EOSTM三維影像評價成人脊柱側(cè)凸的可靠性和準確性研究

秦樂 杜聯(lián)軍 嚴福華

EOSTM三維影像評價成人脊柱側(cè)凸的可靠性和準確性研究

秦樂 杜聯(lián)軍 嚴福華

目的 研究 EOS 影像系統(tǒng)在成人脊柱側(cè)凸評價中的可靠性和準確性。方法 選擇 2015 年9 月至 2016 年 1 月，于我院進行 EOS 影像攝片的脊柱側(cè)凸患者共 41 例。其中男 5 例，女 36 例，平均年齡64.6 歲。利用 sterEOS 軟件三維模型重建獲得脊柱側(cè)凸的各個測量數(shù)值，包括：Cobb’s 角、頂點椎體軸面旋轉(zhuǎn)角、T1～12后凸角、T4～12后凸角、L1～5前凸角、L1～S1前凸角、骨盆入射角和矢狀面骨盆傾斜角、外側(cè)骨盆移位以及骨盆軸面旋轉(zhuǎn)度。由 2 名放射科醫(yī)師分別獨立重建，并共同對模型與影像契合度進行評分。利用觀察者間變異系數(shù)評價 2 名醫(yī)師測得數(shù)據(jù)的觀察者間變異。同時根據(jù) Cobb’s 角將患者分為 3 組，并分析各組間契合度評分有無差異。結(jié)果 脊柱測量值中，Cobb’s 角、頂點椎體軸面旋轉(zhuǎn)角、T4～12后凸角、L1～5前凸角和L1～S1前凸角的觀察者間組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）分別為 0.990、0.911、0.971、0.972 和 0.949（P＜0.01）。僅 T1～12后凸角的觀察者間 ICC 較差，為 0.194（P=0.104）。骨盆測量值中，骨盆入射角、骶骨傾斜角、矢狀面骨盆傾斜角、外側(cè)骨盆移位以及骨盆軸面旋轉(zhuǎn)度的觀察者間 ICC 分別為 0.846、0.885、0.914、0.987 和 0.779（P＜0.01）。3 組 Cobb’s 角不同的患者模型契合度評分差異有統(tǒng)計學意義（F= 4.721，P=0.015）。結(jié)論 使用 EOS 系統(tǒng)攝片和 sterEOS 后處理軟件對成人脊柱側(cè)凸進行 3 D 建模能獲得很好的測量可靠性和準確性，為醫(yī)師提供了一種全新的方法以更好地評判脊柱側(cè)凸。

放射攝影影像解釋，計算機輔助； 體層攝影掃描儀，X 線計算機；脊柱側(cè)凸；結(jié)果可重復性

目前，影像學上評價脊柱側(cè)凸最常用的方法為測量 Cobb’s 角。但該角度僅能從二維視角來評價脊柱側(cè)凸這一復雜的病理改變。隨著影像技術(shù)的進步，目前通過使用先進的 EOS 影像系統(tǒng)拍攝正側(cè)位X 線片，加上后處理軟件技術(shù)，已使獲得脊柱側(cè)凸的三維信息成為可能。相比傳統(tǒng) X 線片，使用該系統(tǒng)成像具有輻射量低、圖像質(zhì)量好和像素分辨率高的優(yōu)點［1］。同時該系統(tǒng)能使用兩個互相垂直的球管進行正側(cè)位雙平面同時成像，且成像過程中球管自上而下移動，可避免傳統(tǒng)成像時球管位置固定所帶來的圖像放大效應(yīng)。過去的文獻均較少關(guān)注成年人脊柱側(cè)凸。我院于 2015 年 9 月至 2016 年 1 月，對 41 例成人脊柱側(cè)凸患者進行了 EOS 脊柱全長攝片及三維后處理，并取得滿意的成像效果?，F(xiàn)總結(jié)如下。

資料與方法

1. 入組與排除標準：入組標準：（1）進行 EOS影像系統(tǒng)前后位及側(cè)位脊柱全長 X 線片；（2）年齡＞35 歲；（3）前后位 X 線片上手工測量 Cobb’s角＞10°。排除標準：脊柱腫瘤、椎體先天性畸形和脊柱炎癥感染的患者。

2. 一般資料：本組 41 例，其中男 5 例，女36 例，平均年齡 64.6（36～84）歲。根據(jù)手工測量結(jié)果，將患者分為 Cobb’s 角 10°～25°、≤45°～＞25° 及＞45° 3 組。

3. 攝片方法：患者在 EOS 攝片機上以前后位站立，左腳稍前移以使側(cè)位 X 線片上能分辨兩側(cè)髖臼位置。患者雙手前伸、抱頭以盡量減少手臂骨骼軟組織與脊柱的重疊，若老年患者站立不穩(wěn)，可雙手向前扶住穩(wěn)定棒幫助站立。根據(jù)患者的體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）選擇小型身材、中等身材或大型身材的掃描參數(shù)，掃描范圍為頭頂至雙足足底，一次掃描即可同時獲得正前位和側(cè)位圖像信息。根據(jù)患者身高不同，掃描時間一般為 15～25 s（圖 1）。

4. 三維建模方法：使用 sterEOS 后處理工作站進行脊柱側(cè)凸三維重建。選擇 full 3 D 重建模式對所有椎體進行評價。第一步，在側(cè)位圖像上確定骶骨傾斜線，然后正側(cè)位上同時定義髖臼位置和骨盆傾斜度；第二步，依次在側(cè)位和正位上從 T1～L5沿脊柱走行方向確定脊柱彎曲線，并調(diào)整曲線寬度使之與脊柱椎體整體寬度基本一致；第三步，軟件會生成各椎體的大致模型，需要按 L5～T1的順序分別調(diào)整各椎體在側(cè)位 X 線片上的位置、高度以及在正位上的位置和椎體旋轉(zhuǎn)方向；第四步，軟件自動確定計算 Cobb’s 角所需要的最上緣椎體、頂點椎體和最下緣椎體；最后一步，更精確地從 L5～T1調(diào)整各椎體的上下終板、前后緣和椎弓根位置（圖 2）。經(jīng)過上述重建調(diào)整后，軟件會自動生成椎體的三維圖像，并計算椎體的包括 Cobb’s 角和頂點椎體軸面旋轉(zhuǎn)角度（apical vertebral rotation，AVR）在內(nèi)的脊柱側(cè)凸參數(shù)、矢狀面平衡參數(shù)（T1～12后凸角、T4～12后凸角、L1～5前凸角和 L1～S1前凸角）、椎體旋轉(zhuǎn)和椎體間旋轉(zhuǎn)參數(shù)（軸面、矢狀面和冠狀面旋轉(zhuǎn)）以及骨盆參數(shù)（骨盆傾斜度、骶骨傾斜度、矢狀面骨盆傾斜度、外側(cè)骨盆傾斜、骨盆軸面旋轉(zhuǎn)）（圖 3）。所有參數(shù)均修正了骨盆軸面旋轉(zhuǎn)所帶來的影響。另外，規(guī)定軸面向左旋轉(zhuǎn)時為正值。

圖1　EOS 影像攝片系統(tǒng)Fig.1 EOS imaging system

圖2　在正側(cè)位 X 線片上調(diào)整綠色模型的位置。藍點為椎體前后上下緣的位置，黃點為椎弓根的位置Fig.2 Adjust green models on the frontal and lateral images. Blue points represented the anterior， posterior， superior and inferior edge of the vertebra， respectively， and yellow points represented the location of pedicles

圖3　建模后，ster-EOS 軟件能夠自動計算脊柱和骨盆測量值Fig.3 After 3 D reconstruction， spinal and pelvic measurements could be automatically obtained by sterEOS software

每例患者的三維建模分別由 1 名放射科住院醫(yī)師和 1 名放射科骨關(guān)節(jié)專業(yè)的副主任醫(yī)師獨立完成。2 名醫(yī)師均經(jīng)過 1 個月的 sterEOS 軟件的培訓和練習。比較兩者建模所得出的主要側(cè)凸角度、各椎體的軸面旋轉(zhuǎn)、矢狀面平衡參數(shù)以及骨盆參數(shù)的一致性。同時觀察影像上所顯示的各種脊柱退行性改變。此外，2 名醫(yī)師共同對調(diào)整后的模型與影像上所顯示的椎體契合度進行評分，主要觀察內(nèi)容包括椎體的位置、前后緣、上下緣、椎弓根和棘突位置。單個椎體如果模型與影像完全吻合得 4 分，基本吻合得 3 分，一部分吻合得 2 分，大部分不吻合得 1 分，圖像顯示不清無法重建得 0 分，每例患者17 個椎體滿分共 68 分。

5. 統(tǒng)計學處理：采用 SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計學分析。各參數(shù)的觀察者間變異采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）表示。ICC＞0.9 表示可信度極好，＞0.75 表示可信度良好，0.4～0.75 表示可信度一般，＜0.4 表示可信度較差。3 組數(shù)據(jù)間比較采用單因素方差分析 ANOVA 檢驗分析，兩兩之間比較采用 q 檢驗。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

2 名放射科醫(yī)師使用 sterEOS 后處理軟件分別對41 例的正側(cè)位 X 線片進行建模。兩者所得的測量值比較中，除 T1～12后凸角外，其它參數(shù)的 ICC 均高于0.75（ICC=0.756～0.981），但 T1～12后凸角的可信度低于 0.4，與其它參數(shù)有明顯差別（表 1、2）。總體上 ICC 值表明大部分測量值的可信度較高，僅 T1～12后凸角的可信度較低。在評價模型與影像吻合度方面，所有模型的得分平均值為 58.5（8～68）分。3 組患者間模型吻合度得分差異有統(tǒng)計學意義（F= 4.721，P=0.015），其中第 1 組與第 2 組、第 2 組和第 3 組的得分之間差異無統(tǒng)計學意義（P=0.106、0.129），第 1 組和第 3 組得分之間差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）（表 3）。但第 3 組有 2 例的模型得分分別為 8 分和 28 分，明顯低于其他患者。所有患者中，37 例存在椎體骨質(zhì)增生改變，5 例存在骨質(zhì)硬化，5 例存在骨質(zhì)疏松，6 例存在椎體楔形變，3 例存在關(guān)節(jié)間隙狹窄，2 例存在椎體滑脫，2 例存在腰椎骶化，1 例為全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后，1 例股骨頭向上脫位與髂骨形成假關(guān)節(jié)。

表1　脊柱測量值的觀察者間變異Tab.1 Inter-observer variability of spinal measurements

表2　骨盆測量值的觀察者間變異Tab.2 Inter-observer variability of pelvic measurements

表3　3組患者模型與影像吻合度評分Tab.3 Conformation scores of patients in 3 groups

討 論

脊柱側(cè)凸為一復雜的椎體三維畸形改變，成人脊柱側(cè)凸指在骨骼成熟的患者中出現(xiàn) Cobb’s 角＞10°的脊柱畸形［2-3］。如果不加干預(yù)將引起椎間盤和關(guān)節(jié)間退變，形成惡性循環(huán)［4］。脊柱側(cè)凸研究協(xié)會已對成人脊柱側(cè)凸做出了分型，該分型的基礎(chǔ)之一在于要求能夠可靠準確地測量冠狀面和矢狀面上脊柱側(cè)凸的程度［5］。此外，正確認識脊柱冠狀面失衡類型對選擇術(shù)式及評估預(yù)后很有幫助［6］。已有許多文獻報道在常規(guī) X 線片上手工測量 Cobb’s 角等參數(shù)誤差較大，缺乏足夠的穩(wěn)定性［7］。因此，本研究旨在使用先進的 EOS 影像系統(tǒng)對脊柱全長進行攝片和重建，然后對各測量值的可靠性進行評價。由于觀察者間變異在評判可靠性方面具有重要意義，故筆者著重于各測量值的觀察者間變異。

自 2007 年問世以來，EOS 成像系統(tǒng)和 sterEOS軟件后處理受到了廣泛地關(guān)注。EOS 成像系統(tǒng)運用了多絲正比室技術(shù)結(jié)合線性掃描，使其能夠在較傳統(tǒng) X 線片和 CT 放射劑量明顯降低的情況下獲得高質(zhì)量的圖像［8］。另外，檢查時一次能同時獲得 2 張正側(cè)位圖像，這不僅最大限度上節(jié)約了檢查時間，也使得正側(cè)位 X 線片上的解剖結(jié)構(gòu)位置能夠相互對應(yīng)。本研究對 EOS 系統(tǒng)在中老年脊柱側(cè)凸患者中的應(yīng)用進行了評價。最重要的發(fā)現(xiàn)是，除 T1～12后凸角外，使用 EOS 攝片后進行 3 D 半自動建模所得的脊柱和骨盆測量值具有很好的可靠性，且模型與 X 線所示的解剖標志具有很好的契合度。

Somoske?y 等［2］使用 sterEOS 軟件對 201 例包括各年齡段患者的脊柱冠狀面和矢狀面參數(shù)進行了多次測量比較后發(fā)現(xiàn)，Cobb’s 角、T4～12后凸角和L1～5前凸角的觀察者內(nèi)重復性很高。盡管 Somoske?y 等［2］的研究中年輕患者占了相當大的比例，而本研究則均為中老年患者，但本研究所得的觀察者間可靠性依舊與其基本相仿。另外在測量準確度方面，Somoske?y 等［2］將 2 D 手工測量值與 3 D 軟件所得的數(shù)值比較后發(fā)現(xiàn)，兩者的 Cobb’s 角和 L1～5前凸角無明顯差異。但筆者認為，2 D 手工測量無法根據(jù)椎體真正的傾斜面來計算角度，將其作為標準來判斷3 D 測量的準確度值得商榷。Carreau 等［9］對 Cobb’s角＞50° 的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者的 EOS 三維建模圖像進行了評價，發(fā)現(xiàn)各脊柱和骨盆測量值重復性均較好，且較手工測量誤差更小。筆者納入研究的患者盡管大部分存在如骨質(zhì)增生硬化、椎體滑脫和骨質(zhì)疏松等，但這些因素的存在并未明顯影響軟件的識別和醫(yī)師的觀察，各測量參數(shù)均能獲得較好的測量可靠性。但僅 T1～12后凸角的觀察者間變異較差。筆者分析認為主要是由于大部分患者的 T1椎體被肩部的骨骼和軟組織影所遮擋，往往顯示不清所致。此外，本研究有 2 例 Cobb’s 角分別達到了 116.8° 和147.1°，正側(cè)位 X 線片上顯示位于側(cè)凸內(nèi)的椎體重疊嚴重，部分椎體幾乎無法辨認其準確的解剖位置，其模型契合度得分也只有 45 分和 48 分，故無法進行手動調(diào)整。因此，筆者認為在這些解剖標志顯示不清的患者中，sterEOS 軟件也并不適用于其建模。

在測量準確度方面，Humbert 等［10］發(fā)現(xiàn) EOS 與CT 之間在椎體形態(tài)和旋轉(zhuǎn)方向上的測量幾乎沒有差異。Rousseau 等［11］在一項體外實驗中將骨盆放置于-30°～30° 旋轉(zhuǎn)位置的情況下攝片后，在 sterEOS 軟件上進行骨盆測量依然得到了相當好的重復性和準確性。Al-Aubaidi 等［12］分別在 EOS 和 CT 上對 7 例青少年輕度脊柱側(cè)凸患者的 Cobb’s 角和 AVR 進行了測量，認為兩者之間無顯著差別。但筆者考慮到放射劑量和體位問題，并未使用 CT 作為參照來評價 EOS 的準確度，而使用了模型與影像契合度這一方法來間接評價其建模和三維測量值的準確度。在筆者的評分中，除上述 2 例得分較低（45、48 分）外，其余患者的契合度均較好，即在 sterEOS 軟件上經(jīng)過手動調(diào)整后，模型能與影像上所顯示的椎體和骨盆解剖結(jié)構(gòu)匹配良好。筆者同時也發(fā)現(xiàn)，在模型與影像的匹配評分中，匹配不良的椎體往往出現(xiàn)在T4以上的椎體內(nèi)。這可能與上胸椎的附件形態(tài)和位置往往變異較大有關(guān)。

本研究存在一些限制。首先，納入研究的患者樣本量較小，特別是 Cobb’s 角＞45° 的患者數(shù)量有限；其次，由于放射劑量的限制，無法在大量患者中展開脊柱全長 EOS 片和 CT 或 MRI 圖像的對比；最后，筆者沒有在左右側(cè)彎位和前后伸屈位對患者的脊柱側(cè)凸進行評價。

綜上所述，使用 EOS 系統(tǒng)攝片和 sterEOS 后處理軟件這一全新的方法對成人脊柱側(cè)凸進行 3 D 建模能獲得很好的測量可靠性，且模型與影像的解剖標志契合度較高。但值得注意的是，EOS 必須應(yīng)用于影像上椎體能夠清楚顯示的患者，這是 3 D 重建可靠準確的基礎(chǔ)。相信隨著 EOS 系統(tǒng)的不斷推廣和應(yīng)用，越來越多的臨床證據(jù)會證實其在診斷和改善成人脊柱側(cè)凸患者預(yù)后方面的作用，從而為實際臨床工作方式帶來革新。

［1］ Illés T， Somoske?y S. The EOSTMimaging system and its uses in daily orthopaedic practice. Int Orthop， 2012， 36（7）：1325-1331.

［2］ Somoske?y S， Tunyogi-Csapó M， Bogyó C， et al. Accuracy and reliability of coronal and sagittal spinal curvature data based on patient-specific three-dimensional models created by the EOS 2D/3D imaging system. Spine J， 2012， 12（11）：1052-1059.

［3］ Hebela NM， Tortolani PJ. Idiopathic scoliosis in adults：Classification， indications， and treatment options. Semin Spine Surg， 2009， 21（1）：16-23.

［4］ Buchowski JM. Adult scoliosis： etiology and classification. Semin Spine Surg， 2009， 21（1）：2-6.

［5］ Lowe T， Berven SH， Schwab FJ， et al. The SRS classification for adult spinal deformity： building on the King/Moe and Lenke classification systems. Spine， 2006， 31（19S）：S119-125.

［6］ 邱勇， 王斌， 朱鋒， 等. 退變性腰椎側(cè)凸的冠狀面失衡分型及對截骨矯形術(shù)式選擇的意義. 中華骨科雜志， 2009， 29（5）：418-423.

［7］ 楊衛(wèi)周， 陶惠人， 黃景輝， 等. Cobb 法測量先天性脊柱側(cè)凸角度的可信度研究. 中華解剖與臨床雜志， 2014， 19（5）：367-370.

［8］ Deschênes S， Charron G， Beaudoin G， et al. Diagnostic imaging of spinal deformities： reducing patients radiation dose with a new slot-scanning X-ray imager. Spine， 2010， 35（9）：989-994.

［9］ Carreau JH， Bastrom T， Petcharaporn M， et al. Computergenerated， three-dimensional spine model from biplanar radiographs： a validity study in idiopathic scoliosis curves greater than 50 degrees. Spine Deform， 2014， 2（2）：81-88.

［10］ Humbert L， De Guise JA， Aubert B， et al. 3D reconstruction of the spine from biplanar X-rays using parametric models based on transversal and longitudinal inferences. Med Eng Phys，2009， 31（6）：681-687.

［11］ Rousseau MA， Brusson A， Lazennec JY. Assessment of the axial rotation of the pelvis with the EOS?imaging system：intra-and inter-observer reproducibility and accuracy study. Eur J Orthop Surg Traumatol， 2014， 24（6）：891-895.

［12］ Al-Aubaidi Z， Lebel D， Oudjhane K， et al. Three-dimensional imaging of the spine using the EOS system： is it reliable？A comparative study using computed tomography imaging. J Pediatr Orthop B， 2013， 22（5）：409-412.

（本文編輯：王萌）

Accuracy and reliability study of EOSTMin the evaluation of adult scoliosis

QIN Le， DU Lian-jun， YAN Fu-hua. Department of Radiology， Ruijin Hospital， Shanghai Jiaotong University， Shanghai， 200025， PRC

DU Lian-jun， Email： dlj10788@rjh.com.cn

Objective To study the accuracy and reliability of EOSTMimaging system in the evaluation of adult scoliosis. Methods Between September 2015 and January 2016， EOS images from 41 adult scolisis patients（5 males， 36 females， mean age 64.6-year-old）were collected for the study. SterEOS software was used to do 3 D reconstruction of the spine to obtain a set of measurements， including Cobb’s angle， apical vertebral rotation，T1-12kyphosis， T4-12kyphosis， L1-5lordosis， L1- S1lordosis， pelvic incidence， sacral slope， sagittal pelvic tilt， lateral pelvic tilt and pelvis axial rotation. Two radiologists were blinded to each other to conduct 3 D software generated measurements from an EOS imaging system. They also scored the conformance of 3 D model and images. Intraclass correlation coefficients were compared to evaluate inter-observer variability. Patients were also classified to 3 groups according to Cobb’s angle to analyze conformance. Results Intra-class correlation coefficients were 0.990，0.911， 0.971， 0.972 and 0.949（P ＜ 0.01）for Cobb’s angle， apical vertebral rotation， T4-12kyphosis， L1-5lordosis and L1- S1lordosis， respectively. Only poor intra-class correlation coefficient： 0.194（P = 0.104）for T1-12kyphosis. Intraclass correlation coefficients were 0.846， 0.885， 0.914， 0.987 and 0.779（P ＜ 0.01）for pelvic incidence， sacral slope，sagittal pelvic tilt， lateral pelvic tilt and pelvis axial rotation. Conformation scores were statistically different among patients in 3 groups of different Cobb’s angles（F = 4.721， P = 0.015）. Conclusions EOS imaging and sterEOS 3 D reconstruction create accurate and reliable measurements in adult scoliosis， providing a novel method for radiologists and orthopedists to improve the assessment of scoliosis.

Radiographic image interpretation， computer-assisted； Tomography scanners， X-ray computed；Scoliosis； Reproducibility of results

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.08.003 中圖分類號：R682.3， R445

200025 上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院放射科

杜聯(lián)軍，Email: dlj10788@rjh.com.cn

（2016-06-07）