پزشکی بالینی

اين مقاله بازسازي سه بعدي scoliotic ستون فقرات انسان را از طريق تصاوير راديوگرافي دو بعدي مورد توجه قرار داده است. در شيوه كلينيكي، مدل سه بعدي ستون فقرات را مي توان با استفاده از سي تي اسكن يا MRI به دست آورد، ولي به دليل آشفتگي و ناهمگني هاي سي تي اسكن و MRI، تكنيك هاي بازسازي سه بعدي راديولوژيك جهت فراهم كردن اطلاعات سه بعدي براي جراح لازم و ضروري هستند. بازسازي سه بعدي مبتني بر تصاوير راديوگرافي با دو مشكل عمده مواجه است: زاويه زياد بين دو تصوير رادوگرافي مرسوم (90) و ماهيت تصاوير X-ray. در اين جا  تكنيكي جديد را پيشنهاد مي كنيم كه جهت بازسازي، دانش قبلي هندسه ستون فقرات را مورد استفاده قرار داده و بر روي استخراج ويژگي مشابه در تصاوير دوبعدي تمركز مي كند.

تكنيك هاي مرسوم  computer-vision(ديد كامپيوتري) به كار رفته براي بازسازي سه بعدي به دليل وجود دو مشكل عمده در تصاوير  X -ray به كار نمي آيند. اول اينكه زاويه بين دو تصوير راديوگرافي مرسوم بزرگ است (90)، كه باعث ايجاد مشكل در مسئله تشابه مي شود. در زواياي تند، اكثر ويژگي ها در هر دو تصوير ظاهر مي شود، در حالي كه در تصاوير عمودي، شما ويژگي هاي كاملا جديدي را  مي بينيد. 
دوميـن اشكال مربوط به ماهيت تصاوير X -ray است. شدت يك پيكسل خاص معمولا تابعي از عمقش است، در حاليكه در X -ray ، شدت پيكسل ها بستگي به چگالي (تراكم) استخوان در آن ناحيه دارد و مربوط به عمق آن نمي شود. به علاوه، سطح پايين بافت ها در تصاوير  X -ray (در حقيقت هيچ گونه بافتي وجود ندارد) آشكارسازي نقاط برجسته و برقراري تشابه بين 2 تصوير را بسيار سخت مي كند. بدون توانايي تطبيق نقاط در تصوير، يافتن هندسه epipolar و ماتريس تبديل بين دو تصوير غير ممكن مي شود. بنابراين در اين گونه تصاوير به جاي  نقاط مشابه از مجموعه اي از خم ها براي تطبيق استفاده مي كنند.

Scoliosis ستون فقرات 
Scoliosis يك كجي سراسري يا موضعي سه بعدي ستون فقرات، شامل چرخش و كجي استخوان هاي مهره است. دو نوع scoliosis وجود دارد: scoliosis مادرزادي و scoliosis ناشناخته (در اثر بيماريScoliosis .) مادرزادي يا موروثي در هنگام تولد بروز مي كند، در حالي كه scoliosis ناشناخته متناسب با سن بوده و به سه دسته تقسيم مي شود: كودكي (زير 3 سال)، نوجواني (3 تا 10 سال) و جواني (بزرگتر از 10 سال.) از هر 1000 كودك، 3 تا 5 نفر دچار خميدگي ستون فقرات هستند و اين خميدگي به اندازه اي بزرگ است كه نياز به درمان دارد. 

خميدگي‌هاي scoliotic مي توانند در قسمت فوقاني يا تحتاني ستون فقرات رخ دهند. قسمت فوقاني ستون فقرات، فقرات صدري (سينه اي) ناميده شده و قسمت تحتـانـي آن ستـون فقـرات كمـري نـاميـده مـي شود. 4 نوع خميدگي scoliosis وجود دارد(شكل 2.) اين خميدگي ها عبارتند از: خميدگي صدري، خميدگي صدري كمري، خميدگي بزرگ double و خميدگي بزرگ كمري. خميدگي صدري معمول‌ترين نوع خميدگي است و در ناحيه مياني رو به بالاي ستون فقرات رخ مي دهد. در اين خميدگي مـعـمــولا چــرخــش زيــاد مـهـره هـا وجـود دارد. خـميدگي صدري كمري يك نوع غير معمول خميدگي ستون فقرات مياني است. خميدگي بزرگ double از دو خميدگي تشكيل شده است، يكي در ناحيه صدري و ديگري در ناحيه كمري سـتـون فـقـرات. ايـن خـمـيـدگـي مـعـمولا حالت s شكل دارد. خميدگي بزرگ كمري در ستون فقرات كمري تحتاني اتفاق مي افتد. يك ستون فـقـرات با scoliosis معمولا s شكل يا c شكل است.
آناليز سه بعدي بد شكلي هاي ستون فقرات، مثل scoliosis، نياز به بازسازي سه بعدي هندسه ستون فقرات دارد. در شيوه كلينيكي، مدل سه بـعـدي سـتـون فـقـرات را مـي توان با استفاده از سي‌تي اسكن يا MRI به دست آورد. البته كاملا صحيح است كه هنگامي كه با بيماران scoliotic سر و كار داريم، CT يك روش بازسازي سه بعدي نامناسب است؛ اين امر به خاطر دز (ميزان) زياد تابشي به دليل تعداد زياد برش هاي ميلي متري مورد نياز است، بنابراين بيمار مجبور به قرار گرفتن در موقعيت و وضعيت نادرست مي شود كه در نتيجه انحناي واقعي ستون فقرات تغيير كرده و آناليز مورفولوژيك را تحت تأثير قرار مي دهد. از طرف ديگر MRI بسيار گران است و اكثر شركت هاي بيمه آن را پوشش نمي دهند.
بنابراين تكنيك هاي بازسازي سه بعدي راديولوژيك جهت فراهم آوردن همين اطلاعات سه بعدي براي جراح لازم و ضروري هستند. چنين تكنيك هاي جايگزيني همگي بر اساس شيوه راديوگرافي سه بعدي هستند كه تنها به دو تصوير راديوگرافي براي بازسازي مدل سه بعدي تكيه دارند.

روش پيشنهادي
در ايـن تكنيـك بـازسـازي ستون فقرات به كمك خم ها در 4 مرحله زير صورت مي‌پذيرد: 
‌مكان يابي يك مهره
‌يافتن خم هاي مورد نظر در هر ديد
‌برقراري تشابه بين خم ها
‌بازسازي خم ها

مكان يابي يك مهره
با استفاده از شيوه هاي آشكارسازي لبه (مثل آشكارسازي لبه canny)، تمام لبه ها در دو ديد (تصوير) استخراج مي شوند. سپس جستجويي براي ويژگي ها انجام مي شود. براي مثال: ساقه ها با جستجو براي دايره هايي در ديد خلفي قدامي مكان يابي مي شوند و مهره به صورت يك چهار ضلعي در ديد جنبي نمايش داده مي شود (شكل 3.) اكنون يك محدوده يا مرز مربعي در اطراف آن قرار مي دهيم و اين همان ناحيه اي است كه ما جستجويمان را براي ويژگي هاي اين مهره خاص به آن محدود خواهيم كرد.

يافتن خم هاي مورد نظر
هم اكنون، دو تصوير اصلي را مورد استفاده قرار داده، يكي را قطعه قطعه كرده و جستجو را براي خم هاي مورد نظر آغاز مي كنيم. اين كار با گرفتن (برداشتن) هر منحني در يك زمان و جستجو براي آن در محدوده اش انجام مي شود، اگر منحني يافت نشد، پس آن منحني در تصويرray -X وجود ندراد و تا انتهاي كار براي درون يابي كنار گذاشته خواهد شد. با انجام اين كار درون يابي منحني ها را به حداقل رسانده ايم.

تناظر بين منحني ها
حال منحني‌ها‌يي زير منحني ها آشكارسازي شدند و بايد بررسي شود كه تطبيق درست بوده يـا نـه . ايـن كـار تـوسـط هنـدسـه epipolar انجـام مي‌شود. هندسه epipolar محدوده اي را براي كـاهـش پـيـچـيـدگـي تـطـبـيـق تـشـابه با استفاده از مـاتـريس بنيادي براي ما ايجاد مي كند. در اين روش به جاي جستجوي تمام تصوير يا ناحيه اي از آن براي يافتن يك عامل تطبيق، تنها بايد امتداد يـك خـط را جـستجو كنيم. اين نقاط الگوريتم  RANSAC(تجمع نمونه تصادفي) را براي تخمين مـاتـريـس بـنيادي تغذيه مي كنند. اين الگوريتم علاوه بر تخمين ماتريس، با تكرار محاسباتش در حذف داده هاي outlier نيز نقشي اساسي دارد.
لبه ها با جزئيات تطبيق داده مي شوند. براي هـر يـك از لبه ها در ديد جنبي مجموعه اي از لبه‌هاي متناظر شناسايي مي شوند. اين لبه ها در ناحيه مشخصي با استفاده از مرجع هاي موضعي و كلي قرار مي گيرند. نقطه متناظر در ديد خلفي قدامي يك نقطه بر روي يك لبه در ديد جنبي محل تقاطع خط epipolar متناظر با مجموعه اي از لبه هاي متناظر است (شكل 5.) 
منحني هاي تطبيق يافته  بايد بر روي خط epipolar متناظرشان قرار بگيرند ، پس قادر به آشكارسازي و حذف تطابق هاي نادرست‌خواهيم بود.

بازسازي خم ها
در نهايت لبه ها با استفاده از traingulation بازسازي مي شوند (شكل 6.) شيوه يافتن موقعيت نقطه   سوم با دانستن هندسه دو نقطه مرجع ديگر و شناخته شده، traingulation ناميده مي شود. اين دو ديد را تطبيق داده و از ماتريس بنيادي كه به وسيله RANSAC يافت شده استفاده مي كنيم، ماتريس هاي پرتوافكني محاسبه مي شوند، با دانستن دو ماتريس پرتوافكني يك نقطه سه بعدي، ماتريس پرتوافكني آن به دست آمده و مختصات سه بعدي اين نقطه بازيابي مي شود.

منابع
 
 [1] Hao Li, Wee Kheng Leow, Chao-Hui Huang and Tet Sen Howe, "Modeling and
Measurement of 3D Deformation of Scoliotic Spine Using 2D X-ray
Images", Computer Analysis of Images and Patterns, 2009, Volume
654-647,2009/57.
 [2] G. D. Giammarco, M. L. Storto, R. Marano, et al. (2006). Superior vena cava syndrome: a 3D CT-scan reconstruction, European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 30(2): 384-385.
 [3] N. H. Mahmood and T. Tjahjadi (2006). 3D Reconstruction From Multiple Views For Orthotic and Prosthetic Design: An Overview, SCOReD - Student Conference on Research and Development, Shah Alam, Selangor, Malaysia, 27-28.
 [4] Multi-detector row CT systems and image reconstruction techniques. T.G. Flohr, S. Schaller et al. Radiology 2005;235: 756-773.
[5] S. Benameur, M. Mignotte, S. Parent, H. Labelle,W. Skalli, J. A. De Guise. 3D/2D registration and segmentation of scoliotic vertebrae using statistical models. Comput Med Imaging Graph. Vol 5, pp 321-37, 2003.

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۱۲۵