Spinal ligaments detection on vertebrae meshes using registration and 3D edge detection

要約

脊椎靱帯は、骨構造に力を伝達し、動きを誘導および制限し、脊椎を安定させるため、複雑な生体力学的シミュレーション モデルにおいて重要な要素です。
脊椎靱帯には、他の脊椎構成要素間の機能的な相互関係の維持に関与する 7 つの主要なグループが含まれています。
3D 椎骨モデル上の靱帯の起点と挿入点を決定することは、正確で複雑な脊椎生体力学的モデルを構築する上で不可欠なステップです。
私たちの論文では、段階的なアプローチを使用して 66 個の脊椎靱帯付着点を検出できるパイプラインを提案します。
私たちの方法には、変換を計算するために 15 の 3D ポイントのみを戦略的に抽出する高速椎骨登録と、登録された靭帯を特定の患者固有の椎骨モデルに正確に投影するためのエッジ検出が組み込まれています。
私たちの方法は、特に椎骨の前部のランドマークの識別において高い精度を示し、前縦靱帯ランドマークの平均距離は 2.24 mm、後縦靱帯ランドマークの平均距離は 1.26 mm です。
ランドマークの検出には椎骨あたり約 3.0 秒かかり、既存の方法に比べて大幅な改善が得られます。
臨床関連性: 提案された方法を使用すると、生体力学的脊椎モデルの力の起点と挿入点を表す必要なランドマークを、正確かつ時間効率の高い方法で自動的に位置特定できます。

要約(オリジナル)

Spinal ligaments are crucial elements in the complex biomechanical simulation models as they transfer forces on the bony structure, guide and limit movements and stabilize the spine. The spinal ligaments encompass seven major groups being responsible for maintaining functional interrelationships among the other spinal components. Determination of the ligament origin and insertion points on the 3D vertebrae models is an essential step in building accurate and complex spine biomechanical models. In our paper, we propose a pipeline that is able to detect 66 spinal ligament attachment points by using a step-wise approach. Our method incorporates a fast vertebra registration that strategically extracts only 15 3D points to compute the transformation, and edge detection for a precise projection of the registered ligaments onto any given patient-specific vertebra model. Our method shows high accuracy, particularly in identifying landmarks on the anterior part of the vertebra with an average distance of 2.24 mm for anterior longitudinal ligament and 1.26 mm for posterior longitudinal ligament landmarks. The landmark detection requires approximately 3.0 seconds per vertebra, providing a substantial improvement over existing methods. Clinical relevance: using the proposed method, the required landmarks that represent origin and insertion points for forces in the biomechanical spine models can be localized automatically in an accurate and time-efficient manner.

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