Automatic Segmentation and Identification of Spinous Processes on Sagittal X-Rays Based on Random Forest Classification and Dedicated Contextual Features

X-ray based quantitative analysis of spine parameters is required in routine diagnosis or treatment planning. Existing tools commonly require manual intervention. Attempts towards automation of the whole procedure have mainly focused on vertebral bodies, whereas other regions such as the posterior arch also bear considerable amount of useful information. In this study, we combine a specific design of contextual visual features with a multi-class Random Forest classifier to perform pixel-wise segmentation and identification of all cervical spine spinous processes, on sagittal radiographs. Segmentations were evaluated on 62 radiographs, comparing to manual tracing. Correct identification was obtained for all subjects, and segmentation returned mean SD values of: Dice coefficient =88 8%; Hausdorff distance =2.1 1.4 mm and; mean surface distance =0.6 0.4 mm. The derived geometric parameters can be used to reduce the amount of manual intervention needed for spine modeling or to measure clinical indices

Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

Book of Abstracts 15th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering and 3rd Conference on Imaging and Visualization

In this edition, the two events will run together as a single conference, highlighting the strong connection with the Taylor & Francis journals: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering (John Middleton and Christopher Jacobs, Eds.) and Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging and Visualization (JoãoManuel R.S. Tavares, Ed.). The conference has become a major international meeting on computational biomechanics, imaging andvisualization. In this edition, the main program includes 212 presentations. In addition, sixteen renowned researchers will give plenary keynotes, addressing current challenges in computational biomechanics and biomedical imaging. In Lisbon, for the first time, a session dedicated to award the winner of the Best Paper in CMBBE Journal will take place. We believe that CMBBE2018 will have a strong impact on the development of computational biomechanics and biomedical imaging and visualization, identifying emerging areas of research and promoting the collaboration and networking between participants. This impact is evidenced through the well-known research groups, commercial companies and scientific organizations, who continue to support and sponsor the CMBBE meeting series. In fact, the conference is enriched with five workshops on specific scientific topics and commercial software.info:eu-repo/semantics/draf

Low Back Pain (LBP)

Low back pain (LBP) is a major public health problem, being the most commonly reported musculoskeletal disorder (MSD) and the leading cause of compromised quality of life and work absenteeism. Indeed, LBP is the leading worldwide cause of years lost to disability, and its burden is growing alongside the increasing and aging population. The etiology, pathogenesis, and occupational risk factors of LBP are still not fully understood. It is crucial to give a stronger focus to reducing the consequences of LBP, as well as preventing its onset. Primary prevention at the occupational level remains important for highly exposed groups. Therefore, it is essential to identify which treatment options and workplace-based intervention strategies are effective in increasing participation at work and encouraging early return-to-work to reduce the consequences of LBP. The present Special Issue offers a unique opportunity to update many of the recent advances and perspectives of this health problem. A number of topics will be covered in order to attract high-quality research papers, including the following major areas: prevalence and epidemiological data, etiology, prevention, assessment and treatment approaches, and health promotion strategies for LBP. We have received a wide range of submissions, including research on the physical, psychosocial, environmental, and occupational perspectives, also focused on workplace interventions

Vertebral corners detection on sagittal X-rays based on shape modelling, random forest classifiers and dedicated visual features

Quantitative measurements of spine shape parameters on planar X-ray images is critical for clinical applications but remains tedious and with no fully-automated solution demonstrated on the whole spine. This study aims to limit manual input, while demonstrating precise vertebrae corners positioning and shape parameter measurements from sagittal radiographs of the cervical and lumbar regions, exploiting novel dedicated visual features and specialized classifiers.A database of manually annotated X-ray images is used to train specialized Random Forest classifiers for each spine regions and corner types. An original combination of local gradient characteristics, Haar-like features, and contextual features based on patch intensity and contrast is used as visual features. The proposed method is evaluated on 49 sagittal X-rays of asymptomatic and pathological subjects, from multiple imaging sites, and with a large age range (6 – 69 years old). Performance is first evaluated for positioning a 2D spine shape model, where precisely detected corners enable to adjust the model via an original multilinear statistical regression. Root-mean square errors (RMSE) of corners localization and vertebra orientations are reported, demonstrating state-of-the-art precision compared to existing methods, but with minimal manual input. The method is then evaluated for the extraction of additional vertebrae shape characteristics, such as centre positioning, endplate centres positioning and endplate length measures, rarely studied in previous literature.The proposed method enables, with minimal initialization, fast and precise individual vertebrae delineations on sagittal radiographs on normal and pathological cases, with a level of precision and robustness required for objective support for diagnosis and therapy decision making

Proceedings, MSVSCC 2017

Proceedings of the 11th Annual Modeling, Simulation & Visualization Student Capstone Conference held on April 20, 2017 at VMASC in Suffolk, Virginia. 211 pp