Computational and mathematical modeling of medical images : advanced methods and applications in translational myology and surgical planning

Abstract

The growing field of translational myology continually seeks to define and promote the generalizability of muscle research to clinical practice via optimizing the transition of a wide variety of investigative muscle assessment modalities. There are distinct challenges in all facets of this research, but understanding the physiological importance of mobility currently presents a strategic priority. The severe physiological consequences from the loss of mobility are experienced by all of us: whether induced by normative ambulatory challenges as we age or as sequela of lower extremity pathology. Indeed, a growing wealth of literature clearly implicates mobility loss with a plethora of comorbidities, leading to an increasingly deleterious quality of life and ultimately resulting in early mortality. The loss of mobility is concomitantly evidenced by the progressive decline of skeletal muscle size and quality – phenomena which altogether define muscle degeneration. Nonetheless, complete etiological definitions and methodological comparisons for the precise, non-invasive quantification of muscle degeneration remains disparately described in literature. This thesis focuses on the development, application, and assessment of novel methods in computational and mathematical modeling of medical images to quantify muscle degeneration and optimize our understanding of two mobility-restorative procedures: Functional Electrical Stimulation and Total Hip Arthroplasty. Additional impacts of these methods are further explored in defining multimodal metrics for mobility analysis, characterizing the utility of 3D printing for surgical planning, modeling craniofacial electromyography, and computing pre-surgical periprosthetic fracture risk. Results from these investigations altogether present the efficacies and limitations of available image processing modalities, and introduce novel methodologies, such as nonlinear trimodal regression analysis of radiodensitometric distributions and computational interference fitting for periprosthetic femoral fracture analysis. Such analyses and perspectives are herein presented in both a theoretical and practical context. Standardizing computational modeling methodologies for medical image assessment in these contexts would allow for the generalizability of such research to the indication of respective compensatory targets for clinical intervention.

Vöðvafræði er vaxandi svið sem sækist að því að skilgreina og upphefja rannsóknir á vöðvakerfinu svo hægt sè að nýta þekkinguna í klínísku umhverfi. Þessu er náð fram með því að nýta þær rannsóknaraðferðir við höfum nú þegar, til hins ýtrasta. Það eru fjölbreytilegar áskoranir og erfiðleikar framundan en það má ekki aftra okkur. Mikilvægi þess að skilja þörf líkamans fyrir hreyfingu er mikið forgangsatriði. Við höfum öll orðið vitni að því hvað gerist við fólk þegar hreyfigetan hverfur, hvort sem það er ellin sem kippir undan okkur eða afleiðingar sjúkdóma, þá benda rannsóknir til þess að takmarkanir á hreyfigetu dragi verulega úr lífsgæðum fólks og stuðlað að hærri dánartíðni. Minnkuð hreyfigeta er bókfærð með mælingum á stærð og gæðum beinagrindarvöðva - Hlutir sem skilgreina vöðvarýrnun. Engu að síður eru læknisfræðilegar skilgreiningar og óáreitandi aðferðum við öflun gagna ekki einhvað sem er vanalega lýst í greinargerðum. Þessi ritgerð einblínir á þróun, nýtingu og mat á nýjum aðferðum sem hægt er að nota við öflun gagna og nýtingu þeirra við þær tvær aðferðir sem við höfum til að hjálpa fólki með minnkaða hreyfigetu: rafstuðsmeðferð og gerfiliðaraðgerð á mjöðm. Áframhaldandi afleiðingar þessara aðferða er kannað enn frekar í: skilgreiningar á fjölþátta tölfræði greiningu á hreyfanleika, skilgreiningar á nýtingu þrívíddarprentunar við undirbúning skurðaðgerða, modeling craniofacial electromyography og tölfræðilegir útreikningar á brotlíkum beinstoðtækja fyrir aðgerð. Niðurstöður þessara aðgerða hafa leitt í ljós möguleika og hindranir tækninnar sem nú er notuð og hjálpað til við að auðga flóruna m.a. með nýstárlegum leiðum til að greina brotlíkur þegar beinagrindarstoðtækjum er komið fyrir við lærlegg sem er brotinn eða í brothættu. Að koma upp staðli fyrir aðferðir sem beitt er við módelgerð myndi flýta mikið fyrir því að þessar aðferðir finni praktísk hlutverk innan heilbrigðisstofnana.