View Full Version : Summary:3D detection of the spine

Marlies Reynders
10-02-1997, 02:14 AM
My message :

As a graduate student of the University K.U.Leuven (Belgium), I am
working on a project to detect the human spine. The spine of a person
lying on a bed on his side should be recorded in 3D (translation and
torsion). The measurement should be performed in a non-invasive way and
quickly. Radiography is excluded because of the damaging effect on
human health and because it is slow.
Maybe the spine can be imaged by ultrasound. The problem here is to
know the position of the spine in a world coördinate system. If you
know a solution of this problem by ultrasoud, I would appreciate to hear
more from you.
A visual technique which can determine the position of the spinous
processes and part of the trunk could also be a way to get this 3D
image. If
you think this problem can be solved by Moiré topography, laser,... , I
would love to hear from you again.
All other measurement techniques able to image the spine (for example :
external fixation with goniometers) are also very welcome.
Hoping you will respond soon,

Marlies Reynders
e-mail : marlies.reynders@student.kuleuven.ac.be
tel : 0032 (0)16 32.70.96
fax : 0032 (0)16 32.79.94

P.S. : you may also respond in Dutch, French or German.

Off course you may still respond to this message.

The articles I received :

Anyway, if you are interested in 3D ultrasound have a look at my page:
This resource lists a number of groups doing research in 3D ultrasound.
What you are looking for is a system using an ordinary ultrasound probe
attached to a
3D position/orientation tracker. This will give you a series of 2D
images in space with which you can image known easily locatable
landmarks (like bony ridges on the hips, shoulders, whatever gives you a
good coordinate frame and is reasonably rigid to be repeatable for
future experiments) together with a stream of images of the spine that
you are interested in.
There are a number of techniques for further combination of the data to
3D data: you can either visualise the 3D data directly or extract
features from the 2D images and then fit surfaces to this data to give
you 3D models (probably the way you'd want to go).
I presume you have tested the notion of imaging the spine with
conventional ultrasound already ?
I have reservations as to the success as you would need to use low
frequency probes to be able to penetrate far enough to get decent
results. In addition you would need to use significant buffering (gel
padding between transducer and skin) to be able to image the spine
directly as it's so close to the skin and you need a focus zone for most
ultrasound probes...
The closest group to you with that kind of technology would be the
Fraunhofer Institute in Darmstadt, Germany headed by Dr. Georgios Sakas
(see my page for details - I visited them for 6 months last year). They
have a system that can attach to any conventional ultrasound probe with
a Polhemus electromagnetic 3D tracker giving you a workspace of about 1
meter cubed (about right for you).
The accuracy of the tracker is about 2-3 mm which would match the
resolution of the ultrasound if you used a 3-5 MHz probe well.

Bernard Cena (PhD student - Med Vis) _--_|\ tel: +61 8 9380 3778
Department of Computer Science / \ fax: +61 8 9380 1089
The University of Western Australia *_.--._/ home: +61 8 9337 8389
Nedlands, 6907, WA, Australia v mob: +61 417 923 534
http://www.cs.uwa.edu.au/~bernard mailto:bernard@cs.uwa.edu.au
************************************************** *************************************
Several Motion Analysis users are using our passive marker 3D system to
spinal activities. They are placing passive marker triads (3 markers on
a stem
approximately 3 to 4 mm per marker per process) via pins to the spinal
and measuring the patient's movement in 3D. I can contact these
to further inquire if they can share there data or information with you.

Please contact me at Dan.India@motionanalysis.com if you want me to
seek out
additional info.

Daniel India
Vice President
Motion Analysis Corp.
************************************************** *************************************
I few years ago I had worked on a similar project at Queen's University
(Kingston, Ontario, Canada). We used the ultrasound transducer in
conjunction with a electromagnetic sensor (ISOTRAK) so as to permit
alignment of the ultrasound images in real space. We found this method
to work well. Unfortunately, our limiting factor at the time was the
ultrasound resolution so the project did not proceed. If one could
combine both then theoretically one could create composite images
similar to CT or MRI reconstruction techniques. This would be exciting!
I have collected some literature on ultrasound tomography if your

David Pearsall, PhD
Assistant Professor
Dept of Physical Education
McGill University
Montreal, Quebec, Canada
H2W 1S4
e-mail: PEARSALL@education.McGill.Ca
************************************************** *************************************There
are a lot of modalities available to help you, ranging from X-ray,
MRI, goniometer measurement of surface landmarks, Polhemus telemetry
devices, reflective markers that are placed on surface landmarks, even
light holography techniques. I'm sure that you will find lots of
different studies and techniques.
Once the technique is implemented, you will end up with kinematic
data to analyze. I worked on one such study to see what kinds of errors
are associated with x-ray determination of spinal motion. Although this
is not immediately of interest to you, it might provide some background.

1. Panjabi M; Chang D; Dvorak J.
An analysis of errors in kinematic parameters associated with in
functional radiographs.
Spine, 1992 Feb, 17(2):200-5.

e-mail: Douglas Chang
************************************************** *************************************Er
zijn verschillende methoden, maar degene die ik ken zijn eigenlijk geen
van alle echt goed. Wij hebben wel eens iets geprobeerd met 'palpatie',
aanbrengen van markers ook geloof ik, en eigenlijk de beste resultaten
hebben we gekregen met een systeem dat bij de univ. van Muenster is
ontwikkeld. Het principe is dat evenwijdige lichtstrepen op de rug van
staande persoon worden geprojekteerd, door een projektor welke zich
en boven de persoon bevindt. Met een recht achter de persoon geplaatste
camera wordt dan een opname gemaakt, waarop de op de rug geprojekteerde
strepen dus als gekromde lijnen te zien zijn. Met behulp van de
positie-gegevens van projektor en camera kun je vervolgens uit de 2-D
krommen 3-D krommen reconstrueren. De Duitsers hebben hier een
rekenprogramma bij ontwikkeld dat ten eerste berekend waar de toppen van
processi-spinosus zich hebben bevonden. Vervolgens schatten ze hieruit
de wervellichamen zich hebben bevonden (dit is nogal een natte-vinger
gebruikmakend van een soort vuistregels). Vervolgens geven ze een
benadering van de scoliotische kromme welke de patient heeft. De
betreffende onderzoekers welke e.e.a. ontwikkeld hebben zijn Dr.
Drerup en Dr. Eberhard Hierholzer. Ze hebben er geloof ik wel wat over
gepubliceerd, en het totale systeem is commercieel verkrijgbaar. Het
meetprincipe lijkt me voor een liggende patient wel toepasbaar, alleen
het niet meevallen uit de meetgegevens een goede schatting avn de stand
positie van de wervels te reconstrueren.
Betreffende het ultrasound meten is er natuurlijk het probleem van de
reflectie welke van de huid terugkomt. Als het om proefpersonen gaat en
niet om patienten zou je misschien de persoon in een iets schuin
perspex bak met water kunnen leggen (schuin in die zin dat het hoofd
hoger is dan de romp). De wervels zouden dan onder water moeten zijn.
beinvloedt ongetwijfeld de stand van de wervelkolom, maar ja, iets is
dan niets?. De transducer kan dan buiten langs de perspex wand worden
bewogen (pasta ertussen), en als de snelle reflecties van de wand worden
weggefilterd (gewoonlijk worden deze sowieso weggefilterd omdat anders
huid-reflecties het signaal verstoren) moet je de omtrek van het onder
water liggende deel van de romp kunnen zien. Het testen van
transducer-koppen met een fantoom bestaande uit een perspex bak met
met voorwerpen (bv. draden) is in ieder geval een bekende methode.
Misschien wordt er zelfs wel iets van het bot zelf zichtbaar? Je zou de
transducer langs een geleiding kunnen laten lopen zodat je gelijk een
positie-referentie hebt.

- A system has been developed at the university of Muenster. A grid is
projected onto a person’s back. A camera takes an image of these
projected lines that are seen as curves on someone’s back. You can
reconstruct the 3D curves from the 2D curves by knowing the position of
camera and projector. They also have a program that calculates the
positions of the spinous processes. Knowing these positions you can
estimate the locations of the vertebral bodies. The researcher’s names
are Dr. Burkhard Drerup and Dr. Eberhard Hierholzer (Unfortunately, we
were not able to find their e-mail addresses. We do not think they still
work at that institution. Please let us know if you can find them.)
- The problem with ultrasound is the hard skin-reflection. You can put
the person in a perspex casing filled with water. You can then simply
move the transducer along the casing with an XY positioner.

Edsko Hekman
Vakgroep Biomedische Werktuigbouw
Universiteit Twente
Postbus 217 tel. 053-4893173
7500AE Enschede fax. 053-4893471

e-mail e.e.g.hekman@wb.utwente.nl
************************************************** *************************************
Check the work of Drerup and Hierzholzer. They have published a
series of papers:
J Biomechanics 20(10), pp961-970
J Biomechanics 15(5), 379-390
J Biomechanics 25(11), 1357-1362
Clinical Biomechanics 9, 28-36

and follow their references.

Also you may want to send a mail to Dr Peter Dangerfield
(spine92liv.ac.uk) University of Liverpool, as we have done some work
on that in the past with scoliotic patients.

e-mail :sctgg1@staffs.ac.uk
************************************************** **************************************
Je zou de beweging van de wervelkolom kunnen registreren met 2
video-camera's, dan framegrabben en dan digitaliseren; dit (met 1
camera) deden wij onlangs bij 750 proefpersonen die een reikenvelop op
een whiteboard tekenden. Het is niet zo bewerkelijk of duur bij weinig
proefpersonen en weinig punten.
Je zou ook een bewegingsregistratiesysteem als de OPTOTRAK kunnen
gebruiken, waarbij IRED's (Infrared emitting diodes) op het lichaam
geplakt zijn en twee camera's zorgen voor x,y en z coordinaten bij een
gekozen samplefrequentie. Bij ons is de OPTOTRAK bij de promotie van
Guus van Vaart en bij Jozina de Graaf gebruikt.
Dit vergt veel voorbereiding, wat programmeerwerk en is bij weinig
proefpersonen een heel mooi systeem.
Je zou ook het Noldus-systeem wellicht kunnen gebruiken; kijk eens op
Wist je dat sommige antropometrische maten van mensen liggend tot 9%
langer kunnen zijn dan staand; dat staat in mijn boek 'Op maat gemaakt'
Delftse Universitaire Pers 1994
met groet
Johan Molenbroek

You can image the movement of the spine with 2 cameras, framegrabbing
and digitizing the images.
You can also use a movement registration system, called the OPTOTRAK,
where infrared emitting diodes are taped on the body and 2 cameras
determining the x,y and z coordinates by a chosen sample frequency.
You can also use the noldus system, have a look at www.noldus.com .

Johan Molenbroek, PhD
Associate Professor Engineering Anthropometry
Acting Chair Subdepartment Physical Ergonomics
Faculty Design Engineering and Production
Delft University of Technology
Jaffalaan 9 2628 BX Delft The Netherlands
tel +31 15 278 3086 fax +31 15 278 7179/7316
e-mail j.f.m.molenbroek@io.tudelft.nl
************************************************** *************************************
Avant d'utilisé les Moirés, vous devriez vous intéresser à une technique
basée sur l'acquisition d'image par système vidéo. Il y a une technique
exposée dans un mémoire à l'École polytechnique de Montréal qui vous
permettra d'obtenir une sorte d'hologramme numérique de la surface
du dos. Le mémoire explique la procédure pour obtenir un hologramme
que la mathématique pour effectuer le développement de cet hologramme en
coordonnées tridimensionnelles. Le titre de ce mémoire est : Méthode
de numérisation tridimensionnelle d'objet. Ce mémoire a été accepté en
juillet 1989 par l'école et fut écrit par moi Pierre Desjardins.

Les instruments requis consiste en un simple projecteur à diapositive et
caméra vidéo. Les problème limitatif était du niveau du calibrage, il
toutefois possible de calibrer le montage par une technique similaire à
celle utilisée pour le DLT.

L'adresse de l'école est:
École Polytechnique
C.P. 6079 Succursale Centre-Ville
Montréal, Québec
H3C 3A7

Vous pouvez référer à l'une des personnes suivantes:
André Bazergui
Roman Baldur
Robert Guardo
Luc Baron

L'adresse électronique est :

Pierre Desjardins Msc.A. Ing. (Engineer)
Adresse postale (postal address):
Laboratoire 6206 CEPSUM
Département Éducation Physique
Université de Montréal
Case postale 6128 Succursale Centre-ville
Montréal, Québec
Canada, H3C 3J7
Adresse civique (civic address):
Laboratoire 6206 CEPSUM
Département Éducation Physique
Université de Montréal
2100 Édouard-Monpetit
Montréal, Québec
Canada, H3T 1J4
Téléphonne (phone):(514)343-6111 x4159
Télécopieur (fax):(514)343-2181
Adresse électronique (e-mail):desjpier@ere.umontreal.ca
************************************************** **************************************
Dr. Nicodemus of UTexas Medicine Branch at Galveston has done several
studies on the 3D kinematics of the spine and movements of the
vertebral bodies in vivo. His techniques are invasive - pins are put
into vertebral processes and three dimensional models used to find
the position of the vertebral body.

FOr a world (body cood system), ultrasound is a good bet. You can
have a three-dimensional locator system on your hand-held transducer
with which you are imaging the spine. You could use C-scan ultrasound
the same way, with an external locating system and modeling the
location and position of the bodies from knowledge of their lateral

Haven't done it myself, but it should be feasible....

Shreefal Mehta, Ph.D.
Assistant Professor,

Dept of Radiology -9071,
Univ of Texas Southwestern Medical Center
5323 Harry Hines Blvd.,
Dallas, TX 75235-9071

Phone: (214)-648-2397
Fax: (214)-648-7513
Email: smehta@mednet.swmed.edu

Check it out: