Proces wprowadzenia i walidacji metody obliczania trójwymiarowego kąta skoliozy został zrealizowany w czterech etapach: 1) obliczenie kąta skoliozy 3D na podstawie tomografii komputerowej (CT); 2) obliczenie kąta skoliozy 3D na podstawie radiogramów zrekonstruowanych cyfrowo (DRRs); 3) porównanie obliczeń kąta skoliozy 3D: CT versus DRRs; oraz 4) ocena odtwarzalności i wiarygodności proponowanej metody na podstawie zdjęć rentgenowskich (PA i bocznych).

Przedmioty

Badaniem objęto 41 pacjentów z AIS. Populacja ta składała się z dwóch grup pacjentów. Pierwsza grupa pacjentów była zaangażowana w pierwszą część badania – wprowadzenie i walidację nowej metody oceny skoliozy w 3D.

Pierwsza grupa składała się z 10 pacjentów z AIS zaplanowanych do zabiegu operacyjnego. Kryteria włączenia: AIS; obecność głównego skrzywienia: piersiowego lub lędźwiowego; badania obrazowe wykonane podczas hospitalizacji: dobrej jakości zdjęcia rentgenowskie zwykłe (PA i boczne); oraz CT kręgosłupa piersiowego i lędźwiowego wykonane w ramach protokołu przedoperacyjnego. Kryteria wykluczenia z badania: skolioza inna niż idiopatyczna, brak danych z tomografii komputerowej lub zdjęć RTG stojących PA i bocznych oraz zdjęcia złej jakości. Każdy pacjent miał trzy krzywizny skoliotyczne w odcinku piersiowo-lędźwiowym, dzięki czemu uzyskano dane TK 30 krzywizn skoliotycznych. Charakterystyka pierwszej grupy pacjentów była następująca: średni wiek 14 lat (zakres: od 10 do 17), średnia masa ciała 45,2 kg (zakres: od 28,0 do 65,0), średni BMI 17,9 (zakres: od 14,8 do 22,5), średnia krzywa skoliozy 52 ° (zakres: od 11 ° do 130 °) i średnia krzywa główna 75 ° (zakres: od 51 ° do 130 °).

Druga grupa pacjentów składała się z 31 pacjentów z AIS. Druga grupa była zaangażowana w ocenę odtwarzalności i wiarygodności proponowanego nowego pomiaru. Kryteria włączenia i wyłączenia były takie same jak w przypadku wspomnianej wcześniej pierwszej grupy pacjentów z wyłączeniem danych z tomografii komputerowej kręgosłupa. Każdy pacjent miał co najmniej dwa skrzywienia skoliotyczne w odcinku piersiowo-lędźwiowym: skrzywienie główne i skrzywienie wtórne, co daje 62 skrzywienia skoliotyczne. Charakterystyka drugiej grupy pacjentów była następująca: średni wiek 15 lat (zakres: od 10 do 17), średnia masa ciała 54,9 kg (zakres: od 26,5 do 97,6), średni BMI 20,0 (zakres: od 14,4 do 32,1), średnie skrzywienie skoliozy w odcinku piersiowo-lędźwiowym 65.6° (zakres: od 42,8° do 100,7°), średnia krzywa lędźwiowa lub piersiowo-lędźwiowa 44,2° (zakres: od 22,7° do 80,4°) oraz średnia krzywa skoliozy (piersiowa, piersiowo-lędźwiowa lub lędźwiowa) 54,9° (zakres: od 22,7° do 100,7°). Wielkość skoliozy mierzono metodą Cobba.

Przeanalizowano tomografię komputerową trzydziestu krzywych skolioz pochodzących od pacjentów z AIS. Tomografia komputerowa nie była wykonywana w celu przeprowadzenia badania, lecz jako część protokołu przedoperacyjnego. Skany TK analizowano retrospektywnie po uzyskaniu akceptacji lokalnej Institutional Review Board. Tomografię komputerową wykonano w pozycji leżącej na plecach przy użyciu 16-rzędowego wielorzędowego tomografu komputerowego Emotion firmy Siemens. Dane zapisano w plikach formatu DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine).

Rentgenogramy stojące (PA i boczne) całego kręgosłupa uzyskano z odległości 2 m. Radiogramy zapisano w wersji cyfrowej w plikach DICOM.

Obliczanie kąta skoliozy 3D na podstawie tomografii komputerowej

W pierwszym etapie przeanalizowano tomografię komputerową pacjentów. Kąt skoliozy 3D obliczono na podstawie współrzędnych trzech punktów leżących na płaszczyźnie (π1) równoległej do górnej płyty końcowej górnego kręgu końcowego oraz na podstawie współrzędnych trzech punktów leżących na płaszczyźnie (π2) równoległej do dolnej płyty końcowej dolnego kręgu końcowego krzywej skoliozy (ryc. 1). Analizę tomografii komputerowej kręgosłupa przeprowadzono przy użyciu oprogramowania DeVide (The Delft University of Technology, Holandia). Oprogramowanie to wizualizowało kręgosłup w trzech płaszczyznach, które przecinały się wzajemnie. Kąty pomiędzy tymi płaszczyznami mogły być regulowane ręcznie. Płaszczyznę osiową ustawiono w taki sposób, aby była równoległa do górnej płyty końcowej górnego kręgu. Zapisywano współrzędne trzech dowolnie wybranych punktów leżących w tej płaszczyźnie. Następnie wyznaczono płaszczyznę osiową tak, aby była równoległa do dolnej płyty końcowej dolnego kręgu końcowego. Zapisano współrzędne trzech punktów uznaniowych leżących w tej płaszczyźnie. W ten sposób zdefiniowano trzy punkty leżące na każdej z płyt końcowych. Punkty te posłużyły do obliczenia kąta pomiędzy płaszczyznami, w których się znajdowały.

Trójpunktowa metoda oceny kąta pomiędzy górną i dolną płytą końcową łuku skoliozy na podstawie skanów tomografii komputerowej. Płaszczyzna niebieska jest równoległa do górnej płyty końcowej górnego kręgu końcowego. Płaszczyzna zielona jest równoległa do dolnej płyty końcowej dolnego kręgu końcowego. Kąt pomiędzy przecinającymi się (punktowymi) liniami jest kątem pomiędzy wymienionymi płaszczyznami (kąt skoliozy 3D)

Obliczanie kąta skoliozy na podstawie cyfrowo zrekonstruowanych radiogramów (DRRs)

DRRs zostały zaprojektowane z tomografii komputerowej przy użyciu techniki opublikowanej przez nasz zespół. Najpierw obrazy CT DICOM zostały przekonwertowane do formatu plików PNG. Utworzono trójwymiarową macierz wartości w skali szarości otrzymanych z obrazów CT. Następnie obliczono średnią wartość dla każdego kierunku x, y oraz z. Wyniki zapisywano w tablicach 2D reprezentujących trzy płaszczyzny: koronową, boczną i osiową. Tablice 2D były wykorzystywane do dalszych obliczeń. Obliczono granice istotności dla każdego wiersza i kolumny w celu utworzenia ostatecznych DRR. Następnie określano globalny układ współrzędnych, a wyniki konwertowano do formatu pliku DICOM, umożliwiając dalsze pomiary. Schematyczna prezentacja wytwarzania DRR z tomografii komputerowej przedstawiona jest na Rys. 2.

Schematyczna prezentacja wytwarzania cyfrowo zrekonstruowanych radiogramów z tomografii komputerowej

Kąt pomiędzy płytami końcowymi mierzony był jako kąt dwuścienny. Kąt dwuścienny to kąt pomiędzy dwoma przecinającymi się płaszczyznami. Górna i dolna płytka końcowa zostały przybliżone przez dwie płaszczyzny w przestrzeni trójwymiarowej. Aby zmierzyć kąty pomiędzy płaszczyznami, wyznaczono wektory normalne (prostopadłe) do odpowiednich płaszczyzn o jednostkowej długości. Mierzono kąt pomiędzy normalnymi wektorami w obrębie płaszczyzny rozpiętej przez te wektory. Mierzono cztery kąty na PA i bocznych DRR (metoda czterech kątów do obliczania kąta skoliozy 3D) (ryc. 3):

Four angle method for evaluating the angle between the upper and lower endplates of the scoliosis curve based on two X-rays scans: tylno-przednim i bocznym

α1- kąt pomiędzy linią równoległą do górnej płyty końcowej górnego kręgu końcowego a linią poprzeczną mierzony w płaszczyźnie koronowej

α2- kąt pomiędzy linią równoległą do dolnej płyty końcowej dolnegokońcowego kręgu i linią poprzeczną mierzoną w płaszczyźnie koronowej

β1- kąt między linią równoległą do górnej płyty końcowej górnego końcowego kręgu i linią poprzeczną mierzoną w płaszczyźnie strzałkowej

β2- kąt między linią równoległą do dolnej płyty końcowej dolnego końcowego kręgu i linią poprzeczną w płaszczyźnie strzałkowej.

Kąty te posłużyły do obliczenia kąta pomiędzy płytkami końcowymi (1 i 2) przy użyciu następującego wzoru matematycznego:

Define

Comparison of the results of 3D scoliosis angle calculations: CT versus DRRs

Wyniki pomiarów kąta skoliozy 3D na podstawie tomografii komputerowej i DRRs testowano za pomocą sparowanych testów t-Studenta. Poziom p równy 0,05 uznawano za istotny. Moc testu t ustalono na 0,95.

Porównanie wyników obliczeń kąta skoliozy 3D i pomiarów kąta Cobba na podstawie zdjęć rentgenowskich

Kąt skoliozy 3D obliczono na podstawie dwóch zdjęć rentgenowskich, PA i bocznego, metodą czterech kątów opisaną powyżej. Kąt Cobba został zmierzony na zdjęciu PA. Wyniki obliczeń kąta skoliozy 3D i pomiarów kąta Cobba testowano za pomocą sparowanego testu t-Studenta.

Wiarygodność i odtwarzalność pomiarów kąta skoliozy 3D testowano za pomocą zdjęć rentgenowskich PA i bocznych 31 pacjentów, co dało w sumie 62 krzywe. Wykorzystano dane z anonimowych zdjęć rentgenowskich, które były oceniane przez dwóch niezależnych obserwatorów: chirurga kręgosłupa i rezydenta ortopedii w piątym roku rezydentury. Pierwszy obserwator wykonywał pomiary jednokrotnie, a drugi dwukrotnie z dwutygodniową przerwą między pomiarami. Odtwarzalność i wiarygodność pomiarów badano za pomocą współczynnika korelacji wewnątrzklasowej (ICC).

Komputerowe skany, DRR i zdjęcia rentgenowskie zostały zanonimizowane i przedstawione czytelnikom w losowej kolejności.

Analiza statystyczna

Dane analizowano za pomocą programu Statistica (StatSoft) i Microsoft Office Excel (2018 Microsoft). Normalność rozkładu danych testowano za pomocą testu Shapiro-Wilka. Do testowania różnic dla danych ciągłych zastosowano sparowane testy t-Studenta. Poziom p równy 0,05 uznawano za istotny. Moc testu t została ustalona na poziomie 0,95. Wewnątrzobserwacyjna odtwarzalność i wewnątrzobserwacyjna wiarygodność zostały zbadane za pomocą ICC. W celu oszacowania wielkości próby wymaganej do zbadania odtwarzalności i rzetelności wewnątrzobserwacyjnej pomiarów, potraktowaliśmy wartość ICC większą niż 0,7 (z 95% przedziałem ufności 0,55-0,85) jako akceptowalną odtwarzalność dla narzędzia badawczego. Minimalna liczba badanych do badania zgodności, odtwarzalności wewnątrzobserwacyjnej i wiarygodności międzyobserwacyjnej wynosiła 44 osoby. Liczba 62 krzywych skolioz była wystarczająca do obliczenia ICC.