Analýza medicínských obrazů je předmětem základního výzkumu již řadu let. Za tu dobu bylo v této oblasti publikováno mnoho výzkumných prací zabývajících se dílčími částmi jako je rekonstrukce obrazů, restaurace, segmentace, klasifikace, registrace (lícování) a fúze. Kromě obecného úvodu, pojednává tato disertační práce o dvou medicínsky orientovaných tématech, jež byla formulována ve spolupráci s Philips Netherland BV, divizí Philips Healthcare. První téma je zaměřeno na oblast zpracování obrazů subtrakční angiografie dolních končetin člověka získaných pomocí výpočetní X-Ray tomografie (CT). Subtrakční angiografie je obvykle využívaná při podezření na periferní cévní onemocnění (PAOD) nebo při akutním poškození dolních končetin jako jsou fraktury apod. Současné komerční metody nejsou dostatečně spolehlivé už v předzpracování, jako je například odstranění pacientského stolu, pokrývky, dlahy, apod. Spolehlivost a přesnost identifikace cév v subtrahovaných datech vedoucích v blízkosti kostí je v důsledku Partial Volume artefaktu rovněž nízká. Automatické odstranění kalcifikací nebo detekce malých cév doplňujících nezbytnou informaci o náhradním zásobení dolních končetin krví v případě přerušení hlavních zásobujících cév v současné době rovněž nesplňují kritéria pro plně automatické zpracování. Proto hlavním cílem týkající se tohoto tématu bylo vyvinout automatický systém, který by mohl současné nedostatky v CTSA vyšetření odstranit. Druhé téma je orientováno na identifikaci patologických změn na páteři člověka v CT obrazech se zaměřením na osteolytické a osteoblastické léze u jednotlivých obratlů. Tyto změny obvykle nastávají v důsledků postižení metastazujícím procesem rakovinového onemocnění. Pro detekci patologických změn je pak potřeba identifikace a segmentace jednotlivých obratlů. Přesnost analýzy jednotlivých lézí však závisí rovněž na správné identifikaci těla a zadních segmentů u jednotlivých obratlů a na segmentaci trabekulárního centra obratlů, tj. odstranění kortikální kosti. Během léčby mohou být pacienti skenováni vícekrát, obvykle s několika-mesíčním odstupem. Hodnocení případného vývoje již detekovaných patologických změn pak logicky vychází ze správné detekce patologií v jednotlivých obratlech korespondujících si v jednotlivých akvizicích. Jelikož jsou příslušné obratle v jednotlivých akvizicích obvykle na různé pozici, jejich fúze, vedoucí k analýze časového vývoje detekovaných patologií, je komplikovaná. Požadovaným výsledkem v tomto tématu je vytvoření komplexního systému pro detekci patologických změn v páteři, především osteoblastických a osteolytických lézí. Takový systém tedy musí umožnovat jak segmentaci jednotlivých obratlů, jejich automatické rozdělení na hlavní části a odstranění kortikální kosti, tak také detekci patologických změn a jejich hodnocení. Ačkoliv je tato disertační práce v obou výše zmíněných tématech primárně zaměřena na experimentální část zpracování medicínských obrazů, zabývá se všemi nezbytnými kroky, jako je předzpracování, registrace, dodatečné zpracování a hodnocení výsledků, vedoucími k možné aplikovatelnosti obou systému v klinické praxi. Jelikož oba systémy byly řešeny v rámci týmové spolupráce jako celek, u obou témat jsou pro některé konkrétní kroky uvedeny odkazy na doktorskou práci Miloše Malínského.

A vertebroplastia percutânea (VP) consiste na injeção de polimetilmetacrilato (PMMA) no corpo vertebral para alívio da dor e estabilização vertebral, porém seu uso na região cervical é restrito. No intuito de avaliar a efetividade e a segurança da VP na região cervical (VPC), foram avaliados 75 pacientes que se submeteram à VPC (n=101) por doença maligna (n=69) ou hemangioma vertebral (n=6) no período de janeiro de 1994 a outubro de 2007. A VPC foi realizada por uma abordagem ântero-lateral guiada por fluoroscopia. A dor foi graduada por uma escala variando de 0 a 10. O seguimento clinico (período médio de 8,8 meses) foi obtido em 57 (76%) pacientes: 48 tiveram a VPC indicada para controle da dor e nove para estabilização vertebral. Os dados foram analisados de forma univariada e multivariada. A efetividade analgésica foi obtida em 37 (77,1%) dos 48 pacientes seguidos, tendo sido associada ao volume de cimento injetado (P=0,011) e ao preenchimento vertebral (P=0,007) na análise multivariada. A estabilidade vertebral foi observada em 55 (96,5%) dos 57 pacientes, não se correlacionando com as variáveis estudadas. A curva de ROC identificou o preenchimento vertebral como preditor da efetividade analgésica (P=0,008), sendo 50% o melhor ponto de corte para discriminar a maior probabilidade de efetividade analgésica (sensibilidade de 78,0% e especificidade de 62,5%). O extravasamento de cimento foi identificado em 83 (82,2%) das 101 vértebras tratadas não se correlacionando com as variáveis estudadas. As complicações clínicas foram detectadas em 13 (17,3 %) pacientes: complicações locais em 10 (13,3%) e sistêmicas em três (4%) pacientes. As complicações clínicas foram estatisticamente relacionadas à ruptura do muro posterior (P=0,026) e ao extravasamento de PMMA no plexo venoso transverso (P=0,023). A taxa de mortalidade e morbidade a longo termo foi de 1,3% (um paciente) e 1,3% (um paciente). Pode se inferir que a VPC é um procedimento efetivo e seguro, sem se negligenciar os riscos potenciais de complicações. O preenchimento vertebral e o volume de cimento foram associados à efetividade analgésica, mas não à estabilidade vertebral. O preenchimento vertebral teve o maior poder discriminatório da efetividade analgésica, tendo sido obtido com o ponto de corte de 50 % o melhor equilíbrio entre sensibilidade e especificidade para se determinar a efetividade analgésica / Percutaneous vertebroplasty (PV) consists of an injection of polymethylmethacrylate (PMMA) into the vertebral body for pain relief and spinal stabilization, however reports of PV in the cervical spine (CPV) are scarce in the literature. To evaluate the effectiveness and security of CPV, we evaluated 75 patients (mean age, 51.3 years) who underwent CPV (n=101) for malignancies (n=69) and vertebral hemangiomas (n=6) between January 1994 and October 2007. CPV was performed via an antero-lateral approach, using fluoroscopic guidance. Pain intensity was scored with a scale ranging from 0 to 10. Follow-up (mean time of 8.8 months) was avaible in 57 (76 %) patients: 48 of them had CPV indicated for pain control and nine for spinal stabilization. Data were analysed by means of univariate and multivariate analysis. Pain improvement was observed in 37 (77.1%) out of 48 followed patients and was correlated in multivariate analysis with cement volume (P=0.011) and with vertebral filling (P=0.007). Spinal stabilization was observed in 55 (96.5%) of 57 followed patients and was related with none of the evaluated variables. The ROC curve identified the vertebral filling as a good predictor of pain improvement (P=0.008). The best cut-off point to discriminate pain improvement was 50% of vertebral filling (78.0% sensitivity and 62.5% specificity). In 83 (82.2%) of the 101 treated vertebral levels, at least one type of PMMA leakage was found. None of the evaluated factors were related significantly to PMMA leakage. Clinical complications were detected in 13 (17.3%) patients: local complications in 10 (13.3%) patients and systemic clinical complications in three (4.0%) patients. Posterior wall disruption (P=0.026) and transverse venous PMMA leakage (P=0.023) were significantly associated with clinical complications. Long-term morbidity and mortality rate was 1.3% (one patient) and 1.3% (one patient). CPV is a safe and efficacious procedure, but the potential for local and systemic complications must be considered. Cement volume and vertebral filling were associated with pain improvement but not with spinal stability. Vertebral filling has a good performance to predict pain improvement and a cut-off of 50% of vertebral filing obtained the best compromise between sensitivity and specificity to discriminate pain improvement

Avaliação da \"qualidade\" da microarquitetura óssea contribui na prevenção e risco de fraturas associado a osteoporose. Amostras de ossos trabeculares de corpos vertebrais da região T12, L1 e L4 de 30 de indivíduos (cadáveres humanos), classificados pela técnica de ultrassonometria de calcâneo como normais, osteopênicos e osteoporóticos foram utilizadas. Os parâmetros histomorfométricos, físicos e mecânicos da microarquitetura analisados pela técnica de microtomografia de raios-X, ensaios mecânicos de compressão axial e nanoindentação. Baseado nestes parâmetros, constantes elásticas efetivas globais foram obtidas pela técnica homogeneização assintótica para estrutura tipo-placa. Teste ANOVA apresentou diferenças, muito e extremamente significativas para densidade linear estrutural (p = 0,017), grau de anisotropia (p = 0,042), auto valor (p = 0,045), número de Euler (p = 0,016), idade (p = 0,009), separação trabecular (p = 0,009), densidade de conectividade (p = 0,006), módulo de elasticidade (p = 0,001), tensão máxima no limite de resistência a fratura (0,001), índice de qualidade óssea do calcâneo (p = 0,0001), fração de volume ósseo (p = 0,0001), espessura trabecular (p = 0,0002), dimensão fractal (p = 0,0002), momento de inércia polar médio (p = 0,00005), excentricidade (p = 0,0002), fração de porosidade (p = 0,0001) e densidade mineral óssea aparente (p = 0,00005) entre os grupos. O teste de Spearman identificou correlação moderada, alta e muito alta dos valores da tensão máxima no limite de resistência a fratura com os parâmetros de idade (r = -0,684), fração de volume ósseo (r = 0,762), fator de forma trabecular (r = -0,754), espessura trabecular (r = 0,675), densidade linear trabecular (r = 0,622), autos valores (r = -0,615), dimensão fractal (r = 0,855), momento de inércia polar médio (r = 0,816), excentricidade (r = -0,569) e fração de porosidade (r = -0,762). Estes parâmetros são indicadores da qualidade da microarquitetura óssea trabecular e risco de fratura associado a osteoporose. / Evaluation of the \"quality\" of bone microarchitecture can contribute to the prevention and risk of fractures associated with osteoporosis. Samples of trabecular bone from the vertebral regions T12, L1 and L4 from the bodies of 30 individuals (human cadavers), classified by ultrasonometry technique calcaneus as normal, osteopenic and osteoporotic were used. The histomorphometric, physical and mechanical parameters of the microarchitecture were analyzed by X-ray microtomography technique, mechanical tests of axial compression and nanoindentation. Based on these parameters, globally effective elastic constants were obtained by asymptotic homogenization technique for type-plate structure. ANOVA test showed differences that were very and extremely significant for the following: structural linear density (p = 0.017) anisotropy (p = 0.042), auto value (p = 0.045), Euler number (p = 0.016), age (p = 0.009), trabecular separation (p = 0.009), connectivity density (p = 0.006), elastic modulus (p = 0.001), maximum stress fracture strength limit (0.001), bone quality score of the calcaneus (p = 0.0001), bone volume fraction (p = 0.0001), trabecular thickness (p = 0.0002), fractal dimension (p = 0.0002), mean polar moment of inertia (p = 0.00005), eccentricity (p = 0.0002), porosity fraction (p = 0.0001) and apparent bone mineral density (p = 0.00005) between groups. The Spearman test identified moderate correlation, high and very high values of maximum stress fracture resistance limit for the following parameters: age (r = -0.684), bone volume fraction (r = 0.762), trabecular bone pattern factor (r = -0.754), trabecular thickness (r = 0.675), trabecular linear density (r = 0.622), auto value (r = -0.615), fractal dimension (r = 0.855), mean polar moment of inertia (r = 0.816), eccentricity (r = -0.569) and porosity fraction (r = -0.762). These parameters are quality indicators of the microarchitecture of trabecular bone and fracture risk associated with osteoporosis.

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Thesis (M.Tech.: Chiropractic)-Dept. of Chiropractic, Durban University of Technology, 2007 xii, 72, Annexures 1-10, [19] leaves / The purpose of this research was to conduct a descriptive study of cervical cases recorded at the Durban University of Technology Chiropractic Day Clinic from 1995 to 2005 as there is a paucity of information on the recorded cases of neck pain in South Africa.

In this thesis a method was developed to reconstruct both the 3D shape and the BMD distribution of bone structures from Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA) images. The method incorporates a statistical model built from a large dataset of Quantitative Computed Tomography (QCT) scans together with a 3D-2D intensity based registration process. The method was evaluated for its ability to reconstruct the proximal femur from a single DXA image. The resulting parameters of the reconstructions were subsequently evaluated for their hip fracture discrimination ability. The reconstruction method was finally extended to the reconstruction of the lumbar vertebrae from anteroposterior and lateral DXA, thereby incorporating a multi-object and multi-view approach. These techniques can potentially improve the fracture risk estimation accuracy over current clinical practice. / En esta tesis se desarrolló un método para reconstruir tanto la forma 3D de estructuras óseas como la distribución de la DMO a partir de una sola imagen de DXA. El método incorpora un modelo estadístico construido a partir de una gran base de datos de QCT junto con una técnica de registro 3D-2D basada en intensidades. Se ha evaluado la capacidad del método para reconstruir la parte proximal del fémur a partir de una imagen DXA. Los parámetros resultantes de las reconstrucciones fueron evaluados posteriormente por su capacidad en discriminar una fractura de cadera. Por fin, se extendió el método a la reconstrucción de las vértebras lumbares a partir de DXA anteroposterior y lateral incorporando así un enfoque multi-objeto y multi-vista. Estos técnicas pueden potencialmente mejorar la precisión en la estimación del riesgo de fractura respecto a la estimación que ofrece la práctica clínica actual.

This thesis deals with the application of graph theory in image segmentation. There are specifically presented method utilizing graph cuts and extensions of this method. In the first chapter thera are initially explained basics of graph theory that are essential for understanding of the presented method. It is described in the second chapter, including its extensions that use shape priors. In the third chapter there is presented solution which is used for vertebrae lesion segmentation in the CT data sets. Final function is implemented into the program but it can be used also separately. Success rate is described using sensitivity and specificity in the last chapter, there are also examples of results.

Made available in DSpace on 2016-08-03T16:31:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Glauber Fabre Carinhena1.pdf: 160083 bytes, checksum: 9ff28bf9a976e1529fd0641542f508ea (MD5) Previous issue date: 2006-03-23 / Este estudo foi realizado com o propósito de testar a reprodutibilidade, a confiabilidade e a concordância existente entre os métodos de Martins e Sakima (1977) para a radiografia de mão e punho, e Hassel e Farman (1995) e Baccetti et al. (2002) para as vértebras cervicais, quando comparados 2 a 2, e entre todos, conjuntamente. A amostra constou de 72 radiografias, sendo 36 telerradiografias em norma lateral da cabeça e 36 radiografias de mão e punho do lado esquerdo, de 36 indivíduos com Síndrome de Down (SD), sendo 13 do sexo feminino e 23 do masculino na faixa etária entre oito anos e seis meses até 18 anos e sete meses, com média de 13 anos e dez meses. De acordo com os resultados obtidos concluímos que, os índices de maturação avaliados por meio das vértebras cervicais e os centros de ossificação observados nas radiografias de mão e punho foram estatisticamente significativos, obtendo um excelente grau de concordância entre eles, considerados reprodutíveis e confiáveis. Quando comparados onjuntamente, todos os métodos se mostraram estatisticamente significantes com grau de concordância de razoável a boa, sendo considerados confiáveis na aplicação clínica.

A vertebroplastia percutânea (VP) consiste na injeção de polimetilmetacrilato (PMMA) no corpo vertebral para alívio da dor e estabilização vertebral, porém seu uso na região cervical é restrito. No intuito de avaliar a efetividade e a segurança da VP na região cervical (VPC), foram avaliados 75 pacientes que se submeteram à VPC (n=101) por doença maligna (n=69) ou hemangioma vertebral (n=6) no período de janeiro de 1994 a outubro de 2007. A VPC foi realizada por uma abordagem ântero-lateral guiada por fluoroscopia. A dor foi graduada por uma escala variando de 0 a 10. O seguimento clinico (período médio de 8,8 meses) foi obtido em 57 (76%) pacientes: 48 tiveram a VPC indicada para controle da dor e nove para estabilização vertebral. Os dados foram analisados de forma univariada e multivariada. A efetividade analgésica foi obtida em 37 (77,1%) dos 48 pacientes seguidos, tendo sido associada ao volume de cimento injetado (P=0,011) e ao preenchimento vertebral (P=0,007) na análise multivariada. A estabilidade vertebral foi observada em 55 (96,5%) dos 57 pacientes, não se correlacionando com as variáveis estudadas. A curva de ROC identificou o preenchimento vertebral como preditor da efetividade analgésica (P=0,008), sendo 50% o melhor ponto de corte para discriminar a maior probabilidade de efetividade analgésica (sensibilidade de 78,0% e especificidade de 62,5%). O extravasamento de cimento foi identificado em 83 (82,2%) das 101 vértebras tratadas não se correlacionando com as variáveis estudadas. As complicações clínicas foram detectadas em 13 (17,3 %) pacientes: complicações locais em 10 (13,3%) e sistêmicas em três (4%) pacientes. As complicações clínicas foram estatisticamente relacionadas à ruptura do muro posterior (P=0,026) e ao extravasamento de PMMA no plexo venoso transverso (P=0,023). A taxa de mortalidade e morbidade a longo termo foi de 1,3% (um paciente) e 1,3% (um paciente). Pode se inferir que a VPC é um procedimento efetivo e seguro, sem se negligenciar os riscos potenciais de complicações. O preenchimento vertebral e o volume de cimento foram associados à efetividade analgésica, mas não à estabilidade vertebral. O preenchimento vertebral teve o maior poder discriminatório da efetividade analgésica, tendo sido obtido com o ponto de corte de 50 % o melhor equilíbrio entre sensibilidade e especificidade para se determinar a efetividade analgésica / Percutaneous vertebroplasty (PV) consists of an injection of polymethylmethacrylate (PMMA) into the vertebral body for pain relief and spinal stabilization, however reports of PV in the cervical spine (CPV) are scarce in the literature. To evaluate the effectiveness and security of CPV, we evaluated 75 patients (mean age, 51.3 years) who underwent CPV (n=101) for malignancies (n=69) and vertebral hemangiomas (n=6) between January 1994 and October 2007. CPV was performed via an antero-lateral approach, using fluoroscopic guidance. Pain intensity was scored with a scale ranging from 0 to 10. Follow-up (mean time of 8.8 months) was avaible in 57 (76 %) patients: 48 of them had CPV indicated for pain control and nine for spinal stabilization. Data were analysed by means of univariate and multivariate analysis. Pain improvement was observed in 37 (77.1%) out of 48 followed patients and was correlated in multivariate analysis with cement volume (P=0.011) and with vertebral filling (P=0.007). Spinal stabilization was observed in 55 (96.5%) of 57 followed patients and was related with none of the evaluated variables. The ROC curve identified the vertebral filling as a good predictor of pain improvement (P=0.008). The best cut-off point to discriminate pain improvement was 50% of vertebral filling (78.0% sensitivity and 62.5% specificity). In 83 (82.2%) of the 101 treated vertebral levels, at least one type of PMMA leakage was found. None of the evaluated factors were related significantly to PMMA leakage. Clinical complications were detected in 13 (17.3%) patients: local complications in 10 (13.3%) patients and systemic clinical complications in three (4.0%) patients. Posterior wall disruption (P=0.026) and transverse venous PMMA leakage (P=0.023) were significantly associated with clinical complications. Long-term morbidity and mortality rate was 1.3% (one patient) and 1.3% (one patient). CPV is a safe and efficacious procedure, but the potential for local and systemic complications must be considered. Cement volume and vertebral filling were associated with pain improvement but not with spinal stability. Vertebral filling has a good performance to predict pain improvement and a cut-off of 50% of vertebral filing obtained the best compromise between sensitivity and specificity to discriminate pain improvement

Avaliação da \"qualidade\" da microarquitetura óssea contribui na prevenção e risco de fraturas associado a osteoporose. Amostras de ossos trabeculares de corpos vertebrais da região T12, L1 e L4 de 30 de indivíduos (cadáveres humanos), classificados pela técnica de ultrassonometria de calcâneo como normais, osteopênicos e osteoporóticos foram utilizadas. Os parâmetros histomorfométricos, físicos e mecânicos da microarquitetura analisados pela técnica de microtomografia de raios-X, ensaios mecânicos de compressão axial e nanoindentação. Baseado nestes parâmetros, constantes elásticas efetivas globais foram obtidas pela técnica homogeneização assintótica para estrutura tipo-placa. Teste ANOVA apresentou diferenças, muito e extremamente significativas para densidade linear estrutural (p = 0,017), grau de anisotropia (p = 0,042), auto valor (p = 0,045), número de Euler (p = 0,016), idade (p = 0,009), separação trabecular (p = 0,009), densidade de conectividade (p = 0,006), módulo de elasticidade (p = 0,001), tensão máxima no limite de resistência a fratura (0,001), índice de qualidade óssea do calcâneo (p = 0,0001), fração de volume ósseo (p = 0,0001), espessura trabecular (p = 0,0002), dimensão fractal (p = 0,0002), momento de inércia polar médio (p = 0,00005), excentricidade (p = 0,0002), fração de porosidade (p = 0,0001) e densidade mineral óssea aparente (p = 0,00005) entre os grupos. O teste de Spearman identificou correlação moderada, alta e muito alta dos valores da tensão máxima no limite de resistência a fratura com os parâmetros de idade (r = -0,684), fração de volume ósseo (r = 0,762), fator de forma trabecular (r = -0,754), espessura trabecular (r = 0,675), densidade linear trabecular (r = 0,622), autos valores (r = -0,615), dimensão fractal (r = 0,855), momento de inércia polar médio (r = 0,816), excentricidade (r = -0,569) e fração de porosidade (r = -0,762). Estes parâmetros são indicadores da qualidade da microarquitetura óssea trabecular e risco de fratura associado a osteoporose. / Evaluation of the \"quality\" of bone microarchitecture can contribute to the prevention and risk of fractures associated with osteoporosis. Samples of trabecular bone from the vertebral regions T12, L1 and L4 from the bodies of 30 individuals (human cadavers), classified by ultrasonometry technique calcaneus as normal, osteopenic and osteoporotic were used. The histomorphometric, physical and mechanical parameters of the microarchitecture were analyzed by X-ray microtomography technique, mechanical tests of axial compression and nanoindentation. Based on these parameters, globally effective elastic constants were obtained by asymptotic homogenization technique for type-plate structure. ANOVA test showed differences that were very and extremely significant for the following: structural linear density (p = 0.017) anisotropy (p = 0.042), auto value (p = 0.045), Euler number (p = 0.016), age (p = 0.009), trabecular separation (p = 0.009), connectivity density (p = 0.006), elastic modulus (p = 0.001), maximum stress fracture strength limit (0.001), bone quality score of the calcaneus (p = 0.0001), bone volume fraction (p = 0.0001), trabecular thickness (p = 0.0002), fractal dimension (p = 0.0002), mean polar moment of inertia (p = 0.00005), eccentricity (p = 0.0002), porosity fraction (p = 0.0001) and apparent bone mineral density (p = 0.00005) between groups. The Spearman test identified moderate correlation, high and very high values of maximum stress fracture resistance limit for the following parameters: age (r = -0.684), bone volume fraction (r = 0.762), trabecular bone pattern factor (r = -0.754), trabecular thickness (r = 0.675), trabecular linear density (r = 0.622), auto value (r = -0.615), fractal dimension (r = 0.855), mean polar moment of inertia (r = 0.816), eccentricity (r = -0.569) and porosity fraction (r = -0.762). These parameters are quality indicators of the microarchitecture of trabecular bone and fracture risk associated with osteoporosis.