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Three-dimensional reconstruction of the hand from biplanar X-rays: Assessment of accuracy and reliability - 30/09/23

Doi : 10.1016/j.otsr.2022.103403 
François Loisel a, b, , Stan Durand b, Jean-Noël Goubier c, Xavier Bonnet b, Philippe Rouch b, Wafa Skalli b
a Orthopaedics, traumatology, plastic & reconstructive surgery unit, Hand surgery Unit, University Hospital J. Minjoz, Besançon, France 
b Institute of Human Biomechanics G. Charpak, National School of Arts and Crafts, Paris, France 
c Institute of Brachial Plexus and Nerve Surgery, 92, boulevard de Courcelles 75017 Paris, France 

*Corresponding author. Service de chirurgie orthopédique, traumatologique, plastique et reconstructrice, SOS mains, Centre Hospitalier Universitaire J. Minjoz, 3, boulevard A.-Fleming, 25000 Besançon, France.Service de chirurgie orthopédique, traumatologique, plastique et reconstructrice, SOS mains, Centre Hospitalier Universitaire J. Minjoz3, boulevard A.-FlemingBesançon25000France

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Abstract

Background

Functional disorders of the hand are generally investigated first using conventional radiographic imaging. However, X-rays (two-dimensional (2D)) provide limited information and the information may be reduced by overlapping bones and projection bias. This work presents a three-dimensional (3D) hand reconstruction method from biplanar X-rays.

Method

This approach consists of the deformation of a generic hand model on biplanar X-rays by manual and automatic processes. The reference examination being the manual CT segmentation, the precision of the method was evaluated by a comparison between the reconstructions from biplanar X-rays and the corresponding reconstructions from the CT scan (0.3mm section thickness). To assess the reproducibility of the method, 6 healthy hands (6 subjects, 3 left, 3 men) were considered. Two operators repeated each reconstruction from biplanar X-rays three times to study inter- and intra-operator variability. Three anatomical parameters that could be calculated automatically from the reconstructions were considered from the bone surfaces: the length of the scaphoid, the depth of the distal end of the radius and the height of the trapezius.

Results

Double the root mean square error (2 Root Mean Square, 2RMS) at the point/area difference between biplanar X-rays and computed tomography reconstructions ranged from 0.46mm for the distal phalanges to 1.55mm for the bones of the distal carpals. The inter-intra-observer variability showed precision with a 95% confidence interval of less than 1.32mm for the anatomical parameters, and 2.12mm for the bone centroids.

Discussion

The current method allows to obtain an accurate 3D reconstruction of the hand and wrist compared to the traditional segmented CT scan. By improving the automation of the method, objective information about the position of the bones in space could be obtained quickly. The value of this method lies in the early diagnosis of certain ligament pathologies (carpal instability) and it also has implications for surgical planning and personalized finite element modeling.

Level of proof

Basic sciences.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Biplanar X-rays, Hand, 3D reconstruction, Reliability, Finite element modeling


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Vol 109 - N° 6

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