。自1750年欧拉首次发现并定义惯性主轴(PAI),它被用来建立坐标系统对不同的方法(15- - - - - -21]。最近,PAI被用来定义一个自动化的患者股骨远端和胫骨近端解剖坐标系(22),腕骨骨的几何特征(23),探讨颞下颌关节的旋转变化轨迹(24),测量各向异性的下颌骨骨小梁(25),计算相邻骨应力牙科植入物(26]。

尽管如此广泛使用的CSI,方法,目前普遍使用的,有重要的局限性。例如,最近的一次分析117348成像订单从3340年临床医生表明计算机决策支持系统在三分之二的情况下未能匹配选择的核磁共振,CT和核医学成像过程和适当的标准(27]。如果我们直接使用在不同扫描获得的战略与国际研究中心会议,结果诊断可能并不可靠,因为它是非常困难的病人保持同样的位置,即使的帮助下立体定向帧。扫描也经常用参与者标准解剖定位的姿势,但是当两个扫描之间的间隔很长,繁殖之前病人的姿势几乎是不可能。此外,其他因素,如不同的摘录,不同的CT扫描仪系统、参与者的物理变化,甚至呼吸都很难恢复相同的姿势(28,29日]。

虽然使用解剖分析,战略与国际研究中心坐标系统基于PAI和质心(COM)决心取得了显著的工作,解决匹配问题的代表性的飞机从“虚拟器官”重建在单独的扫描部分不是在文献中报道30.- - - - - -34]。虚拟器官是由有限数量的体积元素及其形态和结构可以通过几何表达这些体积元素之间的关系。削减这样的虚拟器官需要相对定位,这意味着身体需要建立坐标系。当我们试图提高面向PAI的战略与国际研究中心分析的准确度和精密度,我们利用PAI的身体坐标三维器官形象,面临一个新问题:自转换矩阵的乘法操作在一个矩阵(一个点的坐标写成矩阵列/行)并不是交换(35),迭代次数来计算PAI是不确定的,甚至不可预测的。2 d图像,计算其COM和派,只需要一个翻译,一个旋转,但是对于一个3 d图像,是一个不确定的值,因此需要的迭代次数太长时间处理时间。

牢记所有未知的临床和技术在医学方面的战略与国际研究中心分析,本文的具体目的是引入新方法利用PAI决心提取结构上相同的定位战略与国际研究中心获得的在不同的患者或在同一病人在不同扫描获得会话。此外,我们假设可以构造一个迭代关系在一个虚拟的三维重建器官通过设置控制条件。具体来说,通过限制的迭代的数量,我们的目标是构建一个独特的3 d器官身体协调。假设验证了重建CSIs的第一跖骨骨六个参与者。

2。方法和材料

2.1。主题和成像

这项研究是福建师范大学的伦理委员会批准。依照经批准的方法进行了指导方针。参与者提供了充分知情同意参加本研究通过签订书面同意书。

两项研究进行了以下实验组:一个健康的男性参与者的右脚扫描两次,19个月的间隔之间的会话;五个健康男性摔跤运动员的右脚从省级体育学校。

在扫描之前,综述了每个参与者的病史和每个人都进行了x射线成像为了排除参与者与病理变化等条件下,变形,或受伤的脚。脚被成像使用CT扫描仪(飞利浦/ 64年辉煌;在120千伏千伏峰值)操作。沿着两脚横断面进行了扫描,从上到下。参与者被要求保持在标准的解剖位置。参与者的基本形态特征的第一跖骨、他们的立场和姿态在扫描表1。

2.2。虚拟器官的定位

器官的质心的位置(COM)使用方程得到 在哪里 是器官的COM的坐标系, 是为每个卷组坐标元素在CSI,是体积元素,是体积元的密度,量元素的数量。

周围的旋转角度设在是 在哪里代表了产品的惯性旋转设在和 , 代表的转动惯量。

的位置坐标的旋转一个角度后的体积元在设在是 周围的旋转角度设在是 在哪里是惯性旋转后的产物吗设在和 , 是惯性的时刻。

的位置坐标的旋转一个角度后的体积元在设在是 在哪里 被定义为(4)。

周围的旋转角度设在是 在哪里代表了产品的惯性旋转设在和 , 是惯性的时刻。

量元素的位置坐标旋转后角在设在是 在哪里 被定义为(5)。

处理根据(2)- (7迭代执行)。当且仅当这个过程完成 (通常的误差0.001)。自从拜没有方向(而坐标轴确实有一个),器官的姿势变化后的位置。我们把标准的解剖学姿势作为起点。例如,当脚被推翻的前后的位置被定位后,我们翻转180°的画布水平垂直方向。

2.3。重建一个虚拟器官

重建的CSI是各向同性的: 在哪里代表了CSI决议(在这种情况下,0.5毫米;逻辑片的距离是0.45毫米,但为了确保重建质量,我们选择了一个更大的分辨率), 是一组坐标重建 , 和 被定义为(1)。

CSIs沿着一个轴,我们获得沿水平轴 沿着额轴 和沿垂直轴 在(9)- (11),表示一个点在一个轴 。 , 和被定义为(8), 。这些方程是用来重建沿着选择轴横截面。

3所示。结果与讨论

演绎推理表明,不对称形和anisotropically分布式对象,如人体器官(36),有独特的身体坐标(37]。我们研究的关键问题是测试一个器官的原始形态和结构是否将被保留下来后重建是基于其独特的身体坐标。集体,观测证据表明,该方法利用面向PAI的3 d虚拟器官重建有相当大的潜在匹配CSIs获得在不同时间点或从不同的参与者。

在本节中,我们使用术语“标准化”是指建立一个坐标系根据器官的PAI和随后设置机关的COM作为坐标系的原点。我们可以看到数据1(一)和1 (b),参与者的位置和姿态是明显不同的两个扫描。基于人体坐标系统创建的PAI虚拟器官,我们重建了两个扫描CSIs的跖骨沿同一轴(图1 (c))。执行这样的操作的能力,为临床实践具有十分重要的意义,与我们的方法临床医生可以准确定位病灶并观察其变更为同一截面平面,即使获得的图像在不同的扫描。这使得更直接比较,可能导致一个更精确的和有效的诊断时可以发现明确更改相同的位置已经多次扫描。因此我们的方法可能导致临床诊断,一个可靠的预测的可视化器官身体坐标系统可以使CSIs的定性诊断分析观察器官与提高质量和可靠性。

超越启用两个图像之间更直接的比较,我们的方法开启了通往创造平均CSI几个图片。即虚拟器官由有限数量的交叉部分,这意味着平均造型机关应从平均战略与国际研究中心。为此,当前研究的第二部分是分析战略与国际研究中心的数据集进行六英尺的志愿者。第一跖骨的左脚被选为标准化。后定位,战略与国际研究中心(图合并2)。显然,第一跖骨的位置和姿势是不同的参与者中,为每个单独的骨形态和结构(图2 (b))。临床上,许多指标健康的人被认为是诊断标准(如温度、体重指数、血压、和骨矿物质密度)(38]。这也适用于战略与国际研究中心。因此需要平均CSI模型根据个体差异和诊断的要求。后的垂直轴的长度和宽度CSI被评为百分比,三横截面平均6个志愿者的第一跖骨(图计算2 (c))。这个数字表明,平均截面相同的器官从不同的参与者可以重建。在实践中,为了比较不同病人器官的战略与国际研究中心的误解可能会导致放射性的发现如果极端差异从不同的患者存在相同的结构。然而,建议的方法提供了标准化的协议的有前途的机会放射检查和比较结果在不同的时间点观察以及在不同的研究结果。它是合理的假设,虽然差异存在,有可能精确定义CSI确定平均解剖结果。此外,它也是合理的规定,可以观察到显著差异在同一CSI如果愈合或两个时间点之间发生的病理过程可以影响正确的PAI建立。因此,对于整个器官病理过程有时甚至周围解剖结构应该考虑在3 d重建。

当扫描设备的轴是固定的,同样适用于扫描区域的坐标系统。身体坐标系统的一个器官然后由参与者扫描时的位置和姿势。目前,努力在固定位置固定患者可重复使用立体框架(39]。的理想方法是开发一种方法构建一个身体坐标系统不管扫描的姿势或切割轴。我们的研究提供了这样的一个方法。我们沿着任意轴第一跖骨重建战略与国际研究中心(见补充动画文件(可用在这里),提供一个直接的例子来说明我们的方法的力量。基于其独特的身体器官重建后坐标,其原始形态将被保留,以及它的结构。CSIs沿任意轴反映了结构的器官从不同角度和不同位置。使用当前的方法,身体器官坐标可以旋转,这样我们就可以观察切割或沿任意轴扫描部分,作为虚拟器官保持它的几何不变性通过旋转或翻译等过程(40]。

结果表明,当我们利用COM和三派的一个3 d器官作为它的身体协调,我们可以成功注册图像相同的参与者的不同时间扫描或同一器官的不同的参与者,这表明平均CSI可以为医学教育最好的服务。器官的invariation坐标变换可以通过随调目标配准误差测试,与亚毫米的精度。

计算PAI的器官,我们需要提取器官(从每个截面)。这个工作是手动完成的,可能会影响其再现性,代表了本研究的局限性。重构像素组成一个器官时,旋转可能导致一些“自由点,”不属于部分 ,部分 ,或部分 。我们将研究如何识别和确定这些“自由点”在未来的工作。

提出了方法的临床意义在于,一个扫描会话后,临床医生可以研究的形态和结构损伤使用CSIs沿任意轴。临床医生可以随着时间的形态和结构变化在同一个平面上的病变,使用不同的扫描相同的病人。这样,误诊率与CSI会减少。CSIs来自相同的位置和姿势,和错误控制在亚毫米的距离。此外,据信,该方法可能用于矫形假肢的定制。例如,在定位和镜像的一个器官,我们可以设计和开发假肢受伤的一面。这个假肢是最接近属性未受伤害的一方,我们可以叫它特别定制的个人。再一次,这已经表明,提出的方法有可能克服的关键障碍不是降低主轴在叛逃虚拟器官受伤的一方。

4所示。结论

总之,我们证明了人类的建设虚拟器官通过叠加CSI扫描使扫描的定位独立或切割轴。通过这种方式,独特的身体器官的坐标建立了基于他们的嘴脸。因此,CSI身体器官重建沿任意轴的坐标变成了现实。临床上,这种方法可以广泛应用于从多个扫描观察CSIs在相同的位置和姿态,从而避免辐射误诊。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号11172073,2017,11672075,2012]和教育部科技塞尔维亚共和国(批准号45005年,2011]。作者要感谢博士伦窗口对他有价值的意见和建议,并感谢托尼•纽曼昌盛Lv,张老板,参与者对他们的支持。此外,他们承认广州体育学院的图像处理中心珠江医院,和图像处理中心的暨南大学第一附属医院。

补充材料

补充视频文件:r-l-a。flv视频录制的变化对轴面第一跖骨边界相同的参与者的左、右脚;r-l-c。flv视频录制的变化对冠状面第一跖骨边界相同的参与者的左、右脚;r-l-s。flv视频录制第一跖骨的矢状面边界变化相同的参与者的左、右脚;f-s-a。flv视频记录变化的轴面右脚第一跖骨边界相同的参与者的第一和第二时间;f-s-c。flv视频录制的变化对冠状面右脚第一跖骨边界相同的参与者的第一和第二时间;f-s-s。flv视频录制的矢状面变化对右脚第一跖骨边界相同的参与者的第一和第二时间。(补充材料)

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