Kutatás

A PAVIR (Posture Analyzing and Virtual Reconstruction Device) nevű új tartásvizsgáló és virtuális rekonstrukciós eszköz értékelése a szagittális testtartási paraméterek felmérésére: Egy Prospektív Megfigyeléses Vizsgálat ¹

Szerzők: Chan Woong Jang, Jihyun Park, Han Eol Cho és Jung Hyun Park ²

Absztrakt

A tanulmány célja a PAVIR (Posture Analyzing and Virtual Reconstruction Device) rendszer klinikai validálásának bemutatása volt, a szagittális gerincparaméterek pontosságára fókuszálva, összehasonlítva az EOS képalkotó rendszerrel³. Hetven beteget vontak be, akiket szegmentális és szomatikus diszfunkcióval diagnosztizáltak 2020 februárja és novembere között⁴. Minden beteget megvizsgáltak az EOS képalkotó rendszerrel és a PAVIR-ral is⁵. A humán testtartás szagittális paramétereit (előrehelyezett fejtartás – FHP, T1 dőlésszög – T1t, térdhajlítási szög – KF, lumbális lordózis szög – LL, és medencedőlési szög – PT) elemezték, hogy igazolják a két eszköz eredményei közötti korrelációt⁶.

A két eszköz eredményeinek medián különbségei szignifikáns eltéréseket mutattak az FHP (T4-homlok és T4-hallójárat), a T1t, és a PT tekintetében⁷. A korrelációs elemzésben az FHP (C7-hallójárat, T4-homlok és T4-hallójárat), a T1t, és a PT értékei mérsékelt korrelációt mutattak a két eszköz között ($r = 0,741$, $0,795$, $0,761$, $0,621$, és $0,692$, rendre) ($p<0.001$)⁸. A KF és az LL elfogadhatóan korrelált ($r = 0,514$ és $0,536$, rendre) ($p=0,004, mindkettő$)⁹.

Ez a tanulmány bemutatja egy új, sugárzásmentes, 3D vörös-zöld-kék-mélység kamerán (PAVIR) alapuló vázrendszeri képalkotó rendszer potenciálját mint jövő generációs diagnosztikai eszköz, amely mesterséges intelligencia technológiával történő folyamatos, multi-adatalapú fejlesztések révén pontosabb paramétereket becsül¹⁰.

Kulcsszavak: diagnosztikai képalkotás; képalkotás; háromdimenziós; testtartás; váz; gerinc ¹¹

1. Bevezetés

A testtartás, melyet a test függőleges helyzetben lévő összehangolásaként vagy orientációjaként határoznak meg, összefüggésben áll azzal a képességgel, hogy hatékony, energiatakarékos mozgásokat hajtson végre, és megvédje a test struktúráját a sérüléstől vagy a progresszív deformitástól¹². A mozgásszervi rendellenességek a legtöbb testtartásbeli változás fő okai¹³. Különösen a szagittális gerinc rendellenes tartása jelenti a törzs és a medence egyensúlyhiányát¹⁴. A testtartás pontos és megbízható értékelése elengedhetetlen a klinikus tervezéséhez és döntéshozatalához a mozgásszervi fájdalom kezelésével kapcsolatban¹⁵.

Számos módszer létezik a testtartás felmérésére, amelyek radiográfiai és nem radiográfiai méréseken alapulnak¹⁶. Jelenleg a röntgenfelvétel a testtartás értékelésének arany standardja¹⁷. A nagy pontosságú radiográfiai módszerek közé tartozik az EOS képalkotó rendszer (Biospace Med, Párizs, Franciaország), amely egy alacsony dózisú, teljes testet vizsgáló orvosi radiográfiai diagnosztikai eszköz¹⁸. Bár az EOS képalkotó rendszerrel készült kiváló minőségű képek diagnosztikai szempontból relevánsak a gerinc, a medence és az alsó végtagok rendellenességeinek és deformitásainak megítélésében ¹⁹, ez a módszer rendelkezik néhány hátránnyal²⁰.

Először is, a magas karbantartási és személyzeti költségek miatt általános klinikai gyakorlatban megfizethetetlen²¹. Másodszor, az X-sugaras sugárzással nyert röntgenfelvételek, beleértve az EOS képalkotó rendszert is, továbbra is invazívak és veszélyesek²². Egy korábbi tanulmány megállapította, hogy az EOS képalkotó rendszer által felhasznált teljes sugárzási dózis körülbelül 50%-kal csökkent a hagyományos röntgenfelvételekhez képest²³. Ez növekvő érdeklődéshez vezetett a sugárzási kockázat nélküli, alacsony költségű, nem invazív testtartásmérési módszerek iránt²⁴.

Az érzékelők, feldolgozó egységek és gépi tanulási algoritmusok fejlődése a valós idejű érzékelő alapú technológiák megjelenéséhez vezetett, amelyek észlelik az emberi testtartást, például a háromdimenziós (3D) mélységi kamerák²⁵. Így lett kifejlesztve az új PAVIR (Posture Analysis and Virtual Reconstruction Device), amely valós idejű 3D vörös-zöld-kék-mélység (RGB-D) kamerát használ²⁶. A PAVIR segítségével az emberi testtartás sugárzás nélkül, gyorsabban értékelhető²⁷. Azonban hiányosak az információk a diagnosztikai alkalmasságáról, különösen a PAVIR szagittális paraméterei tekintetében²⁸. Ezért a tanulmány célja az volt, hogy meghatározza, megbízható-e a PAVIR diagnosztikai képalkotó eszközként, összehasonlítva az EOS képalkotó rendszer szagittális paramétereivel²⁹.

2. Anyagok és Módszerek

2.1. Résztvevők

A vizsgálatba olyan betegeket vontak be, akiket a Betegségek Nemzetközi Osztályozása, Tizedik Revíziója (International Classification of Diseases, Tenth Revision) szerint szegmentális és szomatikus diszfunkcióval (M99.0) diagnosztizáltak, és gerincpatológiájukat megerősítették egy harmadik szintű kórház rehabilitációs osztályán 2020 februárja és novembere között³⁰. A szegmentális és szomatikus diszfunkciót rossz testtartás súlyosbítja, vagy rendellenes testtartást eredményez, amely diszfunkcionális mechanikához vezet³¹. Mivel a diszfunkció a kapcsolódó struktúrák teljes láncolatának bonyolult kölcsönhatásának eredménye ³², a teljes test képalkotása hasznosabb lenne a beteg állapotának megértésében, mint csak egy részé³³. Ezért a szegmentális és szomatikus diszfunkcióval rendelkező alanyok alkalmasak az EOS képalkotó rendszer és a PAVIR eredményei közötti korreláció értékelésére³⁴.

A kizárási kritériumok a következők voltak: (1) más neurológiai vagy ortopédiai patológiával diagnosztizált személyek, (2) 19 év alattiak, (3) $35~\text{kg/m}^{2}$ vagy magasabb testtömegindex (BMI) ³⁵, (4) azok, akiknél gerincműtét után fém rögzítő eszközt helyeztek be, és (5) azok, akik terhesek lehettek vagy terhesek voltak³⁶. Egy összehasonlító tanulmány eredményei alapján 40 résztvevő mintaméretet választottak, hogy akár 80%-os statisztikai erőt és 5%-os alfa hibát biztosítsanak³⁷. A vizsgálatot a Szöuli Gangnam Severance Kórház Intézményi Etikai Bizottsága jóváhagyta (Azonosító: 3-2019-0303), és minden résztvevőtől tájékozott beleegyezést szereztek be³⁸. A vizsgálati protokollt a Helsinki Nyilatkozat elveivel összhangban végezték³⁹.

2.2. Adatfelmérés

2.2.1. Testtartás Felmérése

Ebben a prospektív megfigyeléses vizsgálatban minden résztvevőt rutinszerű klinikai protokoll részeként vizsgáltak az első klinikai látogatás során⁴⁰.

• EOS Vizsgálat: Az EOS képalkotás vagy a teljes test álló ortogonális anteroposzterior és laterális röntgenfelvételek készítésekor az egyéneknek azt az utasítást adták, hogy álljanak a módosított álló testtartásban, a vállaikat 45 fokban emelve, és az öklüket a kulcscsontjukra helyezve, a nyaki és háti gerinc szagittális vizualizálásához⁴¹. Ezt követően a hagyományos szögméréseket manuálisan végezte el egy ügyes vizsgáló a digitális laterális EOS képen⁴².
• PAVIR Vizsgálat: Ugyanezen a napon végezték el az PAVIR (2.11-es verzió, Moti Physio, MG Solutions, Szöul, Korea) méréseket is minden betegnél egy 3D RGB-D kamera (Astra Pro, Orbbec 3D Technology International, Inc., Troy, MI, USA) mint érzékelő segítségével⁴³. Az egyéneket álló helyzetben, keresztbe tett karokkal és előre néző fejjel értékelték⁴⁴. Ezt a testhelyzetet, amelyet általában nem ajánlanak a PAVIR-hoz, az EOS képalkotó mérésekkel való összehasonlítás megkönnyítése érdekében fogadták el⁴⁵. A betegek viszonylag szűk ruhában, mellkasi és derékszalaggal voltak teljesen felöltözve, hogy a sziluett látható legyen⁴⁶. Jelölőket helyeztek manuálisan a jobb és bal elülső felső csípőtövis (anterior superior ischial spine) és a köldök szintjére, rendre⁴⁷. Anatómiai tájékozódási pontokat jelöltek meg a virtuális vázmodellen, és az értékeket egy fizikai orvoslási és rehabilitációs szakorvos mérte, egy második szakorvos szoros ellenőrzése mellett⁴⁸.

2.2.2. PAVIR

A PAVIR hardverrendszere egy kijelzőből, bemeneti, működtető és pozicionáló egységből áll⁴⁹.

• Kijelző egység: Vizuális visszajelzést nyújt a helyes protokoll pozicionálásról és a végső becslési eredményről szóló információkat⁵⁰.
• Bemeneti egység: A 3D RGB-D kamera kapja a mélységet és a mérendő pontokat (acromialis vég, elülső felső csípőtövis, comb közepe, térd és boka elölnézetben; külső hallójárat, váll nagy gumójának laterális oldala, medence és térd közepe, laterális boka a laterális nézetben, acromion hátulnézetben) bemeneti adatként 30 000 visszavert sugárral⁵¹.
• Működtető egység: Feldolgozza a bemeneti adatokat, hogy kiszámítsa a grafikus adatok képforrását, és megjeleníti a kijelző egységen⁵².
• Pozicionáló egység: Lézeres jelzőből, a padlón elhelyezett világításból, amely meghatározott távolságra van a 3D RGB-D kamerától, és egy padlószőnyegből állt, amelyen egy meghatározott területen kellett állni⁵³.

A 3D RGB-D kamera elölről, oldalról és hátulról is rögzít képeket⁵⁴. A rendszer a háttér kivonásos extrakciós módszerrel állítja elő az emberi sziluett körvonalát a képek mélységi értékeiből⁵⁵. A Simple Linear Iterative Clustering (SLIC) néven ismert szuperpixel szegmentálásra szolgáló képfeldolgozó algoritmus segítségével a támogatott vektor géppel (Support Vector Machine) azonosítják az alany testrészeit, mint a fej, nyak, törzs, karok és lábak⁵⁶. Ezt a folyamatot 2-3 másodpercenként kiszámítják a képkockákra, és az egyes ízületekre becsült szöget használják fel a végső eredmény értékeként az átlagos ízületi pozíció alapján, és alkalmazzák a 3D virtuális vázmodellre⁵⁷. Az eredményeket, vagyis a testtartást közvetetten jelenítették meg a képernyőn, mint automatikusan feldolgozott virtuális vázmodellt, koronális és szagittális képekkel, az emberi testtartás becslési algoritmusának ismételt betanítása révén (1. ábra)⁵⁸.

2.2.3. Kimeneti Intézkedések

Az elsődleges kimenetek az EOS képalkotó rendszerrel és a PAVIR-ral nyert emberi testtartás következő szagittális paraméterei voltak:

1. FHP (Előrehelyezett fejtartás) három különböző módszerrel: (a hallójárat közepétől a C7 közepéig, a T4 szintjén lévő háttól a homlokig, és a T4 szintjén lévő háttól a hallójárat közepéig)⁵⁹.
2. T1t (T1 dőlésszög) a combcsontfej közepén áthaladó függőleges tengely által alkotott szög⁶⁰.
3. KF (Térdhajlítási szög) a csípőízület közepét a térd közepével összekötő tengely és a térd közepét a boka közepével összekötő tengely által alkotott szög⁶¹.
4. LL (Lumbális lordózis szög) az L1 első lemezétől kiinduló vonal és az L5 alsó lemezétől kiinduló vonal által alkotott szög⁶².
5. PT (Medencedőlési szög) a combcsontfej közepén áthaladó függőleges tengely és a keresztcsonti lemez középpontja által alkotott szög⁶³.

Ezeket elemezték az EOS képalkotás és a PAVIR eredményeinek korrelációjának validálására⁶⁴.

2.3. Adatelemzés

A leíró adatokat medián (interkvartilis tartomány [IQR]) vagy szám (százalék, %) formájában mutatták be⁶⁵. A folytonos változók normalitási tesztjét a Shapiro-Wilk normalitási teszt segítségével végezték el⁶⁶. A pontosságot az abszolút átlagkülönbségek Wilcoxon előjeles rangpróbájával és a PAVIR és az EOS képalkotó rendszer eredményei közötti p-értékekkel értékelték⁶⁷. A két eszköz mérései közötti asszociációkat a Spearman rangkorrelációs együtthatóval határozták meg, amelyet a következők szerint értelmeztek: nincs (0,0), gyenge (0,01-0,29), elfogadható (0,30-0,59), mérsékelt (0,60-0,79), nagyon erős (0,80-0,99), és tökéletes (1,0)⁶⁸. A szignifikancia szintjét p<0,05-ben állapították meg minden statisztikai teszt esetében⁶⁹. Minden elemzést R Studio szoftverrel végeztek⁷⁰.

3. Eredmények

3.1. Résztvevők

Hetven beteget vontak be a vizsgálatba. Harminc férfi és negyven nő volt, medián életkoruk 55 év (tartomány: 23-82 év), medián magasságuk 165 cm (tartomány: 147-185 cm), medián súlyuk 65 kg (tartomány: 43-100 kg), és medián testtömegindexük 23,62kg/m (tartomány: 16,38-31,25) volt⁷¹.

3.2. Leíró Kimeneti Értékek

A szagittális paraméterek EOS képalkotó rendszerrel és PAVIR-ral mért leíró értékeit a 3. táblázat mutatja (lásd a forrás dokumentumban). A negatív értékek a poszterioran döntött állapotot jelentik⁷². Az FHP (C7-hallójárat, T4-homlok és T4-hallójárat) EOS képalkotó rendszerrel mért eredményei hasonló medián értékeket és IQR-t mutattak a PAVIR által becsült eredményekhez⁷³. A T1t medián értékei az EOS képalkotó rendszerrel 4,75 (2,83-6,48), PAVIR-ral pedig 2,95 (2,01-4,60) voltak⁷⁴. A KF medián értékei 2,50 (1,23-5,28) és 3,90 (2,02-5,38) voltak az EOS képalkotó rendszer és a PAVIR esetében, az LL esetében 34,00 (29,00-42,00) és 34,55 (31,10-38,65), a PT esetében pedig 12,55 (6,53-17,93) és 9,35 (6,05-10,48), rendre.

3.3. A PAVIR Mérésének Validitása

Amint a 4. táblázatban összefoglaltuk (lásd a forrás dokumentumban), a két eszköz mérései közötti medián különbségek szignifikáns eltéréseket mutattak az FHP (T4-homlok és T4-hallójárat), a T1t, és a PT tekintetében⁷⁶. Nem volt szignifikáns különbség a többi paraméternél⁷⁷.

A korrelációs elemzésben a PAVIR által becsült FHP mindhárom módszerének (C7-hallójárat, T4-homlok és T4-hallójárat), a T1t, és a PT értékei mérsékelt korrelációt mutattak, a Spearman korrelációs együtthatókkal r=0,741, 0,795, 0,761, 0,621, és 0,692 rendre (p<0,001)⁷⁸. A PAVIR-ral becsült KF és LL elfogadhatóan korrelált az EOS képalkotó rendszerrel becsült értékekkel, statisztikai szignifikanciával (r=0,514 és 0,536, p=0,004)⁷⁹.

4. Megbeszélés

A tanulmány célja az volt, hogy értékelje a PAVIR nevű új fejlesztésű testtartásvizsgáló és virtuális rekonstrukciós eszköz validitását a szagittális gerincparaméterek felmérésére szegmentális és szomatikus diszfunkcióval rendelkező betegeknél⁸⁰. Az FHP-t három különböző módszerrel, a T1t, KF, LL és PT paramétereket hasonlították össze a PAVIR-ral és az EOS képalkotó rendszerrel mért értékekkel⁸¹. Eredményeink azt mutatják, hogy a PAVIR elfogadható és mérsékelt korrelációval tudja felmérni a betegek szagittális gerincparamétereit az EOS képalkotó rendszerrel összehasonlítva, és potenciálisan diagnosztikai eszközzé válhat, a pontosság növelésének szükségességével⁸².

A szagittális gerinc eltolódásának súlyossága kulcsfontosságú tényező a mozgásszervi fájdalomban⁸³. A hagyományos, nem radiográfiai módszerek, beleértve az inspekción és palpáción alapuló fizikai vizsgálatot a tartás aszimmetriájának felmérésére, nagyon szubjektívnek bizonyultak, és számos korláttal rendelkeztek⁸⁴. Ezért erőfeszítéseket tettek olyan eszközök fejlesztésére, amelyek pontos és rendszeres tartásbeli összehangolási visszajelzést tudnak adni⁸⁵. Az EOS képalkotó rendszer az egyik legobjektívebb és legpontosabb módszer a tartás diagnosztizálására az eddig megjelent eszközök közül⁸⁶. Azonban pontossága ellenére számos korlátozás létezik a rendszeres használatát illetően⁸⁷.

E tekintetben a PAVIR számos előnnyel rendelkezik az EOS képalkotó rendszerrel szemben: (1) nincs további sugárzás kockázata, még ismételt vizsgálat esetén sem, (2) viszonylag alacsony költség, (3) nem bonyolult a telepítés, (4) kevesebb térkorlát, és (5) könnyű rendszerkarbantartás⁸⁸. Ezenkívül, míg az EOS képalkotó rendszerhez szükséges a telepítési helyszínre történő fekvőbeteg látogatás és legalább egy orvos vagy képalkotó technikus a pontos tartáshoz és mérésekhez, a PAVIR a jövőbeni fejlesztés irányát képviseli abban, hogy egy 3D RGB-D kamerával egyenértékű felszereléssel (pl. mobiltelefon vagy kamerával ellátott számítógép) valósítható meg⁸⁹. Így telepítési korlátok nélkül vagy automatizált rendszerekkel a jövőben otthoni digitális gondozási rendszerek eszközeként is használható⁹⁰. Ezen előnyök miatt a 3D mélységi kamerát használó módszerek az emberi testtartás és a vázrendszeri egyensúlyhiány értékelésére alkalmas eszközként új technológiává válhatnak, amely felválthatja a meglévő gerinc deformitás értékelő eszközöket⁹¹.

Bár a két eszköz közötti korreláció némileg jó volt, szignifikáns különbség volt egyes paramétereknél, ami arra utal, hogy van még tér a javulásra⁹².

• Először is, fontos minimalizálni a páciens vizsgálati ruházata által okozott hibákat⁹³. Megpróbáltuk csökkenteni a hibát mellkasi és derékszalagok viselésével, valamint három jelölő felhelyezésével ⁹⁴; azonban a ruházat viselésének feltétele torzulást okozhat a felületi mérésekben és a topográfiai adatokban⁹⁵. Különösen, ha a betegek fekete ruhát viselnek, a topográfiai adatok pontatlanok és megkülönböztethetetlenek a háttértől⁹⁶. Az érvényesség tisztázása érdekében további vizsgálat szükséges lehet különböző ruházat viselésével vagy ruhátlan betegeken végzett elemzésekkel⁹⁷.
• Másodszor, csökkenteni kellett a vizsgálati pozíció hatását⁹⁸. A PAVIR a csontváz tájékozódási pontjait úgy becsüli meg, hogy a páciensek természetes mozgást végeznek⁹⁹. A páciens oldalát mindkét karral leeresztve vagy a mellkas vagy has előtt összekulcsolva, az elülső és hátsó részét pedig természetes álló helyzetben, mindkét karral leeresztve méri¹⁰⁰. Az EOS képalkotó rendszer vizsgálati testtartása azonban nem felel meg pontosan a PAVIR testtartásának¹⁰¹. Ebben a tanulmányban csak azokat a pácienseket vették be, akik a mellkas előtt összekulcsolt testtartást vették fel, hogy csökkentsék az ebből eredő hibát ¹⁰²; a szerzők azonban úgy vélték, hogy ez a hatás szignifikáns különbséget okozott a vizsgálati értékekben¹⁰³.
• Végül, az EOS képalkotó rendszer megjeleníti a teljes gerinc valós görbületeit, ezért használják a gerincsebészek a gerinc korrekciós műtétekhez, míg a PAVIR nem¹⁰⁴. Ez most korlátozza a PAVIR alkalmazási körét a gyógytornászok és a háziorvosok számára¹⁰⁵.

A jövőben azonban a PAVIR növelheti a pontosságát a gépi tanulási technológián alapuló nagyszámú adatállomány révén, még akkor is, ha a páciensek ruhát viselnek vagy eltérő testtartásban vannak¹⁰⁶. Mivel lehetséges elemezni a nyak, a váll, a medence és a térd helyzetét az egész test formájából adódó emberi testtartás becslésével, a PAVIR jövőbeni diagnosztikai eszközként való értékének növelésére korlátlan a potenciál¹⁰⁷.

A PAVIR objektív adatokat tud gyűjteni az emberi testtartásról, a képet sugárzás nélkül, kívülről nézve elemezve egy 3D RGB-D kamera segítségével¹⁰⁸. Ebben a tanulmányban a PAVIR-ral mért értékeket összehasonlították a szegmentális és szomatikus diszfunkcióval rendelkező betegeken végzett EOS képalkotó rendszerrel kapott szagittális paraméterekkel¹⁰⁹. A PAVIR eredményei közül az FHP-t, T1t-t, KF-t, LL-t és PT-t jelző értékek statisztikailag szignifikáns, mérsékelt és elfogadható korrelációt mutattak, ami a validitást jelzi az EOS képalkotással összehasonlítva¹¹⁰. Jelenleg a PAVIR legújabb frissítése a 2.13-as verzió¹¹¹. A jövőbeli kutatásoknak a frissítés javaslata és ellenőrzése felé kell haladniuk, és ellenőrizni kell, hogy az általunk talált korreláció ennek megfelelően növekszik-e¹¹².

5. Következtetések

Ez a tanulmány bemutatja egy új, 3D RGB-D kamerán alapuló, sugárzási kockázat nélküli vázrendszeri képalkotó rendszer potenciálját mint jövő generációs diagnosztikai eszköz, amely mesterséges intelligencia technológiával történő folyamatos, multi-adatalapú fejlesztések révén pontosabb paramétereket becsül¹¹³. A PAVIR elfogadható validitást biztosít az EOS képalkotó rendszerhez képest a szagittális emberi testtartás értékelésében, és hasznos lehet az EOS képalkotás alternatívájaként a szagittális egyensúlyhiány felmérésére¹¹⁴.

Melléklet: Szagittális Paraméterek Leírása

Paraméter	Paraméter Teljes Neve	Leírás
FHP (C7-CAC)	Előrehelyezett fejtartás (C7-hallójárat közepe)	A 7. nyakcsigolya (C7) középpontja és a hallójárat középpontja között alkotott szög 115
FHP (T4-FH)	Előrehelyezett fejtartás (T4-homlok)	A 4. háti csigolya (T4) szintjén lévő háti rész és a homlok között alkotott szög 116
FHP (T4-CAC)	Előrehelyezett fejtartás (T4-hallójárat közepe)	A 4. háti csigolya (T4) szintjén lévő háti rész és a hallójárat középpontja között alkotott szög 117
T1t	T1 dőlésszög	Az 1. háti csigolya (T1) közepe és a combcsontfej közepén áthaladó függőleges tengely között alkotott szög 118
KF	Térdhajlítási szög	A csípőízület közepét a térd közepével összekötő tengely és a térd közepét a boka közepével összekötő tengely által alkotott szög 119
LL	Lumbális lordózis szög	Az 1. ágyéki csigolya (L1) felső lemezétől és az 5. ágyéki csigolya (L5) alsó lemezétől kiinduló vonal által alkotott szög 120
PT	Medencedőlési szög	A combcsontfej közepén áthaladó függőleges tengely és a keresztcsonti lemez középpontja által alkotott szög 121