Indførelsen og valideringen af metoden til beregning af 3D-skoliosevinkel blev gennemført i fire trin: 1) beregning af 3D-skoliosevinklen på grundlag af computertomografi (CT); 2) beregning af 3D-skoliosevinklen på grundlag af digitalt rekonstruerede røntgenbilleder (DRR); 3) sammenligning af beregningerne af 3D-skoliosevinklen: CT versus DRR’er; og 4) evaluering af reproducerbarhed og pålidelighed af den foreslåede metode baseret på røntgenbilleder (PA og lateral).

Subjekter

Undersøgelsen omfattede 41 patienter med AIS. Denne population består af to grupper af patienter. Den første gruppe af patienter var involveret i den første del af undersøgelsen – indførelsen og valideringen af den nye metode til 3D-evaluering af skoliose.

Den første gruppe bestod af 10 patienter med AIS, der var planlagt til operation. Inklusionskriterier: AIS; tilstedeværelse af en hovedkurve: thorakal eller lumbalt; billeddannelsesmodaliteter udført under indlæggelsen: røntgenbilleder af god kvalitet af almindelig stående røntgen (PA og lateralt); og CT af thorakal og lumbalt rygsøjlen udført som en del af protokollen før operationen. Udelukkelseskriterier: anden skoliose end den idiopatiske type, manglende CT- eller PA- og laterale stående røntgenbilleder samt røntgenbilleder af dårlig kvalitet. Hver patient havde tre skoliosekurver i den thorakolumbale region, hvilket gav CT-data for 30 skoliosekurver. Karakteriseringen af den første gruppe af patienter var som følger: gennemsnitsalder på 14 år (interval: fra 10 til 17), gennemsnitlig kropsvægt på 45,2 kg (interval: fra 28,0 til 65,0), gennemsnitlig BMI på 17,9 (interval: fra 14,8 til 22,5), gennemsnitlig skoliosekurve 52° (interval: fra 11° til 130°) og gennemsnitlig hovedkurve 75° (interval: fra 51° til 130°).

Den anden gruppe af patienter bestod af 31 patienter med AIS. Den anden gruppe blev inddraget i evalueringen af reproducerbarheden og pålideligheden af den foreslåede nye måling. Inklusions- og eksklusionskriterierne var de samme som for den førnævnte første gruppe af patienter med undtagelse af CT-data af rygsøjlen. Hver patient havde mindst to skoliosekurver i den thorakolumbale region: en hovedkurve og en sekundær kurve, hvilket giver 62 skoliosekurver. Karakteriseringen af den anden gruppe af patienter var som følger: gennemsnitsalder på 15 år (interval: fra 10 til 17), gennemsnitlig kropsvægt på 54,9 kg (interval: fra 26,5 til 97,6), gennemsnitlig BMI på 20,0 (interval: fra 14,4 til 32,1), gennemsnitlig thorakal skoliosekurve på 65.6° (interval: fra 42,8° til 100,7°), gennemsnitlig lumbalkurve eller thoracolumbalkurve på 44,2° (interval: fra 22,7° til 80,4°) og gennemsnitlig skoliosekskurve (thorakal, thoracolumbalt eller lumbalt) på 54,9° (interval: fra 22,7° til 100,7°). Størrelsen af skoliose blev målt med Cobb-metoden.

Der blev analyseret CT-scanninger af 30 skoliosekurver fra patienter med AIS. CT-skanningerne blev ikke udført med henblik på undersøgelsen, men som en del af den præoperative protokol. CT-skanningerne blev analyseret retrospektivt med accept fra det lokale Institutional Review Board. CT-skanningerne blev foretaget i rygliggende stilling med Siemens Emotion 16-rækkers multidetektor-computertomografen med 16 rækker Siemens Emotion. Data blev gemt i filer i DICOM-format (Digital Imaging and Communications in Medicine).

Stående røntgenbilleder (PA og lateralt) af hele rygsøjlen blev indhentet fra en afstand på 2 m. Røntgenbillederne blev registreret i digital version i DICOM-filer.

Beregning af 3D-skoliosevinklen baseret på CT-scanninger

Som det første skridt blev patienternes CT-scanninger analyseret. 3D-skoliosevinklen blev beregnet på grundlag af koordinaterne af tre punkter beliggende på det plan (π1), der er parallelt med den øverste endeplade af den øverste endehvirvel, og på koordinaterne af tre punkter beliggende på det plan (π2), der er parallelt med den nederste endeplade af den nederste endehvirvel af skoliosekurven (fig. 1). CT-scanningerne af rygsøjlen blev analyseret med DeVide-softwaren (The Delft University of Technology, Nederlandene). Softwaren visualiserede rygsøjlen i tre planer, der krydsede hinanden. Vinklene mellem disse planer kunne justeres manuelt. Det aksiale plan blev opstillet på en sådan måde, at det var parallelt med den øverste endeplade af den øverste endehvirvel. Koordinaterne for tre vilkårlige punkter, der lå i dette plan, blev gemt. Dernæst blev det aksiale plan indstillet på en sådan måde, at det var parallelt med den nederste endeplade af de nederste hvirvler. Koordinaterne for tre vilkårlige punkter, der ligger i dette plan, blev gemt. På denne måde blev de tre punkter, der ligger på hver endeplade, defineret. Disse punkter blev brugt til at beregne vinklen mellem de planer, som de lå i.

Tripelpunktsmetode til vurdering af vinklen mellem de øvre og nedre endeplader i skoliosekskurven baseret på computertomografiske scanninger. Det blå plan er parallelt med den øverste endeplade af den øverste endehvirvel. Det grønne plan er parallelt med den nederste endeplade af den nederste endehvirvel. Vinklen mellem de skærende (plettede) linjer er en vinkel mellem de nævnte planer (3D-skoliosevinkel)

Beregning af skoliosevinklen på grundlag af digitalt rekonstruerede røntgenbilleder (DRR)

DRRR blev designet ud fra CT-skanningerne ved hjælp af den teknik, der er offentliggjort af vores hold . Først blev CT DICOM-billederne konverteret til PNG-filformat. Der blev oprettet et 3D-array af de gråskalaværdier, der blev modtaget fra CT-billederne. Herefter blev der beregnet en middelværdi for hver x-, y- og z-retning. Resultaterne blev gemt i 2D-arrays, der repræsenterer tre planer: koronalt, lateralt og aksialt. 2D-arraysene blev anvendt til yderligere beregninger. Signifikansgrænserne for hver række og kolonne blev beregnet med henblik på at skabe endelige DRR’er. Derefter blev det globale koordinatsystem bestemt, og resultaterne blev konverteret til DICOM-filformat, så der kunne foretages yderligere målinger . En skematisk præsentation af fremstillingen af DRR’er fra CT-scanninger er vist i fig. 2.

Skematisk præsentation af fremstillingen af digitalt rekonstruerede røntgenbilleder fra computertomografiske scanninger

Vinklen mellem endepladerne blev målt som en dihedralvinkel. Den dihedrale vinkel er vinklen mellem to skærende planer . De øvre og nedre endeplader blev tilnærmet ved hjælp af to planer i et tredimensionelt rum. For at måle vinklerne mellem planerne blev der bestemt normalvektorer (vinkelrette vektorer) af en enhedslængde for de respektive planer. Vinklen mellem normalvektorerne inden for det plan, der dækkes af disse vektorer, blev målt. Der blev målt fire vinkler på PA og laterale DRR’er (fire-angle-metode til beregning af 3D-skoliosevinkel) (fig. 3):

Firevinkelmetode til vurdering af vinklen mellem de øvre og nedre endeplader i skoliosekurven baseret på to røntgenscanninger: posteriort-anterior og lateralt

α1- vinklen mellem linjen parallel til den øverste endeplade af den øverste endehvirvel og den tværgående linje målt i det koronale plan

α2- vinklen mellem linjen parallel til den nederste endeplade af den nederste-endehvirvel og den tværgående linje målt i det koronale plan

β1- vinklen mellem linjen parallelt med den øverste endeplade af den øverste endehvirvel og den tværgående linje målt i det sagittale plan

β2- vinklen mellem linjen parallelt med den nederste endeplade af den nederste endehvirvel og den tværgående linje i det sagittale plan.

Disse vinkler blev brugt til at beregne vinklen mellem endepladerne (1 og 2) ved hjælp af følgende matematiske formel:

Define

Sammenligning af resultaterne af 3D-skoliosevinkelberegninger: CT versus DRR

Resultaterne af målingerne af 3D-skoliosevinklen baseret på CT-scanninger og DRR’er blev testet med parrede Student’s t-tests. Et p-niveau på 0,05 blev betragtet som signifikant. Styrken af t-testen blev sat til 0,95.

Sammenligning af resultaterne af 3D-skoliosevinkelberegninger og Cobb-vinkelmålinger baseret på røntgenbilleder

Den 3D-skoliosevinkel blev beregnet på baggrund af to røntgenbilleder, PA og lateralt, med den ovenfor beskrevne firevinkelmetode. Cobb-vinklen blev målt på PA-røntgenbilledet. Resultaterne af 3D-skoliosevinkelberegningerne og Cobb-vinkelmålingerne blev testet med den parrede Student’s t-test.

Pålideligheden og reproducerbarheden af 3D-skoliosevinkelmålingerne blev testet ved brug af PA- og laterale røntgenbilleder af 31 patienter, hvilket gav i alt 62 kurver. Der blev anvendt data fra anonyme røntgenbilleder, og de blev vurderet af to uafhængige observatører: en rygkirurg og en læge i ortopædkirurgi på femte år af sit praktikophold. Den første observatør foretog målingerne én gang, og den anden observatør foretog målingerne to gange med to ugers mellemrum mellem målingerne. Målingernes reproducerbarhed og pålidelighed blev testet med intraclass korrelationskoefficienten (ICC).

CT-scanningerne, DRR’erne og røntgenbillederne blev anonymiseret og præsenteret for læserne i tilfældig rækkefølge.

Statistisk analyse

Dataene blev analyseret ved hjælp af Statistica (StatSoft) og Microsoft Office Excel (2018 Microsoft). Normalfordelingen af data blev testet ved hjælp af Shapiro-Wilk-test. Parrede Student’s t-tests blev anvendt til at teste forskellene for de kontinuerlige data. Et p-niveau på 0,05 blev anset for at være signifikant. Styrken af t-testen blev fastsat til 0,95. Intraobserver-reproducerbarheden og intraobserver-pålideligheden blev testet med ICC. For at anslå den stikprøvestørrelse, der er nødvendig for at teste målingernes intraobserver-reproducerbarhed og intraobserver-pålidelighed, behandlede vi en ICC-værdi på over 0,7 (med et 95 % konfidensinterval på 0,55-0,85) som acceptabel reproducerbarhed for forskningsværktøjet . Det mindste antal forsøgspersoner til at teste overensstemmelsen, intraobserver-reproducerbarheden og interobserver- pålideligheden var 44 . Antallet af 62 skoliosekurver var tilstrækkeligt til ICC-beregning.