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負重位錐形束ct下肢骨骼自動分割及hka測量最新研究
發(fā)布時間:2024-12-25 09:15:48

近日,四川大學(xué)華西醫(yī)院團隊與安健科技研究團隊在國內(nèi)權(quán)威期刊"中國骨與關(guān)節(jié)雜志"中,發(fā)表了《基于深度學(xué)習(xí)的負重位錐形束CT下肢骨骼,自動分割及髖-膝-踝角測量的研究》。研究證實二維與三維HKA角存在顯著差異,且三維HKA角更為精準;同時負重位CBCT(WR-3D)圖像的下肢骨骼CNN自動分割模型具有較高的準確性,這為后續(xù)下肢骨骼三維參數(shù)的自動測量奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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研究背景

髖-膝-踝 (HKA ) 角是評價下肢力線和膝關(guān)節(jié)負荷的重要參數(shù)。但人工測量三維HKA角等參數(shù)存在一定的局限性。因此,四川大學(xué)華西醫(yī)院團隊與安健科技的研究團隊將負重位CBCT與AI技術(shù)結(jié)合,通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)實現(xiàn)下肢骨骼的自動分割和HKA角的精準測量。并在此基礎(chǔ)上,比較二維與三維自動測量 HKA 角之間的差異。

研究方法

此次研究的二維成像與三維成像使用的成像設(shè)備均為安健科技旗下 DX 6290設(shè)備。其中二維成像,采用站立狀態(tài)下的全下肢前后位成像;三維成像,采用 CBCT 成像系統(tǒng),該系統(tǒng)最大重建FOV為350 mm,一次掃描可同時包含雙側(cè)髖關(guān)節(jié)的成像。

三維智能分割與測量,獲得膝關(guān)節(jié)HKA角精準影像數(shù)據(jù)

臨床專家對65位患者的全下肢CBCT圖像數(shù)據(jù),輸入U-Net CNN 搭建的骨骼分割模型。為適應(yīng)下肢圖像分割,研究對U-Net網(wǎng)絡(luò)進行改良,引入三維卷積核,同時加入殘差結(jié)構(gòu),提高分割精度。通過對股骨、髕骨、脛骨、腓骨和距骨的單獨分割,得出Dice系數(shù)為0.928到0.950,滿足臨床對于下肢關(guān)鍵骨骼的三維自動識別測量。

與此同時,研究人員使用AI自動測量的三維HKA角,所需數(shù)據(jù)在3D slicer軟件中自動進行測量。自動測量冠狀面上,股骨機械軸和脛骨機械軸形成的夾角,測量出HKA 角的三維數(shù)據(jù)。而二維測量HKA角,需要在二維圖像上人工確定股骨和脛骨的機械軸,得出兩條軸線在膝關(guān)節(jié)處的交角,即為最終二維 HKA 角度。

研究結(jié)果表明,二維和三維 HKA 角度存在 2.05°的平均值絕對差異,具有顯著統(tǒng)計學(xué)意義。

研究結(jié)果

綜上所述,此次研究中提出的CNN下肢自動分割模型,可以完成三維全下肢骨骼自動分割。并且三維自動測量的HKA角,具有較高的準確性和可靠性,且三維測量方法不易受投照角度、擺位等影響,測量結(jié)果相較于二維測量更為精準。

在臨床應(yīng)用上,膝關(guān)節(jié)炎發(fā)病率正處于逐年上漲趨勢。而HKA角是評估膝關(guān)節(jié)的負荷評估、畸形矯正及術(shù)后隨訪的重要依據(jù)。以膝關(guān)節(jié)炎高位截骨術(shù)和關(guān)節(jié)置換術(shù)的術(shù)前規(guī)劃為例,即使是 2°的測量差異就有可能對臨床診斷和決策造成影響。而AI自動測量系統(tǒng)中的三維分割和自動測量,則避免因投照角度、人工測量誤差、組織重疊以及患者站位等因素造成的誤差,有效提高了測量結(jié)果的準確性和一致性。且研究中的成像設(shè)備--安健科技旗下的"WR-3D立位錐束斷層CT",能夠支持患者在自然負重下三維掃描及三維重建,可以更真實反映患者下肢在生理負重條件下的力線和骨骼結(jié)構(gòu)。

除此之外,安健科技創(chuàng)新研發(fā)的WR-3D成像系統(tǒng),還可進行關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙、外側(cè)間隙等角度自動測量,為醫(yī)生提供雙膝關(guān)節(jié)間隙寬度空間映射圖和曲線圖,幫助臨床醫(yī)生直觀地看到每個冠狀面關(guān)節(jié)面的間隙情況,輔助醫(yī)生針對不同患者制定個性化的診療方案。

目前,四川大學(xué)華西醫(yī)院科研團隊聯(lián)合安健科技科研團隊現(xiàn)已完成,基于WR-3D在青少年脊柱側(cè)彎臨床應(yīng)用的相關(guān)臨床研究;全脊柱三維成像以及AI自動測量在三維Cobb角的相關(guān)研究。

相關(guān)研究

[1] Liang, Z., Xia, C., Wang, Q. et al. Weight-bearing cone-beam CT with extensive coverage for volumetric imaging in adolescent idiopathic scoliosis: system implementation and initial validation. Phys Eng Sci Med (2023). https://doi.org/10.1007/s13246-023-01313-9

[2] Liang, Z., Xia, C., Wang, Q. et al. From 2D to 3D: Automatic Measurement of the Cobb Angle in Adolescent Idiopathic Scoliosis with the Weight-Bearing 3D Imaging. The Spine Journal. 10.1016/j.spinee.2024.03.019.


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