Zavedení a ověření metody pro výpočet 3D úhlu skoliózy proběhlo ve čtyřech krocích: 1) výpočet 3D úhlu skoliózy na základě počítačové tomografie (CT); 2) výpočet 3D úhlu skoliózy na základě digitálně rekonstruovaných rentgenových snímků (DRR); 3) porovnání výpočtů 3D úhlu skoliózy: CT versus DRRs; a 4) vyhodnocení reprodukovatelnosti a spolehlivosti navržené metody založené na rentgenových snímcích (PA a laterálních).

Subjekty

Studie se zúčastnilo 41 pacientů s AIS. Tento soubor se skládá ze dvou skupin pacientů. První skupina pacientů byla zapojena do první části studie – zavedení a ověření nové metody 3D hodnocení skoliózy.

První skupinu tvořilo 10 pacientů s AIS plánovaných k operaci. Kritéria pro zařazení: AIS; přítomnost hlavní křivky: hrudní nebo bederní; zobrazovací metody provedené během hospitalizace: kvalitní prosté rentgenové snímky (PA a boční); a CT hrudní a bederní páteře provedené jako součást předoperačního protokolu. Vylučovací kritéria: skolióza jiného než idiopatického typu, nedostatek CT nebo PA a bočních rentgenových snímků ve stoje a nekvalitní rentgenové snímky. Každý pacient měl tři skoliotické křivky v torakolumbální oblasti, čímž vznikly CT údaje o 30 skoliotických křivkách. Charakteristika první skupiny pacientů byla následující: průměrný věk 14 let (rozmezí: od 10 do 17 let), průměrná tělesná hmotnost 45,2 kg (rozmezí: od 28,0 do 65,0), průměrný BMI 17,9 (rozmezí: od 14,8 do 22,5), průměrná skoliotická křivka 52° (rozmezí: od 11° do 130°) a průměrná hlavní křivka 75° (rozmezí: od 51° do 130°).

Druhou skupinu pacientů tvořilo 31 pacientů s AIS. Druhá skupina se podílela na hodnocení reprodukovatelnosti a spolehlivosti navrhovaného nového měření. Zařazovací a vyřazovací kritéria byla stejná jako u výše uvedené první skupiny pacientů s vyloučením CT dat páteře. Každý pacient měl nejméně dvě skoliotické křivky v torakolumbální oblasti: hlavní křivku a vedlejší křivku, což dává dohromady 62 skoliotických křivek. Charakteristika druhé skupiny pacientů byla následující: průměrný věk 15 let (rozmezí: od 10 do 17 let), průměrná tělesná hmotnost 54,9 kg (rozmezí: od 26,5 do 97,6), průměrný BMI 20,0 (rozmezí: od 14,4 do 32,1), průměrná skoliotická křivka v hrudní části 65 let.6° (rozmezí: od 42,8° do 100,7°), průměrná bederní nebo torakolumbální křivka 44,2° (rozmezí: od 22,7° do 80,4°) a průměrná skoliotická křivka (hrudní, torakolumbální nebo bederní) 54,9° (rozmezí: od 22,7° do 100,7°). Velikost skoliózy byla měřena Cobbovou metodou.

Byly analyzovány CT snímky třiceti skoliotických křivek pacientů s AIS. CT snímky nebyly provedeny za účelem studie, ale jako součást předoperačního protokolu. CT skeny byly analyzovány retrospektivně se souhlasem místní institucionální revizní komise. CT snímky byly pořízeny v poloze vleže na zádech pomocí 16řádkového multidetektorového počítačového tomografu Siemens Emotion. Data byla uložena do souborů ve formátu DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine).

Stojící rentgenové snímky (PA a laterální) celé páteře byly pořízeny ze vzdálenosti 2 m. Rentgenogramy byly zaznamenány v digitální verzi do souborů DICOM.

Výpočet 3D úhlu skoliózy na základě CT snímků

V prvním kroku byly analyzovány CT snímky pacientů. 3D úhel skoliózy byl vypočítán na základě souřadnic tří bodů umístěných v rovině (π1) rovnoběžné s horní koncovou deskou horního koncového obratle a na základě souřadnic tří bodů umístěných v rovině (π2) rovnoběžné s dolní koncovou deskou dolního koncového obratle skoliotické křivky (obr. 1). CT snímky páteře byly analyzovány pomocí softwaru DeVide (The Delft University of Technology, Nizozemsko). Software vizualizoval páteř ve třech rovinách, které se vzájemně protínaly. Úhly mezi těmito rovinami bylo možné ručně upravit. Axiální rovina byla nastavena tak, aby byla rovnoběžná s horní koncovou deskou horního koncového obratle. Byly uloženy souřadnice tří diskrétních bodů ležících v této rovině. Dále byla axiální rovina nastavena tak, aby byla rovnoběžná s dolní koncovou deskou dolního obratle. Byly uloženy souřadnice tří diskrétních bodů ležících v této rovině. Tímto způsobem byly definovány tři body ležící na každé koncové ploténce. Tyto body byly použity k výpočtu úhlu mezi rovinami, v nichž se nacházely.

Tříbodová metoda hodnocení úhlu mezi horní a dolní koncovou deskou skoliotické křivky na základě snímků počítačové tomografie. Modrá rovina je rovnoběžná s horní koncovou ploténkou horního koncového obratle. Zelená rovina je rovnoběžná s dolní koncovou deskou dolního obratle. Úhel mezi protínajícími se (tečkovanými) čarami je úhel mezi uvedenými rovinami (3D-úhel skoliózy)

Výpočet úhlu skoliózy na základě digitálně rekonstruovaných rentgenových snímků (DRR)

DRR byly navrženy z CT snímků pomocí techniky publikované naším týmem . Nejprve byly snímky CT DICOM převedeny do formátu PNG. Byla vytvořena 3D matice hodnot stupňů šedi získaných ze snímků CT. Poté byla vypočtena průměrná hodnota pro každý směr x, y a z. Výsledky byly uloženy do 2D polí představujících tři roviny: koronální, laterální a axiální. Tato 2D pole byla použita pro další výpočty. Byly vypočteny hranice významnosti pro každý řádek a sloupec s cílem vytvořit konečné DRR. Poté byl určen globální souřadnicový systém a výsledky byly převedeny do formátu souboru DICOM, což umožnilo další měření . Schematické znázornění tvorby DRR z CT skenů je uvedeno na obr. 2.

Schematické znázornění tvorby digitálně rekonstruovaných rentgenových snímků z počítačových tomografických skenů

Úhel mezi koncovými deskami byl měřen jako dihedrální úhel. Difedrální úhel je úhel mezi dvěma protínajícími se rovinami . Horní a dolní koncová deska byly aproximovány dvěma rovinami v trojrozměrném prostoru. Pro měření úhlů mezi rovinami byly určeny normálové (kolmé) vektory příslušných rovin o jednotkové délce. Byl změřen úhel mezi normálovými vektory v rovině, kterou tyto vektory svírají. Na PA a bočních DRR byly změřeny čtyři úhly (metoda čtyř úhlů pro výpočet úhlu 3D skoliózy) (obr. 3):

Metoda čtyř úhlů pro vyhodnocení úhlu mezi horní a dolní koncovou deskou skoliotické křivky na základě dvou rentgenových snímků: zadně-přední a boční

α1- úhel mezi přímkou rovnoběžnou s horní koncovou ploténkou horního koncového obratle a příčnou linií měřenou v koronální rovině

α2- úhel mezi přímkou rovnoběžnou s dolní koncovou ploténkou dolníhokoncového obratle a příčnou přímkou měřenou v koronální rovině

β1- úhel mezi přímkou rovnoběžnou s horní koncovou deskou horního koncového obratle a příčnou přímkou měřenou v sagitální rovině

β2- úhel mezi přímkou rovnoběžnou s dolní koncovou deskou dolního koncového obratle a příčnou přímkou v sagitální rovině.

Tyto úhly byly použity k výpočtu úhlu mezi koncovými deskami (1 a 2) pomocí následujícího matematického vzorce:

Define

Porovnání výsledků 3D výpočtů úhlu skoliózy: CT versus DRR

Výsledky měření 3D úhlu skoliózy na základě CT snímků a DRR byly testovány párovým Studentovým t-testem. Hladina p 0,05 byla považována za signifikantní. Síla t-testu byla stanovena na 0,95.

Srovnání výsledků výpočtu úhlu 3D skoliózy a měření Cobbova úhlu na základě rentgenových snímků

Úhel 3D skoliózy byl vypočítán na základě dvou rentgenových snímků, PA a bočního, výše popsanou metodou čtyř úhlů. Cobbův úhel byl změřen na rentgenovém snímku PA. Výsledky výpočtu úhlu 3D skoliózy a měření Cobbova úhlu byly testovány párovým Studentovým t-testem.

Spolehlivost a reprodukovatelnost měření úhlu 3D skoliózy byla testována pomocí PA a bočních rentgenových snímků 31 pacientů, čímž bylo získáno celkem 62 křivek. Byly použity údaje z anonymních rentgenových snímků, které hodnotili dva nezávislí pozorovatelé: páteřní chirurg a rezident v oboru ortopedie v pátém ročníku rezidentury. První pozorovatel provedl měření jednou a druhý pozorovatel provedl měření dvakrát s dvoutýdenním odstupem mezi měřeními. Reprodukovatelnost a spolehlivost měření byla testována pomocí intraklasického korelačního koeficientu (ICC).

Snímky CT, DRR a rentgenové snímky byly anonymizovány a předloženy čtenářům v náhodném pořadí.

Statistická analýza

Údaje byly analyzovány pomocí programu Statistica (StatSoft) a Microsoft Office Excel (2018 Microsoft). Normální rozdělení dat bylo testováno pomocí Shapiro-Wilkova testu. Pro testování rozdílů u spojitých dat byly použity párové Studentovy t-testy. Hladina p 0,05 byla považována za významnou. Síla t testu byla stanovena na 0,95. Interobserverová reprodukovatelnost a intraobserverová spolehlivost byly testovány pomocí ICC. Pro odhad velikosti vzorku potřebného k testování reprodukovatelnosti a spolehlivosti měření uvnitř pozorovatele jsme považovali hodnotu ICC vyšší než 0,7 (s 95% intervalem spolehlivosti 0,55-0,85) za přijatelnou reprodukovatelnost výzkumného nástroje . Minimální počet subjektů pro testování shody, reprodukovatelnosti uvnitř pozorovatele a spolehlivosti mezi pozorovateli byl 44 . Počet 62 skoliotických křivek byl dostatečný pro výpočet ICC.

.