众所周知，脊柱侧弯已成为我国继肥胖、近视后威胁青少年儿童健康的第三大“杀手”。青少年特发性脊柱侧凸发病率更是达到2%～4%。【1】临床急需一种可以精准测量脊柱侧弯程度的技术。基于此背景，四川大学华西医院（以下简称：华西医院）联合安健科技科研团队于《The Spine Journal》发表最新研究成果《From 2D to 3D：Automatic Measurement of the Cobb Angle in Adolescent Idiopathic Scoliosis with the Weight-Bearing 3D Imaging》详细介绍了全脊柱三维成像及AI人工智能技术测量三维Cobb角与传统二维Cobb角的相关性研究。
一、研究背景
青少年特发性脊柱侧凸（下称：AIS）是一种常见的肌肉骨骼疾病，主要影响儿童和青少年，其特征是脊柱发生三维畸形。传统影像学AIS分型一直采用二维Cobb角测量，但因二维影像的限制，容易受到组织覆盖、X线投射角度变化、不同医生测量习惯不一样，使测量值产生差异及诊断的不一致。
《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立位锥束容积成像技术”可以实现全脊柱的三维成像及AI自动测量。基于此，华西医院放射科与安健科技科研团队对传统的二维和自动化三维 Cobb角测量方法进行定量比较。针对不同患者、不同临床场景，提供丰富的数据支持，有助于医生找到最佳的诊疗方案。
二、研究方法
本次研究共招募了53名AIS患者，包括88条脊柱曲线，分别进行传统二维COBB测量，立位三维COBB角测量。二维Cobb角测量通过经验丰富的医生手动测量。三维Cobb角测量则通过WR-3D技术，采用Analytical method (AM)、 Plane intersecting method (PIM)、Plane projection method （PPM）三种不同的方法计算Cobb角。
WR-3D立位锥束断层容积成像系统采用Cone-Beam锥束成像技术。通过旋转站台带动患者低速旋转，从不同角度捕获透视图像并通过三维重建算法重建出患者扫描部位的三维容积图像。锥束成像技术拥有更大的锥角及更大的Ｚ轴覆盖范围，实现全脊柱区域完全覆盖。三维Cobb角的测量首先使用3D UNet深度学习模型从WR-3D图像中分割脊柱和股骨头，并使用3D slicer进行角度的自动计算，识别必要的解剖标志并计算相应的角度。
Analytical method（AM）：椎体线被定义为最适合每个椎骨的质心（几何中心）的曲线。这些质心投影到全局冠状平面上（由连接股骨头和Z轴的线定义）。WR-3D系统将自动将曲线的拐点（凹度发生变化的地方）识别为测量点，然后在这些拐点处垂直于切线绘制直线，这些垂直线之间的角度为三维Cobb角（下图a）。
Plane intersecting method (PIM)：计算端椎骨终板平面形成的二面角。该方法定义了两个最佳拟合平面，一个拟合到3D模型内曲线的最上面椎骨的上端板，另一个拟合至曲线的最下面椎骨的下端板。PIM的末端椎骨是通过自动过程识别的，该过程计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响，在轻度侧弯的情况下，这种自动化有时会不准确地选择端椎骨。在这种情况下，需要通过使用预定义的端椎骨来执行端椎骨的手动校准角度。（下图b）
Plane projection method (PPM)：首先定义了两个最佳拟合平面对应于3D模型内脊柱曲线的最上部和最下部椎骨的终板。识别端椎骨需要自动计算所有最大角度椎骨角度，确保这些自动识别的端椎骨与预定义的最倾斜的端椎骨对齐。（这种自动化在选择过程中提供了一致性和可靠性，无需手动调整。）然后将这些最佳拟合平面与全局冠状平面相交的交点产生两条线，这些相交线之间的角度为测量出的Cobb角。（下图c）
三、研究结果
经过实验对照得出二维Cobb角测量和三种三维Cobb角测量方法的数据存在些许差异。
Analytical method（AM）可以精准反映患者脊柱侧弯冠状面最大弧度；Plane intersecting method （PIM）不但能够反映出患者脊柱冠状面侧弯情况同时能够反映出患者脊柱前后凸的影响；Plane projection method （PPM）与传统二维Cobb角测量方法类似，但避免了X线投照角度及病人摆位对于测量结果产生的影响。
PPM法与二维方法测量的Cobb角无明显统计学差异，但是三维自动测量可以避免X线投照角度、病人摆位及人工选取端椎的误差，使测量数据更加精准；AM方法相较于二维Cobb角测量，能够精准反映出患者脊柱整体侧弯情况；PIM方法能够既反映患者的侧弯情况同时反映患者矢状面失衡情况和端椎的倾斜度。
每种三维测量方法都产生了不同的脊柱弯曲评估值，这些差异可能会对临床实践产生重大影响。AM和PIM显示了更大的估计，可能导致对AIS管理的更早或更积极的干预。相反，PPM和二维方法可能适用于AIS进展的常规监测。因此，应仔细考虑测量方法的选择，考虑每种模式的成像特征、具体的临床场景以及对患者管理的潜在影响。不同的测量方式会影响在临床上的决策，医生需要根据特定成像模式、临床场景和患者需求选择不同的测量方式。
结论
华西医院放射科与安健科技科研团队让我们更好地理解了二维和三维Cobb角测量在临床场景使用价值，并通过尖端技术进步有效地应用到临床实践中，极大地提高诊断精度、患者护理和AIS管理。
从二维到三维，从仰卧位到站立位，从结构成像到功能成像，WR-3D立位锥束容积成像技术目前在临床已实现髋关节、膝关节、颈椎、腰椎、足踝等部位的三维扫描和重建，并且搭载的AI自动测量站可以为脊柱或膝关节提供全流程数据支撑，可以看到WR-3D立位锥束容积成像技术已成为引领精准诊疗的关键力量。
[1]卜时赢，袁望舒，陈丽霞等，青少年特发性脊柱侧凸Cobb(Cobb)角度与躯干旋转角度及体重指数的相关性【J】.中华骨与关节外科杂志，2023.16110):886-890.
责任编辑：郑珊珊 校对：杨文博
