Scoliosis screening system based on improved optical photogrammetry using Kinect sensor

Resumen Técnico: Sistema de Cribado de Escoliosis Basado en Fotogrametría Óptica Mejorada Mediante un Sensor Kinect

Planteamiento del Problema
La escoliosis es un trastorno de la columna vertebral prevalente entre los adolescentes, con una prevalencia global del 0,5–5,2%. La detección temprana es crítica para prevenir deformidades torácicas graves y disfunción visceral. Los métodos de cribado actuales enfrentan limitaciones significativas: los exámenes físicos manuales son ineficientes para grandes poblaciones y dependen en gran medida de la experiencia del médico, mientras que las imágenes de rayos X, el estándar de oro clínico (ángulo de Cobb), implican exposición a la radiación, altos costos y procedimientos complejos, lo que las hace inadecuadas para el monitoreo rutinario y frecuente en escuelas o comunidades. Los métodos ópticos no invasivos existentes (por ejemplo, topografía de Moiré, escáneres láser) a menudo requieren hardware costoso, condiciones de iluminación estrictas o calibraciones complejas. Además, aunque han surgido enfoques de aprendizaje profundo, estos suelen carecer de interpretabilidad clínica y requieren conjuntos de datos anotados masivos. Existe la necesidad de un sistema de cribado de bajo costo, libre de radiación, portátil y eficiente que mantenga una precisión diagnóstica comparable a la de los rayos X.

Metodología
Los autores desarrollaron un sistema de cribado de escoliosis utilizando un sensor Microsoft Kinect para capturar imágenes de color y profundidad, las cuales se alinean para generar una nube de puntos 3D del sujeto. La metodología procede a través de las siguientes etapas:

1. Adquisición de Datos: Los sujetos se posicionan en dos posturas: verticalmente (para el análisis del plano coronal) y en una flexión hacia adelante de 90° (para el análisis del plano transversal). El sistema opera en un rango de 0,8–2,5 m.
2. Procesamiento de la Nube de Puntos:
   • Filtrado: Los filtros de paso (pass-through) y de valores atípicos eliminan el fondo y los puntos de ruido.
   • Segmentación: Un algoritmo de crecimiento de regiones basado en color (convirtiendo RGB a HSV para una mejor distincción de hitos) aisla la espalda y las extremidades superiores del cabello y la ropa. El estudio determinó que un umbral de distancia de color de 5 proporcionaba el equilibrio óptimo entre la precisión de la segmentación y el tiempo de procesamiento.
   • Suavizado: Se aplica un método de mínimos cuadrados móviles (orden polinómico 2, radio de subregión de 0,02 m) para reducir los errores de medición manteniendo la eficiencia.
3. Extracción de Características:
   • Altura de los Hombros: Los puntos de los bordes de los hombros se ajustan con polinomios cúbicos para determinar las diferencias de altura.
   • Hitos Anatómicos: Marcadores específicos (C7, L5 y puntos de medición ATR A y B) se colocan manualmente sobre el sujeto y se extraen mediante umbrales de color HSV.
   • Ajuste de la Curva Espinal: Los puntos cóncavos de la espalda se identifican comparando los valores Z de puntos vecinos dentro de fragmentos del eje Y (longitud de fragmento 0,002 m, coeficiente de concavidad 0,9). Estos puntos se proyectan en los planos coronal y sagital y se ajustan mediante el método de mínimos cuadrados.
4. Evaluación de Índices Múltiples: El sistema calcula cuatro métricas para evaluar la salud espinal a través de tres planos anatómicos:
   • Hombros Desiguales: Diferencia de altura y ángulo entre los hombros.
   • Ángulo DOSA (Evaluación de la Escoliosis basada en Óptica Profunda): Un ángulo de curvatura del plano coronal calculado derivando la curva ajustada de la columna para encontrar los puntos de máximo cambio de curvatura, análogo al ángulo de Cobb pero derivado de datos de superficie.
   • Índice de Cifosis (Valor de Sinoto): Una métrica del plano sagital que representa la relación entre la altura de la joroba y la longitud de la espalda.
   • Ángulo de Rotación de la Tronco (ATR): Una métrica del plano transversal calculada a partir de la diferencia de altura y la distancia horizontal entre puntos específicos durante la flexión hacia adelante.

Resultados Clave
El sistema fue validado en 40 sujetos (edades 7–77) con sospecha de escoliosis, comparando los ángulos DOSA con los ángulos de Cobb derivados de rayos X.

• Correlación: La diferencia media entre los ángulos DOSA y Cobb fue de -0,386° con una varianza de 7,773. El 87,5% de las diferencias se situaron dentro de ±3°. El análisis estadístico (prueba t, p=0,05) no mostró una diferencia significativa entre los dos métodos (t = -0,877).
• Desempeño Diagnóstico: Utilizando un umbral de 10° para la escoliosis, el sistema alcanzó una sensibilidad del 83,33%, una especificidad del 90,00% y una precisión general del 85,00%. El Área Bajo la Curva (AUC) para el análisis ROC fue de 0,967.
• Precisión del ATR: El sistema demostró una consistencia del 100% con las mediciones de control para identificar la rotación anormal del tronco, con un error máximo de 0,408°, superando significativamente la variabilidad típica de 2°–3° de las lecturas manuales del escoliómetro.
• Análisis de Cifosis: El valor de Sinoto indicó una mayor prevalencia de cifosis en sujetos mayores de 50 años, mostrando poca correlación con el ángulo DOSA, lo que confirma la capacidad del sistema para distinguir entre deformidades laterales y sagitales.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el sistema propuesto ofrece una alternativa viable para el cribado primario de la escoliosis en entornos comunitarios y escolares. Su importancia radica en:

• Accesibilidad: Utiliza un sensor Kinect portátil y de bajo costo, eliminando los riesgos de radiación y la necesidad de sistemas láser costosos o entornos de iluminación controlada.
• Eficiencia: Todo el proceso, incluyendo el aprendizaje del operador (aprox. 5 minutos) y la medición (aprox. 2 minutos), está optimizado dentro de un único programa de software.
• Evaluación Integral: A diferencia de los métodos centrados únicamente en el plano coronal, este sistema proporciona datos multidimensionales (coronal, sagital y transversal), incluyendo asimetría de hombros, cifosis y rotación del tronco, ofreciendo una visión más holística de la deformidad espinal.
• Consistencia Clínica: El ángulo DOSA demuestra una fuerte concordancia con el ángulo de Cobb tradicional, lo que sugiere que puede servir como un sustituto no invasivo confiable para la evaluación por rayos X en escenarios de cribado.

Limitaciones
Los autores reconocen que la precisión del sistema puede disminuir en individuos con un IMC > 28 kg/m² o exceso de piel laxa, donde la concavidad de la columna es menos distintiva. Además, el estudio señala que se requiere un tamaño de muestra mayor para validar aún más los errores de medición y la generalizabilidad.