个性化腰椎建模在特发性脊柱侧弯动态评估中的应用

《IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics》：Personalized Lumbar Vertebrae Modeling for Dynamic Assessment of Idiopathic Scoliosis

动态评估脊柱侧弯患者提出个性化腰椎模型与动态数字人类融合方法，利用NeRF和3D高斯溅射构建动态人体模型，解决传统静态成像的软组织伪影和三维畸形生成难题，通过8例患者的多姿势影像验证，平均角误差0.96°，最大3.6°，优于现有模型，为术前规划和临床评估提供动态参考。

　　

摘要：

特发性脊柱侧弯（IS）患者的临床评估主要依赖于静态成像技术。动态数字人体（DDH）能够提供全面的时空信息，用于对IS患者的变形脊柱进行动态评估，这与用于一般评估的X光和用于手术规划的计算机断层扫描（CT）等静态成像技术相比具有优势。在受到不同姿势和机械载荷作用时，腰椎的形态变化比胸椎区域更为显著，因此它们在动态评估中尤为重要。因此，本文提出了一种个性化的腰椎模型（PLVM），用于模拟IS患者的腰椎运动；此外，通过将PLVM嵌入到DDH中，还构建了一种个性化的DDH（i-DDH），以捕捉时空信息。首先，我们采用一种骨原体生成方法，结合神经辐射场（NeRF）和三维（3D）高斯分裂技术来构建DDH。接下来，我们开发了PLVM生成方法，以模拟在不同载荷和姿势下的腰椎运动。最后，将骨原体和PLVM合并，生成用于动态评估的i-DDH。我们使用8名等待手术的IS患者的多姿势X光片对i-DDH进行了验证。结果表明，与现有的最先进（SOTA）模型相比，其平均角度误差为0.96，最大误差为3.6。所提出的i-DDH框架能够捕捉脊柱姿势，并对IS患者进行动态评估，而不仅仅是固定位置的评估。它克服了运动捕捉系统中的软组织伪影（STA）问题，以及基于计算机视觉方法训练健康受试者时无法生成IS患者3D脊柱变形的问题。此外，它在术前规划和临床评估中具有重要意义，因为它能够提供无法通过其他方法获得的动态脊柱姿势...

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