Slovenki jezik English language
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko Ortopedska bolnišnica Valdoltra Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije
Osnovni podatki
ŠifraJ2-7118
Naziv projektaRačunalniško-podprto načrtovanje operativnih posegov hrbtenice na podlagi kvantitativne analize slik
Obdobje1.1.2016 - 31.12.2018
Letni obseg1,63 FTE
Vodjaprof. dr. Tomaž Vrtovec
Veda2.06 - Tehnika / Sistemi in kibernetika / Biomedicinska tehnika
Sodelujoče raziskovalne organizacijeUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko in Ortopedska bolnišnica Valdoltra
Vsebinski opis projekta

Sodoben način življenja, prekomerno sedenje ter povečana telesna teža se v povezavi s staranjem populacije odražajo v povečanem obsegu hrbteničnih in s hrbtenico povezanih obolenj. Zdravljenje hrbteničnih obolenj z operativnimi posegi je običajno pri bolnikih z akutnimi težavami ali poškodbami hrbtenice, nujno pa takrat, kadar so drugi pristopi k zdravljenju neučinkoviti (npr. sredstva proti bolečninam, fizioterapija, opornice). Stabilizacija vretenc je operativni poseg, ki se uporablja pri zdravljenju skolioze, kifoze, spondilolisteze, spondiloze, degenerativnih obolenj in hernije medvretenčne ploščice, vretenčnih tumorjev in zlomov, kot tudi pri zdravljenju drugih degenerativnih obolenj, ki povzročijo nestabilnost hrbtenice. Ker nestabilnost hrbtenice lahko povzroči poškodbe hrbtenjače in iz hrbtenice izhajajočega živčevja, je cilj stabilizacije vretenc zmanjšati njihovo premičnost ter se tako izogniti omenjenim poškodbam. Operativni poseg temelji na medsebojni pritrditvi dveh (ali več) vretenc s kovinskimi orodji za stabilizacijo, kot so povezovalne palice, plošče in/ali vijaki. Med najbolj uporabljanimi tehnikami je pritrditev s pedikularnimi vijaki, ki v osnovi temelji na prebadanju vretenčnih pediklov z vijaki proti notranjosti vretenčnega telesa ter na pritrditvi povezovalnih palic na zunanji del teh vijakov, in sicer na vsaki strani vretenca. Ker je med operacijo vidljivost anatomskih struktur omejena, je potrebna miselna predstava o tridimenzionalni (3D) anatomiji hrbteničnih struktur, ki niso neposredno vidne. Za uspešno vstavitev pedikularnih vijakov mora ortopedski kirurg med načrtovanjem operativnega posega upoštevati morfologijo (obliko in zgradbo) pediklov in vretenčnih teles, tako da lahko izbere ustrezno velikost (premer in dolžino) ter določi ustrezno vstavitveno trajektorijo (vstopno točko in naklon) za vsak pedikularni vijak posebej, saj lahko na ta način precej zmanjša tveganje za njihovo neuspešno postavitev. Iz navedenih razlogov se je za pritrditev s pedikularnimi vijaki uveljavilo predoperativno načrtovanje, med katerim kirurg na podlagi 3D slik hrbtenice natančno preuči anatomijo obravnavanega bolnika. Predoperativno slikanje je torej predpogoj za zanesljivo načrtovanje operativnih posegov, pri čemer je tehnika slikanja z računalniško tomografijo (ang. computed tomography, CT) postala najbolj uveljavljena za vrednotenje kostnih struktur, iz katerih sestoji hrbtenica. Sodobna programska oprema kirurgu tudi omogoča, da ročno načrtuje velikost in vstavitveno trajektorijo vsakega pedikularnega vijaka, pri čemer mora obvladati navigacijo po 3D sliki ter manipulacijo s 3D modeli hrbtenice, vretenc in vijakov v 3D prostoru. Človeška sposobnost načrtovanja operativnih posegov na podlagi ustrezne interpretacije medicinskih slik je pa omejena zaradi naših nesistematičnih iskalnih vzorcev in naravne biološke variabilnosti človeške anatomije, poleg tega pa lahko prisotnost šuma v slikah povzroči prikrivanje dejanskih geometrijskih odnosov med anatomskimi strukturami. Načrtovanje operativnih posegov je zaradi tega časovno precej zamudno opravilo, zanesljivost in točnost načrtovanja pa sta odvisni od subjektivne interpretacije kirurga. Cilj raziskave je doseči kvantitativno, objektivno ter ponovljivo vrednotenje morfologije vretenc na podlagi 3D slik hrbtenice, predvsem morfologije pediklov in vretenčnih teles za namen načrtovanja stabilizacije vretenc s pritrditvijo pedikularnih vijakov. V ta namen bomo razvili nove računalniško-podprte metode, ki bodo temeljile na avtomatski obdelavi in kvantitativni analizi 3D slik hrbtenice ter tako pripomogle k boljšemu načrtovanju postopkov pritrditve s pedikularnimi vijaki kot tudi drugih operativnih posegov hrbtenice, pri katerih je pomembno natančno poznavanje morfologije vretenca. Predmet raziskav predlaganega projekta je torej razvoj in vrednotenje novih metod za avtomatsko računalniško-podprto kvantitativno analizo 3D slik za načrtovanje operativnih posegov hrbtenic.

Projektna skupina
Tomaž VrtovecVodja projektaUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Miran BürmenRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Janez Robert CirmanRaziskovalecOrtopedska bolnišnica Valdoltra
Blaž CugmasRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Boštjan FinkTehnikUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Matic IvančičMladi raziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Jurij JemecRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Tim JermanRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Jaka KatrašnikRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Dejan KnezMladi raziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Robert KorezRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Žiga LesjakRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Boštjan LikarRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Hennadii MadanMladi raziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Primož MarkeljRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Rene MihaličRaziskovalecOrtopedska bolnišnica Valdoltra
Janez MoharRaziskovalecOrtopedska bolnišnica Valdoltra
Miha MožinaRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Peter NagličRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Franjo PernušRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Žiga ŠpiclinRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Dejan TomaževičRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Rihard TrebšeRaziskovalecOrtopedska bolnišnica Valdoltra
Peter UsenikRaziskovalecUniverza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Faze projekta in njihova realizacija
2016Implementacija 3D modela vretenčnega telesaZaključeno
Uporaba 3D modela vretenčnega telesa na CT slikah normalnih in bolezenskih vretencZaključeno
Zbiranje rezultatov modeliranja vretenčnega telesa v skladu s predlagano validacijsko metodologijoZaključeno
Raziskovanje možnosti za izboljšanje/nadgradnjo 3D modela vretenčnega telesa in procesa njegove uporabeZaključeno
Načrtovanje in razvoj 3D modela pediklaZaključeno
Implementacija 3D modela pediklaZaključeno
Uporaba 3D modela pedikla na CT slikah normalnih in bolezenskih vretencZaključeno
Zbiranje rezultatov modeliranja pedikla v skladu s predlagano validacijsko metodologijoZaključeno
Raziskovanje možnosti za izboljšanje/nadgradnjo 3D modela pedikla in procesa njegove uporabeZaključeno
Razširjanje rezultatov - objavljanje v revijah z visokim faktorjem vplivaZaključeno
2017Končna natančna definicija validacijske metodologije za vrednotenje rezultatov modeliranja vretenčnih teles in pediklovZaključeno
Uporaba 3D modela vretenčnega telesa in 3D modela pedikla na CT slikah normalnih in bolezenskih vretencZaključeno
Zbiranje končnih rezultatov, pridobljenih s parametričnim modeliranjem vretenčnih teles in pediklov v 3D, v skladu z definirano validacijsko metodologijoZaključeno
Vrednotenje morfologije vretenca v 3D (vretenčno telo in pedikli)Zaključeno
Primerjava obstoječih in na novo razvitih postopkov za kvantitativno vrednotenje morfologije vretencaZaključeno
Načrtovanje in razvoj 3D modela pedikularnega vijakaZaključeno
Uporaba avtomatskega načrtovanja pedikularnih vijakov z razvitim 3D modelom pedikularnega vijaka na CT slikah normalnih in bolezenskih vretencZaključeno
Zbiranje rezultatov avtomatskega načrtovanja pedikularnih vijakov v skladu s predlagano validacijsko metodologijoZaključeno
Raziskovanje možnosti za izboljšanje/nadgradnjo 3D modela pedikularnega vijaka in procesa avtomatskega načrtovanja pedikularnih vijakovZaključeno
Končna natančna definicija validacijske metodologije za vrednotenje rezultatov modeliranja pedikularnih vijakov in avtomatskega načrtovanja pedikularnih vijakovZaključeno
Razširjanje rezultatov - objavljanje v revijah z visokim faktorjem vplivaZaključeno
2018Zbiranje predoperativnih CT slik hrbtenice bolnikov, ki so prestali operativni poseg s postopkom pritrditve s pedikularnimi vijaki, ter pripadajočih ročno določenih predoperativnih načrtov operativnih posegovZaključeno
Uporaba avtomatskega načrtovanja pedikularnih vijakov z razvitim 3D modelom pedikularnega vijaka na izbrane CT slike hrbtenice bolnikov, ki so prestali operativni poseg s postopkom pritrditve s pedikularnimi vijakiZaključeno
Zbiranje končnih rezultatov avtomatskega načrtovanja pedikularnih vijakov v skladu z definirano validacijsko metodologijoZaključeno
Primerjava predoperativnih načrtov za pritrditev s pedikularnimi vijaki, ki so bili pridobljeni ročno in s predlaganim postopkom za avtomatsko načrtovanje pedikularnih vijakovZaključeno
Primerjava obstoječih in na novo razvitih postopkov za avtomatsko načrtovanje pedikularnih vijakovZaključeno
Raziskovanje možnosti za izboljšanje/nadgradnjo razvitih postopkov za vrednotenje morfologije vretenca v 3D in avtomatskega načrtovanja pedikularnih vijakovZaključeno
Razširjanje rezultatov - objavljanje v revijah z visokim faktorjem vplivaZaključeno
Bibliografske reference
Dejan Knez in Tomaž Vrtovec: Computerized three-dimensional pedicle morphometry from computed tomography images of the thoracic spine. Image Analysis & Stereology, 39:101-109, 2020. [COBISS-ID:18613763] [doi:10.5566/ias.2349]
Dejan Knez, Imad S. Nahle, Tomaž Vrtovec, Stefan Parent in Samuel Kadoury: Computer-assisted pedicle screw trajectory planning using CT-inferred bone density: a demonstration against surgical outcomes. Medical Physics, 46(8):3543-3554, 2019. [COBISS-ID:12506964] [doi:10.1002/mp.13585]
Hugo Jobidon-Lavergne, Samuel Kadoury, Dejan Knez in Carl-Éric Aubin: Biomechanically driven intraoperative spine registration during navigated anterior vertebral body tethering. Physics in Medicine and Biology, 64(11):115008, 2019. [COBISS-ID:12506708] [doi:10.1088/1361-6560/ab1bfa]
William Mandel, Olivier Turcot, Dejan Knez, Stefan Parent in Samuel Kadoury: Prediction outcomes for anterior vertebral body growth modulation surgery from discriminant spatiotemporal manifolds. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 14:1565-1575, 2019. [COBISS-ID:12598868] [doi:10.1007/s11548-019-02041-w]
Dejan Knez, Janez Mohar, Robert Cirman, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Variability analysis of manual and computer-assisted preoperative thoracic pedicle screw placement planning. Spine, 43(21):1487-1495, 2018. [COBISS-ID:11993172] [doi:10.1097/BRS.0000000000002659]
Dejan Knez: Computer-assisted design and analysis of pedicle screw placement based on medical images of the spine. Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko (mentor: T. Vrtovec), 2018. [COBISS-ID:12080212]
William Mandel, Olivier Turcot, Dejan Knez, Stefan Parent in Samuel Kadoury: Spatiotemporal manifold prediction model for anterior vertebral body growth modulation surgery in idiopathic scoliosis. 21st International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention - MICCAI 2018, A.F. Frangi in sod. (ur.), 16.-20. septemper, Granada, Španija, Lecture Notes in Computer Science 11073:206-213, 2018. [COBISS-ID:12228180] [doi:10.1007/978-3-030-00937-3_24]
Dejan Knez, Imad S. Nahle, Tomaž Vrtovec, Stefan Parent in Samuel Kadoury: Computer-assisted pedicle screw placement planning: towards clinical practice. 15th IEEE Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro - ISBI 2018, 4. - 7. april, Washington, D.C., ZDA, A. Amini, S. Acton (ur.), 249-252, 2018. [COBISS-ID:12005204] [doi:10.1109/ISBI.2018.8363566]
Imad S. Nahle, Dejan Knez, Tomaž Vrtovec, Stefan Parent in Samuel Kadoury: Computer-assisted pedicle screw planning from pre-operative CT: a quantitative comparison with post-operative 3D resonstructions. 47th Annual Meeting of the Quebec Scoliosis Society, 19. - 21. oktober, Baie-Saint-Paul, Quebec, Kanada, 2017. [COBISS-ID:11869268]
Dejan Knez, Janez Mohar, Robert Cirman, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Analysis of manual and computer-assisted preoperative pedicle screw placement planning. 17th Annual Meeting of the International Society for Computer Assisted Orthopaedic Surgery - CAOS 2017, 14. - 17. junij, Aachen, Nemčija, 2017. [COBISS-ID:11811412]
Dejan Knez, Imad S. Nahle, Stefan Parent, Samuel Kadoury in Tomaž Vrtovec: Quantitative comparison of computer-assisted pedicle screw placement plans with actually inserted pedicle screws. Annual Spine Experts Group Meeting and Slovenia 2017 Spine Symposium, 24. - 25. november, Ljubljana, Slovenija, 2017. [COBISS-ID:11907412]
Janez Mohar, Dejan Knez, Robert Cirman, Rihard Trebše, Rene Mihalič in Tomaž Vrtovec: Comparison of automatically and manually obtained pedicle screw plans in deformities of the thoracic spine. Orthopaedic Proceedings, 99-B(Supp 5):11, 2017. [COBISS-ID:1539322564]
Dejan Knez, Janez Mohar, Robert Cirman, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Analysis of manual and computer-assisted pre-operative pedicle screw placement planning. Orthopaedic Proceedings, 99-B(Supp 20):17, 2017. [COBISS-ID:11908180]
Dejan Knez, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Computer-assisted screw size and insertion trajectory planning for pedicle screw placement surgery. IEEE Transactions on Medical Imaging, 35(6):1420-1430, 2016. [COBISS-ID:11250260] [doi:10.1109/TMI.2016.2514530]
Dejan Knez, Janez Mohar, Robert J. Cirman, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Določanje velikosti in vstavitvene trajektorije pedikularnih vijakov v računalniškotomografskih (CT) slikah deformacij prsne hrbtenice: primerjava ročnega in računalniško podprtega predoperacijskega načrtovanja. Zdravniški vestnik, 85(11-12):619-631, 2016. [COBISS-ID:11678804]
Dejan Knez, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Automated determination of pedicle morphometry in the thoracic spine. 13th IEEE Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro - ISBI 2016, 12. - 16. april, Praga, Češka, J. Kybic, M. Sonka (ur.), 664-667, 2016. [COBISS-ID:11351124] [doi:10.1109/ISBI.2016.7493354]
Dejan Knez, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Automated pedicle screw size and trajectory planning by maximization of fastening strength. Computational Methods and Clinical Applications for Spine Imaging, Third International Workshop and Challenge, CSI 2015, held in conjunction with the 18th International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention - MICCAI 2015, Lecture Notes in Computer Science 9402:3-13, 2016. [COBISS-ID:11453012] [doi:10.1007/978-3-319-41827-8_1]
Dejan Knez, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Avtomatska metoda načrtovanja velikosti in trajektorije pedikularnih vijakov. Računalniška obdelava slik in njena uporaba v Sloveniji - 11. strokovna konferenca - ROSUS 2016, 17. marec, Maribor, Slovenija, B. Potočnik (ur.), 55-68, 2016. [COBISS-ID:11308372]
Dejan Knez, Janez Mohar, Robert J. Cirman, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Manual and computer-assisted pedicle screw placement plans: a quantitative comparison. Proceedings of the 4th MICCAI Workshop & Challenge on Computational Methods and Clinical Applications for Spine Imaging - MICCAI-CSI2016, J. Yao in sod. (ur.), 17. oktober, Atene, Grčija, 78-88, 2016. [COBISS-ID:11578452]
Dejan Knez, Janez Mohar, Robert J. Cirman, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Manual and computer-assisted pedicle screw placement plans: a quantitative comparison. Computational Methods and Clinical Applications for Spine Imaging, Fourth International Workshop and Challenge, CSI 2016, held in conjunction with the 19th International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention - MICCAI 2016, Lecture Notes in Computer Science 10182:105-115, 2016. [COBISS-ID:11708244] [doi:10.1007/978-3-319-55050-3_10]
Dejan Knez, Janez Mohar, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Quantitative comparison between the straight-forward and anatomical insertion technique for pedicle screw placement. SPIE Medical Imaging 2016, Image Processing, 27. februar - 3. marec, San Diego, ZDA, M.A. Styner, E.D. Angelini (ur.), 9784:978439, 2016. [COBISS-ID:11316820] [doi:10.1117/12.2216028]
Janez Mohar, Dejan Knez, Robert J. Cirman, Rihard Trebše, Rene Mihalič in Tomaž Vrtovec: Comparison of automatically and manually obtained pedicle screw plans in deformities of the thoracic spine. 29th Annual Congress of the International Society for Technology in Arthoplasty - ISTA 2016, 5. - 8. oktober, Boston, ZDA, S.B. Murphy (ur.), #4334, 2016. [COBISS-ID:11690836]
Dejan Knez, Boštjan Likar, Franjo Pernuš in Tomaž Vrtovec: Automated pedicle screw size and trajectory planning by maximization of fastening strength. Proceedings of the 3rd MICCAI Workshop & Challenge on Computational Methods and Clinical Applications for Spine Imaging - MICCAI-CSI2015, T. Vrtovec in sod. (ur.), 5. oktober, München, Nemčija, 3-13, 2015. [COBISS-ID:11182676]
© Laboratorij za slikovne tehnologije. Vse pravice pridržane.
//-----------------------------------------------------------------------