Shape model-based semi-automatic morphometric assessment of vertebral deformities in clinical practice

Summary

Background

The accurate and clear reporting of vertebral fractures in routine clinical practice is essential to ensure that patients with osteoporosis receive appropriate treatment to prevent the occurrence of further fractures. A statistical shape model-based vision system for semi-automated morphometry called MorphoXpress® has been developed and needs to be tested in routine clinical practice.

Purpose

This multi-centre medical practice evaluation pilot study compared the degree of agreement between two methods to detect vertebral body deformities in routine clinical practice: qualitative visual evaluation of conventional lateral thoracic and lumbar spine radiographs as a “gold standard” and the MorphoXpress® semi-automatic software system for vertebral morphometry.

Patients and methods

This pilot study was performed in seven participating osteo-centers in Germany. The analysis included 223 ambulatory patients with 446 conventional lateral thoracic (n = 223) and lumbar (n = 223) spine radiographs showing 2676 vertebrae from T5 to L4. Qualitative visual radiograph evaluation was performed by clinician experts, who classified vertebral shape as fractured or not fractured. MorphoXpress® was used for quantitative assessment of vertebral height in digitized radiographs by localising all morphometric points within the set range of vertebrae based on a statistical model-based vision system. Using the interactive tools in Morpho Xpress→, clinicians could refine the positions of morphometric points to their satisfaction. Agreement between the two methods was analyzed.

Results

Using qualitative visual radiograph evaluation, clinicians recognised fractures in 92 (41.3 %) patients while quantitative evaluation with MorphoXpress®with interactive manual corrections detected fractures in 85 (38.1 %) patients. Distribution of fractures was comparable using the two methods. The Morpho Xpress→ system alone identified 76 % of the fractured vertebrae correctly. This result was improved to 98 % using additional manual corrections by the clinician once. The overall mean time needed for MorphoXpress® fracture morphometric assessment of vertebral fractures in clinical practice took 13 minutes and 36 seconds.

Conclusions

Quantitative measurement using the current version of the MorphoXpress® software system for vertebral morphometry in combination with qualitative interactive corrections by clinicians seems to be a valuable tool for assessment and follow-up documentation of osteoporotic vertebral deformities in patients without severe scoliosis in epidemiological studies and clinical drug trials only. Currently the technique is too timeconsuming and only after significant improvement of the procedure time and following appropriate training for physicians, MorphoXpress® vertebral morphometry could be a valuable tool in daily routine clinical use for osteoporotic patients.

Zusammenfassung

Hintergrund

Die akkurate Befundung von Wirbelkörperfrakturen in der klinischen Routine Praxis ist essenziell, damit Patienten mit Osteoporose die notwendige Behandlung zur Vermeidung von weiteren Frakturen erhalten. MorphoXpress®, ein statistisches Form modell-gestütztes Visions-System zur halbautomatischen Wirbelkörper-Morphometrie, wurde entwickelt und soll in der klinischen Anwendung getestet werden.

Ziel

Diese erste deutsche multizentrische Anwendungsbeobachtung vergleicht den Grad der Übereinstimmung zweier Methoden zur Erkennung von Wirbelkörperdeformitäten: Qualitative visuelle Auswertung von konventionellen lateralen Brust und Lendenwirbelsäulen Röntgenaufnahmen als „Goldstandard” versus MorphoXpress®, einem halbautomatischen Software-System zur Wirbelkörper Morphometrie.

Patienten und Methoden

Die Pilotstudie wurde in sieben osteologischen Zentren in Deutschland durchgeführt. Die Analyse schloss 223 ambulante Patienten mit 446 konventionellen lateralen Brust (n = 223) und Lendenwirbelsäulen Röntgenaufnahmen (n = 223) mit 2676 Wirbelkörpern von BWK 5 bis LWK 4 ein. Die qualitative visuelle Auswertung der Röntgenbilder wurde von klinisch tätigen Ärzten durchgeführt, die Wirbelkörper als frakturiert oder nicht frakturiert klassifizierten. MorphoXpress® wurde zur quantitativen Evaluation der Wirbelkörperhöhe in digitalisierten Röntgenaufnahmen genutzt, indem morphometrische Punkte innerhalb der ausgewählten Wirbelkörper in einem statistischen Formmodell gestützten Visionssystem gesetzt wurden. Beim Gebrauch des interaktiven MorphoXpress®-Systems konnten die klinischen Anwender die Positionen der morphometrischen Punkte revidieren. Die Übereinstimmung zwischen beiden Methoden wurde analysiert.

Resultate

Bei der qualitativen visuellen Auswertung der Röntgenaufnahmen entdeckten die klinischen Untersucher Frakturen bei 92 (41,3 %) Patienten während bei der Evaluation mittels MorphoXpress® kombiniert mit interaktiven manuellen Korrekturen bei 85 (38,1 %) Patienten Frakturen festgestellt wurden. Die Verteilung der Frakturen war vergleichbar bei beiden Methoden. Das MorphoXpress®-System alleine identifizierte 76 % der frakturierten Wirbelkörper richtig. Dieses Ergebnis wurde durch zusätzliche einmalige manuelle Korrekturen durch die klinischen Untersucher auf 98 % verbessert. Der zeitliche Mittelwert in der klinischen Anwendung für die morphometrische Erfassung der Wirbelkörperfrakturen mittels Morpho Xpress→ betrug 13 Minuten und 36 Sekunden.

Schlussfolgerungen

Die quantitative Auswertung mit der aktuellen Version des Morpho Xpress→-Software-Systems zur Wirbelkörper Morphometrie in Verbindung mit qualitativen interaktiven Korrekturen der klinischen Untersucher scheint nur ein nützliches Instrument zur Erfassung und zur Followup Dokumentation von osteoporotischen Wirbelkörperdeformationen bei Patienten ohne ausgeprägte Skoliose in epidemiologischen und klinischen Therapiestudien zu sein. Gegenwärtig ist die Methode zu zeitintensiv. Nur nach deutlichen Verbesserungen der Prozesszeit und nur nach Teilnahme an einem Anwendertraining könnte die Wirbelkörper-Morphometrie mit MorphoXpress® hilfreich in der klinischen Routine-Anwendung bei osteoporotischen Patienten sein.

Patienten und Methoden

Die Pilotstudie wurde in sieben osteologischen Zentren in Deutschland durchgeführt. Die Analyse schloss 223 ambulante Patienten mit 446 konventionellen lateralen Brust(n = 223) und Lendenwirbelsäulen-Röntgenaufnahmen (n = 223) mit 2676 Wirbelkörpern von BWK 5 bis LWK 4 ein. Die qualitative visuelle Auswertung der Röntgenbilder wurde von klinisch tätigen Ärzten durchgeführt, die Wirbelkörper als frakturiert oder nicht frakturiert klassifizierten. MorphoXpress® wurde zur quantitativen Evaluation der Wirbelkörperhöhe in digitalisierten Röntgenaufnahmen genutzt, indem morphometrische Punkte innerhalb der ausgewählten Wirbelkörper in einem statistischen Formmodell-gestützten Visionssystem gesetzt wurden. Beim Gebrauch des interaktiven MorphoXpress®-Systems konnten die klinischen Anwender die Positionen der morphometrischen Punkte revidieren. Die Übereinstimmung zwischen beiden Methoden wurde analysiert.

Resultate

Bei der qualitativen visuellen Auswertung der Röntgenaufnahmen entdeckten die klinischen Untersucher Frakturen bei 92 (41,3 %) Patienten während bei der Evaluation mittels MorphoXpress® kombiniert mit interaktiven manuellen Korrekturen bei 85 (38,1 %) Patienten Frakturen festgestellt wurden. Die Verteilung der Frakturen war vergleichbar bei beiden Methoden. Das MorphoXpress→-System alleine identifizierte 76 % der frakturierten Wirbelkörper richtig. Dieses Ergebnis wurde durch zusätzliche einmalige manuelle Korrekturen durch die klinischen Untersucher auf 98 % verbessert. Der zeitliche Mittelwert in der klinischen Anwendung für die morphometrische Erfassung der Wirbelkörperfrakturen mittels MorphoXpress→ betrug 13 Minuten und 36 Sekunden.

Schlussfolgerungen

Die quantitative Auswertung mit der aktuellen Version des MorphoXpress→-Software-Systems zur Wirbelkörper-Morphometrie in Verbindung mit qualitativen interaktiven Korrekturen der klinischen Untersucher scheint nur ein nützliches Instrument zur Erfassung und zur Followup-Dokumentation von osteoporotischen Wirbelkörperdeformationen bei Patienten ohne ausgeprägte Skoliose in epidemiologischen und klinischen Therapiestudien zu sein. Gegenwärtig ist die Methode zu zeitintensiv. Nur nach deutlichen Verbesserungen der Prozesszeit und nur nach Teilnahme an einem Anwendertraining könnte die Wirbelkörper-Morphometrie mit MorphoXpress→ hilfreich in der klinischen Routine-Anwendung bei osteoporotischen Patienten sein.

Keywords

Vertebral fracture - spine - osteoporosis - digital computerised vertebral morphometry

Schlüsselwörter

Wirbelfraktur - Wirbelsäule - Osteoporose - digitale vertebrale Morphometrie

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