Дисплазия рентген: Дисплазия тазобедренных суставов у детей: симптомы и лечение

Дисплазия тазобедренных суставов у детей

В НМИЦ детской травматологии и ортопедии им. Г. И. Турнера разрабатывают и применяют современные методики лечения патологий тазобедренных суставов у детей. Специалисты занимаются самыми нестандартными и серьезными случаями, лечат детей не только со всех регионов страны, но и из зарубежных стран.

Хирургическое лечение проводится по федеральным квотам в рамках оказания специализированной и высокотехнологичной медицинской помощи, что является бесплатно для пациентов до 18 лет из любых регионов России.

Сотрудники единственного специализированного отделения патологии тазобедренного сустава НМИЦ ДТО им. Г.И. Турнера успешно применяют современные методики консервативного и хирургического лечения детей с дисплазией тазобедренных суставов различной степени тяжести.

• По данным международных исследований и статистике нашего Центра данной врожденной патологией страдает 5-10 детей на 1000 новорожденных.
• Заболевание поражает девочек примерно в 7 раз чаще, чем мальчиков. Одностороннее поражение встречается 1,5-2 раза чаще двустороннего.
• Данная патология является причиной каждого третьего случая коксартроза у взрослых людей.

Что такое дисплазия тазобедренного сустава?

Дисплазия тазобедренных суставов – тяжелая патология, характеризующаяся недоразвитием всех элементов тазобедренного сустава (костей, связок, капсулы сустава, мышц, сосудов, нервов).

Современное название этой патологии — Developmental dysplasia of the hip, т.е.  дисплазия развития тазобедренного сустава, которая возникает в процессе пре- и постнатального онтогенеза и может включать в себя неонатальную нестабильность, изолированное недоразвитие вертлужной впадины, подвывих и вывих бедра – самую тяжелую степень дисплазии тазобедренных суставов, которая характеризуется полным разобщением контакта суставных поверхностей головки бедренной кости и вертлужной впадины.

Классификация и оценка состояния тазобедренного сустава

Состояние тазобедренных суставов оценивается на основании данных ультразвукового и рентгенологического исследования. УЗИ скрининг проводится по методике R.Graf (1984)

Основные преимущества УЗИ-скрининга:

1. Максимально ранняя диагностика патологии тазобедренного сустава (“золотой стандарт” проведения – в родильном доме)
2. Сокращение сроков консервативного лечения!!!
3. Значительное снижение вероятности проведения хирургических вмешательств!
4. Отсутствие лучевой нагрузки

Существует несколько типов строения тазобедренного сустава, согласно критериям оценки R.Graf:

1а тип – зрелый тазобедренный сустав

1б тип – транзитроный – как правило, характерен для недоношенных детей и не требует ортопедического лечения

2а тип – незрелый тазобедренный сустав. У детей до 3х месяцев жизни подобный тип расценивается как функциональная незрелость и не требует ортопедического лечения, у детей старше 3х месяцев подобные изменения считаются патологической незрелостью и требуют лечения, а сам тип является 2б

2в – предподвывих бедра

3 – подвывих бедра

4 – вывих  бедра

У детей старше 3х месяцев в дополнение к УЗИ-исследованию выполняется рентгенографическое исследование. До этого возраста лучевые методы исследования не являются информативными, поскольку отсутствует должная оссификация костных структур тазобедренного сустава и проведение их адекватной оценки крайне затруднено.

На сегодняшний день в мировой практике степень дисплазии тазобедренных суставов определяют по данным лучевого исследования согласно классификации, разработанной Международным институтом дисплазии тазобедренных суставов (International Hip Dysplasia Institute), которая основывается на соотношениях между головкой бедренной кости и вертлужной впадиной.

1. Первая степень – тазобедренный сустав без патологии
2. Вторая степень (подвывих бедра) — головка бедренной кости смещена краниально, но находится ниже верхне-латерального края истинной вертлужной впадины
3. Третья степень (маргинальный вывих бедра) —  головка бедренной кости смещена краниально и находится на уровне верхне-латерального края истинной вертлужной впадины
4. Четвертая степень (надацетабулярный вывих бедра) — головка бедренной кости располагается выше верхне-латерального края истинной вертлужной впадины

Основные факторы риска возникновения:

• Наследственность по врожденной патологии тазобедренного сустава
• Ягодичное предлежание
• Женский пол
• Первые роды
• Крупный плод (более 4 кг)
• Вирусная или бактериальная инфекция в период с 10 по 15 неделю беременности
• Хронические  заболевания органов малого таза

Признаки и симптомы дисплазии тазобедренных суставов

Симптоматика тяжелых степеней дисплазии (подвывих и вывих) ярко выражена у малышей. Для исключения диагноза ребенок должен быть осмотрен детским ортопедом в целях профилактики. “Золотой” стандарт установления диагноза – родильный дом! На первом году жизни осмотр ортопедом проводится в 1, 3, 6 и 12 месяцев.

Основные специфические клинические признаки у ребенка 1-2 месяца жизни

• тест Barlow и тест Ortolani

Дополнительные (малоспецифические) клинические признаки

• Асимметричное расположение кожных складок на бедрах
• Асимметричное расположение ягодичных складок
• Избыточная ротация бедра
• Наружная ротация стоп
• Косое расположение половой щели у девочек.
• Укорочение нижней конечности
• Пальпация головки бедренной кости за задним краем впадины
• Ограничение отведения ног, согнутых под прямым углом в тазобедренных и коленных суставах

Диагностика

Виссарионов Сергей Валентинович

Виссарионов Сергей Валентинович (Директор НМИЦ детской травматологии и ортопедии им. Г.И. Турнера Минздрава России, доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН, лауреат премии Правительства РФ)

Мы много внимания уделяем сейчас разработке инновационной системы ранней диагностики дисплазии тазобедренного сустава у младенцев и раннего функционального консервативного лечения. В нашем учреждении разработана функциональная шина для лечения детей с этим патологическим состоянием, которая изготавливается и уже используется в комплексном лечении детей с дисплазией тазобедренного сустава.

Лечением патологий и дисплазии тазобедренных суставов у новорожденных, детей и подростков занимается Клиника патологии тазобедренного сустава нашего центра.

 

Предварительный диагноз часто выставляют в период пребывания в роддоме. В такой ситуации важно в ближайшие три недели посетить детского ортопеда. Необходимые диагностические процедуры — рентгенография и ультрасонография.

Малышам до 2-3 месяцев рентгенограмма не актуальна, поскольку большая часть сустава образована хрящами, не отображающимися на снимке.

Новорожденным следует провести ультразвуковую диагностику, которая отличается повышенной безопасностью и информативностью.

Асимметричность паховой, подколенной и ягодичной кожной складки легче заметить у малышей после двух-трех месячного возраста. Стоит провести тщательный осмотр. Врач обращает внимание на различие в уровне расположения, формы и глубины складок. Двусторонняя дисплазия тяжелой степени не подразумевает асимметричность складок.

В случаях наличия у новорожденного сочетания факторов риска без наличия клинической симптоматики на первом полугодии жизни проводится повторное 2-х кратное обследование (УЗИ, рентгенография ТБС).

Дисплазия тазобедренного сустава ortoped-klinik.com

• Что такое дисплазия тазобедренного сустава?
• Симптомы дисплазии тазобедренного сустава
• Причины дисплазии тазобедренного сустава у взрослых и детей
• Диагностика: как проходит обследование в Геленк Клинике?
• Лечение дисплазии тазобедренного сустава
• Как долго можно находиться на больничном после операции?

Рентген показывает слева вывих бедра с уменьшенным ядром окостенения у полуторагодовалого ребёнка.

Справа показан здоровый сустав. © Gelenk-Klinik

Дисплазия тазобедренного сустава— это не только деформация бедра, но и нарушения оссификации в детском возрасте. Таким образом данное заболевание относится к наиболее часто встречающимся патологиям костной системы новорожденных.

Сначала заболевание проходит безболезненно. Однако со временем боль усиливается, что может иметь серьёзные последствия: боль в паху, преждевременный износ (коксартроз), вывих головки бедра из суставной впадины. Запущенная стадия болезни может привести к ограниченной подвижности нижних конечностей.

медицинский запрос

При ходьбе, беге и прямой походке бедро подвергается большим нагрузкам. Костными фрагментами, покрытыми хрящевой поверхностью (синий), являются вертлужная впадина (Acetabulum) и головка бедренной кости (Caput femoris). Все движения в происходят поэтому без боли. Общая суставная капсула окружает эти элементы бедра и способствует его стабилизации.

© Gelenk-Klinik

Что такое дисплазия тазобедренного сустава?

При дисплазии тазобедренного сустава наблюдаются повреждения суставной впадины (Acetabulum). Данный фрагмент бедра недостаточно покрывает сферическую головку бедренной кости, а бедренная кость в свою очередь непрочно закрепляется и не центрируется в суставе. При чрезмерных нагрузках существует вероятность вывиха.

В 60% случаев дисплазия появляется на левом бедре, а в 20% случаев данному заболеванию подвержен правый сустав. Согласно научным исследованиям, младенцы женского пола страдают данной патологией от 2 до 6 раз чаще, чем мальчики.

Симптомы дисплазии тазобедренного сустава

Симптомы дисплазии тазобедренного сустава у взрослых:

• боли в околопаховой области, зависящие от степени нагрузок
• боковая боль в бедре
• боли в ноге во время ходьбы и прямого положения тела
• нарушения походки (хромота, «шарканье»)
• боль в колене, в спине или в голеностопном суставе

Как дисплазия тазобедренного сустава может вызвать артроз?

Невовремя начатое лечение уже является причиной болей в паху и области бедра у подростков. Причиной этого является статическая перегрузка нестабильного, травмированного бедра всей массой тела. По этой же причине повреждается край вертлужной впадины и хрящевой слой.

В тяжёлых случаях пациенту требуется эндопротезирование уже в 40 лет.

Слева: Рентген здорового бедра у взрослого. Стрелой отмечена суставная щель между крышей вертлужной впадины (Acetabulum) и головкой бедренной кости (Caput femoris). Справа: Рентген тазобедренного сустава, изменённого вследствие артроза, неравномерные высветления указывают на дегенеративные изменения. © Gelenk-Klinik

Долгие годы тазобедренный сустав компенсирует искривление так, что боль почти не чувствуется. Подвижность пострадавших может быть несколько ограничена, а завязывать шнурки с каждым годом становится все труднее. Несмотря на это может появиться и неспецифическая боль в лодыже или в колене, которая не имеет конкретной причины и часто не может быть вызвана чрезмерным давлением.

Слева: неправильное положение тазовых костей и следующее из этого сколиотическое положение позвоночника. Причиной может быть дисплазия. © Koterka Studio, Adobe Stock

Для специалистов Геленк Клиники дифференциальная диагностика различных сопутствующих заболеваний детской дисплазии является не простой задачей. Возможно, разная длина ног стала причиной неправильного положения тазовых костей, что негативно сказалось на статике всего тела.

Для того чтобы выровнять данную асимметрию, позвоночник принимает сколиотическое положение, что в свою очередь может привести к боли в спине, головным болям, а также неприятным ощущениям в области шеи и нижних конечностях. Кроме того, могут появиться болезненные ощущения в пятках и голеностопе.

Эндопротезирование при прогрессирующем артрозе

При поверхностном эндопротезировании McMinn эндопротез покрывает головку бедра, поражённую артрозом. Протез для замены поверхности сустава является более костесохраняющим и щадящим, чем тотальный эндопротез. © digitale-fotografien, Adobe Stock

На прогрессирующей стадии износа, спровоцированной артрозом и вслучае безуспешности консервативного лечения ортопеды Геленк Клиники в Германии обсуждают с пациентом необходимость эндопротезирования.

В зависимости от степени артроза пациенту предлагают частичное эндопротезирование, либо рассматривают вариант тотального эндопротезирования. Если вертлужная впадина не повреждена, но травмирована головка бедренной кости врачи прибегают к поверхностной замене. Вслучае деформации двух элементов имеет смысл операция по тотальному эндопротезированию.

медицинский запрос

Причины дисплазии тазобедренного сустава у взрослых и детей

На развитие дисплазии влияют генетические, механические и гормональные факторы. Также заболевание могут спровоцировать воздействия окружающей среды. Таким образом дисплазия бедра является мультифакториальным заболеванием.

Факторы риска врожденной дисплазии:

• нехватка места в матке
• ягодичное предлежание плода
• женский пол
• генетическая предрасположенность
• дополнительные неврологические либо мышечные заболевания, нарушения обмена веществ, хромосомные аномалии

У взрослых вывих бедра как тяжёлая форма дисплазии может быть вызван падением с большой высоты либо столкновением с движущимся впереди автомобилем. Из-за высокой энергии удара, может произойти частичный или полный вывих тазобедренного сустава.

Диагностика: как проходит обследование в Геленк Клинике?

Кроме УЗИ тазобедренного сустав по Графу, которое проводится для диагностики дисплазии у детей, в Геленк Клинике проводится ряд визуализационных обследований для взрослых и подростков.

Для подтверждения диагноза взрослых пациентов направляют на рентген таза. Для оценки результатов врачу необходимо ответить на следующие вопросы:

• Перекрывает ли вертлужная впадина головку бедра в нужном объёме?
• Каково положение головки бедренной кости?

На основании полученных ответов специалист выбирает хирургический метод лечения бедра.

Лечение дисплазии тазобедренного сустава

Боль в тазобедренном суставе у взрослых может возникнуть по разным причинам:

• деформация шейки бедра
• защемление сустава вследствие импинджмента бедра
• искривлённое положение вертлужной впадины

В лечении этого дефекта врач использует проверенные, коррекционные методики. Деформации вертлужной впадины и шейки бедра вызывают у пациентов сильную боль в паху, если при определённых движениях бедренная кость ударяется о крышу вертлужной впадины. Такую патологию в медицинских кругах называют бедренно-вертлужный импинджмент или синдром бедренно-вертлужного соударения. Цель лечения заключается в предотвращении износа тазобедренного сустава.

На начальной стадии артроза хирурги проводят тройную остеотомию таза по Тённису. При наличии других деформаций бедренной кости проводят комбинированное хирургическое лечение.

Как долго можно находиться на больничном после операции?

После операции физиотерапевты помогают пациенту ориентироваться в повседневной жизни. Они учатся обращаться с подлокотными костылями и подниматься по лестнице. © Gelenk-Klinik

Срок пребывания в Геленк Клиники большинства пациентов составляет от 10 до 12 дней.

Во время стационарного лечения физиотерапевты показывают какие упражнения для укрепления мышц разрешается выполнять уже на 2 день после операции. Через несколько дней упражнения с костылями и поднятие по лестнице подготавливает пациента к выписке.

В течение 6-ти недель после вмешательства не разрешается сгибать бедро более чем на 60 градусов. Таким образом в этот период запрещается сидеть. Начиная с 7 недели пациент может сгибать бедро на 90 градусов. Во время всех 12-ти недель после операции запрещены также какие-либо нагрузки на бедро. Лишь спустя 3-4 месяца можно возобновить офисную работу либо сидеть за компьютером.

Специалистом по лечению дисплазии тазобедренного сустава в Геленк Клинике является опытный хирург д-р Мартин Ринио. Доктор Ринио и весь коллектив Геленк Клиники ответят на все интересующие Вас вопросы и обеспечат Вам высококлассное лечение в Германии.

медицинский запрос

Полуавтоматическая диагностика дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам

1. Введение

Тазобедренный сустав является одним из самых крупных суставов в организме человека. Его нормальная структура поддерживает повседневную деятельность людей. Дисплазия тазобедренного сустава, которая считается наследственной (Harsanyi et al., 2020), является основной причиной остеоартрита тазобедренного сустава (Ganz et al., 2008). Если поверхность вертлужной впадины слишком мала или наклонена в течение длительного времени, головку бедренной кости невозможно полностью закрыть. Следовательно, это приведет к неравномерному давлению, которое в конечном итоге перерастет в необратимый остеоартроз (Yasuda et al., 2020). Ранний скрининг дисплазии тазобедренного сустава у взрослых с последующим надлежащим клиническим ведением может не только сэкономить медицинские ресурсы, но и уберечь пациентов от боли во время операции (Gala et al., 2016).

Хотя трехмерная структура тазобедренного сустава может быть получена из изображений КТ и МРТ, это должно быть сопряжено с относительно высокими затратами на медицинское обследование и высокой радиацией. Поэтому рентгенограмма таза с рентгеновской пленки становится основным методом ранней диагностики дисплазии тазобедренных суставов (Kayaalp et al., 2020; Powell et al., 2020). Постоянно растущее количество рентгеновских снимков неизбежно увеличивает нагрузку на рентгенологов. Для них необходим автоматический метод или инструмент для проведения вспомогательных измерений или даже диагностики.

Что касается автоматического измерения или диагностики дисплазии тазобедренного сустава на рентгеновских снимках, то есть три проблемы. Во-первых, трудно автоматически сегментировать бедро, учитывая неоднородную интенсивность, полученную при наложении изображений вертлужной впадины. Таким образом, большинство существующих методов направлено на сегментацию бедренной кости. Се и др. (2014) извлекли особенности формы для сегментации проксимального отдела бедренной кости. Вэй и др. (2020) улучшили глубокую сверточную генеративно-состязательную сеть (DCGAN) для сегментации бедренной кости. Лю и др. (2020) предложили Pyramid Nonlocal UNet (PN-UNet) для автоматического обнаружения деформированных ориентиров и сегментации соседних участков. Однако границы вертлужной впадины и бедренной кости четко не обозначены. Во-вторых, преобладающий диагноз дисплазии тазобедренного сустава в основном зависит от ручного измерения углов на рентгеновских снимках (Simone and Klaus, 2014). Трудно автоматически откалибровать характерные углы, включая угол между центром и краем (CE), острый угол, угол Тонниса и т. д., которые обычно измеряются в клинической диагностике (Beltran et al. , 2013). В-третьих, обращаются к диагностическому руководству, чтобы проверить, является ли развитие тазобедренного сустава нормальным или нет (Harper et al., 2020; Ömeroglu et al., 2020). Необходимы автоматические и объективные показатели для клинической диагностики дисплазии тазобедренного сустава.

В данной статье мы предлагаем подход к полуавтоматической диагностике дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам. Соответствующая схема обработки показана на рис. 1. Из-за сложности точной сегментации вертлужной впадины контуры тазобедренного сустава, включая вертлужную впадину, головку бедренной кости и верхнюю часть бедренной кости, очерчены вручную. Затем из отмеченного контура автоматически извлекаются характерные углы, включая CE, острый угол и угол Тонниса. После этого точка рассеяния получается в трехмерном пространстве в соответствии с этими углами характеристики. Эта процедура повторяется с использованием 286 образцов, представляющих левый или правый тазобедренные суставы. Наконец, для этих точек рассеяния представлен ранее предложенный метод кластеризации с использованием плотности в порядке убывания, и для диагностики дисплазии тазобедренного сустава создана модель, представляющая нормальное развитие тазобедренного сустава.

Рисунок 1 . Основа полуавтоматического метода диагностики дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам. (A–D) соответствуют четырем этапам схемы. (A) относится к оригинальному рентгеновскому файлу тазобедренного сустава. (B) представляет результаты, отмеченные вручную. (C) соответствует автоматическому измерению угла. (D) показывает соответствующий разброс в трехмерном пространстве с тремя его направлениями, представляющими CE, диез и угол Тонниса.

2. Метод

Предоставляется набор данных, представляющий либо нормальное развитие тазобедренного сустава, либо дисплазию тазобедренного сустава, который содержит 143 рентгеновских снимка, включая 286 образцов из 143 левых и 143 правых тазобедренных суставов. То есть рентгенограмма рассматривается как две части, каждая из которых содержит изображение либо левого тазобедренного сустава, либо правого. На каждом снимке производится ручное очерчивание вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости. На самом деле, мы следуем структуре, представленной на рисунке 1, чтобы создать модель, представляющую нормальное развитие тазобедренного сустава для диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Более подробную информацию можно увидеть в следующих подразделах.

2.1. Автоматическое извлечение CE

В результате ручного очерчивания могут быть получены некоторые характерные точки, которые помогают автоматически формировать характерные углы. Эскизные карты этих характерных углов показаны на рисунке 2. Угол CE обычно считается первым углом для клинической диагностики. Как показано на рисунке 2А, ​​это относится к углу между двумя линиями. Одна линия получена из соединения между центральной точкой головки бедренной кости (т. е. a ₁ или a ₂ ) и наружный верхний край вертлужной впадины (т. е. b ₁ или b ₂ ). Другая линия относится к вертикали линии после соединения двух центральных точек головки правой и левой бедренной кости, две из которых обозначены как a ₁ и a ₂ соответственно.

Рисунок 2 . Эскизные карты характерных углов. (A–D) соответствуют CE, острому углу, углу Тонниса и углу диафиза головки шейки (CCD) соответственно. Учитывая, что CCD измеряет только coxa valga или coxa vara на головке бедренной кости, в следующем исследовании от него отказываются.

Чтобы автоматически получить угол CE, a ₁ , a ₂ , b ₁ и b 2 _{должны быть определены заранее. В соответствии с ручным разграничением наружный верхний край вертлужной впадины, т. е. b 1 и b 2 , может быть явно помечен. Что касается центральной точки головки бедренной кости, то ее считают центром окружности, которая может охватывать головку бедренной кости. Учитывая, что три точки, которые не лежат на одной прямой, могут определять окружность на плоскости, три характерные точки должны быть автоматически помечены. Здесь выбираются самая верхняя и самая удаленная точки на контуре головки бедренной кости, обозначенные цифрой 9.0033 D 1 , D 2 , E 1 и E 2 Показаны на рисунке 3. Принимая точки перевышения головки бедра и бедренной шей 1 и e 2 можно легко найти. Третью характерную точку можно получить, соединив e 1,2 и g 1,2 , которые относятся к нижней краевой точке правой и левой вертлужной впадины. Это пересечение линии соединения и контура головки бедренной кости, обозначенное цифрой 9.0033 f 1 и f 2 на рисунке 3. Таким образом, получают центральную точку головки бедренной кости и обозначают ее как a 1 и a 2 соответственно на рисунке 9. Угол CE можно выразить как}

θCE=arccosa1,2c1,2→·a1,2b1,2→|a1,2c1,2→| |a1,2b1,2→|. (1)

Рисунок 3 . Набросайте карты получения окружности, изображающей головку бедренной кости. (A,B) соответствуют результатам для правой и левой головки бедренной кости. a _1,2 относятся к центральной точке головки правой и левой бедренной кости соответственно. d _1,2 и e _1,2 представляют собой самые верхние и крайние точки головки правой и левой бедренной кости соответственно. г _1,2 соответствуют нижним краевым точкам правой и левой вертлужной впадины соответственно. Что касается f _1,2 , то они являются точками пересечения линии соединения (т. е. e _1,2 и г _1,2 ) и контур головки правой и левой бедренной кости соответственно.

2.2. Автоматическое извлечение острого угла

Острый угол также считается характерным углом для клинической диагностики. Как показано на рисунке 2B, это также относится к углу между двумя линиями. Одна линия получена из соединения между нижней краевой точкой правой вертлужной впадины (т.е. a ₁ ) и левой вертлужной впадины (т.е.0034 ₂ ). Другая линия относится к соединению между точкой нижнего края вертлужной впадины (т. е. a ₁ или a ₂ ) и наружным верхним краем вертлужной впадины (т. е. b ₁ или б ₂ ). Соответственно, острый угол выражается следующим образом. То есть

θsharp=arccosa1,2b1,2→·a2,1a1,2→|a1,2b1,2→| |а2,1а1,2→|. (2)

2.3. Автоматическое извлечение Тонниса

Угол Тонниса также считается характерным углом для клинической диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Как показано на рисунке 2C, это также относится к углу, образованному двумя линиями. Одна линия происходит от соединения между внешним верхним краем вертлужной впадины (т.е. b ₁ или b ₂ ) и нижний край опорной области вертлужной впадины (т. Другая линия относится к соединению нижней краевой точки правой вертлужной впадины (т.е. g ₁ ) и левой вертлужной впадины (т.е. g ₂ ).

Для автоматического определения угла Тонниса, a ₁ и a ₂ необходимо указать заранее. На самом деле, нижний край несущей области вертлужной впадины можно легко обнаружить на рентгеновском снимке, содержащем тазобедренный сустав, так как несущая область вертлужной впадины сохраняет явный контраст с окружающей ее областью (см. Рисунок 1А). Таким образом, эти две точки могут быть помечены во время ручного разграничения (см. зеленые точки на рисунке 1B). Соответственно угол Тонниса выражается как

θTonnis=arccosa1,2b1,2→·g2,1g1,2→|a1,2b1,2→| |g2,1g1,2→|. (3)

2.4. Кластеризация с использованием плотности образца в порядке убывания

Для каждого образца, полученного из рентгеновской пленки, его CE, резкость и угол Тонниса могут быть автоматически рассчитаны с использованием уравнений (1), (2) и (3). Соответственно, можно получить трехмерную точку рассеяния, связанную с этим образцом. Эта процедура, сочетающая ручное очерчивание контуров с автоматическим выделением углов, повторяется n раз, где n представляет размер выборки. Таким образом, мы получаем трехмерную диаграмму рассеяния, как показано на рисунке 1D. Используя ранее предложенный метод кластеризации (Liu et al., 2019), получается кластер, соответствующий нормальному развитию тазобедренного сустава. Если считается, что выборки внутри кластера подчиняются трехмерному нормальному распределению, то может быть создана статистическая модель. Соответствующая функция плотности вероятности выражается как

p(x)=1(2π)(3/2)|Σ|1/2e-12(x-μ)TΣ-1(x-μ),    (4)

, где x представляет собой вектор (θCE,θsharp,θTonnis)T. μ и Σ обозначают выборочное среднее и ковариационную матрицу соответственно.

3. Результаты

Эксперименты были проведены на 286 образцах, полученных из 143 рентгеновских снимков тазобедренного сустава, которые содержали 143 левых и 143 правых тазобедренных сустава. Данные представляли собой цифровые двусторонние рентгеновские снимки тазобедренных суставов, ретроспективно собранные в аффилированной больнице Чжуншань Даляньского университета с января 2017 года по январь 2018 года. Это исследование было одобрено комитетом по этике больницы. Вся информация о пациенте была обезличена перед анализом данных.

Процедура, показанная на рис. 1, была выполнена с использованием разработанного нами графического пользовательского интерфейса (GUI), показанного на рис. 4. Можно импортировать рентгеновскую пленку, как показано на рис. 4А. На рисунке 4B контуры вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости могут быть отмечены вручную вместе с нижним краем опорной области вертлужной впадины. Затем автоматически извлекаются характерные углы, включая CE, острый угол и тоннис, как показано на рисунке 4C. После этого точка рассеяния проецируется в трехмерное пространство, которое состоит из значений CE, острого угла и угла Тонниса, рассчитанных с использованием уравнений (1), (2) и (3) соответственно. Эта процедура повторяется до тех пор, пока не будет получено достаточно точек рассеяния. Затем можно нажать кнопку «Обучающая модель», показанную на рисунке 4D, чтобы создать управляемую данными модель для дальнейшей клинической диагностики дисплазии тазобедренного сустава.

Рисунок 4 . Графический пользовательский интерфейс (GUI) полуавтоматического метода диагностики дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам. (A–D) соответствуют четырем шагам графического интерфейса.

Между тем каждый CE, острый угол и угол Тонниса из 286 образцов были измерены рентгенологом. Референтное значение угла CE рассматривалось как диагностический критерий, основанный на знаниях. Как правило, диагноз дисплазии тазобедренного сустава ставили, когда θCE<20∘. Наоборот, считалось нормальным развитие тазобедренного сустава, когда θCE>25°. Кроме того, она считалась пограничной дисплазией, когда 20∘≤θCE≤25∘. Таким образом, 286 образцов были отмечены красным, зеленым и желтым цветом, что соответствует аномальному, нормальному и пограничному развитию тазобедренного сустава соответственно. Соответственно, трехмерная диаграмма рассеяния и результаты ее двумерной проекции перечислены по очереди, как показано на рисунках 5A-D. Из этих подрисунков видно, что эти выборки подчиняются нормальному распределению. Однако плоскость или линии, перпендикулярные оси CE, считаются границей классификации, используя угол CE в качестве диагностических критериев. Кроме того, это может быть нецелесообразно даже при одновременном учете CE, остроты и угла Тонниса, так как формируемые границы классификации могут быть только перпендикулярны осям координат. Фактически, подходящей границей классификации должна быть плоскость, перпендикулярная длинной оси эллипсоида, полученного из трехмерного нормального распределения выборок.

Рисунок 5 . Трехмерные диаграммы рассеяния и результаты их двумерной проекции. (A–D) относятся к традиционной диагностике дисплазии тазобедренного сустава, полученной из основанного на знаниях клинического руководства в трехмерном пространстве и его двухмерных проекционных подпространствах соответственно. Следовательно, следует учитывать θ _CE . То есть образцы, помеченные разными цветами, получены из разных эндоскопов θ _CE . (E–H) соответствуют новому основанному на данных критерию диагностики дисплазии тазобедренного сустава в трехмерном пространстве и его двумерных проекционных подпространствах соответственно. Эллипсоид и соответствующие ему проекционные эллипсы относятся к параметрической модели.

Таким образом, был использован ранее предложенный метод кластеризации в соответствии с плотностью выборки в порядке убывания (Liu et al., 2019). Кроме того, считается, что образцы внутри кластера, сохраняющие самый высокий пик плотности, которые отражают нормальное развитие тазобедренного сустава, подчиняются трехмерному нормальному распределению. Используя уравнение ( 4 ), модель, представляющая нормальное развитие тазобедренного сустава, устанавливается для диагностики дисплазии тазобедренного сустава, как показано на рисунке 5E. Его двумерные проекции перечислены по очереди, как показано на рисунках 5F–H.

4. Обсуждения

Мы намерены провести несколько простых обсуждений следующим образом. Во-первых, необходимо рассмотреть возможность автоматической сегментации. Фактически, мы использовали U-Net (Ronneberger et al., 2015) для обнаружения контуров вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости. Из-за ограниченного размера выборки результаты сегментации были неудовлетворительными. Кроме того, было обнаружено, что рентгеновские снимки с разных аппаратов цифровой рентгенографии (ЦР) сильно отличались друг от друга (см. рис. 1, 2). Это усложняет автоматическую сегментацию.

Во-вторых, необходимо обсудить, эффективны ли диагностические критерии, основанные на знаниях. CE, острый угол и угол Тонниса обычно используются в качестве измерений развития тазобедренного сустава. Типичными пороговыми значениями для диагностики дисплазии являются θCE<20∘ и θTonnis>10∘ (Kosuge et al., 2013), которые эмпирически отражают слишком мелкую вертлужную впадину и чрезмерный наклон вверх опорной области вертлужной впадины соответственно. Напротив, мы предложили управляемую данными диагностическую модель дисплазии тазобедренного сустава, которая полностью учитывала распределение выборки. После сравнения экспериментальных результатов, представленных на рисунке 5, можно сделать вывод, что критерий, основанный на данных, для диагностики дисплазии тазобедренного сустава является более подходящим, поскольку он лучше соответствует распределению выборки.

В-третьих, выбросы, показанные на рисунке 5E, требуют дальнейшего рассмотрения. Для пациентов с маленьким θ _CE с, но высоким θ _острым с и θ _Tonnis с, можно поставить диагноз дисплазии тазобедренного сустава. Однако другие выбросы требуют дальнейшего обсуждения. Причина, по которой они отличаются от традиционных образцов с дисплазией тазобедренного сустава, и принадлежат ли они к новым подтипам дисплазии тазобедренного сустава или нет, нуждается в объяснении. Поэтому эти случаи должны быть тщательно отобраны. За исключением рентгеновских снимков, должна быть предоставлена ​​другая диагностика изображений и клинический диагноз, чтобы проверить, относятся ли эти особые выбросы к дисплазии тазобедренного сустава или нет.

5. Заключение

Диагностика дисплазии тазобедренного сустава играет жизненно важную роль в раннем выявлении заболеваний тазобедренного сустава. В данном исследовании мы предложили полуавтоматический метод диагностики дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам. В связи со сложными проявлениями изображения тазобедренного сустава на рентгеновских снимках, было выполнено ручное разграничение контуров вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости. Кроме того, характерные точки извлекались автоматически или полуавтоматически. Затем автоматически были получены характерные углы. Образцы, полученные по трем характерным углам (т. е. CE, острый и Тоннис), использовались для кластеризации, что помогло установить критериальную модель, основанную на трехмерном нормальном распределении, для диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Кроме того, для удобства клиницистов был предоставлен графический интерфейс. В дальнейшей работе будет рассмотрена автоматическая сегментация тазобедренного сустава.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без неоправданных оговорок.

Заявление об этике

Исследования с участием людей были рассмотрены и одобрены комитетом по этике больницы. Пациенты/участники предоставили письменное информированное согласие на участие в этом исследовании.

Вклад авторов

XZ, XC и ZQ задумали общий проект и руководили им. XZ инициировал идею, задумал весь процесс и завершил документ. GY и TL были основными разработчиками. YJ собрал случаи и сделал ручное разграничение. Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Это исследование было поддержано финансовой поддержкой Крупных проектов центрального правительства по руководству развитием науки и технологий для местного самоуправления (№ ZY18C01), Поперечного проекта Северо-восточного университета лесного хозяйства (№ 201

) и финансовая поддержка Фонда естественных наук провинции Хэйлунцзян (№ Lh3020F002).

Конфликт интересов

ZQ работал в компании Heilongjiang Tuomeng Technology Co. Ltd., Харбин, Китай.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

Beltran, L. S., Rosenberg, Z.S., Mayo, J.D., De Tuesta, M.D., Martin, O., Neto, L.P., et al. (2013). Визуальная оценка развития дисплазии тазобедренного сустава у молодых людей. утра. Дж. Рентгенол. 200, 1077–1088. дои: 10.2214/AJR.12.9360

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гала, Л., Клохизи, Дж. К., и Бьюл, П. Е. (2016). Дисплазия тазобедренного сустава в молодом возрасте. J. Хирургия суставов костей. 98, 63–73. дои: 10.2106/JBJS.O.00109

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Ганц Р., Лениг М., Леуниг-Ганц К. и Харрис У. Х. (2008). Этиология артроза тазобедренного сустава. клин. Ортоп. Относ. Рез. 466, 264–272. doi: 10.1007/s11999-007-0060-z

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Harper, P., Joseph, B.M., Clarke, N.M., Herrera-Soto, J., Sankar, W.N., Schaeffer, E.K., et al. (2020). Даже специалистов можно обмануть: достоверность клинического обследования в диагностике вывиха бедра у новорожденных. J. Педиатр. Ортоп. 40, 408–412. doi: 10.1097/BPO.0000000000001602

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Харшани С., Замборский Р., Кокавец М. и Данисович Л. (2020). Генетика развития дисплазии тазобедренного сустава. Евро. Дж. Мед. Жене. 63:103990. doi: 10.1016/j.ejmg.2020.103990

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Каяалп М.Э., Джан А., Эрдоган Ф., Озахин М.К., Айдингоз О. и Кайнак Г. (2020). Клинико-рентгенологические результаты у пациентов с дисплазией 3 и 4 типа Кроу, оперированных с тотальным эндопротезированием тазобедренного сустава бесцементным прямоугольным бедренным компонентом без фиксации или пластики области поперечной остеотомии. J. Артропластика 35, 2537–2542. doi: 10.1016/j.arth.2020.04.045

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Косуге Д., Ямада Н., Азегами С., Ачан П. и Рамачандран М. (2013). Лечение развивающейся дисплазии тазобедренного сустава у молодых людей: современные концепции. Bone Joint J. 95B, 732–737. doi: 10.1302/0301-620X.95B6.31286

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Лю К., Се Х., Чжан С., Мао З., Сунь Дж. и Чжан Ю. (2020). Обнаружение ориентиров деформированного таза с изучением локально-глобальных признаков для диагностики дисплазии тазобедренного сустава, связанной с развитием. IEEE Trans. Мед. Визуализация 39, 3944–3954. doi: 10.1109/TMI.2020.3008382

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Лю, Т., Ли, Х., и Чжао, X. (2019). Кластеризация поиском по убыванию и автоматический поиск пиков плотности. Доступ IEEE 7, 133772–133780. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2939437

CrossRef Full Text | Google Scholar

Омероглу Х., Татличи Э. и Козе Н. (2020). Значение асимметрии кожных складок паха и бедер при дисплазии тазобедренного сустава в развитии: результаты сравнительного исследования. J. Педиатр. Ортоп. 40, е761–е765. doi: 10.1097/BPO.0000000000001531

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Пауэлл Дж., Джибли Р. Ф., Фолк Л. В., Кэрри П., Майер С. В. и Селберг К. М. (2020). Может ли визуализация eos заменить обычную рентгенографию при измерении морфологии вертлужной впадины в молодом диспластическом тазобедренном суставе? Педиатр. Ортоп. 40, 294–299. doi: 10.1097/BPO.0000000000001545

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Роннебергер О., Фишер П. и Брокс Т. (2015). «U-net: сверточные сети для сегментации биомедицинских изображений», в Lecture Notes in Computer Science , eds N. Navab, J. Homegger, W. Wells, and A. Frangi (Мюнхен: Springer), 234–241.

Google Scholar

Симона В. и Клаус В. (2014). Измерения и классификации в скелетно-мышечной радиологии. Дж. Магн. Резон. Визуализация 40, 248–249. doi: 10.1002/jmri.24618

Полный текст CrossRef | Академия Google

Wei, Q. , Han, J., Jia, Y., Zhu, L., Zhang, S., Lu, Y., et al. (2020). Подход для полностью автоматической оценки угла шейки бедра по рентгенограммам. Rev. Sci. Инструм. 91:013706. doi: 10.1063/1.5089738

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Xie, W., Franke, J., Chen, C., Gruetzner, P.A., Schumann, S., Nolte, L., et al. (2014). Основанная на статистической модели сегментация проксимального отдела бедренной кости на цифровых передне-задних (ап) рентгенограммах таза. Междунар. Дж. Вычисл. Ассистент Радиол. Surg. 9, 165–176. doi: 10.1007/s11548-013-0932-5

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Ясуда Т., Мацунага К., Хашимура Т., Цукамото Ю., Суеёси Т., Ота С. и др. (2020). Характеристика быстропрогрессирующего остеоартроза тазобедренного сустава на ранней стадии. евро. Дж. Ревматол. 7, 130–134. doi: 10.5152/eurjrheum.2020.19159

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Полуавтоматическая диагностика дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам

• Список журналов
• Фронт Мол Биоски
• PMC7773838

Фронт Мол Биоски. 2020; 7: 613878.

Опубликовано в сети 17 декабря 2020 г. doi: 10.3389/fmolb.2020.613878

, ^{1, †} , ^{2, †} , ¹ , ^{1, *} , ^{2, *} and ^{1, 3, *}

Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензиях Отказ от ответственности

Заявление о доступности данных

История вопроса: Диагностика тазобедренного сустава играет важную роль в раннем выявлении таких заболеваний тазобедренного сустава, как коксартрит, остеонекроз головки бедренной кости и др. Раннее выявление дисплазии тазобедренного сустава на рентгенограммах, вероятно, может способствовать раннему лечению больных, что может способствовать излечению больных или максимально облегчить их боль. До сих пор не существовало метода или инструмента для автоматической диагностики дисплазии тазобедренного сустава.

Результаты: Предложен полуавтоматический метод диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Учитывая сложность медицинской визуализации, контур вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости отмечают вручную. Характерные точки извлекаются в соответствии с отмеченными контурами. Отказ от традиционных диагностических критериев, основанных на знаниях. Вместо этого представлена ​​управляемая данными диагностическая модель дисплазии тазобедренного сустава. Углы, включая CE, острый угол и угол Тонниса, которые обычно измеряются в клинической диагностике, получаются автоматически. Выборки, каждая из которых состоит из этих трех значений угла, используются для кластеризации в соответствии с их плотностью в порядке убывания. Трехмерное нормальное распределение, полученное из кластера, строится и рассматривается как параметрическая модель для диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Эксперименты на 143 рентгеновских снимках, включающих 286 образцов (т. е. 143 левых и 143 правых тазобедренных сустава), демонстрируют эффективность нашего метода. Согласно методу для удобства клиницистов разработан инструмент компьютерной диагностики, который можно скачать по адресу http://www.bio-nefu.com/HIPindex/. Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, можно получить у соответствующих авторов по запросу.

Выводы: Этот основанный на данных метод обеспечивает более объективное измерение углов. Кроме того, он предоставляет новый критерий диагностики дисплазии тазобедренного сустава, отличный от опыта врачей, основанного на знаниях клинического руководства, что фактически соответствует совершенно другому способу клинической диагностики дисплазии тазобедренного сустава.

Ключевые слова: тазобедренный сустав, дисплазия, рентген, ручная сегментация, автоматическое измерение угла, плотность нисходящей кластеризации

Тазобедренный сустав — один из самых крупных суставов человеческого тела. Его нормальная структура поддерживает повседневную деятельность людей. Дисплазия тазобедренного сустава, которая считается наследственной (Harsanyi et al., 2020), является основной причиной остеоартрита тазобедренного сустава (Ganz et al., 2008). Если поверхность вертлужной впадины слишком мала или наклонена в течение длительного времени, головку бедренной кости невозможно полностью закрыть. Следовательно, это приведет к неравномерному давлению, которое в конечном итоге перерастет в необратимый остеоартроз (Yasuda et al., 2020). Ранний скрининг дисплазии тазобедренного сустава у взрослых с последующим надлежащим клиническим ведением может не только сэкономить медицинские ресурсы, но и уберечь пациентов от боли во время операции (Gala et al., 2016).

Хотя трехмерная структура тазобедренного сустава может быть получена из изображений КТ и МРТ, это должно быть сопряжено с относительно высокими затратами на медицинское обследование и высокой радиацией. Поэтому рентгенограмма таза с рентгеновской пленки становится основным методом ранней диагностики дисплазии тазобедренных суставов (Kayaalp et al. , 2020; Powell et al., 2020). Постоянно растущее количество рентгеновских снимков неизбежно увеличивает нагрузку на рентгенологов. Для них необходим автоматический метод или инструмент для проведения вспомогательных измерений или даже диагностики.

Что касается автоматического измерения или диагностики дисплазии тазобедренного сустава на рентгеновских снимках, то есть три проблемы. Во-первых, трудно автоматически сегментировать бедро, учитывая неоднородную интенсивность, полученную при наложении изображений вертлужной впадины. Таким образом, большинство существующих методов направлено на сегментацию бедренной кости. Се и др. (2014) извлекли особенности формы для сегментации проксимального отдела бедренной кости. Вэй и др. (2020) улучшили глубокую сверточную генеративно-состязательную сеть (DCGAN) для сегментации бедренной кости. Лю и др. (2020) предложили Pyramid Nonlocal UNet (PN-UNet) для автоматического обнаружения деформированных ориентиров и сегментации соседних участков. Однако границы вертлужной впадины и бедренной кости четко не обозначены. Во-вторых, преобладающий диагноз дисплазии тазобедренного сустава в основном зависит от ручного измерения углов на рентгеновских снимках (Simone and Klaus, 2014). Трудно автоматически откалибровать характерные углы, включая угол между центром и краем (CE), острый угол, угол Тонниса и т. д., которые обычно измеряются в клинической диагностике (Beltran et al., 2013). В-третьих, обращаются к диагностическому руководству, чтобы проверить, является ли развитие тазобедренного сустава нормальным или нет (Harper et al., 2020; Ömeroglu et al., 2020). Необходимы автоматические и объективные показатели для клинической диагностики дисплазии тазобедренного сустава.

В данной статье мы предлагаем подход к полуавтоматической диагностике дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам. Соответствующая структура обработки показана на . Из-за сложности точной сегментации вертлужной впадины контуры тазобедренного сустава, включая вертлужную впадину, головку бедренной кости и верхнюю часть бедренной кости, очерчиваются вручную. Затем из отмеченного контура автоматически извлекаются характерные углы, включая CE, острый угол и угол Тонниса. После этого точка рассеяния получается в трехмерном пространстве в соответствии с этими углами характеристики. Эта процедура повторяется с использованием 286 образцов, представляющих левый или правый тазобедренные суставы. Наконец, для этих точек рассеяния представлен ранее предложенный метод кластеризации с использованием плотности в порядке убывания, и для диагностики дисплазии тазобедренного сустава создана модель, представляющая нормальное развитие тазобедренного сустава.

Открыть в отдельном окне

Схема полуавтоматического метода диагностики дисплазии тазобедренных суставов по рентгенограммам. (A–D) соответствуют четырем этапам схемы. (A) относится к оригинальному рентгеновскому файлу тазобедренного сустава. (B) представляет результаты, отмеченные вручную. (C) соответствует автоматическому измерению угла. (D) показывает соответствующий разброс в трехмерном пространстве с тремя его направлениями, представляющими CE, диез и угол Тонниса.

Предоставляется набор данных, отражающий либо нормальное развитие тазобедренного сустава, либо дисплазию тазобедренного сустава, который содержит 143 рентгеновских снимка, включая 286 образцов из 143 левых и 143 правых тазобедренных суставов. То есть рентгенограмма рассматривается как две части, каждая из которых содержит изображение либо левого тазобедренного сустава, либо правого. На каждом снимке производится ручное очерчивание вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости. На самом деле, мы следуем структуре, представленной в, чтобы установить модель, представляющую нормальное развитие тазобедренного сустава для диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Более подробную информацию можно увидеть в следующих подразделах.

2.1. Автоматическое извлечение CE

В результате ручного очерчивания могут быть получены некоторые характерные точки, которые помогают автоматически формировать характерные углы. Эскизные карты этих характерных углов показаны на . Угол CE обычно считается первым углом для клинической диагностики. Как показано в , это относится к углу между двумя линиями. Одна линия получена из соединения между центральной точкой головки бедренной кости (т. е. a ₁ или a ₂ ) и наружный верхний край вертлужной впадины (т. е. b ₁ или b ₂ ). Другая линия относится к вертикали линии после соединения двух центральных точек правой и левой головки бедренной кости, две из которых обозначены как a ₁ и a ₂ соответственно.

Открыть в отдельном окне

Эскизные карты характерных углов. (A–D) соответствуют CE, острому углу, углу Тонниса и углу диафиза головки шейки (CCD) соответственно. Учитывая, что CCD измеряет только coxa valga или coxa vara на головке бедренной кости, в следующем исследовании от него отказываются.

Чтобы автоматически получить угол CE, a ₁ , a ₂ , b ₁ и b _{6 должны быть определены заранее. Согласно ручному разграничению, внешний верхний край вертлужной впадины, т. е. b 1 и b 2 , может быть явно помечен. Что касается центральной точки головки бедренной кости, то ее считают центром окружности, которая может охватывать головку бедренной кости. Учитывая, что три точки, которые не лежат на одной прямой, могут определять окружность на плоскости, три характерные точки должны быть автоматически помечены. Здесь выбираются самая верхняя и самая удаленная точки на контуре головки бедренной кости, обозначенные цифрой 9.0525 d 1 , d 2 , e 1 и e 2 показаны в . Принимая за границу точки перегиба головки и шейки бедренной кости, можно легко найти e 1 и e 2 . Третью характерную точку можно получить, соединив e 1,2 и g 1,2 , которые относятся к нижней краевой точке правой и левой вертлужной впадины. Это пересечение линии соединения и контура головки бедренной кости, обозначенное цифрой 9.0525 f 1 и f 2 дюймов . Таким образом, получают центральную точку головки бедренной кости и обозначают ее как a 1 и a 2 in . Соответственно, угол CE может быть выражен как}

Открыть в отдельном окне

Эскиз карты получения окружности, изображающей головку бедренной кости. (A,B) соответствуют результатам для правой и левой головки бедренной кости. a _1,2 относятся к центральной точке головки правой и левой бедренной кости соответственно. d _1,2 и e _1,2 представляют собой самые верхние и крайние точки головки правой и левой бедренной кости соответственно. г _1,2 соответствуют нижним краевым точкам правой и левой вертлужной впадины соответственно. Что касается f _1,2 , то они являются точками пересечения линии соединения (т. е. e _1,2 и g _1,2 ) и контуров правой и левой головок бедра. , соответственно.

θCE=arccosa1,2c1,2→·a1,2b1,2→|a1,2c1,2→| |a1,2b1,2→|.

(1)

2.2. Автоматическое извлечение острого угла

Острый угол также считается характерным углом для клинической диагностики. Как показано на , это также относится к углу между двумя линиями. Одна линия получена из соединения между нижней краевой точкой правой вертлужной впадины (т.е. a ₁ ) и левой вертлужной впадины (т.е. a ₂ ). Другая линия относится к соединению между нижней краевой точкой вертлужной впадины (т. е. а ₁ или а ₂ ) и наружный верхний край вертлужной впадины (т. е. b ₁ или b ₂ ). Соответственно, острый угол выражается следующим образом. То есть

θsharp=arccosa1,2b1,2→·a2,1a1,2→|a1,2b1,2→| |а2,1а1,2→|.

(2)

2.

3. Автоматическое извлечение Тонниса

Угол Тонниса также считается характерным углом для клинической диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Как показано на , это также относится к углу, заключенному между двумя линиями. Одна линия происходит от соединения между внешним верхним краем вертлужной впадины (т.е. b ₁ или b ₂ ) и нижний край опорной области вертлужной впадины (т. Другая линия относится к соединению нижней краевой точки правой вертлужной впадины (т.е. g ₁ ) и левой вертлужной впадины (т.е. g ₂ ).

Для автоматического определения угла Тонниса, a ₁ и a ₂ необходимо указать заранее. На самом деле нижний край опорной области вертлужной впадины можно легко обнаружить на рентгеновском снимке, содержащем тазобедренный сустав, так как опорная область вертлужной впадины сохраняет явный контраст с окружающей ее областью (см. ). Следовательно, эти две точки могут быть помечены во время ручного разграничения (см. зеленые точки на ). Соответственно, угол Тонниса выражается как

θTonnis=arccosa1,2b1,2→·g2,1g1,2→|a1,2b1,2→| |g2,1g1,2→|.

(3)

2.4. Кластеризация с использованием плотности образца в порядке убывания

Для каждого образца, полученного из рентгеновской пленки, его CE, резкость и угол Тонниса могут быть автоматически рассчитаны с использованием уравнений (1), (2) и (3). Соответственно, можно получить трехмерную точку рассеяния, связанную с этим образцом. Эта процедура, сочетающая ручное очерчивание контуров с автоматическим выделением углов, повторяется n раз, где n представляет размер выборки. Таким образом, мы получаем трехмерную диаграмму рассеяния, как показано на рис. Используя ранее предложенный метод кластеризации (Liu et al., 2019), получается кластер, соответствующий нормальному развитию тазобедренного сустава. Если считается, что выборки внутри кластера подчиняются трехмерному нормальному распределению, то может быть создана статистическая модель. Соответствующая функция плотности вероятности выражается как )

, где x представляет собой вектор (θCE,θsharp,θTonnis)T. μ и Σ обозначают выборочное среднее и ковариационную матрицу соответственно.

Эксперименты проводились на 286 образцах, полученных из 143 рентгеновских снимков тазобедренного сустава, которые содержали 143 левых и 143 правых тазобедренных сустава. Данные представляли собой цифровые двусторонние рентгеновские снимки тазобедренных суставов, ретроспективно собранные в аффилированной больнице Чжуншань Даляньского университета с января 2017 года по январь 2018 года. Это исследование было одобрено комитетом по этике больницы. Вся информация о пациенте была обезличена перед анализом данных.

Процедура, показанная в, была выполнена с использованием нашего собственного разработанного графического пользовательского интерфейса (GUI), указанного в . Рентгеновскую пленку можно импортировать, как показано на рис. В , контуры вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости могут быть отмечены вручную вместе с нижним краем опорной области вертлужной впадины. Затем автоматически извлекаются ракурсы элементов, включая CE, Sharp и Tonnis, как показано на . После этого точка рассеяния проецируется в трехмерное пространство, которое состоит из значений CE, острого угла и угла Тонниса, рассчитанных с использованием уравнений (1), (2) и (3) соответственно. Эта процедура повторяется до тех пор, пока не будет получено достаточно точек рассеяния. Затем можно нажать кнопку «Обучающая модель», показанную на рис., чтобы создать модель, управляемую данными, для дальнейшей клинической диагностики дисплазии тазобедренного сустава.

Открыть в отдельном окне

Графический пользовательский интерфейс (GUI) полуавтоматического метода диагностики дисплазии тазобедренных суставов по рентгенограммам. (A–D) соответствуют четырем шагам графического интерфейса.

Между тем каждый CE, острый угол и угол Тонниса из 286 образцов были измерены рентгенологом. Референтное значение угла CE рассматривалось как диагностический критерий, основанный на знаниях. Как правило, диагноз дисплазии тазобедренного сустава ставили, когда θCE<20∘. Наоборот, считалось нормальным развитие тазобедренного сустава, когда θCE>25°. Кроме того, она считалась пограничной дисплазией, когда 20∘≤θCE≤25∘. Таким образом, 286 образцов были отмечены красным, зеленым и желтым цветом, что соответствует аномальному, нормальному и пограничному развитию тазобедренного сустава соответственно. Соответственно, трехмерная диаграмма рассеяния и результаты ее двумерной проекции перечислены по очереди, как показано на рис. Из этих подрисунков видно, что эти выборки подчиняются нормальному распределению. Однако плоскость или линии, перпендикулярные оси CE, считаются границей классификации, используя угол CE в качестве диагностических критериев. Кроме того, это может быть нецелесообразно даже при одновременном учете CE, остроты и угла Тонниса, так как формируемые границы классификации могут быть только перпендикулярны осям координат. Фактически, подходящей границей классификации должна быть плоскость, перпендикулярная длинной оси эллипсоида, полученного из трехмерного нормального распределения выборок.

Открыть в отдельном окне

Трехмерные диаграммы рассеяния и результаты их двумерной проекции. (A–D) относятся к традиционной диагностике дисплазии тазобедренного сустава, полученной из основанного на знаниях клинического руководства в трехмерном пространстве и его двухмерных проекционных подпространствах соответственно. Поэтому следует учитывать θ _CE . То есть образцы, помеченные разными цветами, получены из разных θ _CE прицелы. (E–H) соответствуют новому основанному на данных критерию диагностики дисплазии тазобедренного сустава в трехмерном пространстве и его двумерных проекционных подпространствах соответственно. Эллипсоид и соответствующие ему проекционные эллипсы относятся к параметрической модели.

Таким образом, был использован ранее предложенный метод кластеризации в соответствии с плотностью выборки в порядке убывания (Liu et al., 2019). Кроме того, считается, что образцы внутри кластера, сохраняющие самый высокий пик плотности, которые отражают нормальное развитие тазобедренного сустава, подчиняются трехмерному нормальному распределению. Используя уравнение ( 4 ), модель, представляющая нормальное развитие тазобедренного сустава, устанавливается для диагностики дисплазии тазобедренного сустава, как показано на рис. Его двумерные проекции перечислены по очереди, как показано на рис.

Мы намерены провести несколько простых рассуждений следующим образом. Во-первых, необходимо рассмотреть возможность автоматической сегментации. Фактически, мы использовали U-Net (Ronneberger et al., 2015) для обнаружения контуров вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости. Из-за ограниченного размера выборки результаты сегментации были неудовлетворительными. Кроме того, было обнаружено, что рентгеновские снимки с разных аппаратов цифровой рентгенографии (ЦР) сильно различались (см. , ). Это усложняет автоматическую сегментацию.

Во-вторых, необходимо обсудить, эффективны ли диагностические критерии, основанные на знаниях. CE, острый угол и угол Тонниса обычно используются в качестве измерений развития тазобедренного сустава. Типичными пороговыми значениями для диагностики дисплазии являются θCE<20∘ и θTonnis>10∘ (Kosuge et al., 2013), которые эмпирически отражают слишком мелкую вертлужную впадину и чрезмерный наклон вверх опорной области вертлужной впадины соответственно. Напротив, мы предложили управляемую данными диагностическую модель дисплазии тазобедренного сустава, которая полностью учитывала распределение выборки. Сравнив экспериментальные результаты, представленные на рис. , можно сделать вывод, что критерий, основанный на данных, для диагностики дисплазии тазобедренного сустава является более подходящим, поскольку он лучше соответствует распределению выборки.

В-третьих, показанные выбросы нуждаются в дальнейшем рассмотрении. Для пациентов с небольшим θ _CE с, но высоким θ _острым с и θ _Tonnis с, можно поставить диагноз дисплазии тазобедренного сустава. Однако другие выбросы требуют дальнейшего обсуждения. Причина, по которой они отличаются от традиционных образцов с дисплазией тазобедренного сустава, и принадлежат ли они к новым подтипам дисплазии тазобедренного сустава или нет, нуждается в объяснении. Поэтому эти случаи должны быть тщательно отобраны. За исключением рентгеновских снимков, должна быть предоставлена ​​другая диагностика изображений и клинический диагноз, чтобы проверить, относятся ли эти особые выбросы к дисплазии тазобедренного сустава или нет.

Диагностика дисплазии тазобедренного сустава играет жизненно важную роль в раннем выявлении заболеваний тазобедренного сустава. В данном исследовании мы предложили полуавтоматический метод диагностики дисплазии тазобедренного сустава по рентгеновским снимкам. В связи со сложными проявлениями изображения тазобедренного сустава на рентгеновских снимках, было выполнено ручное разграничение контуров вертлужной впадины, головки бедренной кости и верхней стороны бедренной кости. Кроме того, характерные точки извлекались автоматически или полуавтоматически. Затем автоматически были получены характерные углы. Образцы, полученные по трем характерным углам (т. е. CE, острый и Тоннис), использовались для кластеризации, что помогло установить критериальную модель, основанную на трехмерном нормальном распределении, для диагностики дисплазии тазобедренного сустава. Кроме того, для удобства клиницистов был предоставлен графический интерфейс. В дальнейшей работе будет рассмотрена автоматическая сегментация тазобедренного сустава.

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без неоправданных оговорок.

Исследования с участием людей были рассмотрены и одобрены этическим комитетом больницы. Пациенты/участники предоставили письменное информированное согласие на участие в этом исследовании.

XZ, XC и ZQ разработали общий проект и руководили им. XZ инициировал идею, задумал весь процесс и завершил документ. GY и TL были основными разработчиками. YJ собрал случаи и сделал ручное разграничение. Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

ZQ работал в компании Heilongjiang Tuomeng Technology Co. Ltd., Харбин, Китай. Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Финансирование. Это исследование было поддержано финансовой поддержкой крупных проектов центрального правительства по руководству развитием науки и технологий для местного самоуправления (№ ZY18C01), поперечного проекта Северо-восточного университета лесного хозяйства (№ 2019).0424) и при финансовой поддержке Фонда естественных наук провинции Хэйлунцзян (№ Lh3020F002).

• Белтран Л. С., Розенберг З. С., Майо Дж. Д., Де Туэста М. Д., Мартин О., Нето Л. П. и др. (2013). Визуальная оценка развития дисплазии тазобедренного сустава у молодых людей. Являюсь. Дж. Рентгенол. 200, 1077–1088. 10.2214/AJR.12.9360 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Gala L., Clohisy JC, Beaule PE (2016). Дисплазия тазобедренного сустава в молодом возрасте. J. Bones Joint Surg. 98, 63–73. 10.2106/JBJS.O.00109[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ganz R., Leunig M., Leunig-Ganz K., Harris WH (2008). Этиология артроза тазобедренного сустава. клин. Ортоп. Относ. Рез. 466, 264–272. 10.1007/s11999-007-0060-z [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Харпер П., Джозеф Б. М., Кларк Н. М., Эррера-Сото Дж., Санкар В. Н., Шеффер Е. К. и др. .. (2020). Даже специалистов можно обмануть: достоверность клинического обследования в диагностике вывиха бедра у новорожденных. Дж. Педиатр. Ортоп. 40, 408–412. 10.1097/BPO.0000000000001602 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Харшани С., Замборский Р., Кокавец М., Данисович Л. (2020). Генетика развития дисплазии тазобедренного сустава. Евро. Дж. Мед. Жене. 63:103990. 10.1016/j.ejmg.2020.103990 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Каяалп М. Э., Джан А., Эрдоган Ф., Озахин М. К., Айдингоз О., Кайнак Г. (2020). Клинико-рентгенологические результаты у пациентов с дисплазией 3 и 4 типа Кроу, оперированных с тотальным эндопротезированием тазобедренного сустава бесцементным прямоугольным бедренным компонентом без фиксации или пластики области поперечной остеотомии. Дж. Артропластика 35, 2537–2542. 10.1016/j.arth.2020.04.045 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Косугэ Д., Ямада Н., Азегами С., Ачан П., Рамачандран М. (2013). Лечение развивающейся дисплазии тазобедренного сустава у молодых людей: современные концепции. Костный сустав Дж. 95Б, 732–737. 10.1302/0301-620X.95B6.31286 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Liu C., Xie X., Zhang S., Mao Z., Sun J., Zhang Y. (2020). Обнаружение ориентиров деформированного таза с изучением локально-глобальных признаков для диагностики дисплазии тазобедренного сустава, связанной с развитием. IEEE транс. Мед. визуализация 39, 3944–3954. 10.1109/TMI.2020.3008382 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Лю Т., Ли Х., Чжао С. (2019). Кластеризация поиском по убыванию и автоматический поиск пиков плотности. IEEE-доступ 7, 133772–133780. 10.1109/ACCESS.2019.2939437 [CrossRef] [Google Scholar]
• Ömeroglu H., Tatlici E., Kose N. (2020). Значение асимметрии кожных складок паха и бедер при дисплазии тазобедренного сустава в развитии: результаты сравнительного исследования. Дж. Педиатр. Ортоп. 40, е761–е765. 10.1097/BPO.0000000000001531 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Пауэлл Дж., Гибли Р.Ф., Фолк Л.В., Кэрри П., Майер С.В., Селберг С.М. (2020). Может ли визуализация eos заменить обычную рентгенографию при измерении морфологии вертлужной впадины в молодом диспластическом тазобедренном суставе? Педиатр. Ортоп. 40, 294–299. 10.1097/BPO.0000000000001545 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Роннебергер О., Фишер П., Брокс Т. (2015). U-net: сверточные сети для сегментации биомедицинских изображений, в Lecture Notes in Computer Science, eds N. Navab, J. Homegger, W. Wells, and A. Frangi (Мюнхен: Springer; ), 234–241. [Академия Google]
• Симона В., Клаус В. (2014). Измерения и классификации в скелетно-мышечной радиологии. Дж. Магн. Резон. визуализация 40, 248–249. 10.1002/jmri.24618 [CrossRef] [Google Scholar]
• Wei Q., ​​Han J., Jia Y., Zhu L., Zhang S., Lu Y. и др. (2020). Подход для полностью автоматической оценки угла шейки бедра по рентгенограммам.

  No related posts.