Development of a new three-dimensional system for evaluating spine deformities - Spine3D

Introdução: Escoliose é definida como um complexo desalinhamento tridimensional da coluna vertebral na qual há o aparecimento de uma curvatura lateral no plano coronal, normalmente associada com o aplanamento das curvaturas no plano sagital e rotação vertebral em seu eixo longitudinal. O padrão ouro para seu diagnóstico e monitoramento é a medida radiográfica pelo ângulo de Cobb, que possui como principais desvantagens o fato de não avaliar as curvas em três dimensões e expor os pacientes, principalmente os que estão em fase de crescimento, a consideráveis doses de radiação. Objetivo: Esta pesquisa teve como objetivo principal o desenvolvimento de um sistema de avaliação e representação da coluna vertebral em três dimensões, capaz de possibilitar ao usuário a análise quantitativa dos desvios da coluna vertebral nos planos coronal, sagital e transverso. São objetivos secundários estimar a precisão e a exatidão do sistema proposto, e avaliar a sua aplicabilidade a partir de um estudo de caso. Métodos: O Sistema desenvolvido, denominado de Spine 3D, é baseado no uso do controle de videogame Wiimote para rastrear LEDs infravermelhos que compõe um marcador multiplanar em uma cena, e tem como objetivo reconstruir em um ambiente 3D a pose das vértebras torácicas e lombares e, com isto, obter as variáveis angulares e de translação que descrevem seu alinhamento nos planos coronal, sagital e transverso. O experimento para a avaliação da exatidão e precisão consistiu em posicionar o marcador a 50 centímetros de distância do Wiimote, ambos alinhados em um mesmo plano. O marcador foi transladado em intervalos de 10 mm e rotacionado em 5°, 10°, 20° e 30° nos eixos X, Y e Z, com auxílio de um inclinômetro e um paquímetro digital. Os dados foram coletados a 100 Hz. A exatidão foi calculada comparando os resultados encontrados pelo sistema com os valores obtidos pelo inclinômetro e paquímetro digital. A precisão foi calculada a partir do desvio-padrão dos pontos coletados. Resultados: A exatidão média do sistema foi de 0,90° e 0,78mm. A precisão média do sistema foi de 0,62° e 0,42mm. Para o ângulo de Cobb na escoliose, a exatidão e precisão foram de 1,46° e 1,72°, e para a cifose torácica e lordose lombar, a exatidão e precisão foram de 2,82° e 1,60°, respectivamente. Durante o estudo de caso, a diferença entre o Spine3D e a radiografia, para o ângulo de Cobb foi de 1,3° para escoliose curva torácica e 2,24° para escoliose curva lombar. Conclusão: O sistema mostrou ter boa exatidão e precisão após os testes de validação interna. O estudo de caso sugere que a técnica possui potencial para aplicação clínica na avaliação dos desvios da coluna vertebral em três dimensões.Introduction: Scoliosis is a complex three-dimensional malalignment of the vertebral column in which there is lateral curvature of the spine in the coronal plane, usually associated with flattening of the contour in the sagittal plane and rotation of the vertebrae around their longitudinal axes. Routine clinical analysis of the scoliotic spine is currently based on the radiographic measurement of Cobb angle. Although considered as the golden standard, it has the disadvantage of look over only the two-dimensional aspects of the curve and, over a period of years, the patient will be exposed to a large dose of radiation, especially in early onset curves. There is evidence that this may increase the risk of developing several types of cancer. Objective: This paper describes a new low-cost and radiation-free system to evaluate the three-dimensional aspects of scoliosis, and its concurrent validation in terms of accuracy and precision. Its applicability was tested in a case study. Methods: The system, named Spine3D, has the ability to track an infrared beacon equipped with LEDs (IRLED) to reconstruct the pose of each lumbar and thoracic vertebra in 3D space. The system also calculates the spine alignment to the coronal, sagittal and transverse planes. For accuracy and precision evaluation of the system, the beacon was positioned 50 cm away from the IR camera (Wiimote), aligned with in the same plane. The beacon was increasingly translated at 10 mm intervals and rotated at 5°, 10°, 20° and 30° on all three axes. The capture achieved rate was of 100 Hz roughly and accuracy was calculated comparing the results of Spine3D, digital paquimeter and digital inclinometer. Precision was considered as the standard deviation of the collected data. Results: The average accuracy obtained for the system is 0.90° and 0.78 mm, with precision of 0.62° and 0.42 mm. For Cobb angle calculations in coronal plane, accuracy and precision were of 1.46° and 1.72°, and for thoracic kyphosis and lumbar lordosis, the values were 2.82° and 1.60°. During the case study, the difference between the Cobb angle measured by Spine3D and radiography was 1.3° for thoracic scoliosis curve and 2.24° for lumbar scoliosis curve. Conclusion: The Spine3D system offers a non-invasive and radiation-free alternative for three-dimensional spine assessment and representation. Future studies should indicate if the measures taken by the Spine3D system have correlation with the Cobb angle measured by other methods