EOSTM三维影像评价成人脊柱侧凸的可靠性和准确性研究

秦乐 杜联军 严福华

EOSTM三维影像评价成人脊柱侧凸的可靠性和准确性研究

秦乐 杜联军 严福华

目的 研究 EOS 影像系统在成人脊柱侧凸评价中的可靠性和准确性。方法 选择 2015 年9 月至 2016 年 1 月，于我院进行 EOS 影像摄片的脊柱侧凸患者共 41 例。其中男 5 例，女 36 例，平均年龄64.6 岁。利用 sterEOS 软件三维模型重建获得脊柱侧凸的各个测量数值，包括：Cobb’s 角、顶点椎体轴面旋转角、T1～12后凸角、T4～12后凸角、L1～5前凸角、L1～S1前凸角、骨盆入射角和矢状面骨盆倾斜角、外侧骨盆移位以及骨盆轴面旋转度。由 2 名放射科医师分别独立重建，并共同对模型与影像契合度进行评分。利用观察者间变异系数评价 2 名医师测得数据的观察者间变异。同时根据 Cobb’s 角将患者分为 3 组，并分析各组间契合度评分有无差异。结果 脊柱测量值中，Cobb’s 角、顶点椎体轴面旋转角、T4～12后凸角、L1～5前凸角和L1～S1前凸角的观察者间组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）分别为 0.990、0.911、0.971、0.972 和 0.949（P＜0.01）。仅 T1～12后凸角的观察者间 ICC 较差，为 0.194（P=0.104）。骨盆测量值中，骨盆入射角、骶骨倾斜角、矢状面骨盆倾斜角、外侧骨盆移位以及骨盆轴面旋转度的观察者间 ICC 分别为 0.846、0.885、0.914、0.987 和 0.779（P＜0.01）。3 组 Cobb’s 角不同的患者模型契合度评分差异有统计学意义（F= 4.721，P=0.015）。结论 使用 EOS 系统摄片和 sterEOS 后处理软件对成人脊柱侧凸进行 3 D 建模能获得很好的测量可靠性和准确性，为医师提供了一种全新的方法以更好地评判脊柱侧凸。

放射摄影影像解释，计算机辅助； 体层摄影扫描仪，X 线计算机；脊柱侧凸；结果可重复性

目前，影像学上评价脊柱侧凸最常用的方法为测量 Cobb’s 角。但该角度仅能从二维视角来评价脊柱侧凸这一复杂的病理改变。随着影像技术的进步，目前通过使用先进的 EOS 影像系统拍摄正侧位X 线片，加上后处理软件技术，已使获得脊柱侧凸的三维信息成为可能。相比传统 X 线片，使用该系统成像具有辐射量低、图像质量好和像素分辨率高的优点［1］。同时该系统能使用两个互相垂直的球管进行正侧位双平面同时成像，且成像过程中球管自上而下移动，可避免传统成像时球管位置固定所带来的图像放大效应。过去的文献均较少关注成年人脊柱侧凸。我院于 2015 年 9 月至 2016 年 1 月，对 41 例成人脊柱侧凸患者进行了 EOS 脊柱全长摄片及三维后处理，并取得满意的成像效果。现总结如下。

资料与方法

1. 入组与排除标准：入组标准：（1）进行 EOS影像系统前后位及侧位脊柱全长 X 线片；（2）年龄＞35 岁；（3）前后位 X 线片上手工测量 Cobb’s角＞10°。排除标准：脊柱肿瘤、椎体先天性畸形和脊柱炎症感染的患者。

2. 一般资料：本组 41 例，其中男 5 例，女36 例，平均年龄 64.6（36～84）岁。根据手工测量结果，将患者分为 Cobb’s 角 10°～25°、≤45°～＞25° 及＞45° 3 组。

3. 摄片方法：患者在 EOS 摄片机上以前后位站立，左脚稍前移以使侧位 X 线片上能分辨两侧髋臼位置。患者双手前伸、抱头以尽量减少手臂骨骼软组织与脊柱的重叠，若老年患者站立不稳，可双手向前扶住稳定棒帮助站立。根据患者的体质量指数（body mass index，BMI）选择小型身材、中等身材或大型身材的扫描参数，扫描范围为头顶至双足足底，一次扫描即可同时获得正前位和侧位图像信息。根据患者身高不同，扫描时间一般为 15～25 s（图 1）。

4. 三维建模方法：使用 sterEOS 后处理工作站进行脊柱侧凸三维重建。选择 full 3 D 重建模式对所有椎体进行评价。第一步，在侧位图像上确定骶骨倾斜线，然后正侧位上同时定义髋臼位置和骨盆倾斜度；第二步，依次在侧位和正位上从 T1～L5沿脊柱走行方向确定脊柱弯曲线，并调整曲线宽度使之与脊柱椎体整体宽度基本一致；第三步，软件会生成各椎体的大致模型，需要按 L5～T1的顺序分别调整各椎体在侧位 X 线片上的位置、高度以及在正位上的位置和椎体旋转方向；第四步，软件自动确定计算 Cobb’s 角所需要的最上缘椎体、顶点椎体和最下缘椎体；最后一步，更精确地从 L5～T1调整各椎体的上下终板、前后缘和椎弓根位置（图 2）。经过上述重建调整后，软件会自动生成椎体的三维图像，并计算椎体的包括 Cobb’s 角和顶点椎体轴面旋转角度（apical vertebral rotation，AVR）在内的脊柱侧凸参数、矢状面平衡参数（T1～12后凸角、T4～12后凸角、L1～5前凸角和 L1～S1前凸角）、椎体旋转和椎体间旋转参数（轴面、矢状面和冠状面旋转）以及骨盆参数（骨盆倾斜度、骶骨倾斜度、矢状面骨盆倾斜度、外侧骨盆倾斜、骨盆轴面旋转）（图 3）。所有参数均修正了骨盆轴面旋转所带来的影响。另外，规定轴面向左旋转时为正值。

图1　EOS 影像摄片系统Fig.1 EOS imaging system

图2　在正侧位 X 线片上调整绿色模型的位置。蓝点为椎体前后上下缘的位置，黄点为椎弓根的位置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

图3　建模后，ster-EOS 软件能够自动计算脊柱和骨盆测量值Fig.3 After 3 D reconstruction， spinal and pelvic measurements could be automatically obtained by sterEOS software

每例患者的三维建模分别由 1 名放射科住院医师和 1 名放射科骨关节专业的副主任医师独立完成。2 名医师均经过 1 个月的 sterEOS 软件的培训和练习。比较两者建模所得出的主要侧凸角度、各椎体的轴面旋转、矢状面平衡参数以及骨盆参数的一致性。同时观察影像上所显示的各种脊柱退行性改变。此外，2 名医师共同对调整后的模型与影像上所显示的椎体契合度进行评分，主要观察内容包括椎体的位置、前后缘、上下缘、椎弓根和棘突位置。单个椎体如果模型与影像完全吻合得 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，图像显示不清无法重建得 0 分，每例患者17 个椎体满分共 68 分。

5. 统计学处理：采用 SPSS 22.0 软件进行统计学分析。各参数的观察者间变异采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）表示。ICC＞0.9 表示可信度极好，＞0.75 表示可信度良好，0.4～0.75 表示可信度一般，＜0.4 表示可信度较差。3 组数据间比较采用单因素方差分析 ANOVA 检验分析，两两之间比较采用 q 检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

结 果

2 名放射科医师使用 sterEOS 后处理软件分别对41 例的正侧位 X 线片进行建模。两者所得的测量值比较中，除 T1～12后凸角外，其它参数的 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，与其它参数有明显差别（表 1、2）。总体上 ICC 值表明大部分测量值的可信度较高，仅 T1～12后凸角的可信度较低。在评价模型与影像吻合度方面，所有模型的得分平均值为 58.5（8～68）分。3 组患者间模型吻合度得分差异有统计学意义（F= 4.721，P=0.015），其中第 1 组与第 2 组、第 2 组和第 3 组的得分之间差异无统计学意义（P=0.106、0.129），第 1 组和第 3 组得分之间差异有统计学意义（P＜0.05）（表 3）。但第 3 组有 2 例的模型得分分别为 8 分和 28 分，明显低于其他患者。所有患者中，37 例存在椎体骨质增生改变，5 例存在骨质硬化，5 例存在骨质疏松，6 例存在椎体楔形变，3 例存在关节间隙狭窄，2 例存在椎体滑脱，2 例存在腰椎骶化，1 例为全髋关节置换术后，1 例股骨头向上脱位与髂骨形成假关节。

表1　脊柱测量值的观察者间变异Tab.1 Inter-observer variability of spinal measurements

表2　骨盆测量值的观察者间变异Tab.2 Inter-observer variability of pelvic measurements

表3　3组患者模型与影像吻合度评分Tab.3 Conformation scores of patients in 3 groups

讨 论

脊柱侧凸为一复杂的椎体三维畸形改变，成人脊柱侧凸指在骨骼成熟的患者中出现 Cobb’s 角＞10°的脊柱畸形［2-3］。如果不加干预将引起椎间盘和关节间退变，形成恶性循环［4］。脊柱侧凸研究协会已对成人脊柱侧凸做出了分型，该分型的基础之一在于要求能够可靠准确地测量冠状面和矢状面上脊柱侧凸的程度［5］。此外，正确认识脊柱冠状面失衡类型对选择术式及评估预后很有帮助［6］。已有许多文献报道在常规 X 线片上手工测量 Cobb’s 角等参数误差较大，缺乏足够的稳定性［7］。因此，本研究旨在使用先进的 EOS 影像系统对脊柱全长进行摄片和重建，然后对各测量值的可靠性进行评价。由于观察者间变异在评判可靠性方面具有重要意义，故笔者着重于各测量值的观察者间变异。

自 2007 年问世以来，EOS 成像系统和 sterEOS软件后处理受到了广泛地关注。EOS 成像系统运用了多丝正比室技术结合线性扫描，使其能够在较传统 X 线片和 CT 放射剂量明显降低的情况下获得高质量的图像［8］。另外，检查时一次能同时获得 2 张正侧位图像，这不仅最大限度上节约了检查时间，也使得正侧位 X 线片上的解剖结构位置能够相互对应。本研究对 EOS 系统在中老年脊柱侧凸患者中的应用进行了评价。最重要的发现是，除 T1～12后凸角外，使用 EOS 摄片后进行 3 D 半自动建模所得的脊柱和骨盆测量值具有很好的可靠性，且模型与 X 线所示的解剖标志具有很好的契合度。

Somoskeöy 等［2］使用 sterEOS 软件对 201 例包括各年龄段患者的脊柱冠状面和矢状面参数进行了多次测量比较后发现，Cobb’s 角、T4～12后凸角和L1～5前凸角的观察者内重复性很高。尽管 Somoskeöy 等［2］的研究中年轻患者占了相当大的比例，而本研究则均为中老年患者，但本研究所得的观察者间可靠性依旧与其基本相仿。另外在测量准确度方面，Somoskeöy 等［2］将 2 D 手工测量值与 3 D 软件所得的数值比较后发现，两者的 Cobb’s 角和 L1～5前凸角无明显差异。但笔者认为，2 D 手工测量无法根据椎体真正的倾斜面来计算角度，将其作为标准来判断3 D 测量的准确度值得商榷。Carreau 等［9］对 Cobb’s角＞50° 的青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者的 EOS 三维建模图像进行了评价，发现各脊柱和骨盆测量值重复性均较好，且较手工测量误差更小。笔者纳入研究的患者尽管大部分存在如骨质增生硬化、椎体滑脱和骨质疏松等，但这些因素的存在并未明显影响软件的识别和医师的观察，各测量参数均能获得较好的测量可靠性。但仅 T1～12后凸角的观察者间变异较差。笔者分析认为主要是由于大部分患者的 T1椎体被肩部的骨骼和软组织影所遮挡，往往显示不清所致。此外，本研究有 2 例 Cobb’s 角分别达到了 116.8° 和147.1°，正侧位 X 线片上显示位于侧凸内的椎体重叠严重，部分椎体几乎无法辨认其准确的解剖位置，其模型契合度得分也只有 45 分和 48 分，故无法进行手动调整。因此，笔者认为在这些解剖标志显示不清的患者中，sterEOS 软件也并不适用于其建模。

在测量准确度方面，Humbert 等［10］发现 EOS 与CT 之间在椎体形态和旋转方向上的测量几乎没有差异。Rousseau 等［11］在一项体外实验中将骨盆放置于-30°～30° 旋转位置的情况下摄片后，在 sterEOS 软件上进行骨盆测量依然得到了相当好的重复性和准确性。Al-Aubaidi 等［12］分别在 EOS 和 CT 上对 7 例青少年轻度脊柱侧凸患者的 Cobb’s 角和 AVR 进行了测量，认为两者之间无显著差别。但笔者考虑到放射剂量和体位问题，并未使用 CT 作为参照来评价 EOS 的准确度，而使用了模型与影像契合度这一方法来间接评价其建模和三维测量值的准确度。在笔者的评分中，除上述 2 例得分较低（45、48 分）外，其余患者的契合度均较好，即在 sterEOS 软件上经过手动调整后，模型能与影像上所显示的椎体和骨盆解剖结构匹配良好。笔者同时也发现，在模型与影像的匹配评分中，匹配不良的椎体往往出现在T4以上的椎体内。这可能与上胸椎的附件形态和位置往往变异较大有关。

本研究存在一些限制。首先，纳入研究的患者样本量较小，特别是 Cobb’s 角＞45° 的患者数量有限；其次，由于放射剂量的限制，无法在大量患者中展开脊柱全长 EOS 片和 CT 或 MRI 图像的对比；最后，笔者没有在左右侧弯位和前后伸屈位对患者的脊柱侧凸进行评价。

综上所述，使用 EOS 系统摄片和 sterEOS 后处理软件这一全新的方法对成人脊柱侧凸进行 3 D 建模能获得很好的测量可靠性，且模型与影像的解剖标志契合度较高。但值得注意的是，EOS 必须应用于影像上椎体能够清楚显示的患者，这是 3 D 重建可靠准确的基础。相信随着 EOS 系统的不断推广和应用，越来越多的临床证据会证实其在诊断和改善成人脊柱侧凸患者预后方面的作用，从而为实际临床工作方式带来革新。

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

［2］ Somoskeöy 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， 朱锋， 等. 退变性腰椎侧凸的冠状面失衡分型及对截骨矫形术式选择的意义. 中华骨科杂志， 2009， 29（5）：418-423.

［7］ 杨卫周， 陶惠人， 黄景辉， 等. Cobb 法测量先天性脊柱侧凸角度的可信度研究. 中华解剖与临床杂志， 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.

（本文编辑：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 中图分类号：R682.3， R445

200025 上海交通大学医学院附属瑞金医院放射科

杜联军，Email: dlj10788@rjh.com.cn

（2016-06-07）