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°.