複雑な上腕骨近位部骨折の再構築のためのスケール空間曲率マッチングアルゴリズム

A scale-space curvature matching algorithm for the reconstruction of complex proximal humeral fractures.

• Lazaros Vlachopoulos
• Gábor Székely
• Christian Gerber
• Philipp Fürnstahl

抄録

上腕骨近位部の複雑骨折の最適な外科的治療は議論の的となっている。断片の解剖学的縮小が達成された場合に最良の結果が得られることが証明されており、したがって、骨折の再構築のためにコンピュータ支援法が提案されてきた。しかしながら、上腕骨近位部の複雑骨折は、一般的に骨片の関連する変位を伴うため、骨片の初期位置に依存したアルゴリズムは失敗する可能性がある。上腕骨近位部の複雑骨折に対する最新のアルゴリズムは、骨片の変位に対処するための再構築テンプレートとして、（健康な）対側の解剖学のCTスキャンを取得することを必要とする。位置不変骨折線に基づいた再構築アルゴリズムは、考古学の分野で破断した血管の再構築に成功している。しかし、骨折線の抽出とその曲率の計算はノイズの影響を受けやすく、皮質層が薄い関節付近の骨折に対しては、従来の手法では適用が困難であるか、あるいは不可能である。我々は、骨折線の対応する領域のみに基づいて骨片間の正しいアライメントを計算することを可能にする、新しい曲率のスケール空間表現を提示する。上腕骨近位部の骨折は、骨片の反復的なペアワイズ縮小に基づいて自動的に再構成される。本手法の検証は、上腕骨近位部骨折の複雑骨折後に外科的治療を受けた12例の臨床例と、死体実験を用いて行った。我々のアプローチの精度は、上腕骨近位部の複雑骨折に対する最先端のアルゴリズムと比較した。臨床例のすべての再構築は、外傷前の解剖学的構造を正確に近似させる結果となった。再構築された症例の精度は、現在の最新のアルゴリズムを上回るものであった。

The optimal surgical treatment of complex fractures of the proximal humerus is controversial. It is proven that best results are obtained if an anatomical reduction of the fragments is achieved and, therefore, computer-assisted methods have been proposed for the reconstruction of the fractures. However, complex fractures of the proximal humerus are commonly accompanied with a relevant displacement of the fragments and, therefore, algorithms relying on the initial position of the fragments might fail. The state-of-the-art algorithm for complex fractures of the proximal humerus requires the acquisition of a CT scan of the (healthy) contralateral anatomy as a reconstruction template to address the displacement of the fragments. Pose-invariant fracture line based reconstruction algorithms have been applied successful for reassembling broken vessels in archaeology. Nevertheless, the extraction of the fracture lines and the necessary computation of their curvature are susceptible to noise and make the application of previous approaches difficult or even impossible for bone fractures close to the joints, where the cortical layer is thin. We present a novel scale-space representation of the curvature, permitting to calculate the correct alignment between bone fragments solely based on corresponding regions of the fracture lines. The fractures of the proximal humerus are automatically reconstructed based on iterative pairwise reduction of the fragments. The validation of the presented method was performed on twelve clinical cases, surgically treated after complex proximal humeral fracture, and by cadaver experiments. The accuracy of our approach was compared to the state-of-the-art algorithm for complex fractures of the proximal humerus. All reconstructions of the clinical cases resulted in an accurate approximation of the pre-traumatic anatomy. The accuracy of the reconstructed cadaver cases outperformed the current state-of-the-art algorithm.

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