科學研究

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

矯形治療是中度AIS患者的重要非手術治療方法， 而側彎的脊柱對初始矯正的反應對於確定長期治療效果至關重要。 更靈活的脊柱的矯正效果普遍較好，因此脊柱靈活性已被用於預測初始矯形有效性。 這項研究用Scolioscan測量病人在四種姿勢（不包含站姿）中的脊柱靈活性，包括仰臥、俯臥、坐姿時橫向彎曲和俯臥時橫向彎曲，並以此預測矯正效果。

(a) 站立 (b) 仰臥 (c) 俯臥 (d) 坐姿時橫向彎曲 (e) 俯臥時橫向彎曲

主要研究結果

• 俯臥姿勢下的脊柱靈活性與初始矯正的效果具有最高的相關性 (r = 0.75)
• 在按側彎的嚴重程度和位置劃分的組別中，未觀察到相關性的明顯差異。

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)

青少年特發性脊柱側彎（AIS）的輕度時期（Cobb angle < 20°）被假定為干預以防止病情惡化的重要時期。 這項研究旨在通過使用Scolioscan檢查脊柱的靈活性，從而對輕度AIS進行分類。 在這項研究中，90名輕度AIS患者（Cobb angle 18.2 ± 6.4°）在同一天進行Scolioscan及X光的脊柱掃描。 對於每個病例，臨床醫生測量了Cobb angle，並將主要側彎曲線設為基準真相。 每位患者均由Scolioscan以三個姿勢掃描：直立站立，向左彎曲，及向右彎曲。 輕度AIS分類（m-Lenke）以倫克（Lenke）分類作為參考，因應輕度病例情況對原有分類做出修改。 Scolioscan掃描後，分類結果根據X光基準作評估。

m-Lenke分類詳情

主要研究結果

• 與X光相比，70.1% 的患者具有相同的曲線分類結果，而72.0% 的患者具有正確的主要曲線檢測。
• 腰椎為主的曲線與X光的分類匹配度表現突出（m-Lenke 類型 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.

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

Scolioscan Air是一套便攜式脊柱側彎評估系統。 這套系統包含一支掃描探頭，當中包括帶手柄的外殼、一個寬度為75毫米、中頻為7.5MHz的線性超聲模組、一個用於獲取探頭三維空間定位數據的光學傳感器，以及一台安裝有專爲Scolioscan Air編寫的應用程式的平板電腦。應用程式内可進行數據收集、處理、三維重建成像及測量。 這項研究比較了經過有效性驗證的專業Scolioscan系統（型號：SCN801）和新型Scolioscan Air系統（型號：SCN201）掃描測量的側彎角度。

主要研究結果

• 便攜式Scolioscan Air系統的測量結果與專業Scolioscan系統相約。
• Scolioscan Air與專業Scolioscan的評估結果具有高相關性 （R² = 0.78）。
• Scolioscan Air與Scolioscan系統的平均差值為 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.

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

Scolioscan系統主要由線性超聲波探頭（中央頻率為7.5 MHz，7.5厘米寬）組成，並附有電磁空間感測器，以監測探頭的相應位置和方向。 三維影像重建方法創建了具有更多橫向特徵的冠狀面影像，協助角度測量。 本研究通過使用Scolioscan對青少年特發性脊柱側彎（AIS）患者進行側彎角度測量，並將其與放射學的Cobb angle進行對比，評估了Scolioscan的可靠性及有效性。 患者被要求在同一天進行超聲波掃描和EOS X光成像。

測量放置點的示意圖

主要研究結果

Scolioscan的可靠性

• 測量者及操作者内信度高：ICC ≥ 0.973
• 測量者及操作者間信度高： ICC ≥ 0.925
• 總體平均絕對差 （MAD） ≤ 3.5°；測量標準誤 （SEM） ≤ 1.7°

Scolioscan的有效性

• Scolioscan測量角度與EOS X光的Cobb angle具有高度相關性，在胸段（R²=0.893）和胸腰段（R²=0.884）的角度相關性較高。
• Scolioscan與X光的測量差異小（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 different coronal angles using ultrasound imaging in adolescent idiopathic scoliosis (2018)

在脊柱的超聲波成像中，棘突（SPs）和橫突（TPs）都用於測量冠狀面畸形。 這兩種標志都提供了與傳統Cobb angle相關，有關側彎嚴重程度的可靠數據。 然而，目前對於利用棘突或橫突來測量脊柱側彎更合適，超聲醫學界尚未有定論。 此項研究探討了三種Scolioscan角度測量方法（1. 自動測量SP角度； 2. 手動測量SP角度； 3. 手動測量TP角度）在冠狀面測量的可靠性，以及相比X光Cobb angle的有效性。

X光 Cobb angle (A); 自動測量SP角度 (B); 手動測量SP角度 (C); 手動測量TP角度 (D)

主要研究結果

• 三種測量方法均呈現卓越的內部和外部可靠性（ICC=0.84-1.00）
• 三種測量方法的角度與Cobb angle的線性相關性均甚佳（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.

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

此研究的目的是測試Scolioscan針對青少年特發性脊柱側彎（AIS）測量的可靠性，及其相比金標準（放射學Cobb angle）的有效性。 研究調查了（1）兩個Scolioscan操作員及三個測量者之間的內部和外部可靠性：（2） Scolioscan測量角度與站立放射學（於Scolioscan評估前三個月內進行）Cobb angle之間的相關性。 研究中，Scolioscan的脊柱側彎角度是基於體積投影圖像的中線測量的，該中線陰影代表棘突的位置。

測量示意圖

主要研究結果

• 測量者及操作者内信度高，ICC分別為 0.94-0.99 和 0.88-0.97。
• 測量者及操作者間信度高，分別為 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)

本研究創建並交叉驗證了使用 AIS 患者的Scolioscan測量結果預估Cobb angle的方程式。 70名AIS患者於同日接受脊柱直立放射和超聲波掃描，並以比例4：1被分爲方程創建組（n=54）及方程驗證組（n=16）。 基於棘突陰影的超聲波角度由Scolioscan自動測量。 研究員根據方程創建組的測量結果分別爲胸椎及腰椎的側彎創建方程：預期的Cobb 角度=回歸係數×超聲角度，隨後在驗證組中交叉驗證。

主要研究結果

• 線性回歸分析後的方程：胸椎Cobb angle=1.43x超聲角度（R²=0.968）；腰椎Cobb angle=1.23×超聲角度（R²=0.923）
• 根據方程預估的驗證組Cobb angle與實際測量的Cobb angle具有高相關性： 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系統基於棘突角度 （SPA） 進行自動測量。 雖然以超聲SPA測量脊柱側彎曲率的報告取得了不俗的結果，但基於其轉化應用準確性的循證說明仍未被確定。 這項前瞻性研究探究了放射Cobb angle及Scolioscan SPA測量上脊和下脊柱側彎曲線之間的相關性。 此研究涉及952名特發性脊柱側彎患者（75.7%為女性，平均年齡為16.7歲 ± 3.0歲，Cobb angle 28.7 ± 11.6°）。 脊柱的超聲波掃描與 EOS 放射成像在同一天進行。

主要研究結果

• 在放射圖像中識別到的曲線中，88.1% （1432/1625） 同樣由Scolioscan自動測量識別。
• 在Scolioscan檢測到的1432條曲線中，Cobb angle和Scolioscan SPA之間有顯著相關性（皮爾森積動差相關係數 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.

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

研究已證明，三維超聲成像能夠克服二維超聲在可視化和分析三維器官時的局限性。 使用空間追蹤設備的徒手成像是獲取三維圖像的方法之一，超聲波探頭以任意方式手動移動，從而獲得一系列二維圖像（B超圖像）。 本研究旨在於B超影像三維重建過程中采用中值濾波，以減少插值誤差，並提高三維超聲波系統中的三維圖像質量。 研究使用了四種演算法，包括標準中位數 （SM）、高斯加權中位數 （GWM） 和兩種類型的距離加權中位數 （DWM） 過濾器來過濾噪音和計算體積像素的強度。

B超圖像轉換至坐標系統以進行三維重建

主要研究結果

• 與體素近鄰 （VNN） 和距離加權 （DW） 插值方法相比，四個中值濾波在從原始 B超序列中刪除 1/4 到 5 張圖像時，分別將插值誤差降低了 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)

基於對椎骨解剖結構的認知，研究人員研發了在超聲波量投影成像（VPI）中對脊柱側彎角度進行自動測量的方法。 它使用全新的雙重閾值策略從VPI圖像中提取椎骨特徵，並從相位一致性中獲取有關對稱與不對稱的數據。 從細分的脊骨區域檢測到棘突輪廓後，進一步提取代表脊柱輪廓的曲線。 最後，脊柱側彎角度會根據曲線中拐點自動計算。 該演算法在不同程度脊柱側彎的志願者上進行了評估。

自動演算法的流程

主要研究結果

• 根據棘突位置的自動及手動測量結果之間具有顯著線性相關性。 平均差為2.6度。
• 與X光Cobb angle具有顯著線性相關性 （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，提出了體積投影成像（VPI）圖像中自動檢測脊柱曲線的方法。 然而，其他脊骨特徵的存在帶來了局限性，例如限制了測量的精準度。 此項研究提出的自動測量方法是基於對棘突幾何排列的事先瞭解，克服了以往的的局限性。 log-Gabor濾波器的頻寬經過自適應調整，以計算定向相位一致性，促進棘突陰影輪廓的細分。 脊柱側彎角度最終根據細分脊柱剖面上的曲線拐點進行計算。 自動測量方法的表現在不同脊柱側彎角度的患者的脊柱VPI圖像上進行評估。

(a) 原始 VPI-SP 圖像。 (b) 使用直方圖均衡化增强對比度。 (c) 使用log-Gabor濾波器 σ_f = 0.1 的相位一致性。 (d) 使用log-Gabor濾波器 σ_f = 0.15的相位一致性。 (e) 棘突陰影輪廓的的細分 (f) 脊柱曲線檢測和脊柱曲率測量的最終結果。

主要研究結果

• 自動測量所得的側彎角度與手動方法（r = 0.90，p < 0.001）和 X 光Cobb angle（r = 0.87，p < 0.001）均具有高線性相關性。

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)

若想要獲取冠狀面和矢狀面的放射圖像，以進行全面的脊柱側彎評估，需拍攝兩張X光。 研究人員開發出一種新的投影成像方法（SPI），從單個超聲波體積數據集中獲取脊柱的冠狀面和矢狀面的圖像。 該方法從不同深度的冠狀面圖像中衍生脊柱曲線開始，構建非平面表面，然後使用平均混合函數呈現矢狀面脊柱。 三十名脊柱側彎患者接受了超聲掃描及矢狀面的X光檢查，用以評估此方法的表現。

矢狀面投影圖像生成的流程

主要研究結果

• 在冠狀面和矢狀面上，超聲波投影圖像中的脊柱解剖與X光放射圖中顯示的脊柱解剖均非常一致。
• SPI 和放射圖的脊柱側彎測量之間呈現高線性相關性（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),.