Lumbar disk 3D modeling from limited number of MRI axial slices

This paper studies the problem of clinical MRI analysis in the field of lumbar intervertebral disk herniation diagnosis. It discusses the possibility of assisting radiologists in reading the patients MRI images by constructing a 3D model for the region of interest using simple computer vision methods. We use axial MRI slices of the lumbar area. The proposed framework works with a very small number of MRI slices and goes through three main stages. Namely, the region of interest extraction and enhancement, inter-slice interpolation, and 3D model construction. We use the Marching Cubes algorithm to construct the 3D model of the the region of interest. The validation of our 3D models is based on a radiologist’s analysis of the models. We tested the proposed 3D model construction on 83 cases and We have a 95% accuracy according to the radiologist evaluation. This study shows that 3D model construction can greatly ease the task of the radiologist which enhances the working experience. This leads eventually to more accurate and easy diagnosis process

Automatic Localization and Identification of Vertebrae in Arbitrary Field-of-View CT Scans

Abstract. This paper presents a new method for automatic localiza-tion and identification of vertebrae in arbitrary field-of-view CT scans. No assumptions are made about which section of the spine is visible or to which extent. Thus, our approach is more general than previous work while being computationally efficient. Our algorithm is based on re-gression forests and probabilistic graphical models. The discriminative, regression part aims at roughly detecting the visible part of the spine. Ac-curate localization and identification of individual vertebrae is achieved through a generative model capturing spinal shape and appearance. The system is evaluated quantitatively on 200 CT scans, the largest dataset reported for this purpose. We obtain an overall median localization error of less than 6mm, with an identification rate of 81%.

Statistical shape model reconstruction with sparse anomalous deformations: application to intervertebral disc herniation

Many medical image processing techniques rely on accurate shape modeling of anatomical features. The presence of shape abnormalities challenges traditional processing algorithms based on strong morphological priors. In this work, a sparse shape reconstruction from a statistical shape model is presented. It combines the advantages of traditional statistical shape models (defining a ‘normal’ shape space) and previously presented sparse shape composition (providing localized descriptors of anomalies). The algorithm was incorporated into our image segmentation and classification software. Evaluation was performed on simulated and clinical MRI data from 22 sciatica patients with intervertebral disc herniation, containing 35 herniated and 97 normal discs. Moderate to high correlation (R = 0.73) was achieved between simulated and detected herniations. The sparse reconstruction provided novel quantitative features describing the herniation morphology and MRI signal appearance in three dimensions (3D). The proposed descriptors of local disc morphology resulted to the 3D segmentation accuracy of 1.07 ± 1.00 mm (mean absolute vertex-to-vertex mesh distance over the posterior disc region), and improved the intervertebral disc classification from 0.888 to 0.931 (area under receiver operating curve). The results show that the sparse shape reconstruction may improve computer-aided diagnosis of pathological conditions presenting local morphological alterations, as seen in intervertebral disc herniation

Segmentación automática de la columna vertebral mediante un atlas probabilístico con un enfoque especial en la supresión de costillas

[ES] Puesto que la metástasis ósea es una patología vertebral de gran importancia, una segmentación precisa de los cuerpos vertebrales es el paso previo al análisis biomecánico que permita predecir el riesgo de fractura en vértebras metastásicas. Además, la localización exacta del canal vertebral es esencial en el proceso de radioterapia para evitar daños de la médula espinal, y un paso importante para automatizar la segmentación. Este Trabajo Final de Grado tiene como objetivo desarrollar un método automático para la detección y segmentación de las vértebras a través del análisis de Tomografía Computarizada utilizando un grupo de 21 pacientes con metástasis en la columna vertebral. Conseguir una segmentación automática de los cuerpos vertebrales es una tarea compleja debido a la presencia de las costillas en la región torácica. Como solución se han combinado un método Level-Set capaz de segmentar las vértebras y un atlas probabilístico para suprimir las costillas y automatizar el proceso. Para evaluar la segmentación se ha utilizado la distancia Hausdorff (HD) y el coeficiente Dice (DSC). Tras aplicar el atlas, la HD disminuye 11 mm de media y el DSC mejora un 1.3%. Los resultados demuestran que el atlas es capaz de detectar y suprimir las costillas adecuadamente.[EN] Since bone metastases is a relevant vertebral pathology, an accurate segmentation of the vertebral bodies is the previous step to biomechanical analysis to predict the risk of fracture in metastatic vertebrae. In addition, a proper location of the spinal canal is an essential process in radiotherapy processes to prevent spinal cord damages and a relevant step to automate the segmentation process. Aided by the Computerized Tomography technique, the target of this Final Degree Project is to model an automated method for the detection and segmentation of the spine and test it in a group of 21 patients with spinal metastases. To achieve an automatic segmentation of the vertebral bodies is a complex task due to the presence of the ribs in the thoracic region. As a solution, a Level-Set method used in the vertebrae segmentation process and a probabilistic atlas to suppress the ribs and automate the process have been combined. Both, the DICE similarity coefficient (DSC) and the Hausdorff (HD) distance have been used to evaluate the segmentation process. On average, HD decreases 11 mm and DSC improves 1.3% after applying the atlas. The results show that the atlas is able to detect and suppress the ribs properly.D' Ocón Alcañiz, V. (2019). Segmentación automática de la columna vertebral mediante un atlas probabilístico con un enfoque especial en la supresión de costillas. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/128515TFG

Precision Medicine for the Intervertebral Disc: Image Processing and Computational Modeling of Disc Degeneration to Inform Patient-Specific Therapies

The human intervertebral disc is a deceptively simple structure which plays an essential role in human movement. Even slight changes to the disc microenvironment can have far reaching consequences, particularly when these changes result in disc degeneration and herniation. Degeneration is increasingly tied to lower back pain; better understanding this complex relationship could enable more informed treatments and better outcomes for patients suffering from low back pain. The overall aim of the work presented here is to investigate tools and techniques which might aid in patient evaluation, for use in both research and clinical settings. Specifically, this includes (1) development of a patient-specific finite element model of nutrient transport in the disc, and (2) quantitative comparison of a novel imaging modality (apparent diffusion coefficient mapping) to established modalities for disc visualization. In the first investigation, results of the patient-specific model showed distinct diffusion behavior between patients, even within discs of the same degeneration grade, indicating the importance of the patient-specific diffusivities to the accurate prediction of nutrient availability in the disc. In the second investigation, the results indicated a general sensitivity of both modalities to degeneration of the NP. However, significant differences were found between the modalities at measuring the same features, indicating that the two modalities have fundamentally different capabilities for IVD visualization and implying that one is more accurate than the other. Validating this will be the focus of future work

CARACTERIZACIÓN CUANTITATIVA DE LA PATOLOGÍA DISCAL Y LUMBAR DEGENERATIVA MEDIANTE ANÁLISIS DE IMAGEN POR RESONANCIA MAGNÉTICA Y DETECCIÓN Y SEGMENTACIÓN DE LA COLUMNA VERTEBRAL EN PACIENTES ONCOLÓGICOS A PARTIR DEL ANÁLISIS DE IMAGEN EN TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA

[EN] Over the last 20 years health system has been revolutionized by imaging technology so diagnostic imaging has become the mainstay of the management of patients. Nowadays, degeneration of the intervertebral discs, herniation and spinal stenosis are very common entities that affect millions of people and cause back pain. The development of computer-aided diagnosis (CAD) methods for classifying and quantifying these pathologies has increased in the past decade as a way to assist radiologists in the diagnosis task. So, the main objective of the first part of this Doctoral Thesis is the development of a CAD software for the classification and quantification of spine disease by means of Magnetic Resonance image analysis. To this end, two different groups of patients have been used, one as training group (14 patients) and the other as testing group (53 patients). To classify disc degeneration according to the gold standard, Pfirrmann classification, a method mainly based on the measurement of disc signal intensity and structure has been developed. The method developed to detect disc herniations has been focused on disc segmentation and its approximation by an ellipse, in this way it is possible to extract disc shape features for detecting contour abnormalities. The method developed to detect spinal stenosis, based on signal intensity, has been developed to extract the spinal canal and, by applying different techniques, to detect spinal stenosis at every intervertebral disc level and quantify the severity of the pathology. The results have shown a segmentation inaccuracy below 1%. Regarding reproducibility, it has been obtained an almost perfect agreement (measured by the k and ICC statistics) for all the analysed pathologies. The results have shown that the developed methods can assist radiologists to perform their decision-making tasks, providing support for enhanced reproducibility of MRI reports and achieving greater objectivity. However, not only the intervertebral discs are susceptible to suffer several pathologies. The vertebral bodies are also subject to a wide variety of diseases because of different circumstances. So, prior to any diagnosis task, an accurate detection and segmentation of the vertebral bodies are the first crucial steps. Therefore, the main objective of the second part of this Doctoral Thesis is the development of an automatic method for the detection and segmentation of the spine in Computed Tomography imaging. Performing an automatic and robust segmentation is a very challenging task due to the difficulty discriminating between the ribs and the vertebral bodies. To overcome this problem, two different segmentation methods have been combined: the first method uses a Level-Set method to perform an initial segmentation; the second method uses a probabilistic atlas to refine the initial segmentation with a special focus on ribs suppression. So a 3D volume indicating the probability of each voxel of belonging to the spine has been developed, by means of a set of images, corresponding to 14 patients (training group), manually segmented by an expert. The generated probability map has been deformed and adapted to each testing case. To evaluate the segmentation results and the improvement obtained after applying the atlas to the initial segmentation, the Dice similarity coefficient (DSC) and the Hausdorff distance (HD) have been used. The results have shown up an average of 11 mm of improvement in segmentation accuracy in terms of HD, obtaining an overall final average of 14,98 ± 1,32 mm. A refinement of 1,3 % has been obtained in terms of DSC, with a global value of 91,75 ± 1,20 %. The study has demonstrated that the atlas is able to detect and appropriately eliminate the ribs while improving the segmentation accuracy.[ES] En los últimos 20 años el sistema sanitario se ha visto revolucionado por la tecnología de la imagen, por lo que el diagnóstico por imagen se ha convertido en un pilar fundamental en el manejo de los pacientes. Hoy en día la degeneración de los discos intervertebrales, la hernia discal y la estenosis del canal vertebral, son tres patologías que afectan a millones de personas y causan dolor de espalda. El desarrollo de sistemas CAD para clasificar y cuantificar estas patologías se ha incrementado en la última década como una forma de ayuda al radiólogo en el diagnóstico. Por tanto, la primera parte de esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el desarrollo de un sistema CAD para la clasificación y cuantificación de la patología discal por medio del análisis de Imagen por Resonancia Magnética. Con este fin se han utilizado dos grupos de pacientes, uno como grupo de entrenamiento (14 pacientes) y el otro como grupo de prueba (53 pacientes). Para la clasificación de la degeneración discal se ha desarrollado un método basado en el cálculo de la estructura del disco y de su señal de intensidad. El método de detección de herniaciones se ha centrado en la segmentación del disco y su aproximación por una elipse, para extraer así información sobre la forma del disco. El método de detección de estenosis, basado en la señal de intensidad, ha sido desarrollado para extraer el canal vertebral y, con la aplicación de diferentes técnicas, detectar estrechamientos a la altura de los discos y cuantificar la gravedad de los mismos. Los resultados han demostrado una alta precisión en la segmentación, con un error inferior al 1 %. En cuanto a la reproducibilidad, se ha obtenido un acuerdo casi perfecto (medido con los coeficientes CCI y k) para todas las patologías analizadas. Los resultados obtenidos demuestran que los métodos desarrollados pueden servir de ayuda al radiólogo en el diagnóstico, mejorando la reproducibilidad y logrando una mayor objetividad. Sin embargo, no sólo los discos intervertebrales son susceptibles de sufrir alguna patología. Los cuerpos vertebrales también pueden sufrir lesiones por diversas circunstancias. No obstante, antes de realizar cualquier tarea de diagnóstico, llevar a cabo una detección y segmentación precisa de los cuerpos vertebrales es un primer paso crucial. Así pues, la segunda parte de esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el desarrollo de un método automático para la detección y segmentación de la columna vertebral por medio del análisis de Tomografía Computarizada. Llevar a cabo una segmentación automática y precisa es una tarea complicada debido principalmente a la gran dificultad para distinguir entre los cuerpos vertebrales y las costillas. Para solucionar este problema se han combinado dos métodos de segmentación diferentes: el primero utiliza un método Level-Set para llevar a cabo una segmentación inicial; el segundo utiliza un atlas probabilístico, para refinar la segmentación inicial, con un enfoque especial en la supresión de las costillas. Por tanto, se ha obtenido un volumen 3D indicando la probabilidad de cada voxel de pertenecer o no a la columna vertebral, por medio de un conjunto de imágenes correspondientes a 14 pacientes segmentadas manualmente por un experto. El mapa de probabilidad generado ha sido deformado y adaptado a cada uno de los 7 pacientes del grupo de prueba. Para evaluar los resultados de la segmentación y la mejora obtenida después de aplicar el atlas a la segmentación inicial, se ha utilizado el coeficiente Dice (DSC) y la distancia Hausdorff (HD). Los resultados han demostrado una mejora en la precisión de la segmentación de 11 mm de media en términos de HD, con una media global de 14,98 ± 1,32 mm. En términos de DSC se ha obtenido una mejora de un 1,3 % , con una media global de 91,75 ± 1,20 %. El estudio ha demostrado que el atlas es capaz de detectar y eliminar apropiadamente las estructuras costales[CA] En els últims 20 anys el sistema sanitari s'ha vist revolucionat per la tecnologia de la imatge, per la qual cosa el diagnòstic per imatge s'ha convertit en un pilar fonamental en el maneig dels pacients. Hui en dia la degeneració dels discos intervertebrals, l'hèrnia discal i l'estenosi del canal vertebral, són tres patologies molt comunes que afecten milions de persones i causen dolor d'esquena. El desenvolupament de sistemes CAD per a classificar i quantificar estes patologies s'ha incrementat en l'última dècada com una forma d'ajuda al radiòleg en el diagnòstic. Per tant, la primera part d'aquesta Tesi Doctoral té com a objectiu el desenvolupament d'un sistema CAD per a la classificació i quantificació de la patologia discal per mitjà de l'anàlisi d'Imatge per Ressonància Magnètica. Amb aquest fi s'han utilitzat dos grups de pacients distints, un com a grup d'entrenament (14 pacients) i l'altre com a grup de prova (53 pacients). Per a la classificació de la degeneració discal, s'ha desenvolupat un mètode basat en el càlcul de l'estructura del disc i del seu senyal d'intensitat. El mètode de detecció d'herniacions s'ha centrat en la segmentació del disc i la seua aproximació per una el·lipse, per a extraure així informació sobre la forma del disc. El mètode de detecció d'estenosi, basat en el senyal d'intensitat, ha sigut desenvolupat per a extraure el canal vertebral i amb l'aplicació de diferents tècniques detectar estrenyiments a l'altura dels discos i quantificar la gravetat dels mateixos. Els resultats han demostrat una alta precisió en la segmentació, amb un error inferior a l'1 %. En quant a la reproduïbilitat, s'ha obtingut un acord quasi perfecte (mesurat amb els coeficients CCI i k) per a totes les patologies analitzades. Els resultats obtinguts demostren que els mètodes desenvolupats poden servir d'ajuda al radiòleg en el diagnòstic, millorant la reproduïbilitat i aconseguint una major objectivitat. No obstant això, no sols els discos intervertebrals són susceptibles de patir alguna patologia. Els cossos vertebrals també poden patir lesions per diverses circumstàncies. Per tant, abans de realitzar qualsevol tasca de diagnòstic, dur a terme una detecció i segmentació precisa dels cossos vertebrals és un primer pas crucial. Així, doncs, la segona part d'aquesta Tesi Doctoral té com a objectiu el desenvolupament d'un mètode automàtic per a la detecció i segmentació de la columna vertebral per mitjà de l'anàlisi de Tomografia Computada. Dur a terme una segmentació automàtica i precisa és una tasca complicada degut principalment a la gran dificultat per a distingir entre els cossos vertebrals i les costelles. Per a solucionar aquest problema s'han combinat dos mètodes de segmentació diferents: el primer utilitza un mètode Level-Set per a dur a terme una segmentació inicial; el segon utilitza un atles probabilístic, per a refinar la segmentació inicial amb un enfocament especial en la supressió de les costelles. Per tant, s'ha obtingut un volum 3D indicant la probabilitat de cada voxel de pertànyer o no a la columna vertebral, per mitjà d'un conjunt d'imatges corresponents a 14 pacients (grup d'entrenament) segmentades manualment per un expert. El mapa de probabilitat generat ha sigut deformat i adaptat a cadascun dels 7 pacients del grup de prova. Per a avaluar els resultats de la segmentació i la millora obtinguda després d'aplicar l'atles a la segmentació inicial, s'ha utilitzat el coeficient Dice (DSC) i la distància Hausdorff (HD). Els resultats han demostrat una millora en la precisió de la segmentació d'11 mm de mitja en termes de HD, amb una mitja global de 14,98 ± 1,32 mm. S'ha obtingut una millora d'un 1,3 % en termes de DSC, amb una mitja global de 91,75 ± 1,20 %. L'estudi ha demostrat que l'atles és capaç de detectar i eliminar apropiadament les estructures costals alhora que millora la precisió de la segmentació.Ruiz España, S. (2016). CARACTERIZACIÓN CUANTITATIVA DE LA PATOLOGÍA DISCAL Y LUMBAR DEGENERATIVA MEDIANTE ANÁLISIS DE IMAGEN POR RESONANCIA MAGNÉTICA Y DETECCIÓN Y SEGMENTACIÓN DE LA COLUMNA VERTEBRAL EN PACIENTES ONCOLÓGICOS A PARTIR DEL ANÁLISIS DE IMAGEN EN TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68485TESI