利用灰度反转视图与sterEOS工作站进行脊柱建模的可行性

倪晓龙 马超逸 罗飞 轩艳姣 贾绍田

EOS X线影像采集系统(EOS)运用了多丝正比室与线性扫描相结合的技术，能够以显著低于传统 X 线和 CT 检查的放射剂量获得高质量图像[1-2]，目前专用于采集人体全长骨骼影像。EOS受检者以负重位接受全身扫描，正位和侧位同步采集，医生可一次性获得等比例患者全脊柱及下肢全长正位和侧位二维数字图像。利用EOS强大的后处理工作站sterEOS可获得受检者骨骼的重要形态参数，进行相应骨骼的三维重建[3]。例如，利用sterEOS可获得Cobb角等多项脊柱参数，进行脊柱建模，用于临床诊断[4]。EOS也可用于患者胸部正侧位检查，因此其sterEOS后处理工作站具有视图灰度反转功能。灰度反转即正像(骨黑、气白)和负像(骨白、气黑)的相互转换。一般情况下，脊柱建模利用正常灰度视图完成。但是，人视觉有亮度掩蔽特性，即最小可觉差随背景亮度变化而变化。那么，建模者利用正常灰度和反转灰度视图检出信息和建模是否会存在差异？本研究对这一问题进行探讨，以期对EOS的临床应用提供指导。

资料与方法

一、资料

1.病例纳入与排除标准：(1)病例纳入标准：特异性脊柱侧弯患者且侧弯角度≥10°。(2)病例排除标准：椎体内存在钢钉；骨水泥成形术后；存在异物遮挡椎体。

2.一般临床资料：对2019年9至12月于北京积水潭医院放射科因特异性脊柱侧弯接受负重位脊柱全长X线检查且符合上述病例纳入与排除标准的30例患者的影像学资料进行脊柱测量与建模。患者年龄(14.48±3.18)岁，其中男7例，女23例。

3.仪器和设备： EOS与sterEOS后处理工作站(型号分别为3.7.3.8463和1.6.5.8188，EOS Imaging，法国)。

二、方法

1.参数的测量：利用sterEOS后处理工作站，由2名测量者(A和B，均为通过认证的技师)同时对每例患者影像分别通过正常灰度和灰度反转视图进行脊柱快速三维测量1次，1周后重复测量1次。测量参数包括侧凸Cobb角、骨盆透射角(pelvic incidence，PI)、骨盆倾斜角(pelvic tilt，PT)、骶骨倾斜角(sacral slope，SS)、T1/T12胸后凸角、T4/T12胸后凸角以及L1/L5和L1/S1腰前凸角。具体测量步骤如下：(1)勾画出S1上终板，确定髋臼位置(图1)；(2)勾画出T1～L5脊柱正侧位走形，调用数据库模型(图2)；(3)粗略调整模型，大致确定单个椎体的旋转和倾斜度(图3)；(4)精准调整目标椎体，确定椎体的上下终板轮廓以及椎弓根和棘突的位置(图4)；(5)生成结果，记录数据(图5)；(6)对图像进行灰度反转处理，重复步骤(1)～(5)(图6，7)。

2.统计学处理：采用SPSS 21.0软件(IBM公司，美国)对数据进行处理。采用配对t检验方法对2名测量者测得数据进行比较，P<0.05为差异有统计学意义。计算数据间的相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)，ICC=0～1有意义。ICC<0.25为一致性差；ICC=0.25～0.49为一致性低；ICC=0.50～0.69为一致性中等；ICC=0.70～0.89为一致性好；ICC=0.90～1.00为一致性极佳。

结 果

获得每例患者正常灰度视图和灰度反转视图数据各4组。同一测量者在同一种视图测得的2组数据差异均无统计学意义(表1，2)。将2种视图数据进行比较，其中Cobb角、PT、T1/T12胸后凸角以及L1/L5和L1/S1腰前凸角差异均无统计学意义，PI、SS和T4/T12胸后凸角差异有统计学意义(表3)。在正常灰度视图数据中，测量者A测得数据ICC=0.90～1.00，一致性均为极佳；测量者B测得数据ICC=0.85～1.00，一致性为好至极佳；2位测量者数据间ICC大部分位于0.80～1.00，一致性为好至极佳。在灰度反转视图数据中，测量者A测得数据ICC=0.90～1.00，一致性极佳且各项参数ICC值均高于相应正常灰度视图数据；测量者B测得数据ICC=0.90～1.00，一致性均为极佳，与相应正常灰度视图数据相比除PT和T1/T12腰后凸角ICC值略低外，其他参数数据ICC值均高更；2位测量者测得数据间ICC=0.85～1.0，一致性为好至极佳，与相应正常灰度视图数据相比，除Cobb角和L1/S1腰前凸角ICC值略低外，其他参数数据ICC值均更高。2种视图数据ICC=0.90～1.00，一致性极佳(表4)。

图1 在正常灰度视图上确定髋臼位置 图2 在正常灰度视图上勾画T1～L5正侧位走形 图3 在正常灰度视图上粗略调整模型，大致确定单个椎体的旋转和倾斜度 图4 在正常灰度视图上精准调整目标椎体，确定椎体的轮廓和位置 图5 在正常灰度视图上生成各项测量参数 图6 在反转灰度视图上勾画脊柱走形 图7 在反转灰度视图上确定椎体的轮廓和位置

讨 论

脊柱侧凸又称脊柱侧弯，是一种脊柱的三维畸形，包括冠状位、矢状位和轴位的序列异常。较重的脊柱侧凸会使患者身体发生变形，更严重者可以影响患者心肺功能，甚至累及脊髓造成瘫痪，在必要时需手术治疗。立位脊柱全长正侧位X线摄影是评价脊柱侧凸最常用的影像学检查方法之一，通过测量获得患者脊柱各部分影像参数，如胸椎和腰椎的 Cobb角[5]、PI、PT以及SS等，有助于临床医生评估患者病情和了解治疗补偿机制，同时对手术计划的制定有重大意义。Cobb角、脊柱矢状位参数和骨盆参数的测量通常在二维图像上进行，对于常伴随椎体旋转的椎体侧弯患者，测量结果可能不准确。传统CT扫描三维重建可以真实反映椎体在三维图像上的形态，但存在3个不足之处：扫描过程辐射剂量大；扫描长度受到限制；只能进行患者卧位扫描，不能进行患者站立位扫描。

表1 正常灰度视图数据的比较

表2 灰度反转视图数据的比较

表3 正常灰度视图与灰度反转视图数据的比较

表4 2名测量者利用正常灰度视图和灰度反转视图测得数据的相关性

应用EOS可进行患者站立位正侧位全脊柱扫描，一次性获得全脊柱正侧位像，通过三维重建获得三维图像，克服了传统CT扫描的不足。EOS应用多丝正比粒子探测器与扇形狭缝扫描相结合的技术，其球管出射线口与探测器入口均装置准直器，加上独特的线性薄扇形束扫描模式，可以抑制超过99%的散射线；其气体粒子探测器的电子雪崩效应可以将所获得的光子信号放大数倍，因此可以通过低辐射剂量获得高质量低噪声图像；探测器独特的自动可调增益功能可以根据患者体型轮廓对放射区域进行自动调整以获得高对比度的影像[2]。通过sterEOS工作站可进行三维建模以反映椎体的三维形态[6]，再行测量各项参数，符合“好图像，低辐射”的理念。

利用sterEOS工作站对脊柱影像各部分结构参数进行测量时，测得参数的准确性取决于在正侧位图像上勾画图像的精准度，勾画图像的精准度越高，测得的参数越准确。而勾画图像的精准度取决于图像的显示度和清晰度以及操作人员的视觉能力和操作经验。尤其是在勾画低对比度图像结构时，图像能够被清楚辨认是十分重要的。灰度反转是指对图像灰度范围进行线性或非线性取反，产生与输入图像灰度相反的图像，用以观察某些原本颜色较浅或不明显的部位和组织[7]。X线像的灰度反转视图首先被应用于胸部上肺结节的检查。与标准视图相比,通过使用灰度反转视图可以显著提高肺结节X线检查的特异度[8-9]。从视觉感知理论可知,当灰暗结构呈现在明亮背景前时,读片人的光学对比感知度会明显提升。目标区域被较高亮度区域包绕(灰度反转视图)时,相较被低亮度区域包围(正常灰度视图)更容易被识别[10-11]。

本研究将正常灰度视图与灰度反转视图测得参数数据进行对比，其中PI,SS以及T4/T12胸后凸角差异有统计学意义。患者椎体发生严重侧凸可能造成椎体旋转，在侧位像中侧凸椎体上下终板因侧凸产生重叠，椎弓根因椎体发生旋转而难以辨认[12]；部分患者因手臂上抬困难造成侧位像中肱骨头遮挡椎体；不同患者骶骨形状不同造成S1上终板平面难以确认。这些原因都可能导致测量数据存在显著差异。利用灰度反转视图与正常灰度视图进行测量的可重复性和数据可信度都较高，且利用灰度反转视图测得数据的误差多小于正常灰度视图数据。因此，在进行脊柱建模时可以切换视图的不同灰度状态进行测量，以提高测量的准确性。本研究样本量较小，随着EOS临床应用的不断深入开展，在未来的研究中将弥补这一不足。