科研文献

产品应用

– An effective assessment method of spinal flexibility to predict the initial in-orthosis correction on the patients with adolescent idiopathic scoliosis (AIS) (2017)

矫形治疗是中度AIS患者的重要非手术治疗方法, 而侧弯的脊柱对初始矫正的反应对于确定长期治疗效果至关重要。 更灵活的脊柱的矫正效果普遍较好,因此脊柱灵活性已被用于预测初始矫形有效性。 这项研究用Scolioscan测量病人在四种姿势(不包含站立)中的脊柱灵活性,包括仰卧、俯卧、坐姿时横向弯曲和俯卧时横向弯曲,并以此预测矫正效果。

(a) 站立 (b) 仰臥 (c) 俯臥 (d) 坐姿时横向弯曲 (e) 俯卧时横向弯曲

主要研究结果

  • 俯卧姿势下的脊柱灵活性与初始矫正的效果具有最高的相关性 (r = 0.75)
  • 在按侧弯的严重程度和位置划分的组别中,未观察到相关性的明显差异。

引文

He, C., To, M., Cheung, J., Cheung, K., Chan, C., Jiang, W., Zhou, G., Lai, K., Zheng, Y. and Wong, M., 2017. An effective assessment method of spinal flexibility to predict the initial in-orthosis correction on the patients with adolescent idiopathic scoliosis (AIS). PLOS ONE, 12(12), p.e0190141.

– A novel classification method for mild adolescent idiopathic scoliosis using 3D ultrasound imaging (2021)

青少年特发性脊柱侧弯(AIS)的轻度时期(Cobb angle < 20°)被假定为干预以防止病情恶化的重要时期。 这项研究旨在通过使用Scolioscan检查脊柱的灵活性,从而对轻度AIS进行分类。 在这项研究中,90名轻度AIS患者(Cobb angle 18.2 ± 6.4°)在同一天进行Scolioscan及X光的脊柱扫描。 对于每个病例,临床医生测量了Cobb angle,并将主要侧弯曲线设为基准真相。 每位患者均由Scolioscan以三个姿势扫描:直立站立,向左弯曲,及向右弯曲。 轻度AIS分类(m-Lenke)以伦克(Lenke)分类作为参考,根据轻度病例情况对原有分类做出修改。 Scolioscan扫描后,分类结果根据X光基准作评估。

m-Lenke分类

m-Lenke分类详情

主要研究结果

  • 与X光相比,70.1% 的患者具有相同的曲线分类结果,而72.0% 的患者具有正确的主要曲线检测。
  • 腰椎为主的曲线与X光的分类匹配度表现突出(m-Lenke 类型 5,p = 0.91, r = 0.91)。

引文

Yang, D., Lee, T., Lai, K., Wong, Y., Wong, L., Yang, J., Lam, T., Castelein, R., Cheng, J. and Zheng, Y., 2021. A novel classification method for mild adolescent idiopathic scoliosis using 3D ultrasound imaging. Medicine in Novel Technology and Devices, 11, p.100075.

技术评估

– Validation of Scolioscan Air-Portable Radiation-Free Three-Dimensional Ultrasound Imaging Assessment System for Scoliosis (2021)

Scolioscan Air是一套便携式脊柱侧弯评估系统。 这套系统包含一支扫描探头,当中包括带手柄的外壳、一个宽度为75毫米、中频为7.5MHz的线性超声模组、一个用于获取探头三维空间定位数据的光学传感器,以及一台安装有专为Scolioscan Air编写的应用程式的平板电脑。应用程式内可进行数据收集、处理、三维重建成像及测量。 这项研究比较了经过有效性验证的专业Scolioscan系统(型号:SCN801)和新型Scolioscan Air系统(型号:SCN201)扫描测量的侧弯角度。

主要研究结果

  • 便携式Scolioscan Air系统的测量结果与专业Scolioscan系统相近。
  • Scolioscan Air与专业Scolioscan的评估结果具有高相关性 (R2 = 0.78)。
  • Scolioscan Air与Scolioscan系统的平均差值为 2.9 ± 1.8 度。

引文

Lai, K., Lee, T., Lee, M., Hui, J. and Zheng, Y., 2021. Validation of Scolioscan Air-Portable Radiation-Free Three-Dimensional Ultrasound Imaging Assessment System for Scoliosis. Sensors, 21(8), p.2858.

– A reliability and validity study for different coronal angles using ultrasound imaging in adolescent idiopathic scoliosis (2018)

在脊柱的超声波成像中,棘突(SPs)和横突(TPs)均用于测量冠状面畸形。 这两种标志都提供了与传统Cobb angle相关,有关侧弯严重程度的可靠数据。 然而,目前对于利用棘突或横突来测量脊柱侧弯更合适,超声医学界尚未有定论。 此项研究探讨了三种Scolioscan角度测量方法(1. 自动测量SP角度; 2. 手动测量SP角度; 3. 手动测量TP角度)在冠状面测量的可靠性,以及相比X光Cobb angle的有效性。

3 种测量方法

X光 Cobb angle (A); 自动测量SP角度 (B); 手动测量SP角度 (C); 手动测量TP角度 (D)

主要研究结果

  • 三种测量方法均呈现卓越的内部和外部可靠性(ICC=0.84-1.00)
  • 三种测量方法的角度与Cobb angle的线性相关性均甚佳(R2=0.970-0.992)

引文

Brink, R., Wijdicks, S., Tromp, I., Schlösser, T., Kruyt, M., Beek, F. and Castelein, R., 2018. A reliability and validity study for different coronal angles using ultrasound imaging in adolescent idiopathic scoliosis. The Spine Journal, 18(6), pp.979-985.

– 3D ultrasound imaging provides reliable angle measurement with validity comparable to X-ray in patients with adolescent idiopathic scoliosis (2021)

Scolioscan系统主要由线性超声波探头(中央频率为7.5 MHz,7.5厘米宽)组成,并附有电磁空间感测器,以监测探头的相应位置和方向。 三维影像重建方法创建了具有更多横向特征的冠状面影像,协助角度测量。 本研究通过使用Scolioscan对青少年特发性脊柱侧弯(AIS)患者进行侧弯角度测量,并将其与放射学的Cobb angle进行对比,评估了Scolioscan的可靠性及有效性。 患者被要求在同一天进行超声波扫描和EOS X光成像。

手动测量

测量放置点的示意图

主要研究结果

Scolioscan的可靠性

  • 出色的测量者及操作者内信度:ICC ≥ 0.973
  • 出色的测量者及操作者间信度: ICC ≥ 0.925
  • 总体平均绝对差 (MAD) ≤ 3.5°;测量标准误 (SEM) ≤ 1.7°

Scolioscan的有效性

  • Scolioscan测量角度与EOS X光的Cobb angle具有高度相关性,在胸段(R2=0.893)和胸腰段(R2=0.884)的角度相关性较高。
  • Scolioscan与X光的测量差异小(ICC ≥ 0.933),MAD ≤ 3.0°,SEM ≤ 1.5°

引文

Lee, T., Lai, K., Cheng, J., Castelein, R., Lam, T. and Zheng, Y., 2021. 3D ultrasound imaging provides reliable angle measurement with validity comparable to X-ray in patients with adolescent idiopathic scoliosis. Journal of Orthopaedic Translation, 29, pp.51-59.

– A reliability and validity study for Scolioscan: a radiation-free scoliosis assessment system using 3D ultrasound imaging (2016)

此研究的目的是测试Scolioscan针对青少年特发性脊柱侧弯(AIS)测量的可靠性,及其相比金标准(放射学Cobb angle)的有效性。 研究调查了(1)两位Scolioscan操作员及三位测量者之间的内部和外部可靠性:(2) Scolioscan测量角度与站立放射学(于Scolioscan评估前三个月内进行)Cobb angle之间的相关性。 研究中,Scolioscan的脊柱侧弯角度是基于体积投影图像的中线测量的,该中线阴影代表棘突的位置。

棘突测量示例

测量示意图

主要研究结果

  • 测量者及操作者内信度高,ICC分别为 0.94-0.99 和 0.88-0.97。
  • 测量者及操作者间信度高,分别为 0.88-0.93 和 0.87-0.94。

引文

Zheng, Y., Lee, T., Lai, K., Yip, B., Zhou, G., Jiang, W., Cheung, J., Wong, M., Ng, B., Cheng, J. and Lam, T., 2016. A reliability and validity study for Scolioscan: a radiation-free scoliosis assessment system using 3D ultrasound imaging. Scoliosis and Spinal Disorders, 11(1).

– Cross validation of ultrasound imaging in adolescent idiopathic scoliosis (2020)

本研究创建并交叉验证了使用 AIS 患者的Scolioscan测量结果预估Cobb angle的方程。 70名AIS患者于同日接受脊柱直立放射和超声波扫描,并以比例4:1被分为方程创建组(n=54)及方程验证组(n=16)。 基于棘突阴影的超声波角度由Scolioscan自动测量。 研究员根据方程创建组的测量结果分别为胸椎及腰椎的侧弯创建方程:预期的Cobb 角度=回归系数×超声角度,随后在验证组中交叉验证。

主要研究结果

  • 线性回归分析后的方程:胸椎Cobb angle=1.43x超声角度(R2=0.968);腰椎Cobb angle=1.23×超声角度(R2=0.923)
  • 根据方程预估的验证组Cobb angle与实际测量的Cobb angle具有高相关性: 胸椎R2=0.959;腰椎R2=0.936

引文

de Reuver, S., Brink, R., Lee, T., Zheng, Y., Beek, F. and Castelein, R., 2020. Cross-validation of ultrasound imaging in adolescent idiopathic scoliosis. European Spine Journal, 30(3), pp.628-633.

– Is Radiation-Free Ultrasound Accurate for Quantitative Assessment of Spinal Deformity in Idiopathic Scoliosis (IS): A Detailed Analysis with EOS Radiography on 952 Patients (2019)

Scolioscan系统基于棘突角度 (SPA) 进行自动测量。 虽然以超声SPA测量脊柱侧弯曲率的报告取得了不俗的结果,但基于其转化应用准确性的循证说明仍未被确定。 这项前瞻性研究探究了放射Cobb angle及Scolioscan SPA测量上脊和下脊柱侧弯曲线之间的相关性。 此研究涉及952名特发性脊柱侧弯患者(75.7%为女性,平均年龄为16.7岁 ± 3.0岁,Cobb angle 28.7 ± 11.6°)。 脊柱的超声波扫描与 EOS 放射成像在同一天进行。

主要研究结果

  • 在放射图像中识别到的曲线中,88.1% (1432/1625) 同样由Scolioscan自动测量识别。
  • 在Scolioscan检测到的1432条曲线中,Cobb angle和Scolioscan SPA之间有显著相关性(皮尔森积动差相关系数 r = 0.816)。

引文

Wong, Y., Lai, K., Zheng, Y., Wong, L., Ng, B., Hung, A., Yip, B., Chu, W., Ng, A., Qiu, Y., Cheng, J. and Lam, T., 2019. Is Radiation-Free Ultrasound Accurate for Quantitative Assessment of Spinal Deformity in Idiopathic Scoliosis (IS): A Detailed Analysis With EOS Radiography on 952 Patients. Ultrasound in Medicine & Biology, 45(11), pp.2866-2877.

技术研发

– Volume reconstruction of freehand three-dimensional ultrasound using median filters (2008)

研究已证明,三维超声成像能够克服二维超声在可视化和分析三维器官时的局限性。 使用空间追踪设备的徒手成像是获取三维图像的方法之一,超声波探头以任意方式手动移动,从而获得一系列二维图像(B超图像)。 本研究旨在于B超影像三维重建过程中采用中值滤波,以减少插值误差,并提高三维超声波系统中的三维图像质量。 研究使用了四种演算法,包括标准中位数 (SM)、高斯加权中位数 (GWM) 和两种类型的距离加权中位数 (DWM) 过滤器来过滤噪音和计算体积像素的强度。

b超图像重建

B超图像转换至坐标系统以进行三维重建

主要研究结果

  • 与体素近邻(VNN) 和距离加权(DW) 插值方法相比,四个中值滤波在从原始B超序列中删除1/4 到5 张图像时,分别将插值误差降低了8.0-24.0 % 和1.2-21.8%。

引文

Huang, Q. and Zheng, Y., 2008. Volume reconstruction of freehand three-dimensional ultrasound using median filters. Ultrasonics, 48(3), pp.182-192.

– Automatic Measurement of Spine Curvature on 3-D Ultrasound Volume Projection Image With Phase Features (2017)

基于对椎骨解剖结构的认知,研究人员研发了在超声波量投影成像(VPI)中对脊柱侧弯角度进行自动测量的方法。 它使用全新的双重阈值策略从VPI图像中提取椎骨特征,并从相位一致性中获取有关对称与不对称的数据。 从细分的脊骨区域检测到棘突轮廓后,进一步提取代表脊柱轮廓的曲线。 最后,脊柱侧弯角度会根据曲线中拐点自动计算。 该演算法在不同程度脊柱侧弯的志愿者上进行了评估。

流程图

自动演算法的流程

主要研究结果

  • 根据棘突位置的自动及手动测量结果之间的线性相关性显著。 平均差為2.6度。
  • 与X光Cobb angle的线性相关性显著 (斜率 = 0.94,r = 0.83)。

引文

Zhou, G., Jiang, W., Lai, K. and Zheng, Y., 2017. Automatic Measurement of Spine Curvature on 3-D Ultrasound Volume Projection Image With Phase Features. IEEE Transactions on Medical Imaging, 36(6), pp.1250-1262.

– Automating spine curvature measurement in volumetric ultrasound via adaptive phase features (2019)

以往的研究中,提出了体积投影成像(VPI)图像中自动检测脊柱曲线的方法。 然而,其他脊骨特征的存在,限制了测量的精准度等方面。 此项研究提出的自动测量方法是基于对棘突几何排列的事先了解,突破了以往的限制。 log-Gabor滤波器的频宽经过自适应调整,以计算定向相位一致性,促进棘突阴影轮廓的细分。 脊柱侧弯角度最终根据细分脊柱剖面上的曲线拐点进行计算。 自动测量方法的表现在不同脊柱侧弯角度的患者的脊柱VPI图像上进行评估。

流程图

(a) 原始 VPI-SP 图像。 (b) 使用直方图均衡化增强对比度。 (c) 使用log-Gabor滤波器 σf = 0.1 的相位一致性。 (d) 使用log-Gabor滤波器 σf = 0.15 的相位一致性。 (e) 棘突阴影轮廓的的细分 (f) 脊柱曲线检测和脊柱曲率测量的最终结果。

主要研究结果

  • 自动测量所得的侧弯角度与手动方法(r = 0.90,p < 0.001)和 X 光Cobb angle(r = 0.87,p < 0.001)具有高线性相关性。

引文

Zhou, G., Li, D., Zhou, P., Jiang, W. and Zheng, Y., 2019. Automating Spine Curvature Measurement in Volumetric Ultrasound via Adaptive Phase Features. Ultrasound in Medicine & Biology, 46(3), pp.828-841.

– Ultrasound Sagittal Projection Imaging for the Assessment of Scoliosis (2020)

若想要获取冠状面和矢状面的放射图像,以进行全面的脊柱侧弯评估,需拍摄两张X光,增加辐射暴露。 研究人员开发出一种新的投影成像方法(SPI),从单个超声波体积数据集中获取脊柱的冠状面和矢状面的图像。 该方法从不同深度的冠状面图像中衍生脊柱曲线开始,构建非平面表面,然后使用平均混合函数呈现矢状面脊柱。 三十名脊柱侧弯患者接受了超声扫描及矢状面的X光检查,用以评估此方法的表现。

矢状面图像生成的流程

矢状面投影图像生成的流程

主要研究结果

  • 在冠状面和矢状面上,超声波投影图像中的脊柱解剖与X光放射图中显示的脊柱解剖均非常一致。
  • SPI 和放射图的脊柱侧弯测量之间呈现高线性相关性(斜率 = 0.93,r = 0.85,p < 0.001)

引文

Li, D., Zhou, G., He, Y., Zhou, P., He, S. and Zheng, Y., 2020. Ultrasound Sagittal Projection Imaging for the Assessment of Scoliosis. 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS),.

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