통계적 형상 분석을 이용한 대퇴골의 파라메트릭 형상 모델링

Abstract

인체 골격의 모델생성과 형상변동을 파악하는 것은 생체역학의 응용분야에서 중요한 부분을 차지한다. 본 논문에서는 3 차원 대퇴골 모델의 데이터베이스로부터 대퇴골의 형상변동을 통계적으로 분석하고, 추출된 주요 파라미터를 사용하여 대퇴골의 형상을 직관적으로 모델링 할 수 있는 방법을 제안한다. 이를 위해서 먼저 통계적 기법 중에 하나인 주성분 분석(PCA)을 이용하여 대퇴골의 형상변동을 파악하였다. 주성분 분석을 수행하기 위해서는 3 차원 대퇴골 모델 간에 토폴로지(Topology)의 일치가 필요하다. 따라서 대퇴골의 형상에 해부학적 기준점(Landmark)을 정의하여 템플릿 모델이 대상 대퇴골 모델로 변형되기 위한 방향을 결정한 후 곡면 피팅(Surface fitting)을 수행하였다. 다음으로 주성분 분석을 통해 도출된 주성분과 대퇴골의 형상을 대표할 수 있는 해부학적 파라미터와의 상관관계를 정의하였다. 마지막으로 해부학적 파라미터로 대퇴골 모델의 생성 및 형상변동을 가시화 할 수 있는 프로그램을 개발하였다.Creation of a human skeleton model and characterization of the variation in the bone shape are fundamentally important in many applications of biomechanics. In this paper, we present a parametric shape modeling method for femurs that is based on extracting the main parameter of variations of the femur shape from a 3D model database by using statistical shape analysis. For this shape analysis, principal component analysis (PCA) is used. Application of the PCA to 3D data requires bringing all the models in correspondence to each other. For this reason, anatomical landmarks are used for guiding the deformation of the template model to fit the 3D model data. After subsequent application of PCA to a set of femur models, we calculate the correlation between the dominant components of shape variability for a target population and the anatomical parameters of the femur shape. Finally, we provide tools for visualizing and creating the femur shape using the main parameter of femur shape variation.