A 3D computer assisted Orthopedic Surgery Planning approach based on planar radiography

Abstract

The main goal of this work consisted in develop a system to perform the 3D reconstruction of bone models from radiographic images. This system can be then integrated with a commercial software that performs pre-operative planning of orthopedic surgeries. The benefit of performing this 3D reconstruction from planar radiography is that this modality has some advantages over other modalities that perform this reconstruction directly, like CT and MRI. To develop the system it was used radiographic images of the femur obtained from medical image databases online. It was also used a generic model of the femur available in the online repository BEL. This generic model completes the information missing in the radiographic images. It was developed two methods to perform the 3D reconstruction through the deformation of the generic model, one uses triangulation of extracted edge points and the other don't. The first method was not successful, the final model had very low thickness, possibly because the triangulation process was not performed correctly. With the second method it was obtained a 3D bone model of the femur aligned with the radiographic images of the patient and with the same size as the patient's bone. However, the obtained model still needs some adjustment to coincide fully with reality. To perform this is necessary to enhance the deformation step of the model so that it will have the same shape as the patient's bone. The second method is more advantageous because it doesn't need the parameters of the x-ray imaging system. However, it's necessary to enhance the step deformation of this method so that the final model matches patient's anatomy.

O principal objetivo deste trabalho consistiu em desenvolver um sistema capaz de realizar a reconstrução 3D de modelos ósseos a partir de imagens radiográficas. Este sistema pode posteriormente ser integrado num produto comercial que realiza o planeamento pré-operativo de cirurgias ortopédicas. O benefício de realizar esta reconstrução 3D a partir de radiografias está relacionado com o facto desta modalidade ter vantagens em relação às outras modalidades que fazem esta reconstrução diretamente, como as modalidades CT e MRI. Para desenvolver este sistema foram usadas imagens radiográficas do fémur obtidas através de bases de dados online de imagens médicas. Também foi usado um modelo genérico do fémur disponível no repositório online BEL. Este modelo genérico completa a informação que está em falta nas imagens radiográficas. Foram desenvolvidos dois métodos, que realizam a reconstrução 3D através da deformação do modelo genérico sendo que num é feita a triangulação de pontos dos contornos e noutro não. O primeiro método não foi bem sucedido, visto que o modelo final tinha uma espessura muito pequena, possivelmente devido ao facto do processo de triangulação não ter sido executado corretamente. Com o segundo método foi obtido um modelo 3D do fémur alinhado com as imagens radiográficas do paciente e com o mesmo tamanho do osso do paciente. No entanto, o modelo obtido carece ainda de alguma afinação de modo a coincidir na íntegra com a realidade. Para fazer isto é necessário melhorar o passo de deformação do modelo, para que este fique com a mesma forma do osso do paciente. O segundo método é mais vantajoso porque não necessita dos parâmetros dos sistema de raios- X. No entanto, é necessário melhorar o passo de deformação deste método para que o modelo final coincida com a anatomia do paciente.