2011.11.22 第20回日本コンピュータ外科学会大会統計アトラスに基づく単純X線画像からの人工股関節3次元カップ手術計画自動立案

統計アトラスに基づく単純X線画像からの
人工股関節全置換術3次元カップ手術計画自動立
案
音丸格a, Guoyan Zhengb, 高尾正樹c, 中本将彦c，菅野伸彦c
多田幸生d，富山憲幸c，佐藤嘉伸c
a 神戸大学大学院工学研究科， b University
of Bern, Switzerland
c 大阪大学大学院医学系研究科，d 神戸大学大学院システム情報学研究科

単純X線画像抽出された再構築されたカップ手術計画
輪郭点群 3次元骨盤形状自動立案結果

Copyright © Osaka Univ., Kobe Univ. 2011

はじめに


研究背景

自動手術計画
セグメン自動立案
テーション [Otomaru et al.,
[Yokota et MICCAI 2009,
al., MICCAI 2009] MedIA 2011]

3次元骨盤・大腿骨3次元形状 3次元
CT画像解剖学的特徴点手術計画

 客観的基準に基づいた手術計画を安定して立案するため，
我々は，人工股関節全置換術を対象として，
手術計画自動立案システムを研究・開発してきている．

 しかしながら，国外では3次元CT画像の撮影が日本ほど
一般的でないため，本システムが適用できない問題があ

研究背景骨盤側インプラン
ト(カップ)
自動手術計画
2D-3D 自動立案
セグメン
骨盤再構成 [Otomaru et
テーション
[Zheng, MICCAI al., MICCAI
[Yokota et
2009] 2009, MedIA
al., MICCAI 2009] 2011]

単純
3次元骨盤・大腿骨3次元形状 3次元
X線画像
CT画像解剖学的特徴点手術計画

 そこで今回，単純X線画像からの2D-3D骨盤再構成手法
(Zheng, MICCAI 2009)を用いることで，単純X線画像を入力と
した
手術計画自動立案を行なう．
 今回は特に，カップと呼ばれる骨盤側インプラントを対象
とする．

実験材料と方法


実験材料 | 対象とした症例
 大阪大学医学部付属病院で実際に手術された症例を用い
た．

 今回の評価では，Crowe分類に基づいて骨盤変形度を分類
し，
変形度が小さい（Crowe I 以下）症例のみを用いた．

 28症例を学習データ，6症例を評価データとした．

変形度が小さい症例変形度が大きい症例
(Crowe I)
(Crowe IV)

実験材料 | 単純X線画像
 2D-3D骨盤再構成 (Zheng., MICCAI 2009)のキャリブレーション
に
おいて必要な情報は，スケールパラメータのみだった．

 本研究ではスケールパラメータは既知とし，3次元CT画像から
再構成された3次元骨盤形状から取得した．

 X線画像の仕様：
 正面から撮影された股関節単純X線画像
 線源-イメージングプレート間距離： 1,200 mm
 ピクセルサイズ： 0.1 x 0.1 mm2

股関節2次元単純X線画像

実験材料 | 統計アトラス
2D-3D骨盤再構成・手術計画自動立案はともに，
過去に手術された学習データから構築される統計アトラスを用
いる

2D-3D骨盤再構成のための骨盤統計形状モデル
[Zheng, MICCAI:2009]
…

学習データセット手術計画自動立案のための統計アトラ
ス
[Otomaru et al., CAOS:2009]

方法 | 手術計画自動立案の概要

2次元単純抽出された再構成された手術計画
X線画像骨盤輪郭線 3次元骨盤形状自動立案結果

1. X線画像が与えられて，live-wireを用いることで半自動的に骨盤輪郭線が抽出され
る．
2. 抽出された輪郭線に骨盤統計形状モデルを当てはめることで，3次元骨盤形状が
再構成される．

実験結果


実験方法
 2D-3D骨盤再構成におけるスケールパラメータに着目し，
スケールが正しく推定できた場合，スケールに誤差がある場
合の
手術計画自動立案性能をそれぞれ調べた．
- 10% - 5% 正解値 + 5% + 10%
（3次元CT画像から
再構成された
骨盤形状から取得）
 評価項目：
1. 3次元CT画像から再構成された骨盤と比較したときの形状誤差
2. 熟練外科医計画とのカップサイズ誤差・カップ位置誤差

 ２８症例を学習データ，６症例を評価データとして用い
た．

結果 | 2D-3D再構成された骨盤の形状誤差
p < 0.01 p < 0.05
p < 0.01
8
7
6
5
4 形状誤差（骨盤全体）
3
形状誤差（臼蓋周辺）
2
1
0
-10% -5% 0 +5% +10%

 スケール誤差が±5% 以下の場合，正解値の場合と比較し
て，
形状誤差に有意差は見られなかった

結果 | 手術計画自動立案結果 p < 0.05
16 p < 0.01
14 サイズ誤差 [mm]
p < 0.05
12 位置誤差 [mm]
10
8
6
4
2
0
-2 -10% -5% 0 +5% +10%

2D-3D骨盤再構成 3次元CT
 スケール誤差が＋10%の場合，3次元CT画像上で立案された
自動手術計画と比較して，有意に誤差が大きかった．
 スケール誤差が± 5%以内の場合，カップサイズ誤差には
有意差は見られなかった．

手術計画立案結果例

サイズ誤差 48mm 50mm 48mm 52mm
位置誤差 2.7 mm 2.3mm 2.7 mm 11.0 mm
3次元CTからスケール誤差： 3次元CTからスケール誤差：
再構成 -5 % 再構成＋ 10%

 スケール誤差が -5%の場合，3次元CTの場合とほぼ同じ位置
に設置された．
 スケール誤差が+10%の場合，3次元CTの場合と比べ，外側に
偏位した設置位置をとった．

おわりに


考察とまとめ
 本研究では，2次元単純X線画像を対象として，
3次元カップ手術計画自動立案を行った．

 評価実験では，2D-3D骨盤再構成におけるスケール誤差が
手術計画自動立案結果に与える影響を調べた．

 実験結果から，スケール誤差が±5%程度であれば，
3次元CTと同程度の性能を発揮できる可能性があると考えられ
る．

 現在，スケール誤差±5%の精度を達成するためのスケール
キャリブレーション方法を検討中である．
また，今後さらに多くの症例を用いた解析を行う．

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