نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 استادیار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

10.22041/ijbme.2013.13122

چکیده

ایمپینجمنت یا گیر کردن مفصل ران یکی از دلایل اصلی ایجاد آرتروز زود هنگام در مفصل ران است. این عارضه با تغییر شکل یکی از استخوان‌های ران یا لگن و یا هر دو ایجاد می‌شود. زمانی که سر استخوان ران، شکل کروی خود را در ناحیه گردن استخوان از دست می‌دهد، عارضة گیر کردن از نوع بادامکی (CAM) ایجاد می‌شود. زاویة آلفا به منظورکمی‌سازی این عارضه به کار برده می‌شود. در این مقاله روشی تمام خودکار برای اندازه‌گیری زاویة آلفا با استفاده از داده سه‌بعدی استخوان ران، پیشنهاد شده است. در این روش زاویة آلفا در تمام جهات حول محور سر-گردن اندازه‌گیری شده است. برای این منظور از صفحات شعاعی با محور مشترک سر-گردن استخوان ران استفاده شد که در نهایت منحنی پیوسته‌ای از زاویة آلفا بر حسب میزان چرخش صفحة شعاعی به دست آمد. روش پیشنهاد شده برای 12 داده استخوان ران انسان مربوط به هر دو پای راست و چپ آزمایش شد. داده‌ها از تصاویر تشدید مغناطیسی (MRI) استخوان ران افراد مؤنث با متوسط سنی حدود 25 و بدون هیچ عارضه استخوانی مشخص، تهیه شدند. نتایج به دست آمده نشان داد که متوسط و انحراف معیار زاویة آلفای محاسبه شده در محدوده قابل انتظار برای این زاویه قرار دارند. در ادامه تأثیر چهار قدرت تفکیک مختلف از داده‌های سه‌بعدی بر نتایج استخراج شده از روش پیشنهادی از منظر دقت و سرعت بررسی شدند. این بررسی نشان داد که کاهش قدرت تفکیک به میزان 64 برابر، می‌تواند باعث افزایش سرعت تا حدود 8 برابر و همچنین کاهش دقت به میزان متوسطی حدود 2 درجه شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Automatic and Continuous Estimation of Alpha Angle in Human Femur by 3D Model Analysis

نویسندگان [English]

  • Mina Gharenazifam 1
  • Ehsan Arbabi 2

1 M.Sc. Student, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology

2 Assistant Professor, School of Electrical and Computer Engineering, College of Engineering, University of Tehran

چکیده [English]

One of the main causes of early osteoarthritis of the hip is Femoroacetabular Impingement (FAI). When the femoral head loses its spherical shape at head-neck junction, a special type of impingement, called Cam impingement, occurs. Alpha angle can be used as a geometric parameter for evaluating this kind of anatomic deformity. In this article we propose a fully automatic strategy for estimating alpha angle by analyzing 3D data. In the proposed strategy a radial plane around the femoral head-neck axis is rotated in order to provide alpha angles in different orientations. For evaluating the proposed method, the alpha angle of twelve 3D femur models of female subjects, reconstructed from magnetic resonance images (including both right and left femur), have been estimated. The mean and standard deviation of these estimated alpha angles have been found to be in good agreement with the expected values for alpha angle in healthy human. In addition, the effect of the data resolution on the provided results has been evaluated in terms of accuracy and speed, by using four different resolutions of 3D meshes. The results indicate that using 64 times lower data resolution can increase the computational speed up to about 8 times and add an average error of about 2° to the estimated alpha angles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hip
  • Femoroacetabular Impingement (FAI)
  • Magnetic Resonance Images (MRI)
  • 3D Mesh

[1]     Gray H., Anatomy of the human body; 20th edition, Lea & Febiger, 1918.

[2]     Arbabi E., Chegini S., Boulic R., Tannast M., Ferguson S.J., Thalmann D., The penetration depth method – A novel real time strategy for evaluating femoro-acetabular impingement; Journal of Orthopaedic Research, 2010; 28: 880-886.

[3]     Cerveri P., Marchente M., Bartels W., Corten K., Simon J.P., Manzotti A., Automated method for computing the morphological and clinical parameters of the proximal femur using Heuristic modeling techniques; Annals of Biomedical Engineering, 2010; 38: 1752–1766.

[4]     Philippon M.J., Schenker M.L., Arthroscopy for the treatment of femoroacetabular impingement in the athlete; Clinics in Sports Medicine, 2006; 25: 299-308.

[5]     Leunig M., Robertson W.J., Ganz R., Femoroacetabular impingement: diagnosis and management, including open surgical technique; Operative Techniques in Sports Medicine, 2007; 15: 178-188.

[6]     Mardones R.M., Gonzalez C., Chen Q., Zobitz M., Kaufman K.R., Trousdale R.T., Surgical treatment of femoroacetabular impingement: evaluation of the effect of the size of the resection; The Journal of Bone & Joint Surgery American Volume, 2005; 87: 273-279.

[7]     Martin D.E., Tashman S., The biomechanics of femoroacetabular impingement; Operative Techniques in Orthopaedics, 2010; 20: 248-254.

[8]     Magill P., Baker J.F., Mulhall K.J., Femoroacetabular impingement; The Open Sports Medicine Journal, 2010; 4: 75-80.

[9]     Kim J.S., Park T.S., Park S.B., Kim S.I., Measurement of femoral neck anteversion in 3D. Part 2: 3D modelling method; Medical and Biological Engineering and Computing, 2000; 38: 610-616.

[10] Ito K., Minka-II M.A., Leunig M., Werlen S., Ganz R., Femoroacetabular impingement and the cam-effect. A MRI-based quantitative anatomical study of the femoral head-neck offset; Journal of Bone & Joint Surgery, British Volume, 2001; 83(B): 171-176.

[11] Nötzli H.P., Wyss T.F., Stoecklin C.H., Schmid M.R., Treiber K., Hodler J., The contour of the femoral head-neck junction as a predictor for the risk of anterior impingement; Journal of Bone & Joint Surgery, British Volume, 2002; 84: 556–560.

[12] Beaule P.E., Zaragoza E., Motamedi K., Copelan N., Dorey F.J, Three-dimensional computed tomography of the hip in the assessment of femoroacetabular impingement; Journal of Orthopaedic Research, 2005; 23: 1286-1292.

[13] Nouh M.R., Schweitzer M.E., Rybak L., Cohen J., Femoroacetabular impingement: Can the alpha angle be estimated?; American Journal of Roentgenology, 2008; 190: 1260-1262.

[14] Rakhra K.S., Sheikh A.M., Allen D., Beaule P.E., Comparison of MRI alpha angle measurement planes in femoroacetabular impingement; Clinical Orthopaedics and Related Research, 2009; 467: 660–665.

[15] Audenaert E.A., Baelde N., Huysse W., Vigneron L., and Pattyn C., Development of a three-dimensional detection method of cam deformities in femoroacetabular impingement; Skeletal Radiology, 2011; 40: 921–927.

[16] Barton C., Salineros M.J., Rakhra K.S., Beaule P.E., Validity of the alpha angle measurement on plain radiographs in the evaluation of cam-type femoroacetabular impingement; Clinical Orthopaedics and Related Research, 2011; 469: 464-469.

[17] Gilles B., Kolo-Christophe F., Magnenat-Thalmann N., Becker C., Duc S., Menetrey J., Hoffmeyer P., MRI-based assessment of hip joint translations; Journal of Biomechanics, 2009; 42: 1201–1205.

[18] Gilles, B., Moccozet, L., and Magnenat-Thalmann, N., Anatomical modeling of the musculoskeletal system from MRI; Proceedings of MICCAI, 2006; pp.289–296.

[19]  Schmid J., Magnenat-Thalmann N., MRI bone segmentation using deformable models and shape priors; Proceedings of MICCAI, 2008; pp. 119–126