Il processo di introduzione e validazione del metodo per il calcolo dell’angolo di scoliosi 3D si è svolto in quattro fasi: 1) calcolo dell’angolo di scoliosi 3D basato sulla tomografia computerizzata (CT); 2) calcolo dell’angolo di scoliosi 3D basato sulle radiografie ricostruite digitalmente (DRR); 3) confronto dei calcoli dell’angolo di scoliosi 3D: CT versus DRRs; e 4) valutazione della riproducibilità e affidabilità del metodo proposto basato sulle radiografie (PA e laterali).

Soggetti

Lo studio ha coinvolto 41 pazienti con AIS. Questa popolazione è composta da due gruppi di pazienti. Il primo gruppo di pazienti è stato coinvolto nella prima parte dello studio – l’introduzione e la convalida del nuovo metodo per la valutazione 3D della scoliosi.

Il primo gruppo era composto da 10 pazienti con AIS programmati per l’intervento chirurgico. Criteri di inclusione: AIS; presenza di una curva principale: toracica o lombare; modalità di imaging eseguite durante il ricovero: radiografie semplici di buona qualità (PA e laterali); e CT della colonna toracica e lombare eseguita come parte del protocollo pre-operatorio. Criteri di esclusione: scoliosi diverse dal tipo idiopatico, mancanza di CT o di dati radiografici PA e laterali in piedi, e radiografie di scarsa qualità. Ogni paziente aveva tre curve di scoliosi nella regione toracolombare, ottenendo dati CT di 30 curve di scoliosi. La caratterizzazione del primo gruppo di pazienti era la seguente: età media di 14 anni (range: da 10 a 17), peso corporeo medio di 45,2 kg (range: da 28,0 a 65,0), BMI medio di 17,9 (range: da 14,8 a 22,5), curva scoliosi media 52° (range: da 11° a 130°), e curva principale media 75° (range: da 51° a 130°).

Il secondo gruppo di pazienti era composto da 31 pazienti con AIS. Il secondo gruppo è stato coinvolto nella valutazione della riproducibilità e dell’affidabilità della nuova misurazione proposta. I criteri di inclusione ed esclusione erano gli stessi di quelli del primo gruppo di pazienti di cui sopra con l’esclusione dei dati CT della colonna vertebrale. Ogni paziente aveva almeno due curve di scoliosi nella regione toracolombare: una curva principale e una secondaria, ottenendo 62 curve di scoliosi. La caratterizzazione del secondo gruppo di pazienti era la seguente: età media di 15 anni (range: da 10 a 17), peso corporeo medio di 54,9 kg (range: da 26,5 a 97,6), BMI medio di 20,0 (range: da 14,4 a 32,1), curva scoliosi toracica media di 65.6° (range: da 42,8° a 100,7°), curva lombare o toracolombare media di 44,2° (range: da 22,7° a 80,4°), e curva scoliosi media (toracica, toracolombare o lombare) di 54,9° (range: da 22,7° a 100,7°). L’ampiezza della scoliosi è stata misurata con il metodo Cobb.

Sono state analizzate le scansioni CT di trenta curve scoliosiche di pazienti con AIS. Le scansioni CT non sono state eseguite ai fini dello studio, ma come parte del protocollo pre-intervento. Le scansioni CT sono state analizzate retrospettivamente con l’accettazione dell’Institutional Review Board locale. Le scansioni CT sono state ottenute in posizione supina con la tomografia computerizzata Siemens Emotion 16-row multidetector. I dati sono stati memorizzati in file in formato DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine).

Le radiografie in piedi (PA e laterali) di tutta la colonna vertebrale sono state ottenute da una distanza di 2 m. I radiogrammi sono stati registrati in versione digitale in file DICOM.

Calcolo dell’angolo di scoliosi 3D basato sulle scansioni CT

Come primo passo, le scansioni CT dei pazienti sono state analizzate. L’angolo di scoliosi 3D è stato calcolato in base alle coordinate di tre punti situati sul piano (π1) parallelo al piatto terminale superiore della vertebra terminale superiore e alle coordinate di tre punti situati sul piano (π2) parallelo al piatto terminale inferiore della vertebra terminale inferiore della curva di scoliosi (Fig. 1). Le scansioni CT della colonna vertebrale sono state analizzate con il software DeVide (Delft University of Technology, Paesi Bassi). Il software visualizzava la colonna vertebrale in tre piani che si intersecavano tra loro. Gli angoli tra questi piani potevano essere regolati manualmente. Il piano assiale è stato impostato in modo tale che fosse parallelo all’endplate superiore della vertebra terminale superiore. Le coordinate di tre punti discrezionali situati in questo piano sono state salvate. Successivamente, il piano assiale è stato impostato in modo tale che fosse parallelo al piatto terminale inferiore della vertebra terminale inferiore. Le coordinate di tre punti discrezionali situati in questo piano sono state salvate. In questo modo, sono stati definiti i tre punti che giacciono su ogni endplate. Questi punti sono stati utilizzati per calcolare l’angolo tra i piani in cui erano situati.

Metodo a tre punti per la valutazione dell’angolo tra le endplate superiori e inferiori della curva scoliosica basato sulla tomografia computerizzata. Il piano blu è parallelo al piatto terminale superiore della vertebra superiore. Il piano verde è parallelo al piatto terminale inferiore della vertebra terminale inferiore. L’angolo tra le linee intersecanti (macchiate) è un angolo tra i piani menzionati (angolo di scoliosi 3D)

Calcolo dell’angolo di scoliosi basato su radiografie ricostruite digitalmente (DRRs)

I DRRs sono stati progettati dalle scansioni CT usando la tecnica pubblicata dal nostro team. In primo luogo, le immagini CT DICOM sono state convertite in formato PNG. È stata creata una matrice 3D dei valori in scala di grigi ricevuti dalle immagini CT. In seguito, è stato calcolato un valore medio di ogni direzione x, y e z. I risultati sono stati memorizzati in matrici 2D che rappresentano tre piani: coronale, laterale e assiale. Le matrici 2D sono state utilizzate per ulteriori calcoli. Sono stati calcolati i limiti di significatività per ogni riga e colonna allo scopo di creare i DRR finali. In seguito, è stato determinato il sistema di coordinate globale, e i risultati sono stati convertiti in formato file DICOM, permettendo ulteriori misurazioni. Una presentazione schematica della produzione di DRR da scansioni CT è presentata in Fig. 2.

Presentazione schematica della produzione di radiografie ricostruite digitalmente da scansioni di tomografia computerizzata

L’angolo tra le endplacche è stato misurato come angolo diedro. L’angolo diedro è l’angolo tra due piani che si intersecano. Gli endplates superiori e inferiori sono stati approssimati da due piani in uno spazio tridimensionale. Per misurare gli angoli tra i piani, sono stati determinati i vettori normali (perpendicolari) di lunghezza unitaria dei rispettivi piani. L’angolo tra i vettori normali all’interno del piano attraversato da questi vettori è stato misurato. Sono stati misurati quattro angoli sui DRR PA e laterali (metodo dei quattro angoli per il calcolo dell’angolo di scoliosi 3D) (Fig. 3):

Metodo dei quattro angoli per valutare l’angolo tra le endplates superiori e inferiori della curva scoliosica basato su due scansioni radiografiche: posteriore-anteriore e laterale

α1- l’angolo tra la linea parallela al piatto terminale superiore della vertebra terminale superiore e la linea trasversale misurata nel piano coronale

α2- l’angolo tra la linea parallela al piatto terminale inferiore dellavertebra terminale inferiore e la linea trasversale misurata nel piano coronale

β1- l’angolo tra la linea parallela al piatto terminale superiore della vertebra terminale superiore e la linea trasversale misurata nel piano sagittale

β2- l’angolo tra la linea parallela al piatto terminale inferiore della vertebra terminale inferiore e la linea trasversale nel piano sagittale.

Questi angoli sono stati utilizzati per calcolare l’angolo tra le endplates (1 e 2) utilizzando la seguente formula matematica:

Define

Confronto dei risultati dei calcoli degli angoli di scoliosi 3D: CT versus DRRs

I risultati delle misurazioni dell’angolo di scoliosi 3D basato sulle scansioni CT e DRRs sono stati testati con test t di Student accoppiato. Un livello di p di 0,05 è stato considerato significativo. La potenza del t-test è stata fissata a 0,95.

Confronto dei risultati dei calcoli dell’angolo di scoliosi 3D e delle misurazioni dell’angolo di Cobb basate sulle radiografie

L’angolo di scoliosi 3D è stato calcolato sulla base di due radiografie, PA e laterale, con il metodo a quattro angoli descritto sopra. L’angolo di Cobb è stato misurato sulla radiografia PA. I risultati dei calcoli dell’angolo di scoliosi 3D e delle misurazioni dell’angolo di Cobb sono stati testati con il test t di Student.

L’affidabilità e la riproducibilità delle misurazioni dell’angolo di scoliosi 3D sono state testate con l’uso di radiografie PA e laterali di 31 pazienti, che hanno prodotto 62 curve in totale. Sono stati utilizzati dati provenienti da radiografie anonime e sono stati valutati da due osservatori indipendenti: un chirurgo della colonna vertebrale e uno specializzando in ortopedia al quinto anno di specializzazione. Il primo osservatore ha eseguito le misurazioni una volta, e il secondo osservatore le ha eseguite due volte con un intervallo di due settimane tra le misurazioni. La riproducibilità e l’affidabilità delle misurazioni sono state testate con il coefficiente di correlazione intraclasse (ICC).

Le TAC, i DRR e le radiografie sono state rese anonime e presentate ai lettori in ordine casuale.

Analisi statistica

I dati sono stati analizzati utilizzando Statistica (StatSoft) e Microsoft Office Excel (2018 Microsoft). La distribuzione normale dei dati è stata testata con il test di Shapiro-Wilk. I test t di Student sono stati utilizzati per testare le differenze per i dati continui. Un livello p di 0,05 è stato considerato significativo. La potenza del test t è stata fissata a 0,95. La riproducibilità e l’affidabilità intra-osservatore sono state testate con l’ICC. Per stimare la dimensione del campione necessaria per testare la riproducibilità intraosservatore e l’affidabilità intraosservatore delle misurazioni, abbiamo trattato un valore ICC superiore a 0,7 (con il suo intervallo di confidenza al 95% di 0,55-0,85) come riproducibilità accettabile per lo strumento di ricerca. Il numero minimo di soggetti per testare l’accordo, la riproducibilità intraosservatore e l’affidabilità interosservatore era di 44. Il numero di 62 curve di scoliosi era sufficiente per il calcolo dell’ICC.