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

 

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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.

• References

• 1 Dachverband Deutschsprachiger Wissenschaftlicher Gesellschaften für Osteologie. DVO-Guideline 2006 for Prevention, Clinical Assesssment and Treatment of Osteoporosis for Women after Menopause, for Men after Age 60. http://www.lutherhaus. de/osteo/leitlinien-dvo/index.php
  Google Scholar
• 2 Pfeilschifter J. DVO-Guideline for prevention, diagnosis, and therapy of osteoporosis for women after menopause, for men after age 60. Executive summary guidelines. Exp Clin Endocrinol Diabetes 2006; 114: 611-622.
  PubMedGoogle Scholar
• 3 Ensrud KE, Nevitt MC, Palermo L. et al. What proportion of incident morphometric vertebral fractures are clinically diagnosed and vice versa?. J Bone Miner Res. 1999 14. (S1): S138.
  Google Scholar
• 4 Nevitt MC, Ettinger B, Black DM. et al. The association of radiographically detected vertebral fractures with back pain and function: a prospective study. Ann Intern Med 1998; 128: 793-800.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 5 Delmas PD, van de Langerijt L, Watts NB. et al. IMPACT Study Group. Underdiagnosis of vertebral fractures is a world wide problem: the IMPACT study. J Bone Miner Res. 2005 20. 557-563 Epub 2004 Dec 6..
  PubMedGoogle Scholar
• 6 Gehlbach S, Bigelow C, Heimisdottir M. et al. Recognition of vertebral fracture in a clinical setting. Osteoporos Int 2000; 11: 577-582.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 7 Kim N, Rowe BH, Raymond G. et al. Underreporting of vertebral fractures on routine chest radiography. Am J Roentgenol 2004; 182: 297-300.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 8 Mui LW, Haramati LB, Alterman DD. et al. Evaluation of vertebral fractures on lateral chest radiographs of inner-city postmenopausal women. Calcif Tissue Int 2003; 73: 550-554.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 9 Mueller D, Isbary M, Boehm H. et al. Recognition of osteoporosis-related vertebral fractures on chest radiographs in postmenopausal women. RSNA. 2004 305..
  PubMedGoogle Scholar
• 10 Radmer S, Andresen R. Evidence of vertebral body fractures in the thoracic radiograph. Osteologie 2003; 12: 247-251.
  CrossrefGoogle Scholar
• 11 Black DM, Cummings SR, Stone K. et al. A new approach to defining normal vertebral dimensions. J Bone Miner Res 1991; 06: 883-892.
  Google Scholar
• 12 Li J, Wu CY, Jergas M, Genant HK. Comparison of semiquantitative and quantitative methods for assessment of vertebral fractures. In: Christiansen C. Fourth International Symposium on Osteoporosis and Consensus Development Conference. Hong Kong: Gardiner-Caldwell; 1993
  Google Scholar
• 13 Leidig-Bruckner G, Genant HK, Minne HW. et al. Comparison of a semiquantitative and a quantitative method for assessing vertebral fractures in osteoporosis. Osteoporos Int 1994; 04: 154-161.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 14 Grados F, Roux C, Vernejoul MC. et al. Comparison of four morphometric definitions and a semiquantitative consensus reading for assessing prevalent vertebral fractures. Osteoporos Int 2001; 12: 716-722.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 15 Melton 3rd LJ, Lane AW, Cooper C, Eastell R, O’Fallon WM, Riggs BL. Prevalence and incidence of vertebral deformities. Osteoporos Int 1993; 03: 113-119.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 16 Melton 3rd LJ. Epidemiology of vertebral fractures. In: Christensen C, Johansen JS, Riis B. Osteoporosis: Proceedings of the Copenhagen international symposium. 1987
  Google Scholar
• 17 McCloskey EV, Spector TD, Eyres KS. et al. The assessment of vertebral deformity: a method for use in population studies and clinical trials. Osteoporos Int 1993; 03: 138-147.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 18 Minne HW, Leidig G, Wüster C. et al. A newly developed spine deformity index (SDI) to quantitate vertebral crush fractures in patients with osteoporosis. Bone Miner 1988; 03: 335-349.
  Google Scholar
• 19 Genant HK, Wu CY, Kuijk C, Nevitt MC. Vertebral fracture assessment using semiquantitative technique. J Bone Miner Res 1993; 08: 1137-1148.
  Google Scholar
• 20 Blake GM, Rea JA, Fogelman I. Vertebral morphometry studies using dual energy X-ray absorptiometry. Semin Nucl Med 1997; 27: 276-290.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 21 Genant HK, Li J, Wu CY, Shepherd JA. Vertebral fractures in osteoporosis: a new method for clinical assessment. J Clin Densitom 2000; 03: 281-290.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 22 Greenspan SL, von Stetten E, Emond SK. et al. Instant vertebral assessment. J Clin Densitom 2001; 04: 373-380.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 23 Rea JA, Chen MB, Li J. et al. Morphometric X-ray absorptiometry and morphometric radiography of the spine: a comparison of prevalent vertebral deformity identification. J Bone Miner Res 2000; 15: 564-574.
  PubMedGoogle Scholar
• 24 Smyth PP, Taylor CJ, Adams JE. Vertebral shape: automatic measurement with active shape models. Radiology 1999; 211: 571-578.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 25 Harvey SB, Hutchison KM, Rennie EC. et al. Comparison of the precision of two vertebral morphometry programs for the Lunar Expert-XL imaging densitometer. Br J Radiol 1998; 71: 388-398.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 26 Zamora G, Sari-Sarraf H, Long R. Hierarchical segmentation of vertebrae from X-ray images. Proceedings of SPIE 2003; Med Imaging: Image Processing 2003; 5032: 631-642.
  Google Scholar
• 27 Howe B, Gururajan A, Sari-Sarraf H. et al. Hierarchical segmentation of cervical and lumbar vertebrae using a customized generalized hough transform and extensions to active appearance models. Proc IEEE 6th SSIAI 2004; 182-186.
  Google Scholar
• 28 Roberts M, Cootes TF, Adams JE. Vertebral morphometry: semiautomatic determination of detailed shape from dual-energy X-ray absorptiometry images using active appearance models. Invest Radiol 2006; 41: 849-859.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 29 de Bruijne M, Nielsen M. Image segmentation by shape particle filtering. Proceedings of International Conference on Pattern Recognition 2004; 722-725.
  Google Scholar
• 30 Guglielmi G, Brett A, Haslam J. et al. Vertebral assessment by plain X-ray films: accuracy and precision of an automatic software. ESSR Conference. 2004
  PubMedGoogle Scholar
• 31 Banzer D, Kraemer U, Grosswendt C. et al. Intraand interobserver variability of a semiquantitative and a digital morphometric method for assessment of vertebral fractures in clinical practice. ESSR Conference. 2004
  PubMedGoogle Scholar
• 32 Guglielmi G, Stoppino LP, Placentino MG. et al. Reproducibility of a semi-automatic method for 6-point vertebral morphometry in a multi-centre trial. Eur J Radiol. 2007 doi:10.1016/j.ejrad.2007.09.040..
  PubMedGoogle Scholar
• 33 Bundesärztekammer Leitlinien der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik. Deutsches Ärzteblatt 1995; 92: A2272-A2285.
  Google Scholar
• 34 Gardner JC, Ingersleben G, Heyano SL, Chesnut CH. An interactive tutorial-based training technique for vertebral morphometry. Osteoporos Int 2001; 12: 63-70.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 35 MorphoXpress→ Technical white paper. Image Metrics PLC, Stockport. www.image-metrics.com. 2005
  Google Scholar
• 36 Wu CY, Li J, Jergas M, Genant HK. Comparison of semiquantitative and quantitative techniques for the assessment of prevalent and incident vertebral fractures. Osteoporos Int 1995; 05: 354-370.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 37 Genant HK, Jergas M. Assessment of prevalent and incident vertebral fractures in osteoporosis research. Osteoporos Int 2003; 14: 43-55.
  Google Scholar
• 38 Cootes TF, Taylor CJ. Statistical models of appearance for medical image analysis and computer vision. Proc SPIE Med Imaging 2001; 03: 138-147.
  Google Scholar
• 39 Eastell R, Cedel SL, Wahner HW. et al. Classification of vertebral fractures. J Bone Miner Res 1991; 06: 207-215.
  Google Scholar
• 40 Fletcher H. Anterior vertebral wedging – frequency and significance. Am J Roentgenol 1947; 57: 232-238.
  Google Scholar
• 41 Barnett E, Nordin BEC. The radiological diagnosis of osteoporosis: a new approach. Clinical Radiology 1960; 02: 166-174.
  Google Scholar
• 42 Hurxthal LM. Measurement of anterior vertebral compressions and biconcave vertebrae. Am J Roentgenol Radium Ther Nucl Med 1968; 103: 635-644.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 43 Ferrar L, Jiang G, Adams J, Eastell R. Identification of vertebral fractures: An update. Osteoporos Int 2005; 16: 717-728.
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 44 Gardner JC, Heyano SL, Yaffe LG. et al. A semi-automated computerised system for fracture assessment of spinal X-ray films. Proc SPIE Medical Imaging 1996; 2710: 996-1008.
  Google Scholar