眾所周知，脊柱側(cè)彎已成為我國繼肥胖、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%?！?】臨床急需一種可以精準(zhǔn)測量脊柱側(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)生測量習(xí)慣不一樣，使測量值產(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自動測量。基于此，華西醫(yī)院放射科與安健科技科研團(tuán)隊(duì)對傳統(tǒng)的二維和自動化三維 Cobb角測量方法進(jìn)行定量比較。針對不同患者、不同臨床場景，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測量，立位三維COBB角測量。二維Cobb角測量通過經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生手動測量。三維Cobb角測量則通過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)。通過旋轉(zhuǎn)站臺帶動患者低速旋轉(zhuǎn)，從不同角度捕獲透視圖像并通過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)行角度的自動計算，識別必要的解剖標(biāo)志并計算相應(yīng)的角度。

Analytical method（AM）：椎體線被定義為最適合每個椎骨的質(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)將自動將曲線的拐點(diǎn)（凹度發(fā)生變化的地方）識別為測量點(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)：計算端椎骨終板平面形成的二面角。該方法定義了兩個最佳擬合平面，一個擬合到3D模型內(nèi)曲線的最上面椎骨的上端板，另一個擬合至曲線的最下面椎骨的下端板。PIM的末端椎骨是通過自動過程識別的，該過程計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，這種自動化有時會不準(zhǔn)確地選擇端椎骨。在這種情況下，需要通過使用預(yù)定義的端椎骨來執(zhí)行端椎骨的手動校準(zhǔn)角度。（下圖b）

Plane projection method (PPM)：首先定義了兩個最佳擬合平面對應(yīng)于3D模型內(nèi)脊柱曲線的最上部和最下部椎骨的終板。識別端椎骨需要自動計算所有最大角度椎骨角度，確保這些自動識別的端椎骨與預(yù)定義的最傾斜的端椎骨對齊。（這種自動化在選擇過程中提供了一致性和可靠性，無需手動調(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量出的Cobb角。（下圖c）

三、研究結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對照得出二維Cobb角測量和三種三維Cobb角測量方法的數(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角測量方法類似，但避免了X線投照角度及病人擺位對于測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

PPM法與二維方法測量的Cobb角無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，但是三維自動測量可以避免X線投照角度、病人擺位及人工選取端椎的誤差，使測量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；AM方法相較于二維Cobb角測量，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)彎情況同時反映患者矢狀面失衡情況和端椎的傾斜度。

每種三維測量方法都產(chǎn)生了不同的脊柱彎曲評估值，這些差異可能會對臨床實(shí)踐產(chǎn)生重大影響。AM和PIM顯示了更大的估計，可能導(dǎo)致對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。因此，應(yīng)仔細(xì)考慮測量方法的選擇，考慮每種模式的成像特征、具體的臨床場景以及對患者管理的潛在影響。不同的測量方式會影響在臨床上的決策，醫(yī)生需要根據(jù)特定成像模式、臨床場景和患者需求選擇不同的測量方式。

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角測量在臨床場景使用價值，并通過尖端技術(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自動測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.