Рентген позвоночника с функциональными пробами


диагностика спины с функциональными пробами

Общие показания

Основанием для посещения специалиста являются боли в зоне позвоночника. И в таком случае врач, проведя первичный осмотр, должен назначить рентгенографию.

Проведение рентгена позвоночника на современном оборудовании

Далее рассмотрим особенности показаний для каждого отдела позвоночника:

  • Рентген шейного отдела позвоночника проводится в том случае, если пациент жалуется на головокружения при повороте шеи, быстрых наклонах головы. Также рентген назначается при появлении болей.

Важно! Рентген шейного отдела выполняется в двух проекциях. В некоторых случаях для того, чтобы получить наибольшую информацию о заболевании, снимок может быть осуществлен через открытый рот больного.

  • Рентгенография грудного отдела осуществляется при возникновении у пациента болезненных ощущений в области груди при повороте или наклоне. Особенность такого снимка заключается в том, что он выполняется в трех позициях: спереди, сбоку и сзади. Исследовав снимки, врач-рентгенолог передает их вертебрологу, который и назначает пациенту курс лечения.
  • Рентген поясничного отдела позвоночника проводится при болях в области поясницы. Процедура требует обязательных подготовительных мероприятий. Потому пациенту следует знать особенности подготовки к данным исследованиям.

Совет! Основным моментом подготовки является временное исключение из рациона тех продуктов питания, которые способны привести к скоплению в кишечнике газов. К ним относится капуста, молоко, бобы, картофель, ржаной хлеб и т. д. Подробнее о списке запрещенных продуктов следует узнавать у лечащего врача.

Рентген пояснично-крестцового отдела позвоночника и копчика имеет те же требования, что и предыдущий вид процедур.

Особенности подготовки

Прохождение рентгенографического исследования требует от пациента определенной подготовки. Для того, чтобы подготовиться к диагностике, ему следует выполнить следующие действия:

  • Соблюдать диету, предписанную лечащим врачом.
  • Произвести очистку кишечника.
  • Осуществлять исследование строго натощак.

В большинстве случаев проходить рентген следует строго натощак

Стеноз шейного отдела позвоночника вызывают дегенеративно-дистрофические поражения межпозвонковых дисков и суставов. Они изменяют структуру суставов и дисков, что приводит к появлению стеноза — сужения спинномозгового канала.

Стеноз у детей проявляется из-за врожденных проблем позвоночника, у взрослых он связан с возрастными изменениями и заболеваниями позвоночника

3798 0

Важно! Рентген позвоночника следует осуществлять только при предварительной очистке кишечника. Дело в том, что скопление кишечных газов может стать существенной преградой для рентгеновских лучей. Потому полученное в итоге изображение может не обладать достаточной четкостью. Это является очень важным при выполнении рентгена поясничного отдела, перед чем пациенту обязательно ставится очистительная клизма.

  • Также, как уже говорилось, перед процедурой пациенту следует соблюдать диетическое питание, исключив из рациона газообразующие продукты.
  • Для того, чтобы снимок получился более ясным, специалисты рекомендуют своим пациентам употреблять после приема пищи специальные лекарственные средства с ферментным действием, а также активированный уголь.

Противопоказания рентгенографии

Рентген позвоночника может быть разрешен не каждому пациенту. Для проведения данной процедуры существует целый ряд противопоказаний:

  • Беременность, поскольку рентгеновские лучи могут оказать негативное воздействие на плод.

Делать рентген беременным нежелательно, поскольку присутствует риск навредить ребенку

  • Большой вес тела, поскольку результаты могут искажаться вследствие ожирения.
  • Чрезмерная нервозность пациента, которая может помешать ему оставаться в неподвижном состоянии на время снимка. В результате этого получаются смазанные снимки.

Важно! Рентген не подходит тем пациентам, у которых часто появляются растяжения, поскольку в таких случаях выявить заболевание мягких тканей является невозможным.

Какие задачи ставит перед собой рентгенография

Основными задачами современной рентгенографии являются:

  • Диагностика происходящих в суставах патологических процессов.
  • Возможность установить истинную причину часто возникающих болей в спине, ногах и руках, онемения, бессилия.
  • Определение формы искривления позвоночника.

Искривление позвоночника, запечатленное на рентгеновском снимке

  • Выявление различных травм позвоночного столба, которые могут присутствовать у пациента, а также вывихов и переломов.
  • Изучение позвоночных артерий в послеоперационный период, а также последствий вывиха и перелома.
  • Возможность определить врожденные изменения позвоночника у грудных детей.

Важно! Перед проведением диагностики врачу следует уточнить у женщины, не беременна ли она, поскольку рентгеновские лучи могут оказывать негативное влияние на плод. В случае, если рентген требуется беременной женщине, то на ее живот укладывается просвинцованный фартук, который позволит снизить негативное влияние.

Как проводится исследование

Прежде, чем пройти рентген, пациенту следует снять одежду до пояса, включая и украшения. После этого человек должен расположиться на специальном столе рентгеновского аппарата.

В большинстве случаев при проведении процедуры пациент лежит на боку или спине. Снимки, выполняемые под наклоном, нужны значительно реже. Если патология касается стойкости хребта, то наиболее целесообразным будет выполнение рентгена поясничного отдела в двух проекциях: при наклоне вперед и назад.

Для исследования крестцово-подвздошного и тазобедренного сустава больной также ложится на стол рентгеновского аппарата. При этом врачом делается до 5 снимков, при которых больной должен оставаться недвижимым, дабы получить высокую точность результата. Вся процедура занимает не более четверти часа.

Современный рентген-аппарат

Для пациента процесс диагностики является абсолютно безболезненным. Единственный риск рентгенологического исследования заключается в воздействии на организм пациента радиации, однако такое влияние является незначительным.

Что такое рентген с функциональными пробами

В настоящее время данный тип рентгенографии является наиболее востребованным среди исследований опорно-двигательной системы. Благодаря простоте данной процедуры, она с успехом используется для диагностики большого количества патологических процессов.

Функциональная проба — это дополнительный компонент или условие, которое позволяет получить большее количество информации о состоянии внутренних органов пациента.

Рентген поясничного отдела с функциональными пробами

Важно! В современной медицине насчитывается довольно много видов функциональных проб, однако широкого применения достигли лишь базовые.

Функциональные пробы могут быть разделены на три вида и применяться как комплексно, так и в отдельности. Рассмотрим их особенности:

  • Механические пробы. Широко используются в исследованиях опорно-двигательной системы и мышц. Чаще всего предполагают чрезмерное сгибание-разгибание конечности или позвоночника, однако в некоторых случаях может быть использована проба с фиксацией или грузом. Позволяет сделать снимки областей, которые полностью не визуализируются в нормальном положении тела.
  • Медикаментозные пробы. Являются наиболее распространенными и часто используемыми. Посредством медикаментозных проб определяется особенность работы и функциональная активность ткани или органа. Поскольку исследования проводятся в реальном времени, то они позволяют определить реакцию организма на введенный препарат и длительность действия конкретных медикаментов.

Снимки, сделанные по технологии рентген-контрастных проб

  • Рентген-контрастные пробы. Условно называются пробами, поскольку основным их предназначением является проявление видимости тех образований, которые невозможно разглядеть на обычном рентгеновском снимке. Например, рентген-контрастные пробы используются для определения контуров сосудов и протоков. Их плюсами является простота проведения и возможность значительного расширения границ исследования.

Важно! Для того, чтобы получить наиболее достоверные результаты, специалисты проводят медикаментозные пробы вместе с введением контрастного вещества.

Противопоказания к проведению рентген-исследований с функциональными пробами

Несмотря на то, что такие пробы считаются абсолютно безвредными, существуют случаи, когда от их проведения лучше всего будет воздержаться. И в первую очередь это касается пациентов с индивидуальной непереносимостью компонентов, входящих в состав препарата, или с запретом на физические нагрузки. К примеру, при наличии осколочных переломов костей и выраженной сердечной недостаточности проводить рентген шейного отдела с функциональными пробами следует очень аккуратно, дабы не ухудшить течение основного заболевания.

Контрастные пробы также запрещены пациентам с открытой язвой желудка или двенадцатиперстной кишки, в особенности когда планируется введение жирорастворимых контрастов.

Рекомендуем прочитать про методы денситометрии позвоночника в дополнение к данной статье.

Рентген шейного отдела делается в вертикальном положении

Заключение

Сегодня рентген является основным методом диагностирования патологий позвоночника. При этом существует целый ряд методик, позволяющих определить нарушение в том или ином отделе, а для некоторых процедур требуется еще и предварительная подготовка. При правильном подходе рентген является безвредным для человеческого организма и практически не имеет противопоказаний.

Поделитесь этой страницей в одной из социальных сетей:

Рентген поясничного отдела позвоночника: препарат, на котором показано

Рентгеновские снимки показывают изменения структуры костной ткани позвонков (переломы, переломы, износ, истончение и деформацию костей и хрящевой ткани), различные патологии позвоночника (искривление, сужение, смещение позвонков, кисты, воспалительные процессы), предполагают наличие новообразований, грыж и деформаций амортизирующих дисков между позвонками.

По данным рентгенографии можно диагностировать пояснично-крестцовый остеохондроз, остеопороз, радикулит, спондилолистез, перелом, разрыв диска, костные шпоры и другие наросты.Изредка, как единичные находки, диагностируются патологические процессы, не связанные с заболеваниями позвоночника.

Индивидуально, сделав снимки в необходимых проекциях и имея определенные жалобы, врач может назначить дополнительные исследования. Рентген поясничного отдела позвоночника с функциональными пробами позволяет оценить общий объем движений в этой области. Это исследование необходимо при частичном или полном ограничении моторики частей тела у пациента, связанном с патологией данной локализации.

[19], [20], [21], [22]

Описание рентгеновского снимка поясничной области

На снимке, соответствующем норме, видимая часть нижнего отдела позвоночника должна быть гладкой, без искривлений, количество позвонков, их форма и размер также должны соответствовать необходимым параметрам, целостности структур костной ткани не следует беспокоить, окружая позвоночник мягкими тканями без припухлости.

Рентгеновский снимок выявляет признаки серьезных заболеваний позвоночника или заставляет предположить неприятности и указывает локализацию патологического процесса.

Изображение выполнено в черно-белой цветовой гамме с участками разной интенсивности. Кости - самые светлые, почти белые, прозрачные образования, а мягкие ткани видны очень плохо, так как рентгеновские лучи проходят через них практически полностью. На снимке хорошо видны переломы - они выглядят как темные трещины неправильной формы (трещины), пересекающие кость, в местах перелома могут быть смещения - несовпадения линий боковых краев кости. Сколиоз визуализируется на изображении как асимметричное расположение позвоночника (отклонение в обе стороны).

Поясничный остеохондроз диагностируют по таким признакам, как уменьшение просвета между позвонками, в которых расположен межпозвоночный диск. Из-за вертикальности у человека нагрузка на нижние отделы позвоночника самая высокая, они вынуждены постоянно ее амортизировать при беге, прыжках, ходьбе. Именно на уровне поясничной области в первую очередь выявляются патологические изменения.

На наличие остеохондроза указывает также наличие компенсаторных дегенеративных изменений в виде остеофитов (краевых выростов на теле позвонка), образующихся в местах необратимого (хронического) поражения связок позвоночника.

Осложнение остеохондрозного спондилеза визуализируется на снимке в виде клювовидных наростов, соединяющих соседние позвонки.

Также заметно снижение плотности костной ткани позвонков, в местах пониженной плотности пленка выделяется сильнее, и эти участки становятся более темными (серыми вместо белого).

Стадии заболевания также можно определить по рентгеновскому снимку: первая соответствует уменьшению межпозвонковой щели до высоты, не превышающей 1/3 высоты позвонка; второй - до половины.Третья степень соответствует оставшемуся размеру межпозвонковой щели, составляющем не более трети высоты тела позвонка.

На рентгенограмме можно увидеть люмбаризацию первого крестцового позвонка (S1). Эта патология проявляется как дополнительный фрагмент позвоночника, отделенный от основной оси просветом. Врожденный дефект, обычно обнаруживаемый случайно на рентгенограмме. Это одна из причин люмбаго, сколиоза и раннего остеохондроза. При этом первый крестцовый позвонок частично или полностью отделяется от крестца, становясь шестым поясничным (в норме их пять).

Сакрализация пятого поясничного позвонка (L5) показывает, что поясничных позвонков недостаточно. Их четыре вместо пяти и отсутствуют фасеточные суставы, что тоже приводит к раннему остеохондрозу, вызванному повышенной нагрузкой на оставшиеся из-за отсутствия позвонка.

Грыжа поясничного отдела позвоночника определяется по наличию некоторых косвенных признаков. Его существование скорее можно заподозрить, чем точно определить. При грыже поражаются мягкие ткани, поэтому на рентгенограмме не видно.Проанализируйте и сравните фронтальные и боковые снимки. Предположим, что грыжа может образоваться, если позвонки выглядят как высокоинтенсивные крупные образования прямоугольной формы со слегка вогнутыми сторонами и закругленными углами. Боковая проекция показывает наличие остеофитов. Опытные рентгенологи анализируют контуры позвонков, расстояние между ними, интенсивность прохождения лучей по костной ткани, но ошибка все же возможна - такие признаки могут указывать на вывихи и переломы, новообразования, сколиоз и кифоз.

Иногда на рентгеновском снимке можно увидеть затемнения с резкими округлыми контурами, что указывает на возможное наличие опухолей (не обязательно позвоночника, в этой зоне также могут проецироваться другие). Участки более темного цвета с размытыми нечеткими границами могут быть интерпретированы как отек воспаленных тканей. Тем не менее, ни один врач точно не подскажет, что означает затемнение на рентгене в области поясницы. Требуются дополнительные исследования.

[23], [24], [25], [26], [27]

.

Рентген шейного отдела позвоночника: что показывают функциональные пробы

Рентген доступен для всех категорий населения. Метод диагностики, который показывает структуру костей и помогает выявить аномалии развития, дегенеративные изменения. Незаменим при травмах позволяет быстро оценить характер повреждений. Рентгенография шейного отдела позвоночника - ведущий метод исследования патологии этого региона. Конечно, с появлением КТ и МРТ его нельзя считать наиболее информативным.Однако рентген остается популярным на начальном этапе диагностики.

Однако при исследовании структур не из кости - межпозвонковых дисков, связок, мышц, спинного мозга - необходимо прибегать к дополнительным методам. На рентгенограмме шеи видны только позвонки, о состоянии остальных анатомических структур можно судить только по косвенным признакам. Есть, конечно, исследование с введением рентгеноконтрастных веществ под паутинную оболочку (миелография), позволяющее увидеть на рентгеновском снимке спинного мозга.Однако в настоящее время этот метод заменяется более безопасным и информативным КТ и МРТ.

Рентген шеи позволяет выявить травматические повреждения позвонков, пороки развития, опухоли и патологии межпозвонковых дисков (например, остеохондроз). Таким образом, показаниями для данного вида исследований являются:

  • Подозрение на травму шеи.
  • Нарушение подвижности или деформация (искривление) шейного отдела позвоночника.
  • Боль в шее.
  • Признаки поражения шейного отдела позвоночника, возникшие на фоне некоторых инфекционных заболеваний (например, туберкулеза).
  • Головная боль, головокружение, особенно возникающие при наклонах и поворотах головы.
  • Боль в верхних конечностях, причину установить не удалось (может возникнуть при шейном остеохондрозе).

С-позвоночник практически не имеет противопоказаний. Единственное исключение - беременность, однако в экстренных случаях (например, травма позвоночника) это исследование проводится с использованием мер защиты плода от радиации. Детский рентген шеи можно делать с первых дней жизни.Специальных обучающих исследований не требуется. Бесплатно в поликлинике по месту жительства или платно в частных диагностических центрах.

При рентгенографии шейного отдела позвоночника доза облучения равна 0,2 или 0,03 мЗв для пленочной или цифровой рентгенографии соответственно.

Как делается снимок?

  • Видео. Больной стоит или лежит, руки вдоль тела, рот закрыт. Линия от окклюзионных поверхностей зубов до вершины сосцевидного отростка перпендикулярна кассете.Луч рентгеновского излучения направляется под углом 15-20 ° к щитовидному хрящу и проходит параллельно линии от нижней челюсти до кончика сосцевидного отростка (основания черепа).

Эта проекция позволяет увидеть позвоночник со стороны III шейного позвонка. Кости основания черепа и нижней челюсти замыкаются перед конструкцией. Для их просмотра дополнительно нужно через открытый рот. Пациент в положении лежа или стоя. Линия от нижнего края верхних резцов до основания черепа направлена ​​перпендикулярно кассете.Рентгеновский луч проходит через центр рта. Направление относительно кассеты перпендикулярно.

Рассмотрите возможность выполнения рентгенографии шейных позвонков в двух основных проекциях:

  • Сторона. Выполняется при вертикальном (стоя или сидя) и горизонтальном (лежа на спине) положении пациента. Плечо прижато к тесьме, подбородок несколько выдвинут вперед. Луч рентгеновского излучения направлен на IV шейный позвонок и перпендикулярен кассете.

Условия получения фото высокого качества:

  1. Все украшения и другие предметы с шеи пациента подняты.
  2. Пациент неподвижен во время выполнения рисунка, не дышит и не совершает глотательных движений.

Если рентген шеи назначен маленькому ребенку, вам может потребоваться помощь родителей, чтобы удерживать пациента в фиксированном положении. Через рот соблюсти, скорее всего, не получится.

Что показывает исследование?

Рентген шеи позволяет судить о состоянии позвонков и межпозвонковых дисков:

  • Травма позвоночника. На рентгенограмме видны трещины в телах и отростках позвонков, смещение костных отломков и самих позвонков. При компрессионном переломе наблюдается клиновидная деформация тела позвонка и уменьшение его высоты.
  • Костная кривошея. Из-за патологии шейных позвонков.Может быть врожденным (порок развития - клиновидный позвонок) или приобретенным в результате травмы. Рентген шейного отдела позвоночника помогает выявить заболевание и провести дифференциальный диагноз с другими вариантами кривошеи: спазматической, гипопластической, дерматогенной.
  • Пороки развития. На рентгенограмме можно увидеть изменение формы позвонков, гипоплазию дуг и отростков, появление дополнительных позвонков, шейных ребер.
  • Опухоль на рентгеновском снимке видна, если локализована непосредственно в костных структурах.Очаги разрушения в позвонках могут означать первичный рак или метастазы. Опухоль спинного мозга, не приведшая к разрушению позвонков, видна на рентгеновских снимках при введении контрастного вещества, то есть при выполнении миелографии.
  • Спондилолистез. Рентгенологические признаки патологии - смещение одного позвонка относительно соседнего вперед или в сторону.

  • Остеохондроз характеризуется уменьшением высоты межпозвонковой щели и появлением остеофитов - костных разрастаний, деструкцией замечательных пластинок тел позвонков.При рентгене с функциональными пробами можно обнаружить смещение позвонков, что свидетельствует о нестабильности дисков.

Рентген позвоночника выявляет широкий спектр заболеваний позвонков и межпозвонковых дисков. Однако в некоторых случаях для уточнения диагноза могут потребоваться более современные методы - КТ или МРТ.

Другие методы исследования шейного отдела позвоночника

Миелография и пневмонология - вариант рентгена с контрастированием. В первом случае это водорастворимые йодсодержащие вещества, во втором - воздух.В настоящее время методы не нужны, поскольку КТ и МРТ позволяют получить ту же информацию, не прибегая к процедуре введения контраста в субарахноидальное пространство.

Лучшая альтернатива, превосходящая возможности рентгена, - это КТ или МРТ. Эти методы позволяют увидеть не только кость, но и образования магадане, в том числе структуры, расположенные в позвоночном канале. Последняя визуализация при выполнении КТ хуже, чем МРТ, и требует повышения информативности введения контраста (КТ-миелография).МРТ-миелография позволяет увидеть спинной мозг без введения специальных препаратов.

.

Экзаменационный центр - диагностика, состояния позвоночника, рентген, МРТ

Если у вас есть заболевание спины или шеи, ваш врач может назначить различные тесты, чтобы увидеть то, что не видно невооруженным глазом. Как ваш врач узнает, какой тест или тесты заказать? Поговорив с вами о вашей болезни и истории болезни, боли в спине и / или шее и симптомах, а также проведя тщательное физическое и неврологическое обследование.

Шаг 1: история болезни и история болезни

Первый шаг - это ваша полная история болезни и здоровья.Подробная информация, которую вы честно предоставите, поможет вашему врачу понять ваши симптомы и проблему с позвоночником.

Шаг 2: Осмотр и экзамен

Во время медицинского осмотра врач тщательно осматривает позвоночник, уделяя особое внимание болезненным участкам и участкам с повышенной чувствительностью. Ваш диапазон движений, будь то шея или поясница, исследуется, пока вы двигаете эту область позвоночника. Например, ваш диапазон движений в пояснице можно наблюдать, когда вы наклоняетесь вперед, назад и из стороны в сторону.

Шаг 3: Неврологический осмотр

Целью неврологического обследования является оценка вашей боли / симптомов, связанных с вашей нервной системой. Например, некоторые тесты рефлекторной реакции могут указывать на слабость конечностей, которая может коррелировать с вашими симптомами.

Существует много различных типов диагностических тестов. Некоторые из них описаны ниже. Остальные перечислены в левом столбце этой страницы.

  • Рентгеновский снимок : Рентген позволяет врачу сделать снимок вашего позвоночника с разных направлений, в том числе: спереди назад, сзади вперед, когда вы наклоняетесь вперед или назад, или сбоку, когда вы стоите прямо.Однако рентгеновские лучи не очень эффективны при обнаружении мягких тканей (например, дисков, нервов).
  • МРТ (магнитно-резонансная томография) : МРТ использует магнитные и компьютерные технологии для создания подробных изображений или срезов анатомии позвоночника. МРТ показывает структуру мягких тканей, таких как диски, спинной мозг и нервы.

Компьютерная томография позволяет получить срезы позвоночника. Этот тест отличается от МРТ тем, что в нем используется излучение для получения подробных изображений.Источник фото: 123RF.com.

  • КТ (компьютерная томография) : КТ-сканирование позволяет получить срезы позвоночника. Этот тест отличается от МРТ тем, что в нем используется излучение для получения подробных изображений.
  • Миелограмма : При подозрении на компрессию спинного мозга может быть назначена миелография. В дуральный мешок позвоночника (защитную мембрану, покрывающую спинной мозг) вводится специальный контрастный краситель. После инъекции он смешивается со спинномозговой жидкостью и циркулирует по позвоночнику.Затем выполняется серия компьютерных томографов или МРТ, которые предоставляют врачу подробные изображения спинного мозга и нервных структур.
  • Сканирование костей : Ваш врач может назначить сканирование костей по разным причинам, например, чтобы узнать больше о переломе позвоночника или опухоли. Первым шагом является внутривенная (IV) инъекция радиоактивного химического вещества, называемого трассером . Через некоторое время специальная камера делает снимки скелета, чтобы определить изменения в костях.
  • Электродиагностические исследования : ЭМГ (электромиография) и NCV (скорость нервной проводимости) - это электродиагностические тесты, обычно выполняемые вместе. Исследование EMG проверяет функцию мышц, а NCV изучает функцию нервов.

Лабораторные испытания

Ваш врач может также назначить определенные анализы крови. На позвоночник поражаются различные типы воспалительных заболеваний, такие как анкилозирующий спондилит или сакроилит (нижняя часть спины и таз). Анализы крови также используются для выявления инфекций, таких как дискит, инфекция одного или нескольких межпозвонковых дисков.

Обновлено: 24.12.19

.

Измерение угла по Коббу позвоночника по рентгеновским снимкам с использованием сверточной нейронной сети

Сколиоз - это распространенное заболевание позвоночника, при котором позвоночник изгибается в сторону и, таким образом, его деформирует. Оценка кривизны является мощным показателем для оценки степени деформации сколиоза. В современной клинической диагностике стандартный метод оценки кривизны для количественной оценки кривизны осуществляется путем измерения угла Кобба, который представляет собой угол между двумя линиями, проведенными перпендикулярно верхней замыкательной пластине самого верхнего задействованного позвонка и нижней замыкательной пластине самого нижнего позвонка. участвует.Однако ручное измерение кривизны позвоночника требует значительных затрат времени и усилий, а также связанных с этим проблем, таких как различия между наблюдателями и внутри наблюдателя. В этой статье мы предлагаем автоматическую систему для измерения кривизны позвоночника с использованием переднезадних (AP) изображений рентгеновских снимков позвоночника. Из-за характеристик изображений AP view мы сначала уменьшили размер изображения, а затем использовали гистограммы проекции интенсивности по горизонтали и вертикали, чтобы определить интересующую область позвоночника, которая затем обрезается для последующей обработки.Затем границы позвоночника, центральная линия изгиба позвоночника и передний план позвоночника обнаруживаются с использованием информации об интенсивности и градиенте интересующей области, и затем применяется подход с прогрессивной пороговой обработкой для обнаружения местоположения позвонков. Чтобы уменьшить влияние несогласованного распределения интенсивности позвонков на AP-изображении позвоночника, мы применили подходы сверточной нейронной сети с глубоким обучением (CNN), которые включают U-Net, Dense U-Net и Residual U-Net, чтобы сегментируйте позвонки.Наконец, результаты сегментации позвонков реконструируются в полное сегментированное изображение позвоночника, а кривизна позвоночника рассчитывается на основе критерия угла Кобба. В экспериментах мы показали результаты сегментации и искривления позвоночника; Затем специалисты сравнили результаты с ручными измерениями. Результаты сегментации остаточной U-Net превзошли две другие сверточные нейронные сети. Односторонний тест ANOVA также продемонстрировал, что три измерения, включая ручные записи двух разных врачей, и предложенные нами результаты измерений не сильно различались с точки зрения измерения кривизны позвоночника.В перспективе предлагаемую систему можно применять в клинической диагностике, чтобы помочь врачам лучше понять степень тяжести сколиоза и для клинического лечения.

1. Введение

Позвоночник - одна из важнейших частей человеческого тела. Он обеспечивает человека многими важными функциями, например, несет вес тела и защищает спинной мозг и нервы внутри. Как показано на Рисунке 1, позвоночник состоит из 33 позвонков, которые разделены на пять областей: шейный (C1 – C7), грудной (T1 – T12), поясничный (L1 – L5), крестец (S1 – S5) и копчик ( Co1 – Co4).Верхние 24 позвонка разделены и подвижны, обеспечивая гибкость позвоночника. 9 нижних позвонков зафиксированы, 5 крестцовых позвонков слиты, образуя крестец, а 4 копчиковых позвонка обычно сливаются, образуя копчик после подросткового возраста [1].


Нормальный позвоночник должен быть прямым и располагаться по центру над тазом при осмотре спереди и сзади. Сколиоз - это состояние, при котором позвоночник неправильно изгибается влево или вправо и когда изгиб позвоночника вбок превышает 10 градусов.Позвоночник человека со сколиозом будет иметь вид C- или S-образной кривой, как показано на рисунке 2.


Симптомы, связанные со сколиозом, могут включать боль в спине или плечах, остеоартрит и даже респираторные или сердечные проблемы в тяжелых случаях. . Чтобы установить диагноз сколиоза, врач измеряет степень искривления позвоночника на изображениях, таких как рентген, компьютерная томография и МРТ. Наиболее распространенной количественной оценкой сколиоза является угол Кобба [4], который первоначально был предложен американским хирургом-ортопедом Джоном Робертом Коббом.Угол Кобба был официально принят в качестве стандартной количественной оценки сколиоза Обществом исследования сколиоза (SRS), основанным в 1966 году. Измерение угла Кобба включает оценку угла между двумя касательными верхней и нижней концевых пластин верхнего и нижнего концов. позвонка соответственно, как показано на рисунке 3. Степень тяжести сколиоза определяется с использованием угла Кобба, как показано в таблице 1. Состояние позвоночника связано с искривлением позвоночника, а не со сколиозом, когда угол Кобба меньше 10 градусов. .Угол Кобба в диапазоне от 10 до 20 градусов считается легким сколиозом. Выраженность сколиоза средняя, ​​когда угол Кобба составляет от 20 до 40 градусов. Угол Кобба больше 40 градусов указывает на тяжелый сколиоз.



Угол Кобба Определение

0 ° –10 ° Искривление позвоночника
10 ° –20 ° Легкий сколиоз
20 ° –40 ° Умеренный сколиоз
> 40 ° Тяжелый сколиоз

Текущий широко принятый стандарт диагностики и лечения сколиоза - это руководство измерение углов Кобба, которое относится к внутренней кривизне туловища позвоночника.Несмотря на то, что ручное измерение работает в течение последнего десятилетия, клиницистам сложно проводить точные измерения из-за большого анатомического разнообразия пациентов из разной возрастной группы и низкого тканевого контраста рентгеновского изображения позвоночника. Обычно это приводит к большому количеству ошибок между наблюдателем или внутри наблюдателя. Таким образом, разработка автоматизированных компьютерных измерений является важной темой исследования для обеспечения надежной и надежной количественной оценки сколиоза.

В литературе много статей, посвященных интересным актуальным темам. Giannoglou и Stylianidis [6] представили обзорную статью о вычислении угла Кобба и методах моделирования на основе изображений для измерения деформаций позвоночника. В этой статье измерение угла Кобба включает в себя обработку рентгеновского изображения, которая пытается определить расположение позвонков, чтобы вычислить угол Кобба для каждого рентгеновского изображения позвоночника в AP-проекции. В общем, последовательность обработки изображения включает следующие этапы: (а) получение изображения, (б) определение угла позвонка и (в) заключительный этап для общей оценки кривизны позвоночника.

Moura et al. [7] предложили набор методов для (1) изоляции позвоночника путем удаления других костных структур, (2) определения местоположения позвонков вдоль позвоночника с использованием метода прогрессивного порога и (3) определения боковых границ позвонков. Автор использовал древовидную структуру данных, чтобы удалить избыточную информацию и объединить слишком маленькие области. Выявленные границы позвонков использовали для измерения угла кривизны позвоночника по Коббу. Okashi et al. [8] предложили полностью автоматическое решение для сегментации позвоночника и количественной оценки кривизны по рентгеновским изображениям мышей.Их подход состоит из трех этапов: подготовка интересующей области, сегментация позвоночника и количественная оценка кривизны позвоночника. Этап предварительной обработки интересующей области включает три операции: (а) выравнивание скелета мыши, (б) обрезка области интереса и (в) уменьшение шума и улучшение обрезанной области интереса. На этапе сегментации позвоночника сначала используется метод Оцу для получения первоначальной сегментации, а затем ее дальнейшее уточнение. Уточнение сначала применяет две операции морфологии градаций серого для шляпки и топбота, чтобы уменьшить шум и максимизировать контраст.Затем граница корешка уточняется с помощью сложного итеративного процесса для определения значения высокой интенсивности для изменения пикселей границы. Наконец, методы полиномиальной аппроксимации применяются для уточнения краев корешка. Для измерения кривизны позвоночника предлагаются два разных индекса и. У этого метода были некоторые недостатки: (а) он требует сложных методов обработки изображений для сегментации позвоночника и (б) он не разделяет каждый позвонок, который не может вычислить наиболее полезную меру, а именно угол Кобба.

Mukherjee et al. [9] выбрал лучший фильтр из четырех методов шумоподавления: двусторонние фильтры [10], нелокальные фильтры средних значений [11], словари основных окрестностей, нелокальные средства фильтрации [12] и трехмерная фильтрация сопоставления блоков [13]. Из-за плохого контраста рентгенограмм для повышения контрастности изображения применялось выравнивание гистограммы, а для определения краевых точек позвонков использовался метод определения порогового значения Оцу. Наконец, преобразование Хафа [14] было использовано для обнаружения двух прямых линий верхней замыкательной пластинки самого верхнего задействованного позвонка и нижней замыкательной пластинки самого нижнего вовлеченного позвонка.Две обнаруженные линии затем использовались для нахождения углов Кобба для сравнения. Lecron et al. [15] предложили метод обучения, который сочетает в себе локальные дескрипторы масштабно-инвариантного преобразования признаков (SHIF) [16] с мультиклассовой SVM для обнаружения передних углов позвонков. Однако эти методы требуют сложных этапов обработки изображений, которые включают фильтрацию изображения, улучшение, сегментацию и извлечение признаков для получения оценки позвонка, что делает эти методы дорогостоящими с точки зрения вычислений и допускающими ошибки, вызванные вариациями рентгеновских изображений позвоночника.

Недавно глубокие сверточные нейронные сети (CNN) продемонстрировали огромный потенциал в области анализа медицинских изображений [17, 18]. В отличие от традиционных методов машинного обучения, глубокие нейронные сети не требуют каких-либо ручных функций для обучения и могут быть обучены от начала до конца для обнаружения объектов и семантической сегментации. Таким образом, сеть CNN является подходящим выбором для извлечения позвоночных областей позвоночника. В области сегментации биомедицинских изображений недавние успехи в точной сегментации изображений были достигнуты с помощью архитектуры U-Net [19].В U-Net контекстная информация распространяется на уровни повышающей дискретизации путем объединения выходных данных нижних уровней в верхние уровни, обеспечивая больше каналов функций. Аль Ариф и др. [20] применили U-Net и U-Net с учетом формы для сегментации шейных позвонков. Авторы изменили операцию кадрирования и копирования на операцию конкатенации, которая получила средний коэффициент подобия Dice (DSC) 0,9438 для U-Net и 0,944 для U-Net с поддержкой формы. Авторы также сравнили с другими методами, такими как ASM-G [21], ASM-M [22] и ASM-RF [23].Их ДСК 0,774, 0,877 и 0,883. Эти результаты показывают, что эффективность предлагаемой нами работы очень близка к работе [24] и должна быть лучше, чем вышеупомянутые методы [21–23]. Кроме того, модификации U-Net, такие как Residual U-Net [24] и Dense U-Net [25], также были применены для сегментации грудного и поясничного позвонков для сравнения.

В этой статье мы предложили автоматическую систему измерения кривизны позвоночника по рентгеновским снимкам. Блок-схема предлагаемой системы представлена ​​на рисунке 4.Предлагаемая система включает четыре этапа: выделение области позвоночника, обнаружение позвонков, сегментацию позвонков и количественную оценку кривизны позвоночника. Этап изоляции области позвоночника начинается с процедуры предварительной обработки изображения, которая включает изменение размера входного изображения и обрезку интересующей области (ROI) позвоночника. После этого применяются методы обработки изображений для обнаружения местоположения позвонков с использованием метода прогрессивного порога. Затем мы применяем сверточную нейронную сеть (CNN) для сегментации позвонков.В отличие от работы Moura et al. [7], мы использовали аналогичный механизм голосования для разделения каждого позвонка. Заключительный этап - вычисление искривления позвоночника с применением критерия измерения угла Кобба.


Остальная часть статьи организована следующим образом. Раздел 2 знакомит с предлагаемыми методами и данными экспериментов. Результаты экспериментов и обсуждение предложенной системы приведены в разделе 3. Наконец, в разделе 4 представлены выводы и будущие работы.

2. Материалы и методы
2.1. Экспериментальные материалы

Рентгеновские изображения позвоночника, использованные в экспериментах, были получены в больнице Национального университета Ченг Кунг с использованием медицинской системы визуализации EOS (компания EOS, Париж). Перед экспериментами все участники были проинформированы о целях и процедурах исследования, которые включают удаление идентификационных данных для защиты конфиденциальности и подписанные формы согласия, утвержденные институциональным советом по надзору больницы национального университета Ченг Кунг (номер IRB: A-ER-105- 013).Изображения представляют собой двумерные рентгеновские изображения позвоночника в передне-заднем виде (вид AP) в формате оттенков серого, как показано на рисунке 5, с размером ширины: от 1056 до 3028 пикселей и высоты: от 1996 до 5750 пикселей. Всего в этом исследовании было использовано тридцать пять изображений, полученных от молодых людей со сколиозом, каждое из которых изображало весь позвоночник, который включает 12 грудных и 5 поясничных позвонков для последующего процесса сегментации. Большинство рентгеновских изображений позвоночника имеют размер около 3000 × 5000 пикселей.


2.2. Предлагаемые методы
2.2.1. Изоляция области позвоночника

Этап изоляции области позвоночника применяется для определения интересующей области (ROI) позвоночника. Чтобы сделать обработку более эффективной, мы сначала уменьшаем размер всех изображений AP просмотра позвоночника до четверти от исходного размера. На этом этапе мы сфокусировались на области между грудным и поясничным позвонками (то есть от T1 до L5 позвонков) на рентгеновских изображениях позвоночника в AP-проекции. Область определяется как интересующая область позвоночника (ROI позвоночника).На рисунке 5 показаны столбцы изображения с более яркими пикселями, указывающими столбцы, в которых расположен корешок. Поэтому сначала мы выравниваем по вертикали большие структуры, включая голову, позвоночник и бедра, а затем вычисляем гистограмму интенсивности вертикальной проекции. Мы выбираем столбцы, которые находятся между средней интенсивностью плюс или минус одно стандартное отклонение в качестве левой и правой границ области интереса, как показано на рисунке 6. Еще одно интересное наблюдение из рисунка 5 заключается в том, что интенсивность позвоночника возле грудных позвонков относительно низкая, но области позвоночника более яркими.В результате мы использовали гистограмму интенсивности горизонтальной проекции для обнаружения самых низких экстремумов в качестве верхней границы области интереса и положения самого большого прерывистого положения в качестве нижней границы, как показано на рисунке 6. Обнаруженная область интереса позвоночника затем обрезается для последовательное обнаружение и сегментация позвоночника.


2.2.2. Обнаружение позвонков

После извлечения области позвоночника мы дополнительно определяем расположение позвонков на изображении ROI позвоночника. В общем, позвоночник обычно проявляется с более высокой интенсивностью в области интереса обрезанного позвоночника; следовательно, мы можем обнаружить края позвоночника, используя суммы интенсивности и градиента.Есть три шага для обнаружения позвонков: (1) обнаружение сегмента центральной линии (CLS), (2) определение границы позвоночника и (3) обнаружение позвонков. Подробности описаны ниже.

Первым шагом при обнаружении позвонков является определение сегмента центральной линии (CLS) позвонков. На этом этапе многие прямоугольные окна размером H, × W пикселей перекрываются и размещаются с шагом в один пиксель вдоль верхней части области интереса корешка слева направо.Вычисляются суммы интенсивности внутри каждого прямоугольного окна. Если одно прямоугольное окно имеет наибольшую сумму интенсивностей, верхняя средняя точка этого окна используется в качестве первой контрольной точки для CLS, как показано на рисунке 7 (а). Далее, текущее окно прямоугольник с максимальной суммой интенсивности перемещается вниз р пикселей, а затем поиск инициируется для следующей контрольной точки в интервале д пикселей на обеих его сторонах. При этом поиске выполняется сдвиг на один пиксель один раз, а затем записывается сумма интенсивности соответствующего окна.Окно с максимальной суммой значений интенсивности затем назначается текущему окну, а его верхняя средняя точка определяется как вторая контрольная точка для CLS. Подобные процедуры повторяются до тех пор, пока не будут обнаружены n контрольных точек, и затем они будут помещены в CLS методом полиномиальной аппроксимации, как показано на рисунке 7 (a).

На втором этапе определяются граничные точки позвоночника вдоль нормального направления обнаруженного сегмента центральной линии. На этом втором шаге используются два маленьких одноуровневых окна, каждое размером 11 × 5 пикселей.Пара соседних окон перемещается не более чем на на пикселей по обеим сторонам в нормальных направлениях соответствующей точки CLS, как показано на рисунке 7 (b). Верхняя середина пары соседних окон выбирается в качестве граничной точки позвоночника, когда их разница в интенсивности максимальна, как показано на рисунке 7 (b). Процедура определения границ продолжается до тех пор, пока не будут исследованы все точки КЛС. Соответствующее текущее окно конечной точки для этого CLS реконструируется для последовательного обнаружения CLS до тех пор, пока не будут найдены все границы позвоночника.Наконец, все граничные точки позвоночника с каждой стороны зависимым образом подгоняются полиномиальной подгонкой с тремя степенями к границе спины. В экспериментах задавались следующие параметры: H = 51, W = 13, p = 12, q = 10, r = 40 и n = 6.

Один раз. Получены правая и левая границы позвоночника, среднюю точку пары границы на горизонтальной линии мы рассматриваем как точку линии центральной кривой позвоночника (ЦОК).Полная линия CSC и область переднего плана позвоночника нарисованы на рисунках 8 (a) и 8 (b). Затем результаты применяются в заключительной процедуре обнаружения позвонков. Область позвоночника, ограниченная двумя ограничивающими линиями, в равной степени делится на три области: левую, среднюю и правую, как показано на рисунке 8 (c). Левая и правая области используются для создания пороговых изображений с пороговыми значениями.

На рис. 8 (г) показано изображение, на котором область позвонков всегда отображается в наиболее яркой области.Интенсивность каждого изображения обычно проецируется на линию CSC, а затем суммируется в их гистограмме проекции. Преобразованная проекция генерируется с помощью следующего уравнения: где - индекс гистограммы, то есть где - размер ячейки гистограммы. Как правило, β - это длина центральной линии позвоночника. Накопленная гистограмма представляет собой сумму всего, показанного следующим образом:

Вычисление для гистограммы P выглядит как механизм голосования; точнее, пиксели области межпозвоночного диска всегда имеют большее значение, чем пиксели позвонка.Значение гистограммы в позвонках почти всегда присваивается равным 0. Чтобы получить прямоугольную область интереса (ROI) для позвонка, мы сначала выбираем каждое резкое изменение в порядке возрастания гистограммы P в качестве начальной точки A. В общем, начальная точка всегда находится на нижней границе каждого позвонка, то есть на границе между позвонком и нижним межпозвоночным диском. Начиная с каждой точки A вдоль линий CSC, мы извлекаем субгистограмму из 15 бинов без перекрытия из соответствующей P-гистограммы.Первое обнаружение глобального максимума каждой субгистограммы указывает положение горизонтальной граничной линии области интереса соответствующих позвонков. ROI позвонков, окруженных двумя соседними горизонтальными линиями, и граница позвоночника определяется как интересующая область позвонков, как показано на рисунке 8 (d).

2.2.3. Сегментация позвонков

После этапа обнаружения позвонков мы получаем 17 интересующих областей позвонков (ROI) каждого изображения позвоночника. На изображениях позвоночника в обзоре AP интенсивность позвонков значительно различается, но в целом шейные позвонки обычно имеют низкую интенсивность, а поясничные позвонки - очень высокую.Несогласованность по интенсивности затрудняет сегментирование с использованием только простых методов обработки изображений. Таким образом, современные методы сверточной нейронной сети (CNN) стали мощной альтернативой для решения проблемы несогласованности интенсивности. По сути, CNN - это сквозной механизм, в котором входами CNN являются исходные изображения без применения какой-либо процедуры обработки изображений. Все интересующие области позвонков масштабируются как входные изображения с размером 256 × 128 пикселей для сегментации CNN.Затем мы применили три разные сверточные нейронные сети (CNN): U-Net, Residual U-Net и Dense U-Net, чтобы сегментировать позвонки и для сравнения.

U-Net основан на структуре кодер-декодер, которая была первоначально разработана и использовалась для сегментации биомедицинских изображений [19], как показано на рисунке 9.


Мы пересмотрели исходную архитектуру U-Net, чтобы она подходила для сегментация позвонка, как показано на рисунке 10. Левая сторона предлагаемой U-Net - это часть кодера, а правая сторона - часть декодера.Часть кодировщика применяет свертку и понижающую дискретизацию для извлечения информации в карты характеристик из входного изображения. Часть декодера восстанавливает карту предсказания из закодированных карт характеристик, используя повышающую дискретизацию и конкатенацию соответствующих карт характеристик со стороны кодера. В исходной U-Net операции кадрирования и копирования должны обрезать центральную область карты характеристик части кодера, а затем объединять их с соответствующей картой характеристик на этапе декодера. Однако операция посева всегда теряет важную информацию о сегментации позвонков.Чтобы избежать потери важной информации, мы заменяем исходную операцию кадрирования и копирования на операцию конкатенации в дизайне U-Nets. Подобная стратегия также была принята в других источниках [20]. Изображение ROI позвонка размером 256 × 128 пикселей было введено в сеть для сегментации.


В сверточных слоях выполнялась операция со сверткой фильтра 3 × 3, за которой следовали выпрямленный линейный блок (ReLU) [26] и пакетная нормализация (BN) [27], которая применялась как в кодере, так и в декодер часть сети.Свертка применяется обучаемыми фильтрами для извлечения функций из входного изображения.

В нашей сети свертка изображения выполняется фильтрами размером 3 × 3, шаг 1 для генерации карт характеристик. Уравнение свертки обозначается следующим образом: где и - входные и выходные данные в слое свертки, соответственно, - обучающий фильтр свертки и - смещение.

Выпрямленный линейный блок (ReLU) [26] - это своего рода функция активации, которая применяется для нелинейного преобразования для карт характеристик.ReLU обычно используется, поскольку в типичных случаях он имеет более низкие вычислительные затраты и лучшую производительность, чем другие функции активации. Функция активации ReLU выражается следующим образом: где - функция активации и представляет собой выходной сигнал сверточного слоя под весом. В сети выходные карты функций подвергаются субдискретизации или повышающей дискретизации после двух сверточных слоев.

Операция 2 × 2 max-pooling с шагом 2 применяется для понижающей дискретизации в части кодера.Целью операции объединения является понижающая дискретизация, которая используется для уменьшения размера карт функций. В этом исследовании мы используем max-pooling, который выводит максимальное значение в пределах оконных областей. Max-pooling может сделать изученные функции более надежными и снизить уровень шума. Часть декодера изменяет размер карты характеристик, используя деконволюцию при повышающей дискретизации, за которой следует свертка с размером фильтра 3 × 3, которая вдвое уменьшает количество каналов характеристик, а вывод объединяется с соответствующей картой характеристик из части кодера.На последнем слое применяется свертка фильтра 1 × 1 для сопоставления 64 каналов карты признаков с картой вероятности в диапазоне [0, 1], и результат сегментации генерируется после определения порога вероятности.

Наша следующая предлагаемая сетевая архитектура, основанная на остаточной U-Net [24], показана на рисунке 11. Архитектура остаточной U-Net подобна архитектуре U-Net, как упоминалось ранее.


Разница между U-Net и остаточной U-Net состоит в том, что остаточная U-Net заменяет стандартную операцию свертки U-Net остаточным блоком.Концепция остаточного блока, которая применяется в сети, предложена He et al. [28]. В их исследовании предложенная сеть, названная остаточной нейронной сетью, использовалась для повышения производительности сети и решения проблемы деградации. Как показано на рисунке 12, каждый остаточный блок содержит две повторяющиеся операции, которые включают пакетную нормализацию, ReLU, свертку фильтра 3 × 3 и отображение идентичности. Отображение идентичности соединяет вход с выходом блока. Каждый остаточный блок можно вычислить следующим образом: где и - вход и выход l -го остаточного блока, соответственно, - вес первой остаточной единицы, а k - количество взвешенных слоев, содержащихся в каждом остаточная единица.Это функция невязки, складывающая два сверточных слоя 3 * 3.


Плотная U-Net [25] - это архитектура U-Net, построенная из плотных блоков [29]. Архитектура плотной U-Net показана на рисунке 13.


Как известно из Residual U-Net выше, вход добавляется к выходу слоя в остаточном блоке. В плотном блоке все векторные слои соединяются, а затем вместо сложения применяется конкатенация. Каждый плотный блок можно рассчитать следующим образом: где указывает конкатенацию карт признаков, созданных в слоях 0,…, l - 1.представляет собой плотный слой, который включает пакетную нормализацию, выпрямленные линейные блоки (ReLU) и сверточный слой. Плотный блок -уровень со скоростью роста выходных карт характеристик, как показано на рисунке 14.


В наших реализациях набор данных состоял из 595 изображений позвонков. Граница каждого изображения позвонка была аннотирована клиническими экспертами. На рисунке 15 показаны изображения позвонков и соответствующие им основания для сегментации. Пятикратная перекрестная проверка использовалась для оценки эффективности сегментации U-Net, Residual U-Net и Dense U-Net.В каждом сгибе обучающие изображения были увеличены до 1000 изображений, 10% из которых были использованы в качестве изображений для проверки.

Все параметры сети CNN случайным образом инициализируются и обучаются оптимизатором Adam. Функция потерь для оптимизации сети использует функцию потерь L2-нормы путем минимизации суммы квадратов разностей между прогнозируемым результатом и истинным значением. Функция потерь рассчитывается по

.

Смотрите также

Site Footer