論文の概要: 4D Virtual Imaging Platform for Dynamic Joint Assessment via Uni-Plane X-ray and 2D-3D Registration

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.16138v1
• Date: Fri, 22 Aug 2025 06:58:23 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-25 16:42:36.27826
• Title: 4D Virtual Imaging Platform for Dynamic Joint Assessment via Uni-Plane X-ray and 2D-3D Registration
• Title（参考訳）: 単平面X線と2次元3次元レジストレーションによる動的関節評価のための4次元仮想画像プラットフォーム
• Authors: Hao Tang, Rongxi Yi, Lei Li, Kaiyi Cao, Jiapeng Zhao, Yihan Xiao, Minghai Shi, Peng Yuan, Yan Xi, Hui Tang, Wei Li, Zhan Wu, Yixin Zhou,
• Abstract要約: 直立走査に最適化されたプログラマブルでガントリーフリーな軌道と、デュアルロボットアームコーンビーム(CBCT)システムを組み合わせた4次元関節解析プラットフォームを提案する。 シミュレーション研究において、この方法は99.18パーセントの成功率でサブボクセル精度(0.235mm)を達成した。 この4D CBCTプラットフォームは、高速で正確で低線量なダイナミックジョイントイメージングを可能にし、生体力学的研究、精密診断、パーソナライズされた整形外科治療の新しい機会を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 17.77433522588242
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Conventional computed tomography (CT) lacks the ability to capture dynamic, weight-bearing joint motion. Functional evaluation, particularly after surgical intervention, requires four-dimensional (4D) imaging, but current methods are limited by excessive radiation exposure or incomplete spatial information from 2D techniques. We propose an integrated 4D joint analysis platform that combines: (1) a dual robotic arm cone-beam CT (CBCT) system with a programmable, gantry-free trajectory optimized for upright scanning; (2) a hybrid imaging pipeline that fuses static 3D CBCT with dynamic 2D X-rays using deep learning-based preprocessing, 3D-2D projection, and iterative optimization; and (3) a clinically validated framework for quantitative kinematic assessment. In simulation studies, the method achieved sub-voxel accuracy (0.235 mm) with a 99.18 percent success rate, outperforming conventional and state-of-the-art registration approaches. Clinical evaluation further demonstrated accurate quantification of tibial plateau motion and medial-lateral variance in post-total knee arthroplasty (TKA) patients. This 4D CBCT platform enables fast, accurate, and low-dose dynamic joint imaging, offering new opportunities for biomechanical research, precision diagnostics, and personalized orthopedic care.
• Abstract（参考訳）: 従来のCT(Computerd tomography)では、ダイナミックで重み付き関節運動を捉える能力が欠如している。 外科的介入後の機能評価には4次元(4D)イメージングが必要であるが、現在の方法は過度の放射線照射や2D技術からの不完全な空間情報によって制限されている。 そこで我々は,(1)ロボットアーム・コーンビームCT(CBCT)システムとプログラム可能なガントリーフリー軌跡をアップライトスキャンに最適化し,(2)静的3次元CBCTと動的2次元X線を融合するハイブリッド画像パイプラインを,ディープラーニングによる前処理,3D-2Dプロジェクション,反復的最適化,(3)定量的キネマティックアセスメントのための臨床的に検証されたフレームワークを組み合わせた4次元関節解析プラットフォームを提案する。 シミュレーション研究において、この方法は99.18パーセントの成功率でサブボクセル精度(0.235mm)を達成した。 さらに, 人工膝関節置換術後(TKA)症例において, 大腿骨近位部運動と内側側方偏差の正確な定量化が得られた。 この4D CBCTプラットフォームは、高速で正確で低線量なダイナミックジョイントイメージングを可能にし、生体力学的研究、精密診断、パーソナライズされた整形外科治療の新しい機会を提供する。

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