Thoracic wall reconstruction using ultrasound images to model/bend the thoracic prosthesis for correction of pectus excavatum

Pectus excavatum is the most common congenital deformity of the anterior thoracic wall. The surgical correction of such deformity, using Nuss procedure, consists in the placement of a personalized convex prosthesis into sub-sternal position to correct the deformity. The aim of this work is the CT-scan substitution by ultrasound imaging for the pre-operative diagnosis and pre-modeling of the prosthesis, in order to avoid patient radiation exposure. To accomplish this, ultrasound images are acquired along an axial plane, followed by a rigid registration method to obtain the spatial transformation between subsequent images. These images are overlapped to reconstruct an axial plane equivalent to a CT-slice. A phantom was used to conduct preliminary experiments and the achieved results were compared with the corresponding CT-data, showing that the proposed methodology can be capable to create a valid approximation of the anterior thoracic wall, which can be used to model/bend the prosthesis.Fundação para a Ciencia e Tecnologia (FCT

Chestwall segmentation in 3D breast ultrasound using a deformable volume model.

Item does not contain fulltextA deformable volume segmentation method is proposed to detect the breast parenchyma in frontal scanned 3D whole breast ultrasound. Deformable volumes are a viable alternative to the deformable surface paradigm in noisy images with poorly defined object boundaries. A deformable ultrasound volume model was developed containing breast, rib, intercostal space and thoracic shadowing. Using prior knowledge about grey value statistics and shape the parameterized model deforms by optimization to match an ultrasound scan. Additionally a rib shadow enhancement filter was developed based on a Hessian sheet detector. An ROC chestwall detection study on 88 multi-center scans (20 non-visible chestwalls) showed a significant accuracy which improved strongly using the sheet detector. The results show the potential of our methodology to extract breast parenchyma which could help reduce false positives in subsequent computer aided lesion detection

Determinação da grade costal em pacientes com pectus excavatum utilizando técnicas imagiológicas sem radiação

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)Todas as áreas científicas que apoiam e suportam a medicina têm evoluído muito ao longo dos anos. Uma dessas áreas é a Engenharia sendo indispensável para o eficaz e eficiente funcionamento do que hoje conhecemos como Medicina Moderna. A imagem médica, área muito explorada e dependente da Engenharia, tem evoluído muito e atualmente é possível diagnosticar, tratar e melhorar procedimentos, diminuir o erro humano, investigar com melhores práticas e até modelar próteses devido à evolução desta área. Isto tem acontecido quer através do aperfeiçoamento dos equipamentos de aquisição de imagens médicas, como também das técnicas de processamento de imagem usadas. Hoje em dia, a Tomografia Computadorizada (modalidade da imagem médica) é usada como exame de pré-diagnóstico para a correção do pectus excavatum, uma deformidade que ocorre na parede do tórax. Contudo, a Tomografia Computadorizada não é benéfica para os pacientes devido ao seu princípio físico de aquisição se basear em radiação, o que poderá originar a longo prazo problemas de saúde graves. Como a correção do pectus excavatum é cada vez mais uma cirurgia estética, onde o seu principal objetivo é evitar problemas psicológicos e de stress social nas crianças e jovens adolescentes portadores desta deformidade, tem-se questionado a real necessidade do uso da Tomografia Computadorizada. Tendo em consideração a realidade descrita foi objetivo deste trabalho avaliar a possibilidade de reconstruir um plano axial do tórax, contendo a grade costal, a partir de imagens por ultrassons e recorrendo a técnicas de processamento imagem. O intuito desta reconstrução foi eliminar a Tomografia Computadorizada do procedimento de modelação/dobragem automática da prótese cirúrgica para a correção do pectus excavatum. As técnicas e algoritmos de processamento de imagem usados e implementados, para obter um plano axial a partir de várias imagens de ultrassons, basearam-se no realce das imagens através de filtragem, no registo para obter as transformações entre imagens, na segmentação das estruturas ósseas e na reconstrução do plano final a partir dos dados do registo e da segmentação. Os resultados preliminares obtidos, principalmente de imagens de um phantom, demonstraram que é possível fazer reconstruções contendo informações das estruturas presentes no plano adquirido, como também da curvatura do tórax. Imagens obtidas com o phantom submerso em água demonstraram melhores resultados, onde as estruturas estão bem definidas e as dimensões coincidem quando comparadas com a Tomografia Computadorizada. Dados in vivo, mostraram que é possível reconstruir planos contendo a informação anatómica, no entanto, ainda não foi possível obter a curvatura real do tórax. Porém, o algoritmo de segmentação das estruturas ósseas demonstrou ser capaz de realçar a superfície do osso. Futuramente prevê-se a contínua otimização dos algoritmos, otimização dos parâmetros de aquisição da imagem e utilização de equipamentos externos de apoio à aquisição de imagens.All the scientific areas that support medicine have evolved enormously over the years. One such area is engineering, being indispensable for the effective and efficient functioning of what we know today as modern medicine. The medical imaging, a very explored and dependent area of the engineering, has greatly progressed and nowadays it is possible to diagnose, treat, improve procedures, reduce human error, investigate with best practices and model prosthesis due to developments in this area. This has occurred by improving the imaging equipment as well as the medical image processing techniques. Nowadays, the Computed Tomography (medical image modality) is used as pre-diagnosis examination for the correction of pectus excavatum, a deformity that occurs in the chest wall. However, Computed Tomography is not beneficial for patients because its physical principle of acquisition is based on radiation, which may lead to long-term serious health problems. As the correction of pectus excavatum is more a cosmetic surgery, where its main objective is to avoid psychological problems and social stress in children and young adolescents with this deformity, it has been questioned the real need for the use of Computed Tomography. Taking into account the described reality, the objective of this study was to evaluate the possibility to reconstruct an axial plane of the chest with the rib cage using ultrasound images and image processing techniques. The purpose of this reconstruction was to eliminate the Computed Tomography from the procedure of automatic modeling/bending the prosthesis for the surgical correction of pectus excavatum. The image processing techniques and algorithms used and implemented to obtain an axial plane, using several ultrasound images, were based in image enhancement using filtering techniques, in registration to obtain the transformations between images, the segmentation of bone structures and the reconstruction of the final plan from the data of registration and segmentation. The preliminary results, mostly from a phantom, showed that it is possible to make reconstructions containing the information of the structures present in the scanned plan, as well as the curvature of the chest. Acquired images with the phantom submerged in water exhibited better results, where the structures are well defined and the dimensions match when compared with Computed Tomography. In vivo data indicated that it is possible to reconstruct planes containing the anatomical information, however, still cannot get the actual curvature of the chest. The segmentation algorithm of bone structures has been shown to enhance the surface of the bone. Hereafter, it is anticipated the continuous optimization of algorithms, the optimization of image acquisition parameters and the use of external equipment to support the image acquisition.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

乳房超音波検査支援のための画像認識技術に基づく病変自動検出に関する研究

筑波大学 (University of Tsukuba)201