A 3D Reconstruction Method of Bone Shape from Un-calibrated Radiographs

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 컴퓨터공학부, 2019. 2. 이제희.전산화 단층촬영(CT)은 골형상을 3차원으로 시각화하여 직관적으로 병증을 진단할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 과도한 방사선 노출로 인해 암과 같은 부작용의 우려가 있기 때문에 EOS®와 같이 저선량으로 3차원 재건을 할 수 있는 양판 촬영 시스템이 대안으로 제시되었다. 그러나 이 시스템은 도입 비용이 높기 때문에 일부 병원이나 국가에서는 사용이 어렵다. 본 논문에서는 어느 환경의 병원에서든지 3차원 진단을 할 수 있도록 단순 방사선 영상만으로 3차원 재건을 하는 방법을 제안한다. 이 방법은 별도의 금속 보정물체 없이 단순 영상을 자가 보정하는 것에 참신성이 있다. 기술적으로는 통계형상의 모델과 영상내의 윤곽선이 일치하도록 보정과 형상재건을 번갈아 반복하는 방법을 사용한다. 또한, 위의 기술을 의료환경에 적용하기 위해 제안한 재건 방법을 포함하는 모바일 어플리케이션을 제시한다. 사용자는 모니터 화면이나 필름을 모바일 기기의 카메라로 촬영하여 입력할 수 있으며, 그래프 컷 방법을 통해 윤곽선을 자동으로 추출하고 터치 입력으로 손쉽게 윤곽선을 수정할 수 있다. 우리는 우선적으로 대퇴골 재건 모바일 어플리케이션을 개발하였고, 대퇴골 염전각 진단에 있어서 훌륭한 신뢰도와 CT와 높은 동시 타당도를 갖는 것으로 측정되었다.Computed tomography (CT) provides benefits in accurate diagnosis of bone deformity. However, the potential adverse effects of radiation exposure in CT has become a concern. To reduce radiation dose while maintaining the accuracy of diagnosis, the EOS® system has been proposed to reconstruct 3D bony shapes from calibrated bi-planar(stereo) X-ray images. However, this system requires another apparatus in addition to the conventional radiographic system, and the cost for the device installation is high and the space occupied is substantial. Purchasing an EOS® system only for 3D reconstruction may hence not be appropriate in some hospitals or countries. In this thesis, we propose a new method to reconstruct 3D bone shape only from conventional radiograph so that hospitals in any environment can perform 3D diagnosis. It has novelty in self-calibrating conventional radiograph without metal calibration object. Technically, the calibration and reconstruction were optimized by minimizing the difference between the projected contour of the bone shape and the contour of the radiographic image. To apply the above technology to a medical situation, we present a mobile application including the reconstruction method. The user can easily input a printed film or a digital image displayed on a monitor screen by taking a photograph using an embedded camera. The application provides automatic contouring with a graph-cut algorithm, but also an intuitive touch interface for modifying the contour of a radiograph. We first developed a femur reconstruction, and the measurement of femoral anteversion with the mobile application showed excellent concurrent validity and reliability.제 1장 서론 1 제 2장 배경지식 5 2.1 전산화단층 촬영 3차원 재건 기법 5 2.2 임상에서 3차원 형상의 용도 8 2.3 양판(bi-planar) 3차원 재건 시스템 11 2.4 단순 방사선 촬영 15 제 3장 통계형상모델(statistical shape model) 17 3.1 연관 논문 18 3.2 형상의 표현방법 19 3.3 두 3차원 표면의 대응점 찾기 22 3.3.1 미분 기하 25 3.3.2 열 확산 방정식과 형상의 특징 35 3.4 주성분 분석 기법(PCA) 38 3.5 뼈의 통계형상 모델 생성 방법 40 3.5.1 매끄러운 표면의 특징을 찾는 방법 41 3.5.2 대퇴골의 점 분포 모델에 외적대응 방식의 적용 42 3.5.3 거골과 대퇴골의 점 분포 모델에 내적 대응 방식의 적용 43 제4장 방사선 영상에서 골 윤곽선의 추출 48 4.1 연관 논문 49 4.2 그래프 절단을 이용한 영상 분할 49 4.2.1 사용자 입력과 최소 절단을 사용하는 방법 50 4.2.2 정규화 절단(Normalized cut) 51 4.3 골 경계선 추출 방법 53 4.3.1 그래프 최소절단 방식 영상 분할 54 4.3.2 지정한 점을 지나는 최소 가중치 경로 방식 54 4.3.3 방향성 그래프의 경로찾기 방식 58 제5장 단순 방사선 영상의 자가보정 65 5.1 Perspective N Points(PNP)문제의 반복적 해 65 5.2 통계형상모델을 보정물체로 사용하는 자가보정 방법 68 제6장 단순 방사선 3차원 재건 시스템 71 6.1 통계형상의 변형 72 6.2 볼륨 렌더링을 이용한 가상 엑스레이 생성 73 6.3 대퇴골 재건 시스템 75 6.3.1 자가보정 정확도 실험 76 6.3.2 재건 형상의 거리 오차 78 6.4 대퇴골 재건 모바일 앱 79 6.5 경비로 재건 모바일 앱 83 제7장 결론 86 Abstract 96Docto