攝影測量技術在脊柱側凸診療中的應用進展

王磊,楊唐柱

脊柱側凸又稱脊柱側彎,是以冠狀面偏離、矢狀面失衡、水平面旋轉為特征的三維畸形[1]。根據發病原理主要分為原發性(特發性)脊柱側凸(idiopathic scoliosis, IS)和繼發性脊柱側凸(nonstructural scoliosis,NS)[2],其中IS更會導致運動、步態障礙及心理問題[3-5]。臨床上將站立位全脊柱正位X光片的脊柱彎曲角度即 Cobb 角≥10°作為脊柱側凸診斷的金標準[6]。對于脊柱側凸的診療應遵循早發現、早診斷、早治療的原則[7]。

攝影測量是一種利用被攝物體影像來重建物體空間位置和三維形狀的技術[8]。在脊柱側凸診療上,該技術主要是通過記錄脊柱在冠狀面及矢狀面的細微變化來進行定量評估[9-10]。因該技術不僅能減少輻射暴露,而且能通過比較受試者治療前后的評估數據來監測后續的治療效果,故近10余年已開始逐步應用于脊柱側凸診療中[11-13]。本文總結了攝影測量技術在脊柱側凸篩查、診斷、治療、預后方面的應用進展,分析其不足,以期為后續的研究提供參考。

1 在脊柱側凸篩查中的應用

目前應用于臨床的篩查方法常包括體格檢查和相關無創的輔助檢查。體格檢查主要通過人工目視患者肩部、肩胛骨和臀部的對稱性,觀察Adam前屈試驗是否陽性或應用脊柱測量尺測量軀干角度來評估[14]。相關無創的輔助檢查主要以脊柱側凸儀、莫爾云文圖像、光柵立體成像、人工智能測量為主[15]。上述方法雖操作簡便且輻射暴露低,但仍存在諸多問題：①人工體格檢查工作量大、程序繁瑣、效率低、主觀性強、誤診及漏診率高[16-17];②莫爾云文圖像由于儀器體積龐大、檢查耗時長、效率低并不能適用于大面積的臨床篩查[18];③光柵立體成像因對側彎角度的測量存在明顯偏差且臨界值定義模糊,故其臨床應用價值有限[9];④脊柱側凸儀對腰椎側凸檢測準確度低且對雙下肢不等長的患者易存在假陰性[19];⑤人工智能測量為新興技術,其研究報道有限,實用價值有待進一步研究論證[20]。

Gabor等[20]使用支持立體攝影的攝像機3dMDtorso(3dMD LLC, Atlanta, GA)對10名IS患者進行軀干線性測量獲取主干圖像,通過使用人工測量尺進行對比,3D立體攝影測量獲得的軀干直徑和周長與人工測量結果具有很強的一致性,表明攝影測量技術在篩查出軀干畸形患者具有一定的潛在價值。Rozilene等[21]使用Toshiba KXO 15R (Toshiba, Tokyo, Japan) 對16名受試者進行攝影測量,將C7～L5椎體進行人工標注,對獲取的圖像通過計算機處理軟件得出受試者脊柱側凸曲率角,通過與受試者X線Cobb角進行對比,兩種方法的胸椎平均曲率角度分別為36.43°和36.14°,平均差值為4.1°,差異無統計學意義[21]。可見攝影測量可能是放射測量方法的一種合適的替代方法,也可能成為替代體格檢查及其他無創輔助檢查的篩查手段。

2 在脊柱側凸診斷中的應用

目前大部分地區對脊柱側凸的確診方法仍依賴以X線為主的影像學檢查[22],因其能測量出Cobb角及椎體旋轉度,故為反映脊柱側凸嚴重程度的重要手段。在Cobb角的測量過程中,主要是通過專業人員在X線成像圖上進行人工測量,不僅耗時長且由于體位因素對端椎選擇的影響,測量結果會因存在一定的主觀性而具有相對誤差。同時全脊柱X線攝片會存在輻射暴露問題[23],對于接受長期隨訪的脊柱側凸患者而言,輻射量的累積會增加患癌的風險[24-26],尤其對于青少年脊柱側凸患者,惡性疾病的患病風險更高[27-28]。

Isis等[29]通過改進前期攝影測量技術,對61名受試者C7～S2每相隔一個椎體棘突處用雙面膠帶貼附反射標記,通過Cybershot DSC-F717 (Sony, Tokyo, Japan) 進行攝影測量,獲得的圖片在基于數字圖像的姿態評估(Digital Image Based Postural Assessment,DIPA)軟件上分析圖像[29],該軟件根據模擬出的脊柱曲線使用切線法計算脊柱傾斜角。此研究通過與X線Cobb角進行對比,相關系數顯示具有較好的相關性,平均差值非常接近于0,接受者操作特性(Receiver Operating Characteristic,ROC)曲線下面積優良,范圍在95%～99%[29]。后續研究對58名疑似脊柱不對稱的患者進行攝影測量,在受試者背曲情況下測量受試者軀干旋轉角(Angle of Trunk Rotation,ATR)[30],通過與脊柱側凸儀測量進行對比具有良好的相關性[28]。從目前研究來看,雖并無實驗研究證實攝影測量可以直接測量椎體旋轉度進而完全替代金標準X線,但從其對脊柱側凸角度測量的精度及3D技術發展來看,其可能成為替代影像學方法之一。

3 在脊柱側凸治療中的應用

臨床上一般根據Cobb角度的大小來制定脊柱側凸患者的治療方案[31]。治療中不僅要考慮脊柱側凸的局部,還要注意維持脊柱整體的平衡,如在治療過程中對脊柱曲線的認識不足可能會導致嚴重的不良后果。Eric[32]等通過招募200名脊柱側凸患者和200名無癥狀受試者進行研究,利用3D攝影測量技術,從脊柱的冠狀面及矢狀面投影重建脊柱的三維曲線,獲得了由幾何參數描述的頸、胸和腰區域連續三維脊柱曲線,通過與X線構建的脊柱曲線對比無明顯差異。Mainard-Simard[33]、 Sudo等[34]也通過研究表明,通過攝影測量技術可將脊柱三維可視化,用于脊柱側凸治療的每個護理階段的評估。綜上,攝影測量建模有助于醫務人員通過在3個不同的平面上顯示脊柱不同程度的變形來確認脊柱側凸部位及類型。對于無需特殊干預治療的患者,攝影測量技術在能夠及時監測病情的進展同時降低了連續影像學檢查帶來的輻射暴露風險;對于中重度的患者,攝影測量技術更有助于醫務人員更充分了解患者脊柱的變形程度,選擇合適的治療方案,及時評估療效。

4 在預測脊柱側凸患者預后中的應用

對于脊柱側凸的手術治療指征尚存在爭議,且手術對患者的創傷大、并發癥較多、操作難度大,目前對于大多數脊柱側凸尤其是IS患者應優先保守治療[35-36]。而保守治療需行多次檢查以便監測脊柱側凸病情進展并對治療方案進行及時的調整[37]。考慮到金標準X線檢查存在輻射暴露風險,且多次的放射檢測會增加惡性疾病的患病風險,相對比下,攝影測量技術不僅能降低輻射暴露風險,而且能全面采集并整合患者多方面的信息,及時為治療提供指導意見。Justyna等[38]招募50名脊柱側凸志愿者,通過攝影測量及X線監測受試者脊柱側凸角度及脊柱前凸、后凸曲率大小的變化,發現兩種方法測得的數據差異無統計學意義,測得的脊柱前后凸曲率變化具有較好的相關性,表明攝影測量技術在預測脊柱側凸患者預后方面具有很大的潛力。

5 在脊柱側凸診療中的不足

5.1 數據采集過程繁瑣 目前絕大多數基于攝影測量技術的研究都需要配合人工背部標注點位以達到準確識別脊柱節段的效果,雖然配合此方法能夠使準確度得到保證,但是此過程耗時較長,增加了操作的繁瑣性。在脊柱側凸篩查中,如果攝影測量技術仍需要配合人工標注多個點位,那么該項技術相比于人工體格檢查便缺少一定的優勢。雖就目前所有攝影測量技術相關研究來看[37, 39-40],均已加入一定數量的人工點位,但從后續研究對比既往研究來看,點位數量在逐漸減少,而準確度有所提高,說明攝影測量技術的識別精度正在提高。如想繼續推進攝影測量技術在臨床篩查中的應用,減少或無需加入人工干預措施相當有必要。

5.2 適用人群相對局限 攝影測量技術作為脊柱側凸診療研究領域的新興技術,就目前的研究來看,仍處于起步階段。雖然目前許多研究已經證實在輕中度脊柱側凸患者人群中攝影測量技術與金標準X線相對比,兩種方法測得數據的相關性較高,但從重度脊柱側凸患者研究數據來看,攝影測量的檢測結論雖均為陽性,但其測量得到的脊柱側凸角度值與Cobb角差異較大[11, 21, 41],這使得攝影測量技術在制定治療方案及觀察預后方面受到了一定的局限。目前攝影測量技術仍只能應用于脊柱側凸的篩查中,對于確診方面仍需后續配合影像學手段確診[27]。雖然在攝影測量技術發展的十幾年中不少學者不斷積極改進技術的缺陷,但就目前所有的研究來看,該技術仍一直未得到推廣應用,處于不成熟階段。對現有技術缺陷的改進需要進一步創建及部署,尤其是對于重度脊柱側凸患者側彎角度的測量方面需要后續研究進一步提高識別的精度。

5.3 技術研發難度、成本問題 該項技術需配合計算機程序的運算及相關攝像設備的改進,屬于跨學科(醫科與工科)合作研發的技術。在應用于大規模脊柱側凸篩查的應用場景中,大量的數據對程序運算的穩定性有一定的考驗。且技術識別的精度依賴于攝影設備,對于攝像設備的改進也需要相關專業團隊的參與,這樣極大增加了該技術的人工成本。對于后期計算應用程序與設備的長期維護也是該技術研發難度之一。若該技術能如期應用于臨床實踐,在篩查方面,該技術能否得到患者的依從;在確診方面,確診后的患者需反復檢測所帶來的經濟成本能否優于X線檢查也是值得考慮的問題之一。

5.4 法律倫理 攝影測量技術在應用于脊柱側凸診療中也存在許多法律及倫理問題。在臨床實踐中,該技術需要采集患者多項涉及隱私的信息,如何有效保護患者隱私;攝影測量技術測得的海量數據,如何能保證數據的安全性;攝影測量技術結論與傳統技術結論是否存在出入;攝影測量技術的研發涉及到多個部門,若產生醫療事故,在法律和道德等層面上的責任劃分問題,都是仍需后續研究值得討論的問題。我國對于攝影測量在脊柱側凸診療方面的研究尚少,相關法律法規有待完善,這都是阻礙攝影測量技術在我國推廣應用的問題。

6 小結與展望

攝影測量技術憑借著較高的準確度及靈敏度開始逐步用于脊柱側凸診療的研究中。在脊柱側凸篩查方面,攝影測量技術能減輕醫生在人工體格檢查的負擔,縮短檢查時間,解決檢查難度大、人工成本高的問題,有望能應用在校園、基層社區、家庭隨訪等大規模篩查場景中。在脊柱側凸診斷方面,攝影測量技術憑借計算機自動測量及運算程序的優勢,不會存在如人工誤差等問題。在治療及隨訪方面,攝影測量技術有望能降低患者因頻繁輻射暴露所帶來的惡性疾病患病風險及經濟成本,及時為患者提供個性及有效的治療方案,促進患者的康復,一定程度上縮短患者的治療時間,減輕患者的痛苦。

現階段攝影測量技術仍有一些不足,需專業醫師、統計學家、計算機專家及相關法律部門等跨學科合作團隊對諸如數據采集過程繁瑣問題、重度側凸患者識別精度問題、技術成本問題、數據安全性問題、及相關法律法規和倫理等問題進一步改進或解決,促使該技術能在臨床實踐中推廣應用。