Desarrollo y validación de sistema CAD para la cuantificación de parámetros en el estudio de imágenes médicas de la columna vertebral

Abstract

Las desalineaciones del raquis constituyen un grupo de patologías que pueden conllevar limitaciones en la calidad de vida de las personas que las padecen. De todas ellas, la escoliosis idiopática del adolescente (AIS) destaca por los problemas médicos que puede ocasionar en los casos graves. La exploración complementaria de referencia para el diagnóstico de la AIS, sigue siendo la radiografía frontal de la columna vertebral completa en bipedestación. Para evaluar, diagnosticar, monitorear y decidir el tratamiento de la AIS de forma correcta, es necesario medir sobre la radiografía distintas variables, de las cuales son básicas e imprescindibles la rotación axial vertebral (AVR) y el ángulo de Cobb. Los métodos de medida manual utilizados tradicionalmente para cuantificar estas variables, introducen en las medidas errores que pueden conllevar, en ocasiones, a una errónea decisión respecto a su tratamiento. Los avances tecnológicos en el campo de la informática y de las imágenes radiográficas digitales, han permitido el desarrollo de programas informáticos CAD con los que pueden realizarse medidas sobre las radiografías de forma más exacta, precisa y sencilla. Aunque actualmente existen sistemas CAD comerciales que permiten medir parámetros de interés clínico en radiografías de desalineaciones del raquis, éstos tienen limitaciones importantes como: la falta de especificidad o de herramientas adecuadas en algunos casos; suelen requerir mucho tiempo de aprendizaje por su dificultad de manejo; pueden no funcionar en ordenadores particulares; no permiten cambiar funcionalidades en ellos, haciendo imposible implementar nuevas herramientas según las necesidades del clínico o el investigador; y el precio puede ser muy elevado. El objetivo genérico de la presente tesis doctoral ha sido desarrollar, validar y aplicar a la investigación, un software CADq (Cuantificación Asistida por Computador) para la medición de variables implicadas en las desalineaciones del raquis, que pretende salvar las limitaciones comentadas, siendo sencillo de manejar, más exacto y preciso que los métodos de medición tradicionales y servir como herramienta de investigación. Dada la amplitud del tema, se optó por limitar los trabajos de la tesis a la medición del ángulo de Cobb y de la rotación vertebral en casos de escoliosis idiopática. El software CADq desarrollado ha sido registrado con el nombre TraumaMeter, mediante lenguaje C++ y bibliotecas de visión artificial OpenCV, e incorpora herramientas de medida de diversas variables, entre ellas la AVR y el ángulo de Cobb. Se ha calculado de manera teórica, una ecuación matemática lineal adimensional que permite implementar la capacidad, en cualquier sistema CAD, de medir la AVR con importantes ventajas respecto al método manual de Raimondi. Se ha evaluado la calidad de las medidas de la AVR obtenidas al implementar en el software TraumaMeter la ecuación matemática desarrollada. Igualmente se ha evaluado el método de medida manual y se han comparado ambos métodos. Se concluye que la ecuación desarrollada e implementada en TraumaMeter obtiene medidas 1.72 veces más válidas y 1.9 veces más fiables que de forma manual y la concordancia entre los dos métodos de medida de la AVR (software y manual) es casi perfecta (ICC(2,1)=0.975). También ha sido evaluada la validez y precisión de las medidas del ángulo de Cobb al usar TraumaMeter, el cual mejora las medidas eliminando algunas fuentes de error intrínseco del método de Cobb, y reduciendo otras como la selección poco precisa de los puntos de referencia de las vértebras terminales. Igualmente se ha evaluado el método de medida manual y se han comparado ambos métodos. Los resultados muestran que TraumaMeter genera medidas más exactas y precisas que el método de medición manual y existe un acuerdo casi perfecto entre los dos métodos investigados para medir el ángulo de Cobb, el manual o tradicional (gold estándar) y con TraumaMeter (ICC(2,1)>0.99). Otra de las ventajas de la medición con TraumaMeter es que los observadores inexpertos pueden medir el ángulo de Cobb con alta validez y fiabilidad desde el primer uso del software y que diferencias entre medidas manuales pequeñas (del orden de 0.5º) son representativas de un cambio real. Se ha utilizado la alta exactitud y precisión del software TraumaMeter al medir la rotación vertebral, para estudiar si existen discrepancias estadísticamente significativas en el error de las medidas de la AVR según el tipo de vértebra en imágenes radiográficas. Se concluyó que el error en las medidas de AVR de las vértebras torácicas es significativamente mayor que el error en las medidas de AVR de las vértebras lumbares (1.38º respecto a 0.38º) y que la fiabilidad de las medidas de las vértebras torácicas y lumbares es prácticamente igual (1.88º respecto a 1.83º).

The misalignments of the spine can lead to limitations in the quality of life, especially idiopathic scoliosis in the adolescence (AIS) because of the secondary conditions that can cause in severe cases. The full spine frontal plane X-ray in standing position is the gold-standard imaging test for the diagnosis of AIS. Specific measurements on the X-ray are required, including axial vertebral rotation (AVR) and Cobb angle in order to correctly assess, diagnose, follow-up and treat AIS. Methods traditionally used to quantify these variables by hand introduce have bias in decision-making regarding treatment options. Technology development in computing and digital X-ray includes CAD software that allow simpler and more preside measuring on radiographs these images. Although there are currently commercial CAD systems that measure these clinically relevant variables in the X-rays of spine misalignment, they important limitations: lack of specificity; lack of adequate tools; long training or operating times may be required; may be not compatible with personal home computers; they do not allow functionality changes functionalities, such as implementing new customized tools for each clinician or researcher´s needs; high costs. The overall goal of this PhD thesis was to develop and validate a Computer Aided Quantification software (CADq) for use in research. This software quantified the required variables of the assessment of spine misalignments, and overcame the limitations described above. Its features are to be easier to use, and more precise and accurate than the traditional measurements by hand, as well as being applicable as research tool. Because the topic was very broad, it was decided to limit the work of the thesis to the measurement of the Cobb angle and vertebral rotation in idiopathic scoliosis. The CADq software developed has been registered under the name TraumaMeter, using C++ language and OpenCV machine vision libraries, which incorporates measurement tools for various variables, including AVR and Cobb angle. A dimensionless linear mathematical theoretic equation has been calculated that allows implementing the ability to measure AVR in any CAD system, with significant improvements over the non-instrumental Raimondi method. The quality of the AVR measurements obtained by implementing the developed mathematical equation in the TraumaMeter software was evaluated. Likewise, the non-instrumental measurement method was evaluated and compared to our calculations. Our implemented equation in TraumaMeter software obtained measurements 1.9 times more reliable and 1.72 times more valid than the non-instrumental method. The agreement between the two AVR measurement methods (software and non-instrumental) is almost maximum (ICC(2,1)=0.975). The validity and accuracy of Cobb angle measurements using TraumaMeter has also been assessed, which improves measurements by removing some sources of error intrinsic to the Cobb method, and reducing others such as imprecise selection of reference points of the terminal vertebrae. Likewise, the measures by hand were evaluated and compared to our software quantifications. The results showed that TraumaMeter generates more accurate and precise quantification than the measurement by hand. Besides, traditional method of measures (gold standard) and TraumaMeter method were almost equivalent, showing almost absolute agreement (ICC(2,1)>0.99). It has also been observed that non-experienced examiners can measure the Cobb angle with high validity and reliability using our software from the first time. In quantifications by hand, small differences in measures (around 0.5º) could represent real changes. Due to the high accuracy and precision of the TraumaMeter software when measuring vertebral rotation, it was also used to study whether there are statistically significant differences in the error of AVR measurements in X-rays, according to the type of vertebra. It was concluded that the error in the AVR measurements of the thoracic vertebrae is significantly greater than the error in the AVR measurements of the lumbar vertebrae (1.38º with respect to 0.38º). The reliability of the measurements of the thoracic and lumbar vertebrae was almost the same (1.88º compared to 1.83º).