Agreement of Radiographic Parameters Between Digitally Reconstructed Radiographs from Weight-Bearing Cone-Beam CT and Whole-Spine Radiographs
تُظهر هذه الدراسة أن الصور الشعاعية المعاد بناؤها رقمياً والمستخرجة من التصوير المقطعي المحوسب ذو الحزمة المخروطية أثناء وضعية تحمل الوزن تُظهر توافقاً عالياً وموثوقية فائقة بين المراقبين مقارنة بالصور الشعاعية القياسية للعمود الفقري بأكمله لمعظم معايير البنية الشوكية والحوضية، على الرغم من بقاء بعض التباينات في التوازن العام وقياسات الانحناء السهمي المحددة.
المؤلفون الأصليون:Xiangyu Nie, Guilin Chen, Jie Wang, Haonan Chen, Jingxi Su, Xiangjie Yin, Lin Xu, Yun Wang, Ruiyao Qin, Shuo Ma, Zhe Zhao, Zengtong Chen, Chao Ye, Terry Jianguo Zhang, Nan Wu
المؤلفون الأصليون: Xiangyu Nie, Guilin Chen, Jie Wang, Haonan Chen, Jingxi Su, Xiangjie Yin, Lin Xu, Yun Wang, Ruiyao Qin, Shuo Ma, Zhe Zhao, Zengtong Chen, Chao Ye, Terry Jianguo Zhang, Nan Wu
إن العمود الفقري البشري ليس مجرد عمود بسيط ومستقيم؛ بل هو بنية معقدة ثلاثية الأبعاد تنحني وتلتوي في اتجاهات متعددة. ولتحديد كيفية عدم استقامته، اعتمد الأطباء لفترة طويلة على الأشعة السينية ثنائية الأبعاد التي تُؤخذ أثناء وقوف المريض. وتعد هذه الصور أثناء الوقوف ضرورية لأن العمود الفقري يتصرف بشكل مختلف تحت وزن الجسم مقارنة بما يكون عليه الحال عندما يكون الشخص مستلقياً. ومع ذلك، فإن الأشعة السينية القياسية تقوم بتسطيح جسم ثلاثي الأبعاد وتحويله إلى صورة مسطحة، مما يؤدي إلى تداخل العظام ويجعل من الصกลب رؤية الشكل الحقيقي للفقرات. وفي السنوات الأخيرة، ظهرت تقنية جديدة تسمى التصوير المقطعي المحوسب بالحزمة المخروطية أثناء تحمل الوزن. تتيح هذه الآلة للمرضى الوقوف بينما يدور ماسح ضوئي حولهم، مما ينشئ نموذجاً ثلاثي الأبعاد مفصلاً للعمود الفقري بجرعة إشعاع أقل بكثير من التصوير المقطعي التقليدي في المستشفيات. ويظل التحدي قائماً: فالأطباء مدربون على قياس انحناءات العمود الفقري باستخدام الأشعة السينية المسطحة، وهم بحاجة إلى معرفة ما إذا كان بإمكانهم الوثوق بالقياسات المأخوذة من هذه النماذج ثلاثية الأبعاد الجديدة إذا تم تحويلها مرة أخرى إلى صور مسطحة.
لقد سعى فريق من الباحثين لحل هذا اللغز من خلال اختبار طريقة تحول المسوحات ثلاثية الأبعاد الواقفة إلى صور رقمية تشبه تماماً الأشعة السينية القياسية. حيث أخذوا بيانات من 67 مريضاً خضعوا لكل من المسح ثلاثي الأبعاد الواقف والأشعة السينية المسطحة التقليدية خلال فترة أسبوعين. وباستخدام برنامج حاسوبي، قاموا بتقطيع البيانات ثلاثية الأبعاد لعزل العظام ثم عرضها لإنشاء ما يسمى بالأشعة المقطعية المعاد بناؤها رقمياً. وهي في الأساس أشعة سينية محاكاة ناتجة عن الحجم ثلاثي الأبعاد. ثم طلب الباحثون من مراقبين مدربين قياس نفس زوايا ومواضع العمود الفقري في كل من الأشعة السينية الحقيقية والصور الرقمية الجديدة لمعرفة مدى تطابق الأرقام.
أظهرت النتائج أنه بالنسبة للقياسات الأكثر أهمية المستخدمة لتشخيص انحناء العمود الفقري، كانت الصور الرقمية الجديدة متسقة بشكل ملحوظ مع الأشعة السينية التقليدية. فعند قياس الانحناءات الرئيسية للعمود الفقري، كان الفرق بين الطريقتين صغيراً جداً، حيث بلغ في المتوسط ما يزيد قليلاً عن ثلاث درجات. وهذا المستوى من الاتفاق يقع ضمن النطاق الذي يعتبره الأطباء مقبولاً لاتخاذ قرارات علاجية. علاوة على ذلك، أثبتت الصور الرقمية أنها أكثر موثوقية عند قياسها من قبل أشخاص مختلفين؛ لأن البرنامج الحاسوبي فصل العظام بوضوح عن الأنسجة الرخوة المحيطة بها، مما مكن المراقبين من تحديد حواف الفقرات بثقة أكبر، مما أدى إلى نتائج أكثر اتساقاً بين المراقبين. وقد كان هذا جلياً بشكل خاص في قياسات الحوض وأسفل الظهر، حيث قللت الصور الرقمية من الارتباك الناتج غالاً عن تداخل العظام في الأشعة السينية القياسية.
ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً عن المواضع التي تختلف فيها الطريقتان. فبينما طابقت الصور الرقمية الأشعة السينية جيداً فيما يتعلق بشكل العمود الفقري نفسه، إلا أنها أظهرت اختلافات ملحوظة في القياسات المتعلقة بالتوازن العام للجسم وميل الجزء العلوي من الظهر. ويرجح الباحثون أن هذا يعود إلى الطرق المختلفة التي كان على المرضى الوقوف بها لكل فحص. فبالنسبة للأشعة السينية التقليدية، كان المرضى يضعون أذرعهم على صدورهم، أما بالنسبة للمسح ثلاثي الأبعاد الواقف، فقد توجب عليهم رفع أذرعهم فوق رؤوسهم لإبعادها عن الطريق. ومن المرجح أن هذا التغيير في وضعية الذراعين قد غير انحناء الجزء العلوي من الظهر وميل الرأس، مما خلق اختلافاً منهجياً لم يستطع الحاسوب تصحيحه. وبناءً على ذلك، وبينما تعد الصور الرقمية ممتازة لقياس زوايا منحنيات العمود الفقري المحددة، يجب على الأطباء توخي الحذر عند استخدامها لتقييم التوازن الأمامي أو الخلفي الإجمالي للمريض.
في نهاية المطاف، يشير هذا البحث إلى أن هذه الصور المولدة حاسوبياً يمكن أن تعمل كجسر قوي بين التقنيات ثلاثية الأبعاد الحديثة والممارسات الطبية الراسخة. فهي توفر وسيلة لرؤية العمود الفقري في ثلاثة أبعاد مع الاستمرار في تقديم الصور المسطحة المألوفة التي يستخدمها الأطباء للتخطيط للجراحات ومتابعة التقدم. وتشير الدراسة إلى أنه بالنسبة لقياس منحنيات العمود الفقري المحددة، فإن هذه إعادة البناء الرقمية هي بديل صالح وموثوق للغاية للأشعة السينية التقليدية. ومع ذلك، فإن النتائج تعمل أيضاً كتذكير بأن وضعية الجسم مهمة؛ فالتقنية الجديدة تلتقط العمود الفقري في وضعية مختلفة قليلاً عن الطريقة القديمة، مما يؤثر على كيفية محاذاة الجسم بأكمله. ومع تحسن التكنولوجيا، لا سيما في كيفية تعامل الحاسوب مع أوضاع الجسم المختلفة، يمكن لهذه الصور الرقمية أن تصبح في النهاية أداة "الكل في واحد" لتشخيص وعلاج تشوهات العمود الفقري.
ملخص تقني: توافق المعايير الشعاعية بين الصور المستعادة رقمياً (DRRs) من تقنية WR3D وصور الأشعة السينية للعمود الفقري الكامل
بيان المشكلة
تعتمد التشخيصات السريرية والتخطيط الجراحي الحالي لتشوهات العمود الفقري (مثل الجنف مجهول السبب لدى المراهقين) بشكل كبير على صور الأشعة السينية ثنائية الأبعاد (2D) للعمود الفقري الكامل. وبينما تُعد هذه الصور صوراً في وضعية تحمل الوزن ومنخفضة الجرعة الإشعاعية، إلا أنها تفتقر إلى المعلومات المكانية ثلاثية الأبعاد (3D) وتعاني من التراكب الهيكلي. وفي المق المقابل، بينما توفر التصوير ثلاثي الأبعاد (مثل التصوير المقطعي المحوسب التقليدي CT) بيانات مكانية، إلا أنه يتم إجراؤه عادةً في وضعية الاستلقاء، مما يفشل في التقاط الحالة الفسيولوجية لوضعية تحمل الوزن.
توجد "فجوة انتقالية" بين القدرات التشخيصية ثلاثية الأبعاد الحديثة وسير العمل السريري الراسخ (مثل تصنيفات Lenke وKing وPUMC). تعالج هذه الدراسة ما إذا كان يمكن لصور الأشعة المستعادة رقمياً (DRRs) — وهي صور مساقط ثنائية الأبعاد مُخلّقة من بيانات التصوير المقطعي بالحزمة المخروطية (CBCT) بتقنية WR3D (التصوير الشعاعي ثلاثي الأبعاد في وضعية تحمل الوزن) — أن تعمل كبديل صالح وعالي الدقة لصور الأشعة السينية التقليدية للعمود الفقري الكامل، مما يوفر حلاً تصويرياً "متكاملاً" يجمع بين البيانات ثلاثية الأبعاد والتوافق السريري ثنائي الأبعاد.
المنهجية
تصميم الدراسة والمجموعة
النوع: دراسة مقارنة استرجاعية.
المجموعة: 67 مريضاً (15 ذكراً، 52 أنثى؛ متوسط العمر 16.42 سنة) خضعوا لكل من تصوير WR3D وصور الأشعة السينية القياسية للعمود الفقري الكامل خلال فاصل زمني قدره 14 يوماً.
المعايير (الاشتمال والاستبعاد): يجب أن يكون المرضى في حالة استقرار سريري خلال الفترة الفاصلة. تم استبعاد المرضى الذين خضعوا لجراحة سابقة في العمود الفقري أو تثبيت داخلي، أو الذين يعانون من تشوهات شديدة تشوه المورفولوجيا، أو جودة صورة ضعيفة، أو الذين يرتدون دعامات تقويمية. لم تتمكن خوارزمية التجزئة المستخدمة من التعامل مع الأدوات المعدنية بعد الجراحة أو التشوهات الشديدة، مما يحد من إمكانية تعميم النتائج على هذه الفئات.
بروتوكولات التصوير
WR3D: يتم إجراؤها في وضعية الوقوف مع رفع الذراعين فوق الرأس. يدمج النظام بين التصوير الشعاعي الرقمي والتصوير المقطعي بالحزمة المخروطية (CBCT)، مما يقلل الجرعة الإشعاعية إلى حوالي 10% من التصوير المقطعي التقليدي.
الأشعة السينية: صور قياسية أمامية خلفية (AP) وجانبية في وضعية الوقوف. بالنسبة للصور الجانبية، كانت الأذرع مثنية للأمام (وضعية ثني الكوع)، وهو ما يتناقض مع وضعية رفع الذراعين في فحص WR3D.
خوارزمية توليد الـ DRR
تضمنت عملية توليد الـ DRRs مرحلتين:
التجزئة (Segmentation): قام نموذج 3D-UNet بتجزئة العمود الفقري (الأجسام الفقارية فقط، باستثناء النواتئ)، والحوض (عظام الحرقفة والجزء القريب من العجز الأول S1)، ورؤوس الفخذ من البيانات الحجمية ثلاثية الأبعاد. حقق النموذج معامل Dice أعلى من 0.95.
الإسقاط (Projection):
تحديد الاتجاه: تم تحديد الاتجاه الأمامي الخلفي (AP) ليكون عمودياً على الخط الواصل بين مركزي رؤوس الفخذ وخط الثقل (plumb line)؛ بينما كان الاتجاه الجانبي متعامداً معهما.
التعزيز: تم تعزيز شدة الفوكسل (Voxel) داخل مناطق العظام المجزأة لتحسين الوضوح.
الإسقاط: تم تطبيق إسقاطات شدة المتوسط على طول الاتجاهات المحددة (AP والجانبي) لتوليد صور DRR ثنائية الأبعاد.
القياس والتحليل الإحصائي
المعايير: قام مراقبان بشكل مستقل بقياس المقاييس في المستوى الإكليلي (زوايا Cobb، التوازن، الميل) والمستوى السهمي (القعس، التحدب، معايير الحوض) في كلا النوعين من التصوير.
الإحصاء:
الموثوقية: تم استخدام معاملات الارتباط داخل الفئة (ICC) لتقييم موثوقية الملاحظ بين المراقبين.
التوافق: تم استخدام اختبارات t للعينات المرتبطة (مع تعديل Benjamini–Hochberg FDR)، وتحليل Bland-Altman (متوسط الفرق، حدود الاتفاق)، ومتوسط الخطأ المطلق (MAE) لمقارنة الوسيطين.
الارتباط: تم حساب معاملات ارتباط بيرسون (r).
النتائج الرئيسية
الموثوقية بين المراقبين
أظهرت صور DRR موثوقية بين المراقبين متفوقة أو مماثلة للأشعة السينية التقليدية، لا سيما بالنسبة لمعايير الحوض والفقرات الصدرية العليا:
معايير الحوض: أظهرت DRR معاملات ICC أعلى بكثير لـ: بروز الحوض (PI: 0.95 مقابل 0.70)، ميل الحوض (PT: 0.98 مقابل 0.83)، وميل العجز (SS: 0.94 مقابل 0.79).
المستوى الإكليلي: أظهر كلا النوعين من التصوير موثوقية ممتازة لزوايا Cobb (ICC > 0.95).
التوافق بين الوسائط
المعايير الإكليلية: لوحظ توافق عالٍ لجميع زوايا Cobb الإكليلية (MAE = 3.26°; p>0.05). تراوحت حدود الاتفاق بنسبة 95% (LoA) لزوايا Cobb بين -8.62° و 8.11°. ومع ذلك، أظهرت معايير التوازن العالمي مثل التوازن الإكليلي (CB) وانزياح الجذع الصدري (TTS) تباينات كبيرة (MAE ~9 مم) وحدود اتفاق واسعة، رغم عدم وجود انحياز منهجي ذي دلالة إحصائية بعد تعديل FDR.
الانحناء السهمي:
توافق عالٍ: لم تظهر فروق معنوية في كل من: تقوس الرقبة (C2-C7)، تقوس الصدر الصدري القطني (T10-L2)، تقوس القطني (L4-S1)، والتقوس القطني (L1-S1).
معايير الحوض: أظهر كل من بروز الحوض (PI) وميل الحوض (PT) توافقاً عالياً (p>0.05)، بينما أظهر ميل العجز (SS) اختلافاً منهجياً (p<0.05).
التوازن العالمي: أظهر التوازن السهمي (SB) أكبر تباين، مع MAE مرتفع (16.38 مم) وحدود اتفاق واسعة (-28.17 إلى 46.49 مم)، مما يشير إلى وجود اختلافات منهجية بين الوسيطين.
الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذه الدراسة هي الأولى التي تقيم بشكل منهجي القيمة السريرية لصور DRR المولدة خصيصاً من بيانات WR3D. وتكمن الأهمية الأساسية في إمكانية سد الفجوة بين التصوير ثلاثي الأبعاد وسير العمل السريري ثنائي الأبعاد:
التحقق من المعايير الهيكلية: تظهر صور DRR القائمة على WR3D توافقاً عالياً مع الأشعة السينية التقليدية للمعايير الهيكلية الرئيسية، وتحديداً زوايا Cobb الإكليلية، وتقوس الصدر الصدري القطني (T10-L2)، والتقوس القطني (L1-S1)، وبروز الحوض. وهذا يشير إلى إمكانية استخدام DRR لمعايير التصنيف القياسية والتخطيط الجراحي.
تحسين الموثوقية: تعمل خوارزميات التجزئة والإسقاط المتوازي المستخدمة لتوليد DRR على القضاء على التكبير الهندسي والتشوه المتأصل في التصوير الشعاعي بالحزمة المخروطية. وينتج عن ذلك موثوقية أعلى بين المراقبين، خاصة بالنسبة لمعايير الحوض والفقرات الصدرية العليا حيث تعاني الأشعة السينية التقليدية غالباً من تراكب الهياكل.
القيود والتحذيرات: تشير الورقة صراحة إلى أن DRR ليست بديلاً مثالياً لجميع المعايير بعد. فهناك اختلافات منهجية في التوازن العالمي (SB) وفي بعض الانحناءات السهمية (T2-T5, T5-T12). ويعزو المؤلفون هذه الاختلافات إلى الاختلافات في الوضعية (وضعية الذراع: مرفوعة في WR3D مقابل مثنية في الأشعة السينية) وليس إلى فشل الخوارزمية.
الآفاق المستقبلية: يظل المؤلفون متواضعين في طرحهم، حيث ذكروا أن فوائد التوازن العالمي لا تزال افتراضية حالياً بسبب تأثيرات الوضعية. ويخلصون إلى أن هذه الدراسة توفر خط أساس للجهود المستقبلية لتطوير أنظمة تصنيف العمود الفقري ثلاثية الأبعاد وأدوات التخطيط الجراحي الآلية، ولكن هناك حاجة لمزيد من البحث لتطوير التجزئة للهياكل غير الجسمانية والتحقق من هذه النتائج في مجموعات سكانية أوسع، بما في ذلك أولئك الذين لديهم غرسات طبية.