利用灰度反轉(zhuǎn)視圖與sterEOS工作站進(jìn)行脊柱建模的可行性

倪曉龍 馬超逸 羅飛 軒艷姣 賈紹田

EOS X線影像采集系統(tǒng)(EOS)運(yùn)用了多絲正比室與線性掃描相結(jié)合的技術(shù)，能夠以顯著低于傳統(tǒng) X 線和 CT 檢查的放射劑量獲得高質(zhì)量圖像[1-2]，目前專用于采集人體全長(zhǎng)骨骼影像。EOS受檢者以負(fù)重位接受全身掃描，正位和側(cè)位同步采集，醫(yī)生可一次性獲得等比例患者全脊柱及下肢全長(zhǎng)正位和側(cè)位二維數(shù)字圖像。利用EOS強(qiáng)大的后處理工作站sterEOS可獲得受檢者骨骼的重要形態(tài)參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)骨骼的三維重建[3]。例如，利用sterEOS可獲得Cobb角等多項(xiàng)脊柱參數(shù)，進(jìn)行脊柱建模，用于臨床診斷[4]。EOS也可用于患者胸部正側(cè)位檢查，因此其sterEOS后處理工作站具有視圖灰度反轉(zhuǎn)功能?；叶确崔D(zhuǎn)即正像(骨黑、氣白)和負(fù)像(骨白、氣黑)的相互轉(zhuǎn)換。一般情況下，脊柱建模利用正常灰度視圖完成。但是，人視覺有亮度掩蔽特性，即最小可覺差隨背景亮度變化而變化。那么，建模者利用正?；叶群头崔D(zhuǎn)灰度視圖檢出信息和建模是否會(huì)存在差異？本研究對(duì)這一問題進(jìn)行探討，以期對(duì)EOS的臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)。

資料與方法

一、資料

1.病例納入與排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)病例納入標(biāo)準(zhǔn)：特異性脊柱側(cè)彎患者且側(cè)彎角度≥10°。(2)病例排除標(biāo)準(zhǔn)：椎體內(nèi)存在鋼釘；骨水泥成形術(shù)后；存在異物遮擋椎體。

2.一般臨床資料：對(duì)2019年9至12月于北京積水潭醫(yī)院放射科因特異性脊柱側(cè)彎接受負(fù)重位脊柱全長(zhǎng)X線檢查且符合上述病例納入與排除標(biāo)準(zhǔn)的30例患者的影像學(xué)資料進(jìn)行脊柱測(cè)量與建模?；颊吣挲g(14.48±3.18)歲，其中男7例，女23例。

3.儀器和設(shè)備： EOS與sterEOS后處理工作站(型號(hào)分別為3.7.3.8463和1.6.5.8188，EOS Imaging，法國(guó))。

二、方法

1.參數(shù)的測(cè)量：利用sterEOS后處理工作站，由2名測(cè)量者(A和B，均為通過認(rèn)證的技師)同時(shí)對(duì)每例患者影像分別通過正?；叶群突叶确崔D(zhuǎn)視圖進(jìn)行脊柱快速三維測(cè)量1次，1周后重復(fù)測(cè)量1次。測(cè)量參數(shù)包括側(cè)凸Cobb角、骨盆透射角(pelvic incidence，PI)、骨盆傾斜角(pelvic tilt，PT)、骶骨傾斜角(sacral slope，SS)、T1/T12胸后凸角、T4/T12胸后凸角以及L1/L5和L1/S1腰前凸角。具體測(cè)量步驟如下：(1)勾畫出S1上終板，確定髖臼位置(圖1)；(2)勾畫出T1～L5脊柱正側(cè)位走形，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)模型(圖2)；(3)粗略調(diào)整模型，大致確定單個(gè)椎體的旋轉(zhuǎn)和傾斜度(圖3)；(4)精準(zhǔn)調(diào)整目標(biāo)椎體，確定椎體的上下終板輪廓以及椎弓根和棘突的位置(圖4)；(5)生成結(jié)果，記錄數(shù)據(jù)(圖5)；(6)對(duì)圖像進(jìn)行灰度反轉(zhuǎn)處理，重復(fù)步驟(1)～(5)(圖6，7)。

2.統(tǒng)計(jì)學(xué)處理：采用SPSS 21.0軟件(IBM公司，美國(guó))對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用配對(duì)t檢驗(yàn)方法對(duì)2名測(cè)量者測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。計(jì)算數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient,ICC)，ICC=0～1有意義。ICC<0.25為一致性差；ICC=0.25～0.49為一致性低；ICC=0.50～0.69為一致性中等；ICC=0.70～0.89為一致性好；ICC=0.90～1.00為一致性極佳。

結(jié) 果

獲得每例患者正?；叶纫晥D和灰度反轉(zhuǎn)視圖數(shù)據(jù)各4組。同一測(cè)量者在同一種視圖測(cè)得的2組數(shù)據(jù)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1，2)。將2種視圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中Cobb角、PT、T1/T12胸后凸角以及L1/L5和L1/S1腰前凸角差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，PI、SS和T4/T12胸后凸角差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表3)。在正?；叶纫晥D數(shù)據(jù)中，測(cè)量者A測(cè)得數(shù)據(jù)ICC=0.90～1.00，一致性均為極佳；測(cè)量者B測(cè)得數(shù)據(jù)ICC=0.85～1.00，一致性為好至極佳；2位測(cè)量者數(shù)據(jù)間ICC大部分位于0.80～1.00，一致性為好至極佳。在灰度反轉(zhuǎn)視圖數(shù)據(jù)中，測(cè)量者A測(cè)得數(shù)據(jù)ICC=0.90～1.00，一致性極佳且各項(xiàng)參數(shù)ICC值均高于相應(yīng)正?；叶纫晥D數(shù)據(jù)；測(cè)量者B測(cè)得數(shù)據(jù)ICC=0.90～1.00，一致性均為極佳，與相應(yīng)正?；叶纫晥D數(shù)據(jù)相比除PT和T1/T12腰后凸角ICC值略低外，其他參數(shù)數(shù)據(jù)ICC值均高更；2位測(cè)量者測(cè)得數(shù)據(jù)間ICC=0.85～1.0，一致性為好至極佳，與相應(yīng)正?；叶纫晥D數(shù)據(jù)相比，除Cobb角和L1/S1腰前凸角ICC值略低外，其他參數(shù)數(shù)據(jù)ICC值均更高。2種視圖數(shù)據(jù)ICC=0.90～1.00，一致性極佳(表4)。

圖1 在正?；叶纫晥D上確定髖臼位置 圖2 在正?；叶纫晥D上勾畫T1～L5正側(cè)位走形 圖3 在正?；叶纫晥D上粗略調(diào)整模型，大致確定單個(gè)椎體的旋轉(zhuǎn)和傾斜度 圖4 在正?；叶纫晥D上精準(zhǔn)調(diào)整目標(biāo)椎體，確定椎體的輪廓和位置 圖5 在正?；叶纫晥D上生成各項(xiàng)測(cè)量參數(shù) 圖6 在反轉(zhuǎn)灰度視圖上勾畫脊柱走形 圖7 在反轉(zhuǎn)灰度視圖上確定椎體的輪廓和位置

討 論

脊柱側(cè)凸又稱脊柱側(cè)彎，是一種脊柱的三維畸形，包括冠狀位、矢狀位和軸位的序列異常。較重的脊柱側(cè)凸會(huì)使患者身體發(fā)生變形，更嚴(yán)重者可以影響患者心肺功能，甚至累及脊髓造成癱瘓，在必要時(shí)需手術(shù)治療。立位脊柱全長(zhǎng)正側(cè)位X線攝影是評(píng)價(jià)脊柱側(cè)凸最常用的影像學(xué)檢查方法之一，通過測(cè)量獲得患者脊柱各部分影像參數(shù)，如胸椎和腰椎的 Cobb角[5]、PI、PT以及SS等，有助于臨床醫(yī)生評(píng)估患者病情和了解治療補(bǔ)償機(jī)制，同時(shí)對(duì)手術(shù)計(jì)劃的制定有重大意義。Cobb角、脊柱矢狀位參數(shù)和骨盆參數(shù)的測(cè)量通常在二維圖像上進(jìn)行，對(duì)于常伴隨椎體旋轉(zhuǎn)的椎體側(cè)彎患者，測(cè)量結(jié)果可能不準(zhǔn)確。傳統(tǒng)CT掃描三維重建可以真實(shí)反映椎體在三維圖像上的形態(tài)，但存在3個(gè)不足之處：掃描過程輻射劑量大；掃描長(zhǎng)度受到限制；只能進(jìn)行患者臥位掃描，不能進(jìn)行患者站立位掃描。

表1 正?；叶纫晥D數(shù)據(jù)的比較

表2 灰度反轉(zhuǎn)視圖數(shù)據(jù)的比較

表3 正?；叶纫晥D與灰度反轉(zhuǎn)視圖數(shù)據(jù)的比較

表4 2名測(cè)量者利用正?；叶纫晥D和灰度反轉(zhuǎn)視圖測(cè)得數(shù)據(jù)的相關(guān)性

應(yīng)用EOS可進(jìn)行患者站立位正側(cè)位全脊柱掃描，一次性獲得全脊柱正側(cè)位像，通過三維重建獲得三維圖像，克服了傳統(tǒng)CT掃描的不足。EOS應(yīng)用多絲正比粒子探測(cè)器與扇形狹縫掃描相結(jié)合的技術(shù)，其球管出射線口與探測(cè)器入口均裝置準(zhǔn)直器，加上獨(dú)特的線性薄扇形束掃描模式，可以抑制超過99%的散射線；其氣體粒子探測(cè)器的電子雪崩效應(yīng)可以將所獲得的光子信號(hào)放大數(shù)倍，因此可以通過低輻射劑量獲得高質(zhì)量低噪聲圖像；探測(cè)器獨(dú)特的自動(dòng)可調(diào)增益功能可以根據(jù)患者體型輪廓對(duì)放射區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整以獲得高對(duì)比度的影像[2]。通過sterEOS工作站可進(jìn)行三維建模以反映椎體的三維形態(tài)[6]，再行測(cè)量各項(xiàng)參數(shù)，符合“好圖像，低輻射”的理念。

利用sterEOS工作站對(duì)脊柱影像各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)得參數(shù)的準(zhǔn)確性取決于在正側(cè)位圖像上勾畫圖像的精準(zhǔn)度，勾畫圖像的精準(zhǔn)度越高，測(cè)得的參數(shù)越準(zhǔn)確。而勾畫圖像的精準(zhǔn)度取決于圖像的顯示度和清晰度以及操作人員的視覺能力和操作經(jīng)驗(yàn)。尤其是在勾畫低對(duì)比度圖像結(jié)構(gòu)時(shí)，圖像能夠被清楚辨認(rèn)是十分重要的。灰度反轉(zhuǎn)是指對(duì)圖像灰度范圍進(jìn)行線性或非線性取反，產(chǎn)生與輸入圖像灰度相反的圖像，用以觀察某些原本顏色較淺或不明顯的部位和組織[7]。X線像的灰度反轉(zhuǎn)視圖首先被應(yīng)用于胸部上肺結(jié)節(jié)的檢查。與標(biāo)準(zhǔn)視圖相比,通過使用灰度反轉(zhuǎn)視圖可以顯著提高肺結(jié)節(jié)X線檢查的特異度[8-9]。從視覺感知理論可知,當(dāng)灰暗結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在明亮背景前時(shí),讀片人的光學(xué)對(duì)比感知度會(huì)明顯提升。目標(biāo)區(qū)域被較高亮度區(qū)域包繞(灰度反轉(zhuǎn)視圖)時(shí),相較被低亮度區(qū)域包圍(正?；叶纫晥D)更容易被識(shí)別[10-11]。

本研究將正?；叶纫晥D與灰度反轉(zhuǎn)視圖測(cè)得參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中PI,SS以及T4/T12胸后凸角差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?；颊咦刁w發(fā)生嚴(yán)重側(cè)凸可能造成椎體旋轉(zhuǎn)，在側(cè)位像中側(cè)凸椎體上下終板因側(cè)凸產(chǎn)生重疊，椎弓根因椎體發(fā)生旋轉(zhuǎn)而難以辨認(rèn)[12]；部分患者因手臂上抬困難造成側(cè)位像中肱骨頭遮擋椎體；不同患者骶骨形狀不同造成S1上終板平面難以確認(rèn)。這些原因都可能導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在顯著差異。利用灰度反轉(zhuǎn)視圖與正常灰度視圖進(jìn)行測(cè)量的可重復(fù)性和數(shù)據(jù)可信度都較高，且利用灰度反轉(zhuǎn)視圖測(cè)得數(shù)據(jù)的誤差多小于正?；叶纫晥D數(shù)據(jù)。因此，在進(jìn)行脊柱建模時(shí)可以切換視圖的不同灰度狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。本研究樣本量較小，隨著EOS臨床應(yīng)用的不斷深入開展，在未來的研究中將彌補(bǔ)這一不足。