تخمين خودكار و پيوسته زاويه آلفا در استخوان ران انسان به كمك تحليل مدل سه‌بعدي

Automatic and Continuous Estimation of Alpha Angle in Human Femur by 3D Model Analysis

ايمپينجمنت يا گير كردن مفصل ران يكي از دلايل اصلي ايجاد آرتروز زود هنگام در مفصل ران است. اين عارضه با تغيير شكل يكي از استخوان هاي ران يا لگن و يا هر دو ايجاد مي شود. زماني كه سر استخوان ران، شكل كروي خود را در ناحيه گردن استخوان از دست مي دهد، عارضه گير كردن از نوع بادامكي (CAM) ايجاد مي شود. زاويه آلفا به منظوركمي‌سازي اين عارضه به كار برده مي شود. در اين مقاله روشي تمام خودكار براي اندازه‌گيري زاويه آلفا با استفاده از داده سه‌بعدي استخوان ران، پيشنهاد شده است. در اين روش زاويه آلفا در تمام جهات حول محور سر-گردن اندازه‌گيري شده است. براي اين منظور از صفحات شعاعي با محور مشترك سر-گردن استخوان ران استفاده شد كه در نهايت منحني پيوسته اي از زاويه آلفا بر حسب ميزان چرخش صفحه شعاعي به دست آمد. روش پيشنهاد شده براي 12 داده استخوان ران انسان مربوط به هر دو پاي راست و چپ آزمايش شد. داده ها از تصاوير تشديد مغناطيسي (MRI) استخوان ران افراد مونث با متوسط سني حدود 25 و بدون هيچ عارضه استخواني مشخص، تهيه شدند. نتايج به دست آمده نشان داد كه متوسط و انحراف معيار زاويه آلفاي محاسبه شده در محدوده قابل انتظار براي اين زاويه قرار دارند. در ادامه تاثير چهار قدرت تفكيك مختلف از داده هاي سه‌بعدي بر نتايج استخراج شده از روش پيشنهادي از منظر دقت و سرعت بررسي شدند. اين بررسي نشان داد كه كاهش قدرت تفكيك به ميزان 64 برابر، مي‌تواند باعث افزايش سرعت تا حدود 8 برابر و همچنين كاهش دقت به ميزان متوسطي حدود 2 درجه شود.

One of the main causes of early osteoarthritis of the hip is Femoroacetabular Impingement (FAI). When the femoral head loses its spherical shape at head-neck junction, a special type of impingement, called Cam impingement, occurs. Alpha angle can be used as a geometric parameter for evaluating this kind of anatomic deformity. In this article we propose a fully automatic strategy for estimating alpha angle by analyzing 3D data. In the proposed strategy a radial plane around the femoral head-neck axis is rotated in order to provide alpha angles in different orientations. For evaluating the proposed method, the alpha angle of twelve 3D femur models of female subjects, reconstructed from magnetic resonance images (including both right and left femur), have been estimated. The mean and standard deviation of these estimated alpha angles have been found to be in good agreement with the expected values for alpha angle in healthy human. In addition, the effect of the data resolution on the provided results has been evaluated in terms of accuracy and speed, by using four different resolutions of 3D meshes. The results indicate that using 64 times lower data resolution can increase the computational speed up to about 8 times and add an average error of about 2° to the estimated alpha angles.