眾所周知，脊柱側(cè)彎已成為我國(guó)繼肥胖、近視后威脅青少年兒童健康的第三大“殺手”。青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸發(fā)病率更是達(dá)到2%～4%。【1】臨床急需一種可以精準(zhǔn)測(cè)量脊柱側(cè)彎程度的技術(shù)。基于此背景，四川大學(xué)華西醫(yī)院（以下簡(jiǎn)稱：華西醫(yī)院）聯(lián)合安健科技科研團(tuán)隊(duì)于《The Spine Journal》發(fā)表最新研究成果《From 2D to 3D：Automatic Measurement of the Cobb Angle in Adolescent Idiopathic Scoliosis with the Weight-Bearing 3D Imaging》詳細(xì)介紹了全脊柱三維成像及AI人工智能技術(shù)測(cè)量三維Cobb角與傳統(tǒng)二維Cobb角的相關(guān)性研究。

一、研究背景

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（下稱：AIS）是一種常見(jiàn)的肌肉骨骼疾病，主要影響兒童和青少年，其特征是脊柱發(fā)生三維畸形。傳統(tǒng)影像學(xué)AIS分型一直采用二維Cobb角測(cè)量，但因二維影像的限制，容易受到組織覆蓋、X線投射角度變化、不同醫(yī)生測(cè)量習(xí)慣不一樣，使測(cè)量值產(chǎn)生差異及診斷的不一致。

《From 2D to 3D：Automatic Measurement of the Cobb Angle in Adolescent Idiopathic Scoliosis with the Weight-Bearing 3D Imaging》文中提到的“WR-3D立位錐束容積成像技術(shù)”可以實(shí)現(xiàn)全脊柱的三維成像及AI自動(dòng)測(cè)量。基于此，華西醫(yī)院放射科與安健科技科研團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)的二維和自動(dòng)化三維 Cobb角測(cè)量方法進(jìn)行定量比較。針對(duì)不同患者、不同臨床場(chǎng)景，提供豐富的數(shù)據(jù)支持，有助于醫(yī)生找到最佳的診療方案。

二、研究方法

本次研究共招募了53名AIS患者，包括88條脊柱曲線，分別進(jìn)行傳統(tǒng)二維COBB測(cè)量，立位三維COBB角測(cè)量。二維Cobb角測(cè)量通過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生手動(dòng)測(cè)量。三維Cobb角測(cè)量則通過(guò)WR-3D技術(shù)，采用Analytical method (AM)、 Plane intersecting method (PIM)、Plane projection method （PPM）三種不同的方法計(jì)算Cobb角。

WR-3D立位錐束斷層容積成像系統(tǒng)采用Cone-Beam錐束成像技術(shù)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)站臺(tái)帶動(dòng)患者低速旋轉(zhuǎn)，從不同角度捕獲透視圖像并通過(guò)三維重建算法重建出患者掃描部位的三維容積圖像。錐束成像技術(shù)擁有更大的錐角及更大的Ｚ軸覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)全脊柱區(qū)域完全覆蓋。三維Cobb角的測(cè)量首先使用3D UNet深度學(xué)習(xí)模型從WR-3D圖像中分割脊柱和股骨頭，并使用3D slicer進(jìn)行角度的自動(dòng)計(jì)算，識(shí)別必要的解剖標(biāo)志并計(jì)算相應(yīng)的角度。

Analytical method（AM）：椎體線被定義為最適合每個(gè)椎骨的質(zhì)心（幾何中心）的曲線。這些質(zhì)心投影到全局冠狀平面上（由連接股骨頭和Z軸的線定義）。WR-3D系統(tǒng)將自動(dòng)將曲線的拐點(diǎn)（凹度發(fā)生變化的地方）識(shí)別為測(cè)量點(diǎn)，然后在這些拐點(diǎn)處垂直于切線繪制直線，這些垂直線之間的角度為三維Cobb角（下圖a）。

Plane intersecting method (PIM)：計(jì)算端椎骨終板平面形成的二面角。該方法定義了兩個(gè)最佳擬合平面，一個(gè)擬合到3D模型內(nèi)曲線的最上面椎骨的上端板，另一個(gè)擬合至曲線的最下面椎骨的下端板。PIM的末端椎骨是通過(guò)自動(dòng)過(guò)程識(shí)別的，該過(guò)程計(jì)算找到所有椎骨最大的角度。然而，由于胸部后凸和腰椎前凸的影響，在輕度側(cè)彎的情況下，這種自動(dòng)化有時(shí)會(huì)不準(zhǔn)確地選擇端椎骨。在這種情況下，需要通過(guò)使用預(yù)定義的端椎骨來(lái)執(zhí)行端椎骨的手動(dòng)校準(zhǔn)角度。（下圖b）

Plane projection method (PPM)：首先定義了兩個(gè)最佳擬合平面對(duì)應(yīng)于3D模型內(nèi)脊柱曲線的最上部和最下部椎骨的終板。識(shí)別端椎骨需要自動(dòng)計(jì)算所有最大角度椎骨角度，確保這些自動(dòng)識(shí)別的端椎骨與預(yù)定義的最傾斜的端椎骨對(duì)齊。（這種自動(dòng)化在選擇過(guò)程中提供了一致性和可靠性，無(wú)需手動(dòng)調(diào)整。）然后將這些最佳擬合平面與全局冠狀平面相交的交點(diǎn)產(chǎn)生兩條線，這些相交線之間的角度為測(cè)量出的Cobb角。（下圖c）

三、研究結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)照得出二維Cobb角測(cè)量和三種三維Cobb角測(cè)量方法的數(shù)據(jù)存在些許差異。

Analytical method（AM）可以精準(zhǔn)反映患者脊柱側(cè)彎冠狀面最大弧度；Plane intersecting method （PIM）不但能夠反映出患者脊柱冠狀面?zhèn)葟澢闆r同時(shí)能夠反映出患者脊柱前后凸的影響；Plane projection method （PPM）與傳統(tǒng)二維Cobb角測(cè)量方法類(lèi)似，但避免了X線投照角度及病人擺位對(duì)于測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

PPM法與二維方法測(cè)量的Cobb角無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但是三維自動(dòng)測(cè)量可以避免X線投照角度、病人擺位及人工選取端椎的誤差，使測(cè)量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；AM方法相較于二維Cobb角測(cè)量，能夠精準(zhǔn)反映出患者脊柱整體側(cè)彎情況；PIM方法能夠既反映患者的側(cè)彎情況同時(shí)反映患者矢狀面失衡情況和端椎的傾斜度。

每種三維測(cè)量方法都產(chǎn)生了不同的脊柱彎曲評(píng)估值，這些差異可能會(huì)對(duì)臨床實(shí)踐產(chǎn)生重大影響。AM和PIM顯示了更大的估計(jì)，可能導(dǎo)致對(duì)AIS管理的更早或更積極的干預(yù)。相反，PPM和二維方法可能適用于AIS進(jìn)展的常規(guī)監(jiān)測(cè)。因此，應(yīng)仔細(xì)考慮測(cè)量方法的選擇，考慮每種模式的成像特征、具體的臨床場(chǎng)景以及對(duì)患者管理的潛在影響。不同的測(cè)量方式會(huì)影響在臨床上的決策，醫(yī)生需要根據(jù)特定成像模式、臨床場(chǎng)景和患者需求選擇不同的測(cè)量方式。

結(jié)論

華西醫(yī)院放射科與安健科技科研團(tuán)隊(duì)讓我們更好地理解了二維和三維Cobb角測(cè)量在臨床場(chǎng)景使用價(jià)值，并通過(guò)尖端技術(shù)進(jìn)步有效地應(yīng)用到臨床實(shí)踐中，極大地提高診斷精度、患者護(hù)理和AIS管理。

從二維到三維，從仰臥位到站立位，從結(jié)構(gòu)成像到功能成像，WR-3D立位錐束容積成像技術(shù)目前在臨床已實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎、足踝等部位的三維掃描和重建，并且搭載的AI自動(dòng)測(cè)量站可以為脊柱或膝關(guān)節(jié)提供全流程數(shù)據(jù)支撐，可以看到WR-3D立位錐束容積成像技術(shù)已成為引領(lǐng)精準(zhǔn)診療的關(guān)鍵力量。

[1]卜時(shí)贏，袁望舒，陳麗霞等，青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸Cobb(Cobb)角度與軀干旋轉(zhuǎn)角度及體重指數(shù)的相關(guān)性【J】.中華骨與關(guān)節(jié)外科雜志，2023.16110):886-890.