Scoliosis curve type classification from 3D trunk image

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a deformity of the spine manifested by asymmetry and deformities of the external surface of the trunk. Classification of scoliosis deformities according to curve type is used to plan management of scoliosis patients. Currently, scoliosis curve type is determined based on X-ray exam. However, cumulative exposure to X-rays radiation significantly increases the risk for certain cancer. In this paper, we propose a robust system that can classify the scoliosis curve type from non invasive acquisition of 3D trunk surface of the patients. The 3D image of the trunk is divided into patches and local geometric descriptors characterizing the surface of the back are computed from each patch and forming the features. We perform the reduction of the dimensionality by using Principal Component Analysis and 53 components were retained. In this work a multi-class classifier is built with Least-squares support vector machine (LS-SVM) which is a kernel classifier. For this study, a new kernel was designed in order to achieve a robust classifier in comparison with polynomial and Gaussian kernel. The proposed system was validated using data of 103 patients with different scoliosis curve types diagnosed and classified by an orthopedic surgeon from the X-ray images. The average rate of successful classification was 93.3% with a better rate of prediction for the major thoracic and lumbar/thoracolumbar types.

A physically based trunk soft tissue modeling for scoliosis surgery planning systems

One of the major concerns of scoliotic patients undergoing spinal correction surgery is the trunk's external appearance after the surgery. This paper presents a novel incremental approach for simulating postoperative trunk shape in scoliosis surgery. Preoperative and postoperative trunk shapes data were obtained using three-dimensional medical imaging techniques for seven patients with adolescent idiopathic scoliosis. Results of qualitative and quantitative evaluations, based on the comparison of the simulated and actual postoperative trunk surfaces, showed an adequate accuracy of the method. Our approach provides a candidate simulation tool to be used in a clinical environment for the surgery planning process.

Personalized 3D reconstruction of the rib cage for clinical assessment of trunk deformities

Scoliosis is a 3D deformity of the spine and rib cage. Extensive validation of 3D reconstruction methods of the spine from biplanar radiography has already been published. In this article, we propose a novel method to reconstruct the rib cage, using the same biplanar views as for the 3D reconstruction of the spine, to allow clinical assessment of whole trunk deformities. This technique uses a semi-automatic segmentation of the ribs in the postero-anterior X-ray view and an interactive segmentation of partial rib edges in the lateral view. The rib midlines are automatically extracted in 2D and reconstructed in 3D using the epipolar geometry. For the ribs not visible in the lateral view, the method predicts their 3D shape. The accuracy of the proposed method has been assessed using data obtained from a synthetic bone model as a gold standard and has also been evaluated using data of real patients with scoliotic deformities. Results show that the reconstructed ribs enable a reliable evaluation of the rib axial rotation, which will allow a 3D clinical assessment of the spine and rib cage deformities.

Is Breast Asymmetry Present in Girls with Adolescent Idiopathic Scoliosis?

Study Design Cross-sectional descriptive study. Objectives To characterize breast asymmetry (BA), as defined by breast volume difference, in girls with significant adolescent idiopathic scoliosis (AIS), using magnetic resonance imaging (MRI). Summary and Background BA is a frequent concern among girls with AIS. It is commonly believed that this results from chest wall deformity. Although many women exhibit physiological BA, the prevalence is not known in adolescents and it remains unclear if it is more frequent in AIS. Breasts vary in shape and size and many ways of measuring them have been explored. MRI shows the highest precision at defining breast tissue. Methods Thirty patients were enrolled on the basis of their thoracic curvature, skeletal and breast maturity, without regard to their perception on their BA. MRI acquisitions were performed in prone with a 1.5-Tesla system using a 16-channel breast coil. Segmentation was achieved using the ITK-SNAP 2.4.0 software and subsequently manually refined. Results The mean left breast volume (528.32 ± 205.96 cc) was greater compared with the mean right breast volume (495.18 ± 170.16 cc) with a significant difference between them. The mean BA was found to be 8.32% ± 6.43% (p < .0001). A weak positive correlation was observed between BA and thoracic Cobb angle (0.177, p = .349) as well as thoracic gibbosity angle (0.289, p = .122). The left breast was consistently larger in 65.5% of the patients. Twenty patients (66.7%) displayed BA ≥5%. Conclusions We have described BA in patients with significant AIS using MRI. This method is feasible, objective, and very precise. The majority of patients had a larger left breast, which could compound the apparent BA secondary to trunk rotation. In many cases, BA is present independently of thoracic deformity. This knowledge will assist in counseling AIS patients in regards to their concerns with BA.

Changes in Trunk Appearance After Scoliosis Spinal Surgery and Their Relation to Changes in Spinal Measurements

Study Design Retrospective study of surgical outcome. Objectives To evaluate quantitatively the changes in trunk surface deformities after scoliosis spinal surgery in Lenke 1A adolescent idiopathic scoliosis (AIS) patients and to compare it with changes in spinal measurements. Summary of Background Data Most studies documenting scoliosis surgical outcome used either radiographs to evaluate changes in the spinal curve or questionnaires to assess patients health-related quality of life. Because improving trunk appearance is a major reason for patients and their parents to seek treatment, this study focuses on postoperative changes in trunk surface deformities. Recently, a novel approach to quantify trunk deformities in a reliable, automatic, and noninvasive way has been proposed. Methods Forty-nine adolescents with Lenke 1A idiopathic scoliosis treated surgically were included. The back surface rotation and trunk lateral shift were computed on trunk surface acquisitions before and at least 6 months after surgery. We analyzed the effect of age, height, weight, curve severity, and flexibility before surgery, length of follow-up, and the surgical technique. For 25 patients with available three-dimensional (3D) spinal reconstructions, we compared changes in trunk deformities with changes in two-dimensional (2D) and 3D spinal measurements. Results The mean correction rates for the back surface rotation and the trunk lateral shift are 18% and 50%, respectively. Only the surgical technique had a significant effect on the correction rate of the back surface rotation. Direct vertebral derotation and reduction by spine translation provide a better correction of the rib hump (22% and 31% respectively) than the classic rod rotation technique (8%). The reductions of the lumbar Cobb angle and the apical vertebrae transverse rotation explain, respectively, up to 17% and 16% the reduction of the back surface rotation. Conclusions Current surgical techniques perform well in realigning the trunk; however, the correction of the deformity in the transverse plane proves to be more challenging. More analysis on the positive effect of vertebral derotation on the rib hump correction is needed. Level of evidence III.

Non-invasive quantitative assessment of scoliosis spinal surgery outcome

Improving the appearance of the trunk is an important goal of scoliosis surgical treatment, mainly in patients' eyes. Unfortunately, existing methods for assessing postoperative trunk appearance are rather subjective as they rely on a qualitative evaluation of the trunk shape. In this paper, an objective method is proposed to quantify the changes in trunk shape after surgery. Using a non-invasive optical system, the whole trunk surface is acquired and reconstructed in 3D. Trunk shape is described by two functional measurements spanning the trunk length: the lateral deviation and the axial rotation. To measure the pre and postoperative differences, a correction rate is computed for both measurements. On a cohort of 36 scoliosis patients with the same spinal curve type who underwent the same surgical approach, surgery achieved a very good correction of the lateral trunk deviation (median correction of 76%) and a poor to moderate correction of the back axial rotation (median correction of 19%). These results demonstrate that after surgery, patients are still confronted with residual trunk deformity, mainly a persisting hump on the back. That can be explained by the fact that current scoliosis assessment and treatment planning are based solely on radiographic measures of the spinal deformity and do not take trunk deformity into consideration. It is believed that with our novel quantitative trunk shape descriptor, clinicians and surgeons can now objectively assess trunk deformity and postoperative shape and propose new treatment strategies that could better address patients' concern about their appearance. © (2013) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

Patient-specific anisotropic model of human trunk based on MR data

There are many ways to generate geometrical models for numerical simulation, and most of them start with a segmentation step to extract the boundaries of the regions of interest. This paper presents an algorithm to generate a patient-specific three-dimensional geometric model, based on a tetrahedral mesh, without an initial extraction of contours from the volumetric data. Using the information directly available in the data, such as gray levels, we built a metric to drive a mesh adaptation process. The metric is used to specify the size and orientation of the tetrahedral elements everywhere in the mesh. Our method, which produces anisotropic meshes, gives good results with synthetic and real MRI data. The resulting model quality has been evaluated qualitatively and quantitatively by comparing it with an analytical solution and with a segmentation made by an expert. Results show that our method gives, in 90% of the cases, as good or better meshes as a similar isotropic method, based on the accuracy of the volume reconstruction for a given mesh size. Moreover, a comparison of the Hausdorff distances between adapted meshes of both methods and ground-truth volumes shows that our method decreases reconstruction errors faster. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

Importance of the embedding environment on the strain within small rings in siliceous materials

The effect of the local environment on the energetic strain within small (SiO)N rings (with N=2,3) in silica materials is investigated via periodic model systems employing density functional calculations. Through comparison of the energies of various nonterminated systems containing small rings in strained and relatively unstrained environments, with alpha quartz, we demonstrate how small ring strain is affected by the nature of the embedding environment. We compare our findings with numerous previously reported calculations, often predicting significantly different small-ring strain energies, leading to a critical assessment of methods of calculating accurate localized ring energies. The results have relevance for estimates of the strain-induced response (e.g., chemical, photo, and radio) of small silica rings, and the propensity for them to form in bulk glasses, thin films, and nanoclusters.

Aspekte der linearen Minimax-Schätzung

Es werde das lineare Regressionsmodell y = X b + e mit den ueblichen Bedingungen betrachtet. Weiter werde angenommen, dass der Parametervektor aus einem Ellipsoid stammt. Ein optimaler Schaetzer fuer den Parametervektor ist durch den Minimax-Schaetzer gegeben. Nach der entscheidungstheoretischen Formulierung des Minimax-Schaetzproblems werden mit dem Bayesschen Ansatz, Spektralen Methoden und der Darstellung von Hoffmann und Laeuter Wege zur Bestimmung des Minimax- Schaetzers dargestellt und in Beziehung gebracht. Eine Betrachtung von Modellen mit drei Einflussgroeßen und gemeinsamen Eigenvektor fuehrt zu einer Strukturierung des Problems nach der Vielfachheit des maximalen Eigenwerts. Die Bestimmung des Minimax-Schaetzers in einem noch nicht geloesten Fall kann auf die Bestimmung einer Nullstelle einer nichtlinearen reellwertigen Funktion gefuehrt werden. Es wird ein Beispiel gefunden, in dem die Nullstelle nicht durch Radikale angegeben werden kann. Durch das Intervallschachtelungs-Prinzip oder Newton-Verfahren ist die numerische Bestimmung der Nullstelle moeglich. Durch Entwicklung einer Fixpunktgleichung aus der Darstellung von Hoffmann und Laeuter war es in einer Simulation moeglich die angestrebten Loesungen zu finden.

4,5-Dihydro-1,3-dioxepine als chirale Bausteine in der enantioselektiven organischen Synthese

Durch asymmetrische Doppelbindungsisomerisierung mittels Me-DuPHOS-modifizierter Dihalogen-Nickel-Komplexe als Katalysatorvorstufen lassen sich aus 2-Alkyl-4,7-dihydro-1,3-dioxepinen hochenantiomerenreine 2-Alkyl-4,5-dihydro-1,3-dioxepine erhalten. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die bisher noch unbekannte Absolutkonfiguration dieses Verbindungstyps zu bestimmen und darüber hinaus ihre Einsatzfähigkeit in der enantioselektiven organischen Synthese zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden enantiomerenangereichertes 2-Isopropyl- und 2-tert-Butyl-4,5-dihydro-1,3-dioxepin mit m-Chlorperbenzoesäure epoxidiert. Dabei bildeten sich die entsprechenden 3-Chlorbenzoesäure-(2-alkyl-5-hydroxy-1,3-dioxepan-4yl)-ester in hohen Ausbeuten und Diastereoselektivitäten. Von den vier zu erwartenden Diastereomeren wurden jeweils nur zwei mit einer Selektivität von mehr als 95:5 gebildet. Im Fall des 3-Chlorbenzoesäure-(2-isopropyl-5-hydroxy-1,3-dioxepan-4yl)-esters konnte das Haupt-diastereomer kristallin erhalten werden. Durch röntgenspektroskopische Untersuchung war es möglich, die Relativ-Konfiguration dieser Verbindung zu bestimmen. Die Ester lassen sich unter Ringverengung in 2-Alkyl-1,3-dioxan-4-carbaldehyde umlagern. Ausgehend von diesen Carbaldehyden stehen zwei Synthesewege zur Verfügung, welche zu Verbindungen führen deren Absolutkonfiguration bereits bekannt ist. So erhält man durch Reduktion 2-Alkyl-1,3-dioxan-4-yl-methanole, welche sich in 1,2,4-Butantriol überführen lassen. Oxidation ergibt die 2-Alkyl-1,3-dioxan-4-carbonsäuren, aus denen 3-Hydroxytetrahydrofuran-2-on gewonnen werden kann. Messung des Drehwertes dieser beiden literaturbekannten Verbindungen liefert nicht nur Information über deren Enantiomerenreinheit sondern ebenfalls über die Konfiguration ihres Stereozentrums. In Kombination mit der Relativ-Konfiguration des Esters ist somit ein Rückschluss auf die Absolutkonfiguration der eingesetzten 4,5-Dihydro-1,3-dioxepine möglich. Die auf den beschriebenen Wegen gewonnenen Substanzen finden Anwendung in der stereoselektiven organischen Synthese. Löst man die Chlorbenzoesäureester in Dichlormethan und behandelt sie mit wässriger Salzsäure, so entstehen die bicyclischen 2-Alkyltetrahydrofuro[2,3-d][1,3]dioxole. Auch bei diesen Verbindungen konnten hohe Enantio- und Diastereoselektivitäten erzielt werden. Der intermolekular verlaufende Reaktionsmechanismus der Bicyclus-Bildung, welcher unter Abspaltung eines den Alkylrest tragenden Aldehyds und dessen Neuanlagerung unter Ausbildung eines Acetals verläuft, konnte in dieser Arbeit durch ein Kreuzungsexperiment bestätigt werden. Umacetalisierung der Bicyclen liefert 2-Methoxytetrahydrofuran-3-ol, aus dem durch Acetalspaltung Tetrahydrofuran-2,3-diol erhalten wird, das die Halbacetalform der entsprechenden Desoxytetrose darstellt, die auf diese Weise in einer de novo-Synthese hergestellt werden kann.

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Ein Beitrag zur Modellierung und Simulation von elektromechanischen Systemen

Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß es möglich ist, komplexe thermische Systeme, unter Verwendung der thermisch-, elektrischen Analogien, mit PSpice zu simulieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen hierbei Strangkühlkörper zur Kühlung von elektronischen Bauelementen. Es konnte gezeigt werden,daß alle Wärmeübertragungsarten, (Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung) in der Simulation berücksichtigt werden können. Für die Berechnung der Konvektion wurden verschiedene Methoden hergeleitet. Diese gelten zum einen für verschiedene Kühlkörpergeometrien, wie z.B. ebene Flächen und Kühlrippenzwischenräume, andererseits unterscheiden sie sich, je nachdem, ob freie oder erzwungene Konvektion betrachtet wird. Für die Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen wurden verschiedenen Berechnungsmethoden entwickelt. Für die Simulation mit PSpice wurde die Berechnung der Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen vereinfacht. Es konnte gezeigt werden, daß die Fehler, die durch die Vereinfachung entstehen, vernachlässigbar klein sind. Für das thermische Verhalten einer zu kühlenden Wärmequelle wurde ein allgemeines Modell entworfen. Zur Bestimmung der Modellparameter wurden verschiedene Meßverfahren entwickelt. Für eine im Fachgebiet Elektromechanik entwickelte Wärmequelle zum Test von Kühlvorrichtungen wurde mit Hilfe dieser Meßverfahren eine Parameterbestimmung durchgeführt. Die Erstellung des thermischen Modells eines Kühlkörpers für die Simulation in PSpice erfordert die Analyse der Kühlkörpergeometrie. Damit diese Analyse weitestgehend automatisiert werden kann, wurden verschiedene Algorithmen unter Matlab entwickelt. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, den Kühlkörper in Elementarzellen zu zerlegen, die für die Erstellung des Simulationsmodells benötigt werden. Desweiteren ist es für die Simulation notwendig zu wissen, welche der Elementarzellen am Rand des Kühlkörpers liegen, welche der Elementarzellen an einem Kühlrippenzwischenraum liegen und welche Kühlkörperkanten schräg verlaufen. Auch zur Lösung dieser Aufgaben wurden verschiedene Algorithmen entwickelt. Diese Algorithmen wurden zu einem Programm zusammengefaßt, das es gestattet, unterschiedliche Strangkühlkörper zu simulieren und die Simulationsergebnisse in Form der Temperaturverteilung auf der Montagefläche des Kühlkörpers grafisch darzustellen. Es können stationäre und transiente Simulationen durchgeführt werden. Desweiteren kann der thermische Widerstand des Kühlkörpers RthK als Funktion der Verlustleistung der Wärmequelle dargestellt werden. Zur Verifikation der Simulationsergebnisse wurden Temperaturmessungen an Kühlkörpern durchgeführt und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Diese Vergleiche zeigen, daß die Abweichungen im Bereich der Streuung der Temperaturmessung liegen. Das hier entwickelte Verfahren zur thermischen Simulation von Strangkühlkörpern kann somit als gut bewertet werden.