ارايه ي روشي هوشمند به منظور استخراج خودكار پارامترهاي موردنياز در جراحي ستون فقرات با به‌كارگيري ابر نقاط تصاوير توموگرافيك

A Novel Approach for Automatic Calculation of Required Parameters in Spine Surgery using CT Images Row Data

ناهنجاري‌هاي هندسي ستون فقرات، بطور كلي با دردهاي مزمن كمري و گردني همراه هستند. در اين ناهنجاري‌ها، انحناي ستون مهره در فضاي سه‌بعدي دست خوش تغييراتي مي‌شود كه در بسياري از موارد ضمن كاهش ميزان بازشدگي قفسه سينه، به اختلالات تنفسي و اثرات منفي بر روي سيستم قلبي منجر مي‌شود. براي تصحيح اين ناهنجاري‌ها و جلوگيري از پيشرفت آن‌ها در حالت حاد، جراحان از جراحي فيوژن خلفي ستون مهره‌ها استفاده مي‌كنند. قبل از انجام عمل جراحي به منظور تشخيص وضعيت بيمار و انتخاب روش مناسب عمل، استخراج برخي پارامترهاي كلينيكي مهم ستون فقرات ازجمله انحناها، زواياي كوب، انحراف جانبي، زواياي مهره‌ها و ميزان چرخش آن‌ها در صفحات مختلف ضروري است. دراين پژوهش ابتدا با استفاده از تصاوير توموگرافيك ويرايش شده در نرم‌افزار ميميكس، مدل سه‌بعدي ستون مهره‌ها در قالب ابر نقاط بدست آمد. سپس ضمن تفكيك و جداسازي مهره‌ها به كمك روش‌هاي خوشه‌بندي مختلف ازجمله روش شبكه ي عصبي خودسازمان‌ده، روش k-ميانگين و روش سلسله مراتبي، اطلاعات هندسي مهم مقاطع ستون مهره‌ها مانند انحناهاي ستون مهره‌ها و زواياي آن با استفاده از الگوريتم‌هاي تخصيص منحني، به‌صورت خودكار استخراج شد. بعلاوه، در حين پياده‌سازي الگوريتم‌هاي مشخص، ساير ويژگي‌هاي كلينيكي هريك از مهره‌ها ازجمله كمينه و بيشينه ارتفاع مهره در سه بعد، طول و عرض جسم مهره‌اي و نيز جابجايي نسبي مهره‌ها به صورت خودكار محاسبه گرديد. به‌منظور اعتبارسنجي روش‌هاي ارايه‌شده و اندازه‌هاي استخراج‌شده، مقادير به‌دست‌آمده در هر مرحله توسط يك راديولوژيست و يك جراح ستون فقرات كه نسبت به اهداف و نتايج تحقيق ناآگاه بودند، محاسبه شدند. با مقايسه ي مقادير متناظر، اعتبار نتايج و كارايي بالاي الگوريتم‌هاي پيشنهادي تاييد گرديد.

Spinal deformities are generally associated with lumbar and cervical chronic pain and additionally they disturb the health. In these deformities, lumbar spinal curvature undergone changes in three dimensional space and in most cases, they cause reduction of lung capacities, breathing problems and negative effects on cardiovascular system. In critical deformity cases, in order to correct the deformity and prevent its progression, surgeons determine to perform posterior spinal fusion. As a result, they need to extract some important clinical parameters of spine such as Cobb angle, sagittal and coronal balance, spinal curvature, vertebraes angles and their rotations. In this study, edited tomographic images in MIMICS, were used to prepare a three dimensional model of the spine. Then by using curve fitting techniques and different clustering methods such as self-organization nueral network, k-means and hierarchical method, vertebras were separated and important geometrical data such as curvature of the spine and vertebras angle were obtained. In addition, through implementation of certain algorithms, other clinical features of each vertebra, including minimum and maximum height, length and width of the vertebral body and the relative displacement of vertebras were calculated automatically. In order to validate the proposed methods, measures and angles; derived values obtained automatically at each stage, were again calculated by a radiologist and a spine surgeon who was unaware of the goals of the research. Automatic values were verified by being compared with these manual results. In conclusion the reliability, accuracy and performance of the proposed automatic algorithms were demonstrated.