Practical Applications for Medical Image Segmentation in orthopedics

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Figueiredo, Adriana Maria Matos
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/10316/110524
Resumo: Trabalho de Projeto do Mestrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Practical Applications for Medical Image Segmentation in orthopedicsAplicações práticas para a segmentação de imagens médicas em ortopediaMarching CubesStatistical Shape ModelSurgical NavigationArthroscopyMarching CubesStatistical Shape ModelNavegação CirúrgicaArtroscopiaTrabalho de Projeto do Mestrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaIn surgery, surgical navigation stands as an advanced technology that improves the outcome of complex surgical procedures. This navigation assists the surgeon during the surgery and has two main categories: image-based navigation which relies on a pre-operative Three-Dimensional (3D) model computed from the segmentation of medical images for guidance during surgery and image-free navigation which only relies on the intra-operative procedures. The first focus of this thesis is that current image-based navigation techniques use the Marching Cubes (MC) algorithm to compute the 3D model from the medical scans. However, since MC depends on the quality of the segmentation, if the medical scans have errors, if the bone has some deformation, or if more complex medical images, like Magnetic Resonance Imaging, are used, the extracted surface can represent inaccurately the real bone. The possible solution for this case is to employ a statistical-based algorithm, Statistical Shape Model (SSM), instead of the MC algorithm. The SSM uses the variability of various models from a training dataset to create a new 3D model of the bone, being able to reconstruct the general shape of the bone. For the experimental tests to obtain poor segmentations the slice-thickness of various high-resolution CT scans was increased from 0.4 milimeters until 7 milimeters. The results show that for the type of images used, replacing MC with SSM is only possible for slice thicknesses above 4 millimeters.The second problem focuses on researching if applying the SSM algorithm in image-free navigation for arthroscopy it's possible. In this navigation, the 3D model is computed only using intra-operative points of the intercondylar region of the knee. With these points inserted in the algorithm, it will be able to reconstruct a complete 3D model of the femur. Various alignment techniques were tested to try and achieve the best result of the SSM model, and the results using the BH method presented the best results.Navegação cirúrgica é uma tecnologia avançada utilizada para melhorar o resultado de procedimentos cirúrgicos complexos. Esta navegação auxilia o cirurgião durante a cirurgia e tem dois métodos principais: a navegação baseada em imagens, que utiliza um modelo tridimensional (3D) adquirido pré-operativamente, calculado a partir da segmentação de imagens médicas. E a navegação sem imagem, que se baseia apenas nos procedimentos intra-operatórios.O primeiro foco desta tese é que as atuais técnicas de navegação baseadas em imagens utilizam o algoritmo "Marching Cubes" (MC) para calcular o modelo 3D a partir de imagens médicas. No entanto, uma vez que o MC depende da qualidade da segmentação, se as imagens médicas tiverem erros, se o osso tiver alguma deforma ̧c ̃ao ou se forem utilizadas imagens médicas mais complexas, como a Ressonância Magnética (RM), a superfície extraída pode representar o osso real incorretamente. Uma solução possível para este caso é substituir o algoritmo MC por um algoritmo baseado em estatística, o "Statistical Shape Model" (SSM). O SSM utiliza a variabilidade de vários modelos, de um conjunto de dados de treino, para criar um novo modelo 3D, sendo capaz de reconstruir a forma completa do osso. Nos testes experimentais, para se obter segmentações de má qualidade, a espessura das fatias de várias Tomografias computacionais (CT) de alta resolução foi aumentada de 0.4 milímetros até 7 milímetros. Os resultados mostram que, para o tipo de imagens utilizadas, a substituição de MC por SSM só é possível para fatias de espessura superiores a 4 milímetros.O segundo problema foca em investigar a possibilidade de se aplicar o algoritmo SSM na navegaçãao sem imagens para artroscopia. Nesta navegação, o modelo 3D é calculado apenas com pontos intra-operatórios da região intercondilar do osso. Inserindo estes pontos no algoritmo, este é capaz de reconstruir um modelo 3D completo do osso. Foram testadas várias técnicas de alinhamento para se obter o melhor resultado do modelo SSM, sendo que os resultados que utilizaram o método através da grelha Bernard-Hertel apresentaram os melhores resultados.2023-09-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/110524https://hdl.handle.net/10316/110524TID:203399358engFigueiredo, Adriana Maria Matosinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2023-11-23T23:02:32Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/110524Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:02:30.791734Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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