Three-dimensional (3D) detailed reconstruction of human vertebrae from low-dose digital stereoradiography

Abstract

Introduction

As the analysis of scoliosis requires global and local three-dimensional (3D) examinations of the spine in standing position, stereoradiography appears as one of the most adequate 3D imaging tools for its diagnosis. However, the definition level of the 3D stereoradiographic model may still be too low for local analysis.

Objectives

(1) To increase the geometric definition of the 3D stereoradiographic reconstruction to obtain morpho-realistic models, and (2) to validate the accuracy of this technique using radiographs providing by a low-dose digital X-ray device.

Method

Detailed generic objects for each vertebral level (approximately 2,000 points) were obtained using average models (approximately 200 points), from an existing data base of direct measurements in association with CT scan 3D model (2,000 points). Validation of these models was performed by comparing detailed stereoradiographic reconstructions of 36 dry human vertebrae belonging to each spinal level with the corresponding CT-scan reconstructions.

Results

Comparison protocol between the detailed stereoradiographic reconstructions and the CT-scan reconstructions indicated mean (RMS) reconstruction errors of 0.7 mm (0.9), 0.9 mm (1.2) and 0.9 mm (1.2) for lower cervical, thoracic and lumbar levels respectively. Results showed 3D personalised models of 2,000 points without any loss of accuracy in comparison to previous studies.

Conclusion

This study yields morpho-realistic, personalised 3D geometric models (accuracy close to CT-scan reconstruction) with a low irradiation dose.

Résumé

Introduction

La scoliose nécessitant un examen 3D du sujet en position debout, tant au niveau global qu'au niveau local, la stéréoradiographie apparaît comme un des outils d'imagerie 3D le mieux adapté pour son analyse. Cependant, le niveau de définition des modèles 3D utilisés dans cette technique reste encore trop faible pour une analyse locale réellement performante.

Objectifs

(1) augmenter la définition des modèles 3D reconstruits par stéréoradiographie de façon à obtenir des modèles morpho-réalistes, et 2) valider la précision de cette technique en utilisant des radiographies provenant d'un système numérique à basse dose d'irradiation.

Méthode

Pour chaque niveau vertébral, des modèles génériques détaillés ont été obtenus en associant des modèles moyens (200 points), fournis par une base de donnée de mesures directes, avec des modèles 3D CT-scan (2.000 points). Pour 36 vertèbres sèches, la comparaison des reconstructions stéréoradiographiques obtenues à partir de ces modèles détaillés avec les reconstructions CT-scan correspondantes a été réalisée, permettait ainsi une validation des modèles.

Résultats

Les résultats du protocole de comparaison indiquent des erreurs moyennes de reconstruction de 0.7 mm (0.9 RMS), 0.9 mm (1.2 RMS) et 0.9 mm (1.2 RMS) pour les niveaux cervicaux, thoraciques et lombaires, respectivement.

Conclusion

Cette étude propose donc une méthode stéréoradiographique permettant de reconstruire des modèles de vertèbres 3D morpho-réalistes et personnalisés (précision proche des reconstructions CT-scan) avec une faible dose d'irradiation.