Three-Dimensional Biplanar Reconstruction of the Scoliotic Spine for Standard Clinical Setup

A escoliose e caracterizada por uma deformacao tridimensional (3D) da coluna vertebral que requer uma avaliacao a tres dimensoes. No entanto, as tecnicas convencionais de imagem 3D mostram-se desadequadas e, por isso, as reconstrucoes sao normalmente realizadas recorrendo a radiografias planares, uma no plano frontal e outra no plano lateral. Porem, esta abordagem apresenta desafios. O primeiro prende-se, desde logo, com a extraccao de dados 3D a partir de radiografias 2D. Actualmente, este problema e solucionado atraves de metodos de calibracao que recorrem a objectos de calibracao radiopacos, e de plataformas rotatorias que visam minimizar os erros de posicionamento do individuo. No entanto, estes metodos requerem alteracoes consideraveis nos protocolos e instalacoes radiologicas, para alem de introduzirem artefactos nas imagens que, por vezes, se sobrepoem a estruturas anatomicas de interesse. Apos a calibracao das radiografias torna-se necessario resolver um segundo problema, a recuperacao da forma da coluna. Os metodos de referencia requerem identificacao manual de um conjunto extenso de pontos em cada uma das radiografias, o que os torna dispendiosos e propensos a erros. Por este motivo, e pelas razoes supramencionadas, os metodos actualmente utilizados para a reconstruacao 3D da coluna vertebral nao sao viaveis para avaliacoes clinicas de rotina em servicos de radiologia com configuracoes comuns.Esta tese assentou na hipotese de que e possivel construir modelos geometricos personalizados da coluna vertebral escoliotica a partir de duas radiografias adquiridas em ambiente clinico comum, por meio de metodos computacionais que requerem baixa interaccao com o utilizador. Para alcancar este objectivo sao propostos dois metodos: um metodo de calibracao geometrica que recorre a uma distância, facilmente medida no local, que visa minimizar o recurso a objectos de calibracao; e um metodo de reconstrucao 3D baseado na deformacao de um modelo articulado da coluna que visa reconstrucoes rapidas e exactas.Mostra-se pela primeira vez, nesta tese, que e possivel recuperar a escala da coluna vertebral sem recurso a objectos de calibracao, ainda que a introducao de um pequeno objecto permita melhorar a exactidao e robustez das reconstrucoes 3D. Adicionalmente, mostra-se que o modelo proposto permite melhorar os resultados de calibracao de radiografia biplanar baseada na minimizacao do erro de retro-projeccao. O metodo de calibracao proposto requer apenas mudancas pontuais nos protocolos de aquisicao radiografica, introduzindo poucos ou nenhuns artefactos nas radiografias. Conclui-se, assim, que satisfaz os requisitos necessarios para utilizacao em ambientes clinicos comuns. No que diz respeito a recuperacao da estrutura da coluna vertebral, o metodo proposto alcancou o menor tempo de reconstrucao, tendo em conta o tempo de interaccao com o utilizador e o tempo de computacao da solucao. Alcancou ainda, de entre os metodos semi-supervisionados, a maior exactidao na determinacao da localizacao das vertebras, assim como do centro das faces dos corpos vertebrais, tanto em casos de escoliose moderada como severa. Adicionalmente, foi mostrado que o metodo permite o calculo de indices clinicos de forma fiavel, mesmo quando o input e fornecido por utilizadores nao-especialistas. Conclui-se, deste modo, que o metodo de reconstrucao 3D pode ser utilizado para avaliacoes clinicas de rotina.