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Enregistrement W4386733443 · doi:10.1002/mp.16731

Anatomy‐aware computed tomography‐to‐ultrasound spine registration

2023· article· en· W4386733443 sur OpenAlexaff
Mohammad Farid Azampour, Maria Tirindelli, Jane Lameski, Miruna Gafencu, Eleonora Tagliabue, Emad Fatemizadeh, Ilker Hacihaliloglu, Nassir Navab

Notice bibliographique

RevueMedical Physics · 2023
Typearticle
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueMedical Imaging and Analysis
Établissements canadiensUniversity of British Columbia
Organismes subventionnairesQatar National Research FundBayerische Forschungsstiftung
Mots-clésComputer scienceGround truthArtificial intelligenceSegmentationSupine positionDeep learningComputer visionPipeline (software)Noise (video)Point cloudMedical imagingMedicineImage (mathematics)

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

BACKGROUND: Ultrasound (US) has demonstrated to be an effective guidance technique for lumbar spine injections, enabling precise needle placement without exposing the surgeon or the patient to ionizing radiation. However, noise and acoustic shadowing artifacts make US data interpretation challenging. To mitigate these problems, many authors suggested using computed tomography (CT)-to-US registration to align the spine in pre-operative CT to intra-operative US data, thus providing localization of spinal landmarks. PURPOSE: In this paper, we propose a deep learning (DL) pipeline for CT-to-US registration and address the problem of a need for annotated medical data for network training. Firstly, we design a data generation method to generate paired CT-US data where the spine is deformed in a physically consistent manner. Secondly, we train a point cloud (PC) registration network using anatomy-aware losses to enforce anatomically consistent predictions. METHODS: Our proposed pipeline relies on training the network on realistic generated data. In our data generation method, we model the properties of the joints and disks between vertebrae based on biomechanical measurements in previous studies. We simulate the supine and prone position deformation by applying forces on the spine models. We choose the spine models from 35 patients in VerSe dataset. Each spine is deformed 10 times to create a noise-free data with ground-truth segmentation at hand. In our experiments, we use one-leave-out cross-validation strategy to measure the performance and the stability of the proposed method. For each experiment, we choose generated PCs from three spines as the test set. From the remaining, data from 3 spines act as the validation set and we use the rest of the data for training the algorithm. To train our network, we introduce anatomy-aware losses and constraints on the movement to match the physics of the spine, namely, rigidity loss and bio-mechanical loss. We define rigidity loss based on the fact that each vertebra can only transform rigidly while the disks and the surrounding tissue are deformable. Second, by using bio-mechanical loss we stop the network from inferring extreme movements by penalizing the force needed to get to a certain pose. RESULTS: To validate the effectiveness of our fully automated data generation pipeline, we qualitatively assess the fidelity of the generated data. This assessment involves verifying the realism of the spinal deformation and subsequently confirming the plausibility of the simulated ultrasound images. Next, we demonstrate that the introduction of the anatomy-aware losses brings us closer to state-of-the-art (SOTA) and yields a reduction of 0.25 mm in terms of target registration error (TRE) compared to using only mean squared error (MSE) loss on the generated dataset. Furthermore, by using the proposed losses, the rigidity loss in inference decreases which shows that the inferred deformation respects the rigidity of the vertebrae and only introduces deformations in the soft tissue area to compensate the difference to the target PC. We also show that our results are close to the SOTA for the simulated US dataset with TRE of 3.89 mm and 3.63 mm for the proposed method and SOTA respectively. In addition, we show that our method is more robust against errors in the initialization in comparison to SOTA and significantly achieves better results (TRE of 4.88 mm compared to 5.66 mm) in this experiment. CONCLUSIONS: In conclusion, we present a pipeline for spine CT-to-US registration and explore the potential benefits of utilizing anatomy-aware losses to enhance registration results. Additionally, we propose a fully automatic method to synthesize paired CT-US data with physically consistent deformations, which offers the opportunity to generate extensive datasets for network training. The generated dataset and the source code for data generation and registration pipeline can be accessed via https://github.com/mfazampour/medphys_ct_us_registration.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,003
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,007
Score d'incertitude au seuil0,015

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,003
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,002
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,011
Tête enseignante GPT0,260
Écart entre enseignants0,248 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations7
Publié2023
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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