Der Einführungs- und Validierungsprozess der Methode zur Berechnung des 3D-Skoliose-Winkels wurde in vier Schritten durchgeführt: 1) Berechnung des 3D-Skoliose-Winkels anhand von Computertomographie (CT); 2) Berechnung des 3D-Skoliose-Winkels anhand von digital rekonstruierten Röntgenbildern (DRR); 3) Vergleich der 3D-Skoliose-Winkel-Berechnungen: CT versus DRRs; und 4) Bewertung der Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Methode anhand von Röntgenbildern (PA und lateral).

Probanden

Die Studie umfasste 41 Patienten mit AIS. Diese Population besteht aus zwei Gruppen von Patienten. Die erste Patientengruppe war am ersten Teil der Studie beteiligt – der Einführung und Validierung der neuen Methode zur 3D-Bewertung der Skoliose.

Die erste Gruppe bestand aus 10 Patienten mit AIS, bei denen eine Operation geplant war. Einschlusskriterien: AIS; Vorhandensein einer Hauptkrümmung: thorakal oder lumbal; während des Krankenhausaufenthalts durchgeführte bildgebende Verfahren: qualitativ hochwertige Röntgenaufnahmen im Stehen (PA und lateral); und CT der Brust- und Lendenwirbelsäule, die als Teil des voroperativen Protokolls durchgeführt wurden. Ausschlusskriterien: Skoliose, die nicht idiopathisch ist, fehlende CT- oder PA- und seitliche Röntgenaufnahmen im Stehen sowie Röntgenbilder von schlechter Qualität. Jeder Patient hatte drei Skoliosekurven im thorakolumbalen Bereich, was CT-Daten von 30 Skoliosekurven ergab. Die Charakterisierung der ersten Patientengruppe war wie folgt: mittleres Alter von 14 Jahren (Bereich: von 10 bis 17), mittleres Körpergewicht von 45,2 kg (Bereich: von 28,0 bis 65,0), mittlerer BMI von 17,9 (Bereich: von 14,8 bis 22,5), mittlere Skoliosekurve 52° (Bereich: von 11° bis 130°) und mittlere Hauptkurve 75° (Bereich: von 51° bis 130°).

Die zweite Gruppe der Patienten bestand aus 31 Patienten mit AIS. Die zweite Gruppe wurde in die Bewertung der Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen neuen Messung einbezogen. Die Einschluss- und Ausschlusskriterien waren die gleichen wie für die oben genannte erste Patientengruppe, mit Ausnahme der CT-Daten der Wirbelsäule. Jeder Patient wies mindestens zwei Skoliosekrümmungen im thorakolumbalen Bereich auf: eine Hauptkrümmung und eine Nebenkrümmung, was 62 Skoliosekrümmungen ergab. Die zweite Gruppe von Patienten wurde wie folgt charakterisiert: mittleres Alter von 15 Jahren (Bereich: von 10 bis 17), mittleres Körpergewicht von 54,9 kg (Bereich: von 26,5 bis 97,6), mittlerer BMI von 20,0 (Bereich: von 14,4 bis 32,1), mittlere thorakale Skoliosekrümmung von 65.6° (Bereich: von 42,8° bis 100,7°), mittlere lumbale oder thorakolumbale Kurve von 44,2° (Bereich: von 22,7° bis 80,4°) und mittlere Skoliosekurve (thorakal, thorakolumbal oder lumbal) von 54,9° (Bereich: von 22,7° bis 100,7°). Das Ausmaß der Skoliose wurde mit der Cobb-Methode gemessen.

Die CT-Scans von dreißig Skoliosekurven von Patienten mit AIS wurden analysiert. Die CT-Scans wurden nicht zum Zweck der Studie, sondern als Teil des voroperativen Protokolls durchgeführt. Die CT-Scans wurden retrospektiv mit Zustimmung des örtlichen Institutional Review Board ausgewertet. Die CT-Aufnahmen wurden in Rückenlage mit dem Siemens Emotion 16-Zeilen-Multidetektor-Computertomographen erstellt. Die Daten wurden im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) gespeichert.

Stehende Röntgenaufnahmen (PA und lateral) der gesamten Wirbelsäule wurden aus einer Entfernung von 2 m angefertigt. Die Röntgenbilder wurden in digitaler Form in DICOM-Dateien gespeichert.

Berechnung des 3D-Skoliose-Winkels anhand von CT-Aufnahmen

In einem ersten Schritt wurden die CT-Aufnahmen der Patienten analysiert. Der 3D-Skoliose-Winkel wurde anhand der Koordinaten von drei Punkten berechnet, die auf der Ebene (π1) parallel zur oberen Endplatte des oberen Endwirbels und den Koordinaten von drei Punkten auf der Ebene (π2) parallel zur unteren Endplatte des unteren Endwirbels der Skoliosekurve liegen (Abb. 1). Die CT-Aufnahmen der Wirbelsäule wurden mit der Software DeVide (The Delft University of Technology, Niederlande) ausgewertet. Die Software stellte die Wirbelsäule in drei Ebenen dar, die sich gegenseitig überschnitten. Die Winkel zwischen diesen Ebenen konnten manuell eingestellt werden. Die axiale Ebene wurde so eingestellt, dass sie parallel zur oberen Endplatte des oberen Endwirbels verlief. Die Koordinaten von drei beliebigen Punkten, die in dieser Ebene lagen, wurden gespeichert. Anschließend wurde die axiale Ebene so eingestellt, dass sie parallel zur unteren Endplatte der Wirbel des unteren Endes verlief. Die Koordinaten von drei beliebigen Punkten, die in dieser Ebene liegen, wurden gespeichert. Auf diese Weise wurden die drei Punkte definiert, die auf jeder Endplatte lagen. Anhand dieser Punkte wurde der Winkel zwischen den Ebenen, in denen sie lagen, berechnet.

Dreifach-Punkt-Methode zur Bewertung des Winkels zwischen den oberen und unteren Endplatten der Skoliosekurve auf der Grundlage von Computertomographie-Aufnahmen. Die blaue Ebene verläuft parallel zur oberen Endplatte des oberen Endwirbels. Die grüne Ebene verläuft parallel zur unteren Endplatte des unteren Endwirbels. Der Winkel zwischen den sich schneidenden (gepunkteten) Linien ist ein Winkel zwischen den genannten Ebenen (3D-Skoliose-Winkel)

Berechnung des Skoliose-Winkels anhand von digital rekonstruierten Röntgenbildern (DRRs)

Die DRRs wurden aus den CT-Aufnahmen mit der von unserem Team veröffentlichten Technik erstellt. Zunächst wurden die CT-DICOM-Bilder in das PNG-Dateiformat konvertiert. Es wurde ein 3D-Array der aus den CT-Bildern erhaltenen Graustufenwerte erstellt. Anschließend wurde für jede x-, y- und z-Richtung ein Mittelwert berechnet. Die Ergebnisse wurden in 2D-Arrays gespeichert, die drei Ebenen repräsentieren: koronal, lateral und axial. Die 2D-Arrays wurden für weitere Berechnungen verwendet. Die Signifikanzgrenzen für jede Zeile und Spalte wurden berechnet, um die endgültigen DRRs zu erstellen. Anschließend wurde das globale Koordinatensystem bestimmt, und die Ergebnisse wurden in das DICOM-Dateiformat konvertiert, um weitere Messungen zu ermöglichen. Eine schematische Darstellung der Erstellung von DRRs aus CT-Scans ist in Abb. 2 dargestellt.

Schematische Darstellung der Erstellung von digital rekonstruierten Röntgenbildern aus Computertomographie-Scans

Der Winkel zwischen den Endplatten wurde als Flächenwinkel gemessen. Der Zweiflankenwinkel ist der Winkel zwischen zwei sich schneidenden Ebenen. Die oberen und unteren Endplatten wurden durch zwei Ebenen in einem dreidimensionalen Raum angenähert. Um die Winkel zwischen den Ebenen zu messen, wurden Normalenvektoren (Senkrechte) mit Einheitslänge zu den jeweiligen Ebenen bestimmt. Der Winkel zwischen den Normalenvektoren innerhalb der von diesen Vektoren aufgespannten Ebene wurde gemessen. An der PA und den lateralen DRRs wurden vier Winkel gemessen (Vier-Winkel-Methode zur Berechnung des 3D-Skoliose-Winkels) (Abb. 3):

Vier-Winkel-Methode zur Bewertung des Winkels zwischen der oberen und unteren Endplatte der Skoliosekurve auf der Grundlage von zwei Röntgenaufnahmen: posterior-anterior und lateral

α1- der Winkel zwischen der Linie parallel zur oberen Endplatte des oberen Endwirbels und der Transversallinie, gemessen in der Koronalebene

α2- der Winkel zwischen der Linie parallel zur unteren Endplatte des unteren-Endwirbels und der in der Koronalebene gemessenen Querlinie

β1- der Winkel zwischen der zur oberen Endplatte des oberen Endwirbels parallelen Linie und der in der Sagittalebene gemessenen Querlinie

β2- der Winkel zwischen der zur unteren Endplatte des unteren Endwirbels parallelen Linie und der Querlinie in der Sagittalebene.

Diese Winkel wurden zur Berechnung des Winkels zwischen den Endplatten (1 und 2) mit der folgenden mathematischen Formel verwendet:

Define

Vergleich der Ergebnisse von 3D-Skoliose-Winkelberechnungen: CT versus DRRs

Die Ergebnisse der Messungen des 3D-Skoliose-Winkels basierend auf den CT-Scans und DRRs wurden mit gepaarten Student’s t-Tests getestet. Ein p-Wert von 0,05 wurde als signifikant angesehen. Die Aussagekraft des t-Tests wurde auf 0,95 festgelegt.

Vergleich der Ergebnisse von 3D-Skoliose-Winkelberechnungen und Cobb-Winkelmessungen anhand von Röntgenaufnahmen

Der 3D-Skoliose-Winkel wurde anhand von zwei Röntgenaufnahmen, PA und lateral, mit der oben beschriebenen Vier-Winkel-Methode berechnet. Der Cobb-Winkel wurde auf dem PA-Röntgenbild gemessen. Die Ergebnisse der 3D-Skoliose-Winkelberechnungen und Cobb-Winkelmessungen wurden mit dem gepaarten Student’s t-Test geprüft.

Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der 3D-Skoliose-Winkelmessungen wurden anhand von PA- und lateralen Röntgenaufnahmen von 31 Patienten geprüft, die insgesamt 62 Kurven ergaben. Es wurden Daten aus anonymen Röntgenaufnahmen verwendet und von zwei unabhängigen Beobachtern ausgewertet: einem Wirbelsäulenchirurgen und einem Orthopäden im fünften Jahr seiner Facharztausbildung. Der erste Beobachter führte die Messungen einmal durch, der zweite Beobachter führte die Messungen zweimal im Abstand von zwei Wochen durch. Die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Messungen wurde mit dem Intraclass-Korrelationskoeffizienten (ICC) geprüft.

Die CT-Scans, DRRs und Röntgenbilder wurden anonymisiert und den Lesern in zufälliger Reihenfolge vorgelegt.

Statistische Analyse

Die Daten wurden mit Statistica (StatSoft) und Microsoft Office Excel (2018 Microsoft) analysiert. Die Normalverteilung der Daten wurde mit Hilfe des Shapiro-Wilk-Tests getestet. Gepaarte Student’s t-Tests wurden verwendet, um die Unterschiede bei den kontinuierlichen Daten zu testen. Ein p-Wert von 0,05 wurde als signifikant angesehen. Die Aussagekraft des t-Tests wurde auf 0,95 festgelegt. Die Intraobserver-Reproduzierbarkeit und Intraobserver-Zuverlässigkeit wurden mit dem ICC getestet. Zur Schätzung der Stichprobengröße, die für die Prüfung der Intraobserver-Reproduzierbarkeit und Intraobserver-Zuverlässigkeit der Messungen erforderlich ist, wurde ein ICC-Wert von mehr als 0,7 (mit einem 95%igen Konfidenzintervall von 0,55-0,85) als akzeptable Reproduzierbarkeit für das Forschungsinstrument betrachtet. Die Mindestanzahl der Probanden zur Prüfung der Übereinstimmung, der Intraobserver-Reproduzierbarkeit und der Interobserver-Reliabilität betrug 44. Die Anzahl von 62 Skoliosekurven war für die ICC-Berechnung ausreichend.