Modern Image Processing Techniques and Computer-based Planning in Trauma Treatment

Czech title:Využití moderních technik zpracování obrazových dat a počítačového plánování v traumatologii
Reseach leader:Zemčík Pavel
Team leaders:Polok Lukáš, Smrž Pavel
Team members:Kaushik Sumit, Mlích Jozef, Široký Adam
Agency:Technology Agency of the Czech Republic
Code:TA04011606
Start:2014-07-01
End:2017-06-30
Keywords:Computer preoperative planning; trauma; skeletal traumatology; treatment of fractures; bone fragments reposition; implant selection; custom implant; image data processing and visualization; 3D model; parametric model of long bones; GPU acceleration
Annotation:
Main goal of this project is to support the operating procedures for the trauma treatment of fractures and bone defects with the use of modern methods of computer data processing and computer preoperative planning. The project involves collaboration between experts from different disciplines: traumatology, information technology and biomechanics (i.e. development of medical devices). The project focuses on the preoperative phase and the development of a software system that will assist surgeons in identifying fractures, computer reconstruction of bone fragments in the correct position and selecting the appropriate implant. Using modern image processing techniques and data visualization software will facilitate the assessment of fracture and creation of a surgery plan. The result will be a more appropriate choice of implant and its fixation to prevent repeated corrections, unnecessary surgical treatments and also reduce the burden on staff at multiple X-ray imaging of the patient.
Project description:
Zranění, úmyslná i neúmyslná, jsou významnou složkou našeho veřejného zdraví. Úrazy, ke kterým dochází každý den, mají hluboký dopad na jednotlivce, jejich rodiny, nemocnice i společnost jako celek, protože způsobují obrovskou zdravotní, psychosociální a finanční zátěž. Traumatická poranění jsou také častou příčinou úmrtí dospělých i dětí. Cílem projektu je podpořit pracovní postupy týkající se zlomeniny a operativní léčby kostních defektů s využitím moderních metod počítačového zpracování dat a počítačového předoperačního plánování. Operatér bude mít možnost již v předoperační fázi naplánovat celkový pracovní postup tak, aby se minimalizovaly provozní doby, připravit se na případné komplikace a obecně zlepšit přesnost operačního procesu. Systém bude vyvíjen s ohledem na specifické požadavky traumatologie, tedy na jednoduchost a rychlost plánování. Projekt se zaměřuje na předoperační fázi a vývoj softwarového systému pro identifikaci a posouzení zlomeniny, počítačovou rekonstrukci kostních fragmentů do správné polohy, výběr optimálního implantátu nebo záměnu standardního implantátu. Systém bude podporovat přípravu implantátu ohýbáním, včetně naplánování potřebného ohýbání, zkrácení nebo jiné změny. Dle předem připraveného návrhu může být implantát následně pozměněn technickým nebo operačním personálem. Řešení projektu zahrnuje spolupráci odborníků z oborů traumatologie, informační technologie a biomechanika. Cíle bude dosaženo realizací následujících dílčích výsledků, které jsou rozloženy do čtyř etap v průběhu 3 let:
  • Analýza případových studií skeletální tramatologie a vhodnosti počítačového plánování; uživatelská specifikace vlastností technologie/pracoviště pro rychlé předoperační plánování.
  • Příprava 3D geometrických modelů vybraných částí kostry, zejména dlouhých kostí (např. stehenní, pažní, holenní kost); příprava databáze 3D geometrických modelů implantátů, fixačních zařízení a nástrojů pro repozici kostí.
  • Vytvoření populačně specifických (pohlaví, věk, váha, atd.) parametrických modelů kostí pro potřeby předoperačního plánování; vývoj metod pro adaptaci parametrických modelů na konkrétního pacienta.
  • Vytvoření počítačového software pro předoperační plánování v operativní léčbě zlomenin nebo vad a případnou instruktáž operačního týmu před zákrokem.
  • Vývoj a implementace modulů pro GPU akceleraci zpracování 3D polygonálních modelů (např. extrakce příznaků, statistické metody pro výpočet parametrických modelů, adaptace parametrického modelu na konkrétního pacienta, atd.).
  • Uživatelské testy plánovacího software; vyhodnocení využitelnosti software v reálných klinických situacích.
Dalším cílem projektu je publikace dílčích vědeckých a odborných výsledků projektu a případně poskytnutí software souvisejícího s těmito výsledky. Předpokládají se publikace na konferencích a v časopisech.

Products

2016GPU-Accelerated Multifragement 2D-3D Reconstruction Library, software, 2016
Authors: Klíma Ondřej, Klepárník Petr, Zemčík Pavel
2015SSIM GPU-Accelerated Renderer Library, software, 2015
Authors: Klepárník Petr, Klíma Ondřej, Zemčík Pavel

Publications

2016KLÍMA Ondřej, BAŘINA David, KLEPÁRNÍK Petr, ZEMČÍK Pavel, CHROMÝ Adam and ŠPANĚL Michal. Lossy Compression of 3-D Statistical Shape and Intensity Models of Femoral Bones Using JPEG 2000. In: 14th IFAC Conference on Programmable Devices and Embedded Systems PDES 2016 Brno, Czech Republic, 5-7 October 2016. Brno / Lednice: Elsevier Science, 2016, pp. 115-120. ISSN 2405-8963.
 KLÍMA Ondřej, KLEPÁRNÍK Petr, ŠPANĚL Michal and ZEMČÍK Pavel. Intensity-based femoral atlas 2D/3D registration using Levenberg-Marquardt optimisation. In: Biomedical Applications in Molecular, Structural, and Functional Imaging. San Diego: SPIE - the international society for optics and photonics, 2016, pp. 1-6. ISBN 978-1-5106-0023-2.
 KLÍMA Ondřej, KLEPÁRNÍK Petr, ŠPANĚL Michal and ZEMČÍK Pavel. Towards an accurate 3D reconstruction of fractured long bones from plain 2D radiographs. Proceedings of the 30th International Congress and Exhibition on Computer Assisted Radiology and Surgery. Heidelberg, 2016.
 POLOK Lukáš and SMRŽ Pavel. Increasing Double Precision Throughput on NVIDIA Maxwell GPUs. In: Proceedings of the 24th High Performance Computing Symposium. Pasadena / Los Angeles: Association for Computing Machinery, 2016, pp. 1-8. ISBN 978-1-5108-2318-1.
 POLOK Lukáš, ILA Viorela S. and SMRŽ Pavel. 3D Reconstruction Quality Analysis and Its Acceleration on GPU Clusters. In: Proceedings of European Signal Processing Conference 2016. Budapest: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2016, pp. 1-8. ISBN 978-0-9928626-6-4.
2015KLÍMA Ondřej, KLEPÁRNÍK Petr, ŠPANĚL Michal and ZEMČÍK Pavel. GP-GPU Accelerated Intensity-based 2D/3D Registration Pipeline. Proceedings of Shape Symposium. Délemont: Swiss Institute for Computer Aided Surgery, 2015.

Your IPv4 address: 54.198.165.74
Switch to IPv6 connection

DNSSEC [dnssec]