Automatic corner detection of the cervical vertebrae C2-C7 in fluoroscopic recordings

Abstract

Nakke- og lændesmerter er nogle af de største sundhedsproblemer i verden, hvad angår økonomiske udgifter. Langtidssygemeldinger og udgifter til behandling er nogle af dem, men også socialt, fysisk og mentalt kan smerterne have en indvirkning på livskvaliteten hos den ramte. Behandlingen af nakkesmerter kræver bestemmelse af den underliggende årsag. Dette gøres gennem patientens egen redegørelse for forløbet samt en fysisk undersøgelse af nakken. Klarlægges årsagen ikke herigennem, benyttes ofte en billeddiagnostisk undersøgelse. Ved undersøgelse af nakkehvirvlernes rotation og forskydning i forhold til hinanden, kan opnåes viden om rygsøjlens normale og unormale bevægemønstre, som kan hjælpe med at bestemme årsagen til smerterne. Ved hjælp af fluoroskopi, kan rotationen og forskydningen undersøges, mens personen bevæger hovedet fremover eller bageover. Bevæglesen under billedtagningen, giver et mere sandfærdigt billede af nakkehvirvlernes dynamikker end statiske billedteknikker, men resulterer også i en dårligere billedkvalitet. Oftest benyttes almindelige røntgenbilleder til at undersøge nakkehvirvlene, da billedkvaliteten er bedre, men er begrænset af at personen skal sidde stille under billedtagningen. Fluoroskopi benyttes oftere til at undersøge de større lændehvirvler. Bestemmelsen af nakkehvirvlernes rotation og forskydning, er typisk baseret på markeringer af hjørnepunkterne på hvert hvirvellegeme. Markeringerne er ofte manuelt bestemt, hvilket kan være en langsommelig og anstrængende proces. Nakkehvirvlernes anatomi adskiller sig fra rygsøjlens andre hvirvler, idet C1, tættest på kraniet, ikke har et hvirvellegeme, samt den øverste del af C2, ofte er svær at adskille fra C1 på et fluoroskopibillede. Derudover kan den nederste del af den syvende nakkehvirvel, C7, være skjult bag skulderen. Nakkens hvirvellegemer er desuden de mindste, og er karakteriseret ved en tværgående åbning på siderne, som gør det svært at adskille særligt den bageste kant fra resten. Der er ikke fundet nogen studier der beskriver, hvordan nakkehvirvlernes hjørnepunkter automatisk kan lokaliseres og markeres i fluoroskopibilleder. Formålet med dette studie var, automatisk at finde og markere hjørnepunkterne på nakkehvirvlerne C2-C7 i fluoroskopibilleder. Fire forsøgspersoner udførte hver en bevægelse fremover med hovedet og en bagover under optagelsen af en række fluoroskopibilleder. Forsøgspersonerner bar briller med fire metalkugler, der udgjorde eksterne markører for baghovedet. Centrum af hver ekstern markør, fire hjørnepunkter af nakkehvirvlerne C3-C6 samt de to nederste hjørnepunkter for C2 og de to øverste for C7 blev automatisk fundet og markeret i fluoroskopibillederne. Hjørnepunkterne blev fundet ved hjælp af en metode, hvor den bedste af flere segmenteringer, blev benyttet til at bestemme kanten af hvert hvirvellegeme. Fem billeder fra hver fluoroskopisk optagelse, blev brugt til at teste den automatiske metode. De eksterne markører blev fundet korrekt i 27 af de 40 testede billeder og hjørnepunkterne blev fundet i 31 af billederne. Resultaterne viser at det er muligt at finde og markere nakkehvirvlerne uden manuel påvirkning i fluoroskopiske billeder.

Neck pain has great economical consequences but due to the relationship between intervertebral motion and the functionality of the spine, investigating the rotation and translation of adjacent vertebrae can be used to determine the underlying cause. Fluoroscopic imaging can, with the high number of images taken, provide a more accurate reflection of the intervertebral motion than other imaging modalities. The estimation of the rotation and translation most often depends on the localization of four landmarks, which are usually the corner points of the vertebral bodies in the cervical spine. The detection of the landmarks is usually based on manual markings, which can be a tedious process. The aim of the present study was to detect the landmarks of the cervical vertebrae C2-C7 in fluoroscopic recordings. Four subjects performed extension and flexion of the neck while wearing glasses with external markers for the occiput. The center points of the external markers and the four landmarks of C3-C6 along with the inferior corner points of C2 and superior corner points of C7 were automatically detected. The landmarks were detected using a multisegmentation approach and the automatic detection method was tested on five frames of each fluoroscopic recording. The external markers were detected correctly in 27 of the 40 tested frames while the corners of the cervical vertebrae were detected in 31 frames. The method shows, that it is possible to detect the cervical vertebrae without manual interaction.

A master thesis from Aalborg University

Automatic corner detection of the cervical vertebrae C2-C7 in fluoroscopic recordings