Het introductie- en validatieproces van de methode voor 3D scoliosehoekberekeningen werd in vier stappen uitgevoerd: 1) berekening van de 3D scoliosehoek op basis van computertomografie (CT); 2) berekening van de 3D scoliosehoek op basis van digitaal gereconstrueerde röntgenfoto’s (DRR’s); 3) vergelijking van de 3D scoliosehoekberekeningen: CT versus DRR’s; en 4) evaluatie van de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van de voorgestelde methode op basis van röntgenfoto’s (PA en lateraal).

Onderwerpen

Bij de studie waren 41 patiënten met AIS betrokken. Die populatie bestaat uit twee groepen patiënten. De eerste groep patiënten was betrokken bij het eerste deel van de studie – de invoering en validatie van de nieuwe methode voor de 3D-evaluatie van scoliose.

De eerste groep bestond uit 10 patiënten met AIS die gepland waren voor de operatie. Inclusie criteria: AIS; aanwezigheid van een hoofdkromme: thoracaal of lumbaal; beeldvormingsmodaliteiten uitgevoerd tijdens de ziekenhuisopname: röntgenfoto’s van goede kwaliteit in ruststand (PA en lateraal); en CT van de thoracale en lumbale wervelkolom uitgevoerd als onderdeel van het protocol vóór de operatie. Exclusiecriteria: andere scoliose dan het idiopathische type, het ontbreken van CT of PA en laterale staande röntgengegevens, en röntgenfoto’s van slechte kwaliteit. Elke patiënt had drie scoliosecurven in de thoracolumbale regio, wat CT-gegevens van 30 scoliosecurven opleverde. De karakterisering van de eerste groep patiënten was als volgt: gemiddelde leeftijd van 14 jaar (range: van 10 tot 17), gemiddeld lichaamsgewicht van 45,2 kg (range: van 28,0 tot 65,0), gemiddelde BMI van 17,9 (range: van 14,8 tot 22,5), gemiddelde scoliosecurve 52° (range: van 11° tot 130°), en gemiddelde hoofdcurve 75° (range: van 51° tot 130°).

De tweede groep van de patiënten bestond uit 31 patiënten met AIS. De tweede groep werd betrokken bij de evaluatie van de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van de voorgestelde nieuwe meting. De in- en exclusiecriteria waren dezelfde als die voor de eerder genoemde eerste groep patiënten, met uitzondering van CT-gegevens van de wervelkolom. Elke patiënt had ten minste twee scoliosekrommen in de thoracolumbale regio: een hoofdkromme en een secundaire kromme, wat 62 scoliosekrommen opleverde. De karakterisering van de tweede groep patiënten was als volgt: gemiddelde leeftijd van 15 jaar (range: van 10 tot 17), gemiddeld lichaamsgewicht van 54,9 kg (range: van 26,5 tot 97,6), gemiddelde BMI van 20,0 (range: van 14,4 tot 32,1), gemiddelde thoracale scoliose curve van 65.6° (bereik: van 42,8° tot 100,7°), gemiddelde lumbale of thoracolumbale curve van 44,2° (bereik: van 22,7° tot 80,4°), en gemiddelde scoliose curve (thoracaal, thoracolumbaal of lumbaal) van 54,9° (bereik: van 22,7° tot 100,7°). De grootte van de scoliose werd gemeten met de Cobb-methode.

De CT-scans van dertig scoliosecurven van patiënten met AIS werden geanalyseerd. De CT scans werden niet uitgevoerd ten behoeve van de studie maar als onderdeel van het pre-operatieve protocol. De CT scans werden retrospectief geanalyseerd met goedkeuring van de lokale Institutional Review Board. De CT-scans werden in rugligging verkregen met de Siemens Emotion 16-rijige multidetector computertomografie. De gegevens werden opgeslagen in DICOM-bestanden (Digital Imaging and Communications in Medicine).

Staande röntgenopnamen (PA en lateraal) van de volledige wervelkolom werden verkregen vanaf een afstand van 2 m. De radiogrammen werden in digitale versie opgenomen in DICOM-bestanden.

Berekening van de 3D scoliosehoek op basis van CT-scans

Als eerste stap werden de CT-scans van de patiënten geanalyseerd. De 3D scoliosehoek werd berekend aan de hand van de coördinaten van drie punten gelegen op het vlak (π1) evenwijdig met de bovenste eindplaat van de bovenste wervel en aan de hand van de coördinaten van drie punten gelegen op het vlak (π2) evenwijdig met de onderste eindplaat van de onderste wervel van de scoliosekromme (Fig. 1). De CT scans van de wervelkolom werden geanalyseerd met de DeVide software (Technische Universiteit Delft, Nederland). De software visualiseerde de wervelkolom in drie vlakken die elkaar kruisten. De hoeken tussen deze vlakken konden handmatig worden aangepast. Het axiale vlak werd zo ingesteld dat het evenwijdig was met de bovenste eindplaat van de bovenste wervel. De coördinaten van drie willekeurige punten die in dit vlak liggen, werden opgeslagen. Vervolgens werd het axiale vlak zo opgesteld dat het evenwijdig was aan de onderste eindplaat van de onderste wervel. De coördinaten van drie discretionaire punten die in dit vlak liggen, werden opgeslagen. Op die manier werden de drie punten bepaald die op elke eindplaat lagen. Deze punten werden gebruikt om de hoek te berekenen tussen de vlakken waarin zij lagen.

Driepuntsmethode voor de evaluatie van de hoek tussen de bovenste en onderste eindplaten van de scoliosecurve op basis van computertomografiescans. Het blauwe vlak is evenwijdig aan de bovenste eindplaat van de bovenste wervel. Het groene vlak is evenwijdig aan de onderste eindplaat van de onderste wervel. De hoek tussen de kruisende (gevlekte) lijnen is een hoek tussen de genoemde vlakken (3D-scoliosehoek)

Berekening van de scoliosehoek op basis van digitaal gereconstrueerde radiografieën (DRR’s)

De DRR’s zijn ontworpen op basis van de CT-scans met behulp van de door ons team gepubliceerde techniek . Eerst werden de CT DICOM beelden geconverteerd naar PNG bestandsformaat. Er werd een 3D-matrix gemaakt van de grijswaarden van de CT-beelden. Daarna werd een gemiddelde waarde van elke x-, y- en z-richting berekend. De resultaten werden opgeslagen in 2D-matrices die drie vlakken vertegenwoordigen: coronaal, lateraal en axiaal. De 2D-arrays werden gebruikt voor verdere berekeningen. Significantiegrenzen voor elke rij en kolom werden berekend met het oog op het creëren van definitieve DRR’s. Daarna werd het globale coördinatenstelsel bepaald en werden de resultaten omgezet in DICOM-bestandsformaat, waardoor verdere metingen mogelijk werden. Een schematische voorstelling van de productie van DRR’s uit CT-scans wordt gepresenteerd in Fig. 2.

Schematische voorstelling van de productie van digitaal gereconstrueerde radiografieën uit computertomografiescans

De hoek tussen de endplates werd gemeten als een dihedrale hoek. De dihedrale hoek is de hoek tussen twee elkaar snijdende vlakken. De bovenste en onderste eindplaten werden benaderd door twee vlakken in een driedimensionale ruimte. Om de hoeken tussen de vlakken te meten, werden normaalvectoren (loodrechte vectoren) met een lengte per eenheid van de respectieve vlakken bepaald. De hoek tussen de normaalvectoren binnen het vlak dat door deze vectoren wordt overbrugd, werd gemeten. Er werden vier hoeken gemeten op de PA- en laterale DRR’s (vierhoekenmethode voor 3D-scoliosehoekberekening) (fig. 3):

Vierhoekenmethode voor de evaluatie van de hoek tussen de bovenste en onderste endplates van de scoliosecurve op basis van twee röntgenscans: posterior-anterior en lateral

α1- de hoek tussen de lijn evenwijdig aan de bovenste eindplaat van de bovenste wervel en de dwarslijn gemeten in het coronale vlak

α2- de hoek tussen de lijn evenwijdig aan de onderste eindplaat van de onderste wervel en de dwarslijn gemeten in het coronale vlak

α2- de hoek tussen de lijn evenwijdig aan de onderste eindplaat van de bovenste eindplaat van de bovenste wervel en de dwarslijn gemeten in het coronale vlakeindwervel en de dwarslijn gemeten in het coronale vlak

β1- de hoek tussen de lijn evenwijdig aan de bovenste eindplaat van de bovenste wervel en de dwarslijn gemeten in het sagittale vlak

β2- de hoek tussen de lijn evenwijdig aan de onderste eindplaat van de onderste eindwervel en de dwarslijn in het sagittale vlak.

Deze hoeken werden gebruikt om de hoek tussen de eindplaten (1 en 2) te berekenen met behulp van de volgende wiskundige formule:

Define

Vergelijking van de resultaten van 3D scoliose hoek berekeningen: CT versus DRR’s

De resultaten van de metingen van de 3D scoliosehoek op basis van de CT-scans en DRR’s werden getoetst met gepaarde Student’s t-tests. Een p-niveau van 0,05 werd als significant beschouwd. De power van de t-test werd vastgesteld op 0,95.

Vergelijking van de resultaten van 3D scoliosehoekberekeningen en Cobb-hoekmetingen op basis van röntgenfoto’s

De 3D scoliosehoek werd berekend op basis van twee röntgenfoto’s, PA en lateraal, met de hierboven beschreven vier-hoekmethode. De Cobb-hoek werd gemeten op de PA-röntgenfoto. De resultaten van de 3D-scoliosehoekberekeningen en Cobb-hoekmetingen werden getoetst met de gepaarde Student’s t-test.

De betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de 3D-scoliosehoekmetingen werden getest met behulp van PA- en laterale röntgenfoto’s van 31 patiënten, wat in totaal 62 curven opleverde. Gegevens van anonieme röntgenfoto’s werden gebruikt en werden geëvalueerd door twee onafhankelijke waarnemers: een wervelkolomchirurg en een arts-assistent orthopedie in het vijfde jaar van zijn stage. De eerste waarnemer voerde de metingen eenmaal uit, en de tweede waarnemer tweemaal met een interval van twee weken tussen de metingen. De reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van de metingen werden getest met de intraclass correlatiecoëfficiënt (ICC).

De CT-scans, DRR’s en röntgenfoto’s werden geanonimiseerd en in willekeurige volgorde aan de lezers gepresenteerd.

Statistische analyse

De gegevens werden geanalyseerd met behulp van Statistica (StatSoft) en Microsoft Office Excel (2018 Microsoft). De normale verdeling van de gegevens werd getest met behulp van de Shapiro-Wilk test. Gepaarde Student’s t-tests werden gebruikt om de verschillen te testen voor de continue gegevens. Een p-niveau van 0,05 werd als significant beschouwd. De power van de t-toets werd vastgesteld op 0,95. De intra-observer reproduceerbaarheid en intra-observer betrouwbaarheid werden getest met de ICC. Om de steekproefgrootte te schatten die nodig is om de intraobserverreproduceerbaarheid en intraobserverbetrouwbaarheid van de metingen te testen, beschouwden we een ICC-waarde groter dan 0,7 (met zijn 95%-betrouwbaarheidsinterval van 0,55-0,85) als aanvaardbare reproduceerbaarheid voor het onderzoeksinstrument. Het minimum aantal proefpersonen om de overeenstemming, intra-observer reproduceerbaarheid en inter-observer betrouwbaarheid te testen was 44 . Het aantal van 62 scoliosecurven was voldoende voor ICC-berekening.