用脊柱正面 X 光片自动诊断脊柱侧弯的新型智能系统:准确度、优势和局限性

封面图片

如何引用文章

详细

论证。脊柱侧弯是最常见的脊柱畸形之一,通常使用 Cobb 方法正面 X 光片进行诊断。基于人工智能的自动测量方法弥补了标准方法的许多不足,可以大大节省放射科医生的时间。

目的是分析一种新的人工智能程序在通过自动测量正面 X 光片上的 Cobb 角来评估脊柱侧弯程度方面的准确度和优缺点。

材料和方法。共检查了 114 张 X 光片,以确定人工智能软件自动测量的 Cobb 角与放射科医生使用 Microsoft Excel 中的 Bland–Altman 方法测量的 Cobb 角是否一致。此外,还使用有限的数据(120 张 X 光片)进行了临床准确度测试。通过灵敏度、特异性、准确度和 ROC 曲线下面积评估了该系统在确定脊柱侧弯严重程度方面的准确度。

结果。I度和II度脊柱侧弯组中,人工智能程序和放射科医生计算出的 Cobb 角测量值更加一致。只有 2.8% 的病例在 Cobb 角测量值上存在显著的临床差异(差异大于 5°)。在 Mariinsky City Hospital(圣彼得堡)进行的有限临床试验中获得的诊断准确度值也证实了该系统的可靠性:灵敏度为 0.97,特异性为 0.88,准确度(总体有效性)为 0.93,ROC 曲线下的面积为 0.93。

结论。一般来说,人工智能程序可以自动准确地确定脊柱侧弯的严重程度,并利用正面 X 光片测量脊柱弯曲的角度。

作者简介

Dima Kh. I. Kassab

Saint Petersburg State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: DimaKK87@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5085-6614
SPIN 代码: 4907-7850

MD

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Irina G. Kamyshanskaya

Saint Petersburg State University

Email: irinaka@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8351-9216
SPIN 代码: 2422-5191

MD, Dr. Sci. (Medicine), Assistant Professor

俄罗斯联邦, Saint Petersburg

Stanislau V. Trukhan

Esper LLC

Email: stas.truhan@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0688-0988
俄罗斯联邦, Tver

参考

  1. Negrini S, Donzelli S, Aulisa AG, et al. 2016 SOSORT guidelines: orthopaedic and rehabilitation treatment of idiopathic scoliosis during growth. Scoliosis. 2018;3(13). doi: 10.1186/s13013-017-0145-8
  2. Birchenko NS. On the asymmetry of right and left leg loading in children with scoliosis. Fundamental’nye issledovaniya. 2005;(4):9–12. (In Russ). EDN: IUMILP
  3. Mironov SP, editor. Orthopedics. Clinical Guidelines. Moscow: GEOTAR-Media; 2018. (In Russ).
  4. Kotel’nikov GP, Lartsev YuV, Ryzhov PV. Traumatology and Orthopedics. 2nd edition, revised. Moscow: GEOTAR-Media; 2021. (In Russ).
  5. Lenke CL. Revised glossary of terms [Internet]. Milwaukee, WI: Scoliosis Research Society; c2023 [cited 2023 Jun 05]. Available from: https://www.srs.org/professionals/online-education-and-resources/glossary/revised-glossary-of-terms
  6. O’Brien MF, Kuklo TR, Blanke KM, et al. Radiographic Measurement Manual. Spinal Deformity Study Group. Miami, Florida: Medtronic Sofamor Danek USA; 2008.
  7. Malfair D, Flemming AK, Dvorak MF, et al. Radiographic evaluation of scoliosis: review. American journal of roentgenology. 2010;194(3):8–22. doi: 10.2214/AJR.07.7145
  8. Imhof H, Halpern B, Herneth AM, et al. Direct diagnosis in radiology. Spinal imaging. 2nd ed. Thieme; 2021.
  9. Kaul V, Enslin S, Gross SA. History of artificial intelligence in medicine. Gastrointest Endosc. 2020;92(4):807–812. doi: 10.1016/j.gie.2020.06.040
  10. Padalko MA, Orlov SV, Naumov AM, Nazarikov SI, Lushnikov AA. Automatic system for determining the angles of scoliotic deformity of the human spine. Vestnik IKBFU. Physics, mathematics, and technology. 2019;(3):55–68. EDN: WMPIXX
  11. Lein GA, Nechaeva NS, Mammadova GМ, Smirnov AA, Statsenko MM. Automation analysis X-ray of the spine to objectify the assessment of the severity of scoliotic deformity in idiopathic scoliosis: a preliminary report. Pediatric Traumatology, Orthopaedics and Reconstructive Surgery. 2020;8(3):317–326. EDN: SJOTEB doi: 10.17816/PTORS34150
  12. Khanal B, Dahal L, Adhikari P, et al. Automatic Cobb angle detection using vertanra detector and vertebra corners regression. Cai Y, Wang L, Audette M, et al. Computational methods and clinical applications for spine imaging. Lecture Notes in Computer Science. Switzerland: Springer Nature, 2020. P:81–87.
  13. Horng M, Kuok S, Fu M, et al. Cobb angle measurement of spine from X-Ray images using convolutional neural network. Computational and mathematical methods in medicine. 2019;2019. doi: 10.1155/2019/6357171
  14. Pan Y, Chen Q, Chen T, et al. Evaluation of a computer-aided method for measuring the Cobb angle on chest X-rays. Eur Spine journal. 2019;28(12):3035–3043. doi: 10.1007/s00586-019-06115-w
  15. Patent RUS database registration № 2022620577/ 17.03.2022. Kassab DKhI, Kamyshanskaya IG, Cheremisin VM, Cheremisin AA. A database of spinal radiographs with different degrees of scoliosis (XrScl). (In Russ).

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2. 图 4. II 级脊柱侧弯的 X 光图像。人工智能程序(左)和放射科医生(右)对图像进行了分析。放射科医生没有测量胸腰椎曲线,因为图像上看不到下肢椎体。

下载 (267KB)
3. 图 5. 0 度(正常)X 光片上椎体标记的误差。在胸片上,椎体边界不清晰可导致错误的测量结果。

下载 (181KB)
4. 图 6. 0 度(正常)X 光片上的椎体标记错误。L 5 椎体的定义错误可能导致假阳性结果(左图)。

下载 (166KB)
5. 图 7. 评估 0 度脊柱侧凸图像时的程序错误。放射科医生(左)和人工智能程序(右)测量的 Cobb 角。测量值的变化可以忽略不计(1.4°),但医生确定的脊柱侧弯度为 0 度,而人工智能确定的是 I 度。

下载 (270KB)
6. 图 8. 人工智能在正常 X 光片上测量的 Cobb 角分布(无脊柱侧弯的 X 光片组)

下载 (270KB)
7. 图 9. 脊柱侧弯Ⅲ级和Ⅳ级患者X光片上的椎体标记特征。由于椎体形状不典型,导致椎骨定义和编号错误(黄色箭头)。

下载 (204KB)
8. 图 10. 由放射科医生(左)和人工智能(右)诊断的 III 级脊柱侧弯。腰椎曲度测量的显著差异(7.8°)并不影响脊柱侧弯的总体评分。

下载 (244KB)
9. 图 1. 根据 Bland-Altman 方法进行测量的结果。在脊柱侧凸 I 度和 II 度的 X 光片上使用两种方法测量 Cobb 角的一致性。

下载 (217KB)
10. 图 2. 使Bland-Altman 方法测量的结果。使用两种方法对 IV 度脊柱侧凸的 X 光片进行 Cobb 角测量的一致性。

下载 (237KB)
11. 图 3. 在 ROC 曲线上确认新人工智能程序在确定脊柱侧弯程度方面的准确性。

下载 (60KB)

版权所有 © Eco-Vector, 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».