Intensity-based non overlapping area registration supporting "drop-outs" in terms of model-based radiostereometric analysis

Abstract
A model-based radiostereometric analysis (MBRSA) is a method for precise measurement of prosthesis migration, which does not require marking the implant with tantalum beads. Instead, the prosthesis pose is typically recovered using a feature-based 2D-3D registration of its virtual model into a stereo pair of radiographs. In this study, we evaluate a novel intensity-based formulation of previously published non-overlapping area (NOA) approach. The registration is capable to perform with both binary radiographic segmentations or non segmented X-ray images. In contrast with the feature-based version, it is capable to deal with unreliable parts of prosthesis. As the straightforward formulation allows efficient acceleration using modern graphics adapters, it is possible to involve precise high-poly virtual models. Moreover, in case of binary segmentations, the non-overlapping area is simply interpretable, useful for indicating the accuracy of the registration outcome. In silico and phantom evaluations were performed using a cementless Zweymüller femoral stem and its reverse engineered (RE) model. For initial pose estimates with difference from the ground-truth limited to 4 mm and 4° respectively, the mean absolute translational error was not higher than 0.042+-0.035 mm. The error in rotation around the proximodistal axis was 0.181+-0.265°, error for remaining axes was not higher than 0.035+-0.037°.
Modelová radiostereometrická analýza (MBRSA) je metoda pro přesné měření migrace protézy, která nevyžaduje značení implantátu pomocí tantalových markerů. Místo toho je poloha a rotace protézy určena pomocí 2D-3D registrace jejího virtuálního modelu do rentgenových stereo snímků. Typicky jde o registraci založenou na siluetách virtuálního modelu a hranách detekovaných v rentgenových snímcích. V této studii provádíme evaluaci nové intenzitní formulace dříve zveřejněného přístupu založeného na nepřekrývajících se oblastech (NOA). Registrace je schopna pracovat jak s binárními segmentacemi, tak s původními rentgenovými snímky. Na rozdíl formulace založené na siluetách je schopna vypořádat se s "nespolehlivými" částmi protézy. Vzhledem k přímočaré formulaci je metoda snadno akcelerovatelná za pomoci moderních grafických karet a umožňuje tak použití virtuálních modelů s vysokým počtem polygonů. Kromě toho, v případě využití binárních segmentací, je nepřekrývající se oblast jednoduše interpretovatelná a užitečná pro predikci přesnosti registrace. S využitím bezcementového implantátu Zweymüllerova typu a jeho naskenovaného virtuálního modelu byly provedeny in silico a fantomové evaluace přesnosti registrace. Pro iniciální odhad polohy s rozdílem oproti skutečné poloze omezeném na maximálně 4mm a 4° nebyla průměrná absolutní translační chyba vyšší než 0.042+-0.035 mm. Rotační chyba okolo proximodistální osy byla 0.181+-0.265°, chyba pro zbývající osy nebyla vyšší než 0.035+-0.037°.
Description
Citation
multi science- Journal of Healthcare Engineering. 2018, vol. 2018, issue 1, p. 1-10.
https://www.fit.vut.cz/research/publication/11688/
Document type
Peer-reviewed
Document version
Published version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Comittee
Date of acceptance
Defence
Result of defence
Document licence
Creative Commons Attribution 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Citace PRO