Development of a Photogrammetric Tool for Cranial Deformation Analysis in Infants

Abstract

[ES] La fotogrametría ha demostrado un gran potencial para la obtención de mediciones precisas en diferentes campos de estudio, incluyendo la medicina. La deformación craneal es un problema con una alta prevalencia entre lactantes durante sus primeros años de vida, esta deformación puede tener diferentes causas y riesgos asociados. La causa más común de las deformaciones es posicional, este tipo de deformaciones se han asociado durante mucho tiempo a problemas únicamente estéticos. Sin embargo, diferentes autores han puesto de manifiesto la posible relación entre deformaciones posicionales y retrasos en el desarrollo. Otro tipo de deformación craneal es el causado por el cierre prematuro de algunas suturas craneales, que puede tener como consecuencia importantes riesgos para la salud de los lactantes y a menudo es corregido mediante cirugía. La detección precoz de estas deformaciones es importante para asegurar los mejores resultados futuros, ya que el cráneo es especialmente maleable durante los primeros meses de vida. La correcta monitorización de los pacientes también hace posible la evaluación de los diferentes tratamientos posibles y asegura una mejor evolución. Las metodologías actuales para la evaluación de la deformación craneal pueden dividirse en tres grupos principales: 1) Mediciones de bajo coste, realizadas con dispositivos simples como cinta métrica y calibre, o mediante un simple análisis visual; 2) Pruebas radiológicas, en concreto Tomografía Computerizada e Imagen por Resonancia Magnética, son consideradas la opción más precisa pero tienen un alto coste y son invasivas y 3) Soluciones basadas en imagen o escáneres 3D, que no son invasivas pero si tienen un alto coste y, como consecuencia, no están presentes en la práctica clínica habitual. En esta tesis doctoral se han estudiado las posibilidades de la fotogrametría como método para evaluar la deformación craneal en lactantes y se ha desarrollado una herramienta para llevarlo a cabo. La herramienta presentada es de bajo coste, objetiva y no invasiva, ya que no es necesaria la sedación de los pacientes. El mayor reto de este proyecto fue la obtención de datos con lactantes en movimiento durante una consulta médica rutinaria. En primer lugar, se utilizó cámara réflex para crear modelos 3D de la cabeza de los lactantes. La metodología generó modelos con una precisión adecuada pero la toma de datos requería largos periodos de tiempo y el montaje de diferentes dispositivos. El procesado de los datos también requería un largo periodo de tiempo al ser totalmente manual y requería de la intervención de un experto. Se han estudiado las necesidades para el desarrollo de una herramienta capaz de obtener de forma automática modelos 3D de las cabezas de lactantes en movimiento, y se ha desarrollado una herramienta innovadora. Esta herramienta consiste en un gorro codificado, que funciona junto a una aplicación móvil y guía al usuario durante la toma de datos, como consecuencia, no es necesario ningún conocimiento de fotogrametría por parte de este. Los datos son procesados en un servidor, obteniéndose el modelo y los parámetros de deformación en un tiempo aproximado de 4 minutos y con una precisión de 2 mm. Con el objetivo de hacer la herramienta útil para el personal médico, diferentes índices y parámetros de deformación se obtienen de forma automática a partir del modelo. La fotogrametría es una técnica válida para obtener datos de gran calidad y superar los retos que supone esta aplicación en concreto. Junto con el software desarrollado, la fotogrametría es la base para de una herramienta totalmente automatizada y optimizada para su uso en clínicas y hospitales. La herramienta desarrollada es altamente coste-efectiva y mejora considerablemente las opciones disponibles, ya que permite precisiones similares a soluciones complejas, pero con la ventaja de ser totalmente portable y de bajo coste.

[CA] La fotogrametria ha demostrat un gran potencial per a l'obtenció de mesuraments precises en diferents camps d'estudi, incloent la medicina. La deformació cranial és un problema amb una alta prevalença entre lactants durant els seus primers anys de vida, esta deformació pot tindre diferents causes i riscos associats. La causa més comuna de les deformacions és posicional, este tipus de deformacions s'han associat durant molt de temps a problemes únicament estètics. No obstant això, diferents autors han posat de manifest la possible relació entre deformacions posicionals i retards en el desenrotllament. Un altre tipus de deformació cranial és el causat pel tancament prematur d'algunes sutures cranials, que pot tindre com a conseqüència importants riscos per a la salut dels lactants i sovint és corregit per mitjà de cirurgia. La detecció precoç d'estes deformacions és important per a assegurar els millors resultats futurs ja que el crani és especialment mal·leable durant els primers mesos de vida. La correcta monitorització dels pacients també fa possible l'avaluació dels diferents tractaments possibles i assegura una millor evolució. Les metodologies actuals per a l'avaluació de la deformació cranial poden dividir-se en tres grups principals: 1) Mesuraments de baix cost, realitzades amb dispositius simples com a cinta mètrica i calibre, o per mitjà d'una simple anàlisi visual; 2) Proves radiològiques, en concret Tomografia Computeritzada i Imatge per Ressonància Magnètica, són considerades l'opció més precisa però tenen un alt cost i són invasives; i 3) Solucions basades en imatge o escàners 3D, que no són invasives però si tenen un alt cost i, com a conseqüència, no estan presents en la pràctica clínica habitual. En esta tesi doctoral s'han estudiat les possibilitats de la fotogrametria com a mètode per a avaluar la deformació cranial en lactants i s'ha desenrotllat una ferramenta per a dur-ho a terme. La ferramenta presentada és de baix cost, objectiva i no invasiva, ja que no és necessària la sedació dels pacients. El major repte d'este projecte va ser l'obtenció de dades amb lactants en moviment durant una consulta mèdica rutinària. En primer lloc, es va utilitzar càmera rèflex per a crear models 3D del cap dels lactants. La metodologia va generar models amb una precisió adequada però la presa de dades requeria llargs períodes de temps i el muntatge de diferents dispositius. El processat de les dades també requeria un llarg període de temps al ser totalment manual i requeria de la intervenció d'un expert. S'han estudiat les necessitats per al desenrotllament d'una ferramenta capaç d'obtindre de forma automàtica models 3D dels caps de lactants en moviment, i s'ha desenrotllat una ferramenta innovadora. Esta ferramenta consisteix en una capelina codificada, que funciona junt amb una aplicació mòbil i guia l'usuari durant la presa de dades, com a conseqüència, no cal cap coneixement de fotogrametria per part d'este. Les dades són processats en un servidor, obtenint-se el model i els paràmetres de deformació en un temps aproximat de 4 minuts i amb una precisió de 2 mm. Amb l'objectiu de fer la ferramenta útil per al personal metge, diferents índexs i paràmetres de deformació s'obtenen de forma automàtica a partir del model. La fotogrametria és una tècnica vàlida per a obtindre dades de gran qualitat i superar els reptes que suposa esta aplicació en concret. Junt amb el programari desenrotllat, la fotogrametria és la base para d'una ferramenta totalment automatitzada i optimitzada per al seu ús en clíniques i hospitals. La ferramenta desenrotllada és altament cost-efectiva i millora considerablement les opcions disponibles, ja que permet precisions semblants a solucions complexes, però amb l'avantatge de ser totalment portable i de baix cost.

[EN] Image-based and range-based solutions have great potential for accurate measurements in many different fields, including medicine. Cranial deformation is a problem with high prevalence among infants during their first months of life. Cranial deformation has different causes and associated risks. Most common deformations have positional causes and have long been considered to cause aesthetical problems only. Nowadays, authors are pointing at these deformations as a possible indicator of future developmental delays. Another type of cranial deformation is caused by the early closing of cranial sutures, that can lead to important health risks and is usually corrected by surgery. Early detection of the deformation leads to better development prospects, as cranium is especially malleable during the first months of life. Good monitoring also provides better data for evaluation of the different correction procedures, improving the outcome of the patients over time. Cranial deformation evaluation methodologies can be divided into three mean groups: 1) Low-cost measurements carried out by simple tools such as calliper and measuring tape and even visual assessment; 2) Radiological tests (Computed Tomography (CT) and Magnetic Resonance Imaging (MRI)), considered the gold standard, but costly and highly invasive; and 3) Image-based and range-based commercial solutions, non-invasive but too costly to be implemented as part of the clinical routine in many hospitals and clinics. In this doctoral thesis, the possibilities of photogrammetry as a method for cranial deformation assessment has been studied and a novel tool has been developed. The tool was required to be low-cost, objective and non-invasive, so no sedation would be required. The main challenge of the project was dealing with the movement of the infants during the consultation. In the first place, single-lens reflex (SLR) cameras were used to obtain head models of the patients. The methodology provided the required accuracy but the data acquisition was time-consuming and required an important setup. The data processing was also time-consuming, being totally manual and requiring expert users. The necessities to automatically obtain accurate 3D models from moving infants were studied and a novel tool was developed. The developed tool consists of a coded cap that works together with a smartphone app to guide the user during the data acquisition. Therefore, no expertise is required for data acquisition. The data is later processed on a server and the model and deformation parameters are made available to the user in less than 4 minutes with an accuracy of 2 mm. In order to make the model valuable for doctors, automatic measurements and deformation indexes are extracted from the model. Photogrammetry is a suitable technique to obtain high quality data and overcome the limitations. Together with ad-hoc developed software, it is the base of a fully automatic tool that is optimised for its use in clinics and hospitals. The developed tool is considered highly cost-effective and an important improvement as it provides similar data as existing costly setups, but it is also low-cost and portable.