Kolmiulotteisen skolioosikulman laskentamenetelmän käyttöönotto ja validointi suoritettiin neljässä vaiheessa: 1) 3D-skolioosikulman laskeminen tietokonetomografian (CT) perusteella; 2) 3D-skolioosikulman laskeminen digitaalisesti rekonstruoitujen röntgenkuvien (DRR) perusteella; 3) 3D-skolioosikulmalaskelmien vertailu: CT:n ja DRR:ien vertailu; ja 4) ehdotetun menetelmän toistettavuuden ja luotettavuuden arviointi röntgenkuvien (PA ja lateraalinen) perusteella.

Kohteet

Tutkimukseen osallistui 41 potilasta, joilla oli AIS. Kyseinen populaatio koostuu kahdesta potilasryhmästä. Ensimmäinen potilasryhmä osallistui tutkimuksen ensimmäiseen osaan – skolioosin 3D-arvioinnissa käytettävän uuden menetelmän käyttöönottoon ja validointiin.

Ensimmäiseen ryhmään kuului 10 potilasta, joilla oli AIS ja joille oli suunniteltu leikkaus. Sisäänottokriteerit: AIS; pääkäyrän esiintyminen: rintakehä tai lanneranka; sairaalahoidon aikana suoritetut kuvantamismodaliteetit: hyvälaatuiset tavalliset röntgenkuvat (PA ja lateraalinen); ja rintakehän ja lannerangan selkärangan tietokonetomografia, joka suoritettiin osana leikkausta edeltävää protokollaa. Poissulkukriteerit: muu kuin idiopaattinen skolioosi, CT- tai PA- ja lateraaliröntgentietojen puuttuminen ja huonolaatuiset röntgenkuvat. Kullakin potilaalla oli kolme skolioosikäyrää rintarangan ja lannerangan alueella, joten CT-tietoja saatiin 30 skolioosikäyrästä. Ensimmäisen potilasryhmän luonnehdinta oli seuraava: keski-ikä 14 vuotta (vaihteluväli: 10-17), keskivartalopaino 45,2 kg (vaihteluväli: 28,0-65,0), keskimääräinen BMI 17,9 (vaihteluväli: 14,8-22,5), skolioosikäyrän keskiarvo 52° (vaihteluväli: 11°-130°) ja pääkäyrän keskiarvo 75° (vaihteluväli: 51°-130°).

Potilaiden toiseen ryhmään kuului 31 potilasta, joilla oli AIS-sairaus. Toinen ryhmä osallistui ehdotetun uuden mittauksen toistettavuuden ja luotettavuuden arviointiin. Sisäänotto- ja poissulkukriteerit olivat samat kuin edellä mainitussa ensimmäisessä potilasryhmässä, lukuun ottamatta selkärangan TT-tietoja. Jokaisella potilaalla oli vähintään kaksi skolioosikäyrää rintarangan ja lannerangan alueella: pääkäyrä ja sivukäyrä, joten skolioosikäyriä oli 62. Toisen potilasryhmän ominaisuudet olivat seuraavat: keski-ikä 15 vuotta (vaihteluväli 10-17 vuotta), keskipaino 54,9 kg (vaihteluväli 26,5-97,6 kg), keskimääräinen BMI 20,0 (vaihteluväli 14,4-32,1 kg), keskimääräinen rintakehän skolioosikäyrä 65 vuotta.6° (vaihteluväli: 42,8°-100,7°), keskimääräinen lannerangan tai thorakolumbaalilannerangan käyrä 44,2° (vaihteluväli: 22,7°-80,4°) ja keskimääräinen skolioosikäyrä (rintakehän, thorakolumbaalilannerangan tai lannerangan käyrä) 54,9° (vaihteluväli: 22,7°-100,7°). Skolioosin suuruus mitattiin Cobbin menetelmällä.

Analysoitiin kolmenkymmenen AIS-potilaan skolioosikäyrän CT-kuvaukset. CT-kuvauksia ei tehty tutkimusta varten vaan osana leikkausta edeltävää protokollaa. CT-kuvat analysoitiin retrospektiivisesti paikallisen institutionaalisen arviointilautakunnan hyväksynnällä. CT-kuvaukset tehtiin selinmakuulla Siemens Emotion 16-rivisellä monilevykerrostietokonetomografilla. Tiedot tallennettiin DICOM-muotoisiin tiedostoihin (Digital Imaging and Communications in Medicine).

Seisontaröntgenkuvat (PA ja lateraalinen) koko selkärangasta otettiin 2 m:n etäisyydeltä. Röntgenkuvat tallennettiin digitaalisena versiona DICOM-tiedostoihin.

3D-skolioosikulman laskeminen tietokonetomografiakuvausten perusteella

Ensimmäisessä vaiheessa potilaiden tietokonetomografiakuvat analysoitiin. Skolioosin 3D-kulma laskettiin niiden kolmen pisteen koordinaattien perusteella, jotka sijaitsivat tasossa (π1), joka on yhdensuuntainen skolioosikäyrän ylemmän nikaman ylemmän päätylevyn kanssa, ja niiden kolmen pisteen koordinaattien perusteella, jotka sijaitsivat tasossa (π2), joka on yhdensuuntainen skolioosikäyrän alemman nikaman alemman päätylevyn kanssa (kuva 1). Selkärangan CT-kuvat analysoitiin DeVide-ohjelmistolla (Delftin teknillinen yliopisto, Alankomaat). Ohjelmisto visualisoi selkärangan kolmessa toisiaan leikkaavassa tasossa. Näiden tasojen välisiä kulmia voitiin säätää manuaalisesti. Aksiaalinen taso asetettiin siten, että se oli yhdensuuntainen ylemmän nikaman ylemmän päätylevyn kanssa. Tässä tasossa sijaitsevien kolmen harkinnanvaraisen pisteen koordinaatit tallennettiin. Seuraavaksi aksiaalinen taso asetettiin siten, että se oli yhdensuuntainen alemman nikaman alemman päätylevyn kanssa. Tässä tasossa sijaitsevien kolmen harkinnanvaraisen pisteen koordinaatit tallennettiin. Näin määriteltiin kolme pistettä, jotka sijaitsevat kummankin päätylevyn päällä. Näiden pisteiden avulla laskettiin niiden tasojen välinen kulma, joissa ne sijaitsivat.

Kolmipistemenetelmä skolioosikäyrän ylemmän ja alemman päätylevyn välisen kulman arvioimiseksi tietokonetomografiakuvausten perusteella. Sininen taso on yhdensuuntainen ylemmän nikaman yläpäätylevyn kanssa. Vihreä taso on yhdensuuntainen alemman nikaman alemman päätylevyn kanssa. Risteävien (pistemäisten) viivojen välinen kulma on mainittujen tasojen välinen kulma (3D-skolioosikulma)

Skolioosikulman laskeminen digitaalisesti rekonstruoitujen röntgenkuvausten (DRR:t)

Skolioosikulmat suunniteltiin tietokonetomografiakuvista ryhmämme julkaiseman tekniikan avulla . Ensin CT:n DICOM-kuvat muunnettiin PNG-tiedostomuotoon. CT-kuvista saaduista harmaasävyarvoista luotiin 3D-joukko. Sen jälkeen laskettiin kunkin x-, y- ja z-suunnan keskiarvo. Tulokset tallennettiin 2D-massoihin, jotka edustavat kolmea tasoa: koronaalista, lateraalista ja aksiaalista tasoa. 2D-matriiseja käytettiin jatkolaskelmissa. Kullekin riville ja sarakkeelle laskettiin merkitsevyysrajat lopullisten DRR-arvojen luomiseksi. Tämän jälkeen määritettiin maailmanlaajuinen koordinaattijärjestelmä ja tulokset muunnettiin DICOM-tiedostomuotoon, mikä mahdollisti lisämittaukset . Kaavamainen esitys DRR-kuvausten tuottamisesta tietokonetomografiakuvista on esitetty kuvassa 2.

Skaavamainen esitys digitaalisesti rekonstruoitujen röntgenkuvausten tuottamisesta tietokonetomografiakuvista

Päätyjen väliset kulmat mitattiin dihedraalisena kulmana. Dihedrinen kulma on kahden toisiaan leikkaavan tason välinen kulma . Ylempi ja alempi päätylevy approksimoitiin kahdella tasolla kolmiulotteisessa avaruudessa. Tasojen välisten kulmien mittaamiseksi määritettiin kyseisten tasojen yksikköpituiset normaalivektorit (kohtisuorat vektorit). Normaalivektoreiden välinen kulma mitattiin näiden vektoreiden kattaman tason sisällä. Neljä kulmaa mitattiin PA- ja lateraalisesta DRR:stä (nelikulmamenetelmä 3D-skolioosikulman laskemiseksi) (kuva 3):

Nelikulmamenetelmä skolioosikäyrän ylemmän ja alemman päätylevyn välisen kulman arvioimiseksi kahden röntgenkuvan perusteella: posteriorinen-anteriorinen ja lateraalinen

α1- ylemmän nikaman ylemmän päätylevyn kanssa samansuuntaisen viivan ja poikittaisen viivan välinen kulma koronaalitasossa mitattuna

α2- alemman nikaman alemman päätylevyn kanssa samansuuntaisen viivan ja alemman nikaman alemman päätylevyn kanssa samansuuntaisen viivan välinen kulma.ja poikittaisviivan välinen kulma koronaalitasossa mitattuna

β1- ylemmän nikaman ylemmän päätylevyn suuntaisen viivan ja sagittaalitasossa mitatun poikittaisviivan välinen kulma

β2- alemman nikaman alemman päätylevyn alemman päätylevyn suuntaisen viivan ja sagittaalitasossa mitatun poikittaisviivan välinen kulma.

Näiden kulmien avulla laskettiin päätylevyjen (1 ja 2) välinen kulma seuraavan matemaattisen kaavan avulla:

Define

3D-skolioosikulmalaskelmien tulosten vertailu: CT- ja DRR-kuvauksiin perustuvat 3D-skolioosikulman mittaustulokset testattiin parittaisilla Studentin t-testeillä. P-tasoa 0,05 pidettiin merkitsevänä. T-testin tehoksi asetettiin 0,95.

Röntgenkuviin perustuvien 3D-skolioosikulman laskentatulosten ja Cobb-kulman mittaustulosten vertailu

3D-skolioosikulma laskettiin kahden röntgenkuvan, PA- ja lateraalikuvan, perusteella edellä kuvatulla neljän kulman menetelmällä. Cobb-kulma mitattiin PA-röntgenkuvasta. 3D-skolioosikulman laskennan ja Cobb-kulman mittausten tulokset testattiin parittaisella Studentin t-testillä.

3D-skolioosikulman mittausten luotettavuutta ja toistettavuutta testattiin käyttämällä 31 potilaan PA- ja lateraaliröntgenkuvia, joista saatiin yhteensä 62 käyrää. Tietoja käytettiin anonyymeistä röntgenkuvista, ja niitä arvioi kaksi riippumatonta tarkkailijaa: selkäkirurgi ja ortopedian erikoislääkäri, joka on viidennen vuoden residenssissä. Ensimmäinen tarkkailija suoritti mittaukset kerran, ja toinen tarkkailija suoritti mittaukset kahdesti kahden viikon välein. Mittausten toistettavuutta ja luotettavuutta testattiin ICC-kertoimella (intraclass correlation coefficient).

CT-kuvaukset, DRR-kuvat ja röntgenkuvat anonymisoitiin ja esitettiin lukijoille satunnaisessa järjestyksessä.

Statistinen analyysi

Aineisto analysoitiin Statistica- (StatSoft) ja Microsoft Office Excel -ohjelmalla (2018 Microsoft). Tietojen normaalijakauma testattiin Shapiro-Wilkin testin avulla. Jatkuvien tietojen erojen testaamiseen käytettiin parittaisia Studentin t-testejä. Merkitsevänä pidettiin p-tasoa 0,05. T-testin tehoksi asetettiin 0,95. Tarkkailijan sisäinen toistettavuus ja tarkkailijan sisäinen luotettavuus testattiin ICC:n avulla. Arvioidaksemme otoskokoa, joka tarvitaan mittausten havaitsijan sisäisen uusittavuuden ja havaitsijan sisäisen luotettavuuden testaamiseen, pidimme ICC-arvoa, joka on yli 0,7 (ja sen 95 prosentin luottamusväliä 0,55-0,85), hyväksyttävänä uusittavuutena tutkimusvälineelle . Koehenkilöiden vähimmäismäärä sopimuksen, havaitsijan sisäisen uusittavuuden ja havaitsijoiden välisen luotettavuuden testaamiseksi oli 44 . Skolioosikäyrien määrä 62 oli riittävä ICC-laskentaan.