負重位錐形束CT下肢骨骼自動分割及HKA測量新研究

研究證實二維與三維HKA角存在差異，且三維HKA角更為精；同時負重位CBCT（WR-3D)圖像的下肢骨骼CNN自動分割模型具有較高的準(zhǔn)確性，這為后續(xù)下肢骨骼三維參數(shù)的自動測量奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 

研究背景 髖-膝-踝 (HKA ) 角是評價下肢力線和膝關(guān)節(jié)負荷的重要參數(shù)。但人工測量三維HKA角等參數(shù)存在一定的局限性。因此，四川大學(xué)華西醫(yī)院團隊與安健科技的研究團隊將負重位CBCT與AI技術(shù)結(jié)合，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）實現(xiàn)下肢骨骼的自動分割和HKA角的精測量。并在此基礎(chǔ)上，比較二維與三維自動測量 HKA 角之間的差異。 

研究方法 此次研究的二維成像與三維成像使用的成像設(shè)備均為安健科技旗下 DX 6290設(shè)備。其中二維成像，采用站立狀態(tài)下的全下肢前后位成像；三維成像，采用 CBCT 成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)大重建FOV為350 mm，一次掃描可同時包含雙側(cè)髖關(guān)節(jié)的成像。

 三維智能分割與測量，獲得膝關(guān)節(jié)HKA角精影像數(shù)據(jù) 臨床專家對65位患者的全下肢CBCT圖像數(shù)據(jù)，輸入U-Net CNN 搭建的骨骼分割模型。為適應(yīng)下肢圖像分割，研究對U-Net網(wǎng)絡(luò)進行改良，引入三維卷積核，同時加入殘差結(jié)構(gòu)，提高分割精度。通過對股骨、髕骨、脛骨、腓骨和距骨的單獨分割，得出Dice系數(shù)為0.928到0.950，滿足臨床對于下肢關(guān)鍵骨骼的三維自動識別測量。 

與此同時，研究人員使用AI自動測量的三維HKA角，所需數(shù)據(jù)在3D slicer軟件中自動進行測量。自動測量冠狀面上，股骨機械軸和脛骨機械軸形成的夾角，測量出HKA 角的三維數(shù)據(jù)。而二維測量HKA角，需要在二維圖像上人工確定股骨和脛骨的機械軸，得出兩條軸線在膝關(guān)節(jié)處的交角，即為維 HKA 角度。 研究結(jié)果表明，二維和三維 HKA 角度存在 2.05°的平均值差異，具有統(tǒng)計學(xué)意義。

 研究結(jié)果 綜上所述，此次研究中提出的CNN下肢自動分割模型，可以完成三維全下肢骨骼自動分割。并且三維自動測量的HKA角，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，且三維測量方法不易受投照角度、擺位等影響，測量結(jié)果相較于二維測量更為精。 在臨床應(yīng)用上，膝關(guān)節(jié)炎發(fā)病率正處于逐年上漲趨勢。而HKA角是評估膝關(guān)節(jié)的負荷評估、畸形矯正及術(shù)后隨訪的重要依據(jù)。以膝關(guān)節(jié)炎高位截骨術(shù)和關(guān)節(jié)置換術(shù)的術(shù)前規(guī)劃為例，即使是 2°的測量差異就有可能對臨床診斷和決策造成影響。而AI自動測量系統(tǒng)中的三維分割和自動測量，則避免因投照角度、人工測量誤差、組織重疊以及患者站位等因素造成的誤差，有效提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。且研究中的成像設(shè)備--安健科技旗下的"WR-3D立位錐束斷層CT"，能夠支持患者在自然負重下三維掃描及三維重建，可以更真實反映患者下肢在生理負重條件下的力線和骨骼結(jié)構(gòu)。

 除此之外，安健科技創(chuàng)新研發(fā)的WR-3D成像系統(tǒng)，還可進行關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間隙、外側(cè)間隙等角度自動測量，為醫(yī)生提供雙膝關(guān)節(jié)間隙寬度空間映射圖和曲線圖，幫助臨床醫(yī)生直觀地看到每個冠狀面關(guān)節(jié)面的間隙情況，輔助醫(yī)生針對不同患者制定個性化的診療方案。 

目前，四川大學(xué)華西醫(yī)院科研團隊聯(lián)合安健科技科研團隊現(xiàn)已完成，基于WR-3D在青少年脊柱側(cè)彎臨床應(yīng)用的相關(guān)臨床研究；全脊柱三維成像以及AI自動測量在三維Cobb角的相關(guān)研究。