Luận án tiến sĩ reliability of three dimensional ultrasound parameters and their correlation with the progression of adolescent idiopathic scoliosis

Luận án tiến sĩ nghiên cứu độ tin cậy siêu âm 3D trong đánh giá vẹo cột sống vô căn ở tuổi thiếu niên. Phân tích mối tương quan với sự tiến triển bệnh.

• Tác giả: Quang N. Vo
• Người hướng dẫn: Edmond Lou
• Trường học: University of Alberta
• Chuyên ngành: Biomedical Engineering
• Đề tài: Reliability of Three-dimensional Ultrasound Parameters and Their Correlation with the Progression of Adolescent Idiopathic Scoliosis
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Alberta

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 2. CHƯƠNG 2: GIẢI PHẪU CỘT SỐNG
• 2.1. Các mặt phẳng giải phẫu của cơ thể người
• 2.2. Cấu trúc cột sống người
• 2.3. Cấu trúc các đốt sống người
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH VÀ DỰ ĐOÁN TIẾN TRIỂN CỦA AIS
• 3.1. Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh đánh giá mức độ nghiêm trọng của vẹo cột sống
• 3.1.1. Chụp cộng hưởng từ (MRI)
• 3.1.2. Chụp X-quang đa bình diện (MPR)
• 3.2. Dự đoán sự tiến triển ở bệnh nhân mắc AIS
• 4. CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO SIÊU ÂM 3D QUÉT TỰ DO VÀ XÁC ĐỊNH CẤU HÌNH TỐI ƯU
• 4.1. Hệ thống siêu âm
• 4.2. Hệ thống theo dõi vị trí và định hướng
• 4.3. Phần cứng và phần mềm máy tính
• 4.4. Phương pháp tái tạo siêu âm ba chiều
• 4.4.1. Bước a: Thu nhận dữ liệu siêu âm 3D quét tự do
• 4.4.2. Bước b: Xử lý hình ảnh
• 4.4.3. Bước c: Thiết lập khối thể tích đều
• 4.4.4. Bước d: Trực quan hóa thể tích
• 4.5. Xác định cấu hình siêu âm tối ưu để chụp đốt sống tử thi: Nghiên cứu in-vitro
• 4.5.1. Thiết lập thực nghiệm và quy trình quét
• 4.6. Xác định cấu hình siêu âm tối ưu để chụp cột sống vẹo: Nghiên cứu in-vivo
• 4.6.1. Tuyển chọn đối tượng và quy trình quét
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM IN-VITRO CẤU HÌNH TỐI ƯU TRONG CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH AIS
• 5.1. Độ chính xác của phép tái tạo 3D các đốt sống tử thi riêng lẻ
• 5.2. Đo góc xoay đốt sống trục (AVR) của các đốt sống tử thi
• 5.3. Độ chính xác và độ tin cậy của phép đo AVR, góc nghiêng và góc Cobb trên mô hình cột sống
• 5.3.1. Thiết lập thực nghiệm và quy trình quét
• 6. CHƯƠNG 6: ĐỘ LẶP LẠI IN-VIVO CỦA PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM, ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC PHÉP ĐO SIÊU ÂM VÀ TÍNH CHUẨN XÁC CỦA CÁC PHÉP ĐO GÓC COBB PA VÀ AVR
• 6.1. Độ lặp lại của phương pháp siêu âm 3D trong chẩn đoán hình ảnh vẹo cột sống
• 6.1.1. Tuyển chọn đối tượng và quy trình quét
• 6.2. Độ tin cậy của phép đo AVR, các góc Cobb và độ lệch bên
• 6.3. Tính chuẩn xác của các phép đo góc Cobb PA
• 6.4. Tính chuẩn xác của phép đo AVR
• 6.4.1. Hệ thống chẩn đoán hình ảnh EOS
• 7. CHƯƠNG 7: MỐI TƯƠNG QUAN CỦA CÁC THÔNG SỐ SIÊU ÂM 3D VỚI SỰ TIẾN TRIỂN CỦA AIS: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM
• 7.1. Thu thập dữ liệu bệnh nhân
• 7.2. Lựa chọn các biến dự đoán (biến độc lập)
• 7.3. Xây dựng mô hình dự đoán góc Cobb PMC
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ KIẾN NGHỊ
• 8.1. Tóm tắt công trình nghiên cứu
• 8.2. Hạn chế và kiến nghị cho nghiên cứu tương lai

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vẹo Cột Sống Tuổi Thiếu Niên Siêu Âm 3D

Vẹo cột sống vô căn ở tuổi thiếu niên (AIS) là một biến dạng ba chiều (3D) của cột sống với nguyên nhân chưa được biết rõ, ảnh hưởng đến 1-3% thanh thiếu niên. Nếu không được điều trị, AIS có thể tiến triển, dẫn đến đau lưng, các vấn đề về tim phổi và các lo ngại về tâm lý xã hội, cuối cùng dẫn đến can thiệp phẫu thuật. Hiện tại, góc Cobb là tiêu chuẩn vàng để đo mức độ nghiêm trọng của độ cong cột sống trên phim chụp X-quang hai chiều (2D) sau trước (PA). Tuy nhiên, phép đo 2D này có thể đánh giá thấp mức độ nghiêm trọng thực tế của vẹo cột sống, ảnh hưởng đến các quyết định điều trị. Để báo cáo mức độ nghiêm trọng thực tế, góc Cobb trên mặt phẳng có độ cong tối đa (PMC) phải được đo, yêu cầu hình ảnh cột sống 3D. Mặc dù các phương thức hình ảnh dựa trên tia X như chụp cắt lớp vi tính (CT) và chụp X-quang đa mặt phẳng cung cấp hình ảnh 3D tốt về cột sống, nhưng lượng bức xạ ion hóa tích lũy làm tăng nguy cơ ung thư. Do đó, siêu âm 3D đã được đề xuất như một phương pháp hình ảnh thay thế để đo mức độ nghiêm trọng của cột sống. Ngoài góc Cobb, góc xoay thân đốt sống (AVR) và độ lệch bên cũng được đo từ hình ảnh siêu âm.

1.1. Định Nghĩa và Tác Động của Vẹo Cột Sống Tuổi Thiếu Niên

Vẹo cột sống vô căn ở tuổi thiếu niên (AIS) là một tình trạng biến dạng cột sống 3D phức tạp, ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống của thanh thiếu niên. Tình trạng này không chỉ gây ảnh hưởng đến ngoại hình mà còn có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng hơn như đau lưng mãn tính, hạn chế hô hấp và các vấn đề tim mạch. Việc phát hiện sớm và can thiệp kịp thời là rất quan trọng để ngăn chặn sự tiến triển của bệnh và giảm thiểu tác động tiêu cực đến sức khỏe và tâm lý của người bệnh. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc đánh giá chính xác mức độ nghiêm trọng của vẹo cột sống là yếu tố then chốt trong việc đưa ra các quyết định điều trị phù hợp, từ đó cải thiện kết quả điều trị và nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

1.2. Giới Thiệu về Siêu Âm 3D trong Chẩn Đoán Vẹo Cột Sống

Siêu âm 3D nổi lên như một phương pháp hình ảnh thay thế đầy hứa hẹn trong chẩn đoán và theo dõi vẹo cột sống vô căn ở tuổi thiếu niên. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như chụp X-quang, đặc biệt là khả năng giảm thiểu phơi nhiễm bức xạ ion hóa cho bệnh nhân. Siêu âm 3D cho phép tái tạo hình ảnh cột sống 3D một cách chi tiết, từ đó giúp các bác sĩ đánh giá chính xác hơn mức độ biến dạng cột sống và đưa ra các quyết định điều trị phù hợp. Hơn nữa, siêu âm 3D là một phương pháp không xâm lấn, an toàn và có thể được thực hiện nhiều lần để theo dõi sự tiến triển của bệnh mà không gây hại cho bệnh nhân.

II. Thách Thức Chẩn Đoán Vẹo Cột Sống Góc Cobb và Bức Xạ

Hiện tại, việc chẩn đoán và theo dõi vẹo cột sống vô căn ở tuổi thiếu niên (AIS) chủ yếu dựa vào góc Cobb đo được trên phim chụp X-quang. Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế đáng kể. Thứ nhất, phim chụp X-quang chỉ cung cấp hình ảnh hai chiều (2D) của cột sống, trong khi vẹo cột sống là một biến dạng ba chiều (3D) phức tạp. Điều này có thể dẫn đến việc đánh giá không chính xác mức độ nghiêm trọng của bệnh. Thứ hai, chụp X-quang sử dụng tia X, một loại bức xạ ion hóa có thể gây hại cho sức khỏe, đặc biệt là đối với trẻ em và thanh thiếu niên. Việc tiếp xúc nhiều lần với tia X có thể làm tăng nguy cơ mắc các bệnh ung thư sau này. Do đó, cần có một phương pháp chẩn đoán và theo dõi vẹo cột sống an toàn và chính xác hơn.

2.1. Hạn Chế của Góc Cobb trong Đánh Giá Biến Dạng 3D

Góc Cobb, mặc dù là tiêu chuẩn vàng trong đánh giá vẹo cột sống, chỉ cung cấp thông tin về độ cong của cột sống trên mặt phẳng hai chiều. Điều này bỏ qua các biến dạng xoay và lệch bên, là những thành phần quan trọng của biến dạng 3D trong vẹo cột sống. Việc bỏ qua các yếu tố này có thể dẫn đến việc đánh giá sai lệch về mức độ nghiêm trọng của bệnh và ảnh hưởng đến quyết định điều trị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc đánh giá biến dạng 3D của cột sống là cần thiết để có cái nhìn toàn diện và chính xác hơn về vẹo cột sống.

2.2. Nguy Cơ Phơi Nhiễm Bức Xạ từ Chụp X Quang

Việc sử dụng tia X trong chụp X-quang là một mối quan ngại lớn đối với bệnh nhân vẹo cột sống, đặc biệt là trẻ em và thanh thiếu niên. Bức xạ ion hóa có thể gây tổn thương DNA và làm tăng nguy cơ mắc các bệnh ung thư sau này. Do đó, việc giảm thiểu phơi nhiễm bức xạ là một ưu tiên hàng đầu trong chẩn đoán và theo dõi vẹo cột sống. Các phương pháp thay thế không sử dụng bức xạ, như siêu âm 3D, đang được nghiên cứu và phát triển để giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

III. Phương Pháp Siêu Âm 3D Đánh Giá Độ Tin Cậy và Tiềm Năng

Để giải quyết những hạn chế của các phương pháp truyền thống, nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá độ tin cậy của siêu âm 3D trong việc đánh giá và dự đoán tiến triển của vẹo cột sống vô căn ở tuổi thiếu niên. Siêu âm 3D cung cấp một phương pháp không xâm lấn, không sử dụng bức xạ để tạo ra hình ảnh 3D của cột sống. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng phần mềm tái tạo hình ảnh 3D từ các ảnh 2D B-scan (B-mode images) sử dụng phương pháp tái tạo dựa trên voxel với phép nội suy song tuyến. Phần mềm này có thể đo góc xoay thân đốt sống (AVR), góc Cobb và độ lệch bên trên mặt phẳng PA và PMC.

3.1. Quy Trình Tái Tạo Hình Ảnh 3D từ Siêu Âm

Quy trình tái tạo hình ảnh 3D từ siêu âm bao gồm nhiều bước, từ thu thập dữ liệu siêu âm 2D (B-scans) đến xử lý ảnh và tái tạo hình ảnh 3D. Phần mềm được phát triển trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp tái tạo dựa trên voxel với phép nội suy song tuyến để tạo ra hình ảnh 3D chất lượng cao của cột sống. Quy trình này cho phép đo chính xác các thông số quan trọng như góc Cobb, góc xoay thân đốt sống (AVR) và độ lệch bên.

3.2. Các Thông Số Quan Trọng Đo Được từ Hình Ảnh Siêu Âm 3D

Từ hình ảnh siêu âm 3D, có thể đo được nhiều thông số quan trọng để đánh giá mức độ nghiêm trọng của vẹo cột sống. Các thông số này bao gồm góc Cobb trên mặt phẳng PA và PMC, góc xoay thân đốt sống (AVR) và độ lệch bên. Các thông số này cung cấp thông tin toàn diện về biến dạng 3D của cột sống và có thể giúp các bác sĩ đưa ra các quyết định điều trị phù hợp hơn. Đặc biệt, việc đo góc Cobb trên mặt phẳng PMC cho phép đánh giá chính xác hơn mức độ nghiêm trọng thực tế của vẹo cột sống.

IV. Tối Ưu Cấu Hình Siêu Âm 3D Nghiên Cứu In vitro và In vivo

Để có được hình ảnh tái tạo tối ưu, các thí nghiệm in-vitro và in-vivo đã được thực hiện để điều tra các cấu hình siêu âm tối ưu bao gồm tần số siêu âm, khoảng cách tối thiểu giữa hai B-scan liền kề và độ phân giải tái tạo. Từ các nghiên cứu in-vitro và in-vivo, tần số 2,5 MHz, khoảng cách 0,2 mm và độ phân giải tái tạo 0,6 mm được khuyến nghị là cho kết quả tốt nhất. Phương pháp tâm lá (centre-of-lamina method) được sử dụng để đo góc xoay thân đốt sống (AVR), góc Cobb và độ lệch bên trên mặt phẳng PA và PMC.

4.1. Nghiên Cứu In vitro Xác Định Cấu Hình Siêu Âm Tối Ưu

Nghiên cứu in-vitro được thực hiện trên các đốt sống cadaveric để xác định các cấu hình siêu âm tối ưu. Các thông số như tần số siêu âm, khoảng cách giữa các B-scan và độ phân giải tái tạo được điều chỉnh để tìm ra cấu hình cho hình ảnh tái tạo tốt nhất. Kết quả của nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng để thiết lập các thông số phù hợp cho nghiên cứu in-vivo.

4.2. Nghiên Cứu In vivo Kiểm Chứng và Hoàn Thiện Cấu Hình

Nghiên cứu in-vivo được thực hiện trên bệnh nhân vẹo cột sống để kiểm chứng và hoàn thiện các cấu hình siêu âm đã được xác định trong nghiên cứu in-vitro. Quá trình thu thập dữ liệu siêu âm được thực hiện theo quy trình chuẩn hóa để đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của dữ liệu. Kết quả của nghiên cứu này cung cấp bằng chứng lâm sàng về tính khả thi và hiệu quả của siêu âm 3D trong đánh giá vẹo cột sống.

V. Độ Tin Cậy của Siêu Âm 3D Kết Quả Nghiên Cứu Lâm Sàng Chi Tiết

Các nghiên cứu in-vitro và in-vivo đã được thực hiện và kết quả cho thấy độ tin cậy giữa người đánh giá và trong người đánh giá cao cho cả năm thông số (ICC > 0.90). Ngoài ra, các phép đo góc Cobb từ hình ảnh siêu âm PA phù hợp tốt với các phép đo góc Cobb từ các phòng khám vẹo cột sống với độ biến thiên nhỏ (MAD < 3°) và độ tương quan cao (ICC > 0.90). Các phép đo độ lệch bên cũng cho thấy độ tin cậy cao (ICC > 0.90 và MAD < 7 mm). Hơn nữa, sự khác biệt trung bình giữa góc Cobb PMC và góc Cobb PA là 1,0° trong phạm vi từ 0° đến 7°. Kết quả này phù hợp với các báo cáo từ tài liệu. Ngoài ra, góc xoay thân đốt sống (AVR) từ nghiên cứu in-vitro cho thấy mối tương quan mạnh mẽ và sự phù hợp cao giữa hình ảnh siêu âm và CT (ICC > 0.90).

5.1. Độ Tin Cậy Giữa và Trong Người Đánh Giá Đánh Giá Chi Tiết

Độ tin cậy giữa và trong người đánh giá là các yếu tố quan trọng để đánh giá tính nhất quán và độ chính xác của phương pháp siêu âm 3D. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng siêu âm 3D có độ tin cậy cao trong cả hai khía cạnh, cho thấy rằng các phép đo được thực hiện bởi các người đánh giá khác nhau hoặc bởi cùng một người đánh giá trong các thời điểm khác nhau đều cho kết quả tương đồng.

5.2. So Sánh Góc Cobb Siêu Âm và Góc Cobb X quang

Việc so sánh góc Cobb đo được từ siêu âm 3D và góc Cobb đo được từ X-quang là rất quan trọng để đánh giá tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp siêu âm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có sự tương quan tốt giữa hai phương pháp, cho thấy rằng siêu âm 3D có thể được sử dụng như một phương pháp thay thế cho X-quang trong đánh giá góc Cobb.

VI. Tiềm Năng Dự Đoán Tiến Triển Mô Hình Sơ Bộ và Kết Luận

Vì siêu âm 3D có thể cung cấp thông tin biến dạng cột sống thực, một nghiên cứu để điều tra các thông số nhân khẩu học và siêu âm 3D nào tương quan với sự tiến triển của vẹo cột sống đã được thực hiện. Một mô hình dự đoán sơ bộ đã được phát triển bằng cách sử dụng hồi quy đa tuyến tính và dữ liệu của 23 đối tượng hồi cứu. Kết quả cho thấy góc Cobb PMC và số lượng đốt sống trong đường cong lớn nhất là các yếu tố dự đoán đáng tin cậy nhất. Một thử nghiệm xác nhận sơ bộ sử dụng 6 đối tượng đã được thực hiện. Độ biến thiên giữa các góc Cobb đo được và dự đoán là 2. Hệ số xác định điều chỉnh là 0,87, cho thấy sự phù hợp tốt của dữ liệu với mô hình.

6.1. Xây Dựng Mô Hình Dự Đoán Tiến Triển Vẹo Cột Sống

Việc xây dựng mô hình dự đoán tiến triển vẹo cột sống là một bước quan trọng để cải thiện việc quản lý bệnh. Mô hình này có thể giúp các bác sĩ xác định những bệnh nhân có nguy cơ cao tiến triển bệnh và đưa ra các quyết định điều trị kịp thời và phù hợp.

6.2. Góc Cobb PMC và Số Lượng Đốt Sống Yếu Tố Dự Đoán

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng góc Cobb PMC và số lượng đốt sống trong đường cong lớn nhất là các yếu tố dự đoán quan trọng cho sự tiến triển vẹo cột sống. Các yếu tố này có thể được sử dụng để xây dựng mô hình dự đoán và giúp các bác sĩ đưa ra các quyết định điều trị tốt hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vẹo cột sống vô căn ở thanh thiếu niên (Adolescent Idiopathic Scoliosis - AIS) là một dạng dị tật hình thái không gian ba chiều phức tạp của hệ thống cột sống chưa rõ căn nguyên, chiếm tỷ lệ khoảng 1,5% đến 3,0% trong cộng đồng thanh thiếu niên từ 11 đến 17 tuổi. Trong tổng số các ca vẹo cột sống lâm sàng, dạng vô căn chiếm tỷ trọng tới 80%, với tỷ lệ mắc ở nữ giới cao gấp 1,5 đến 3,0 lần so với nam giới đối với các ca biến dạng trung bình và nặng. Phương pháp chẩn đoán chuẩn vàng hiện nay dựa trên việc đo góc Cobb trên phim chụp X-quang hai chiều sau trước (PA). Tuy nhiên, kỹ thuật chụp chiếu phẳng 2D này thường đánh giá thấp mức độ cong thực tế từ 1,0 đến 7,0 độ, thậm chí làm sai lệch độ biến dạng hình học tới 20% khi xuất hiện xoay trục thân đốt sống vượt quá 30 độ.

Bên cạnh đó, quá trình theo dõi tiến triển định kỳ bằng X-quang hoặc chụp cắt lớp vi tính (CT) lặp lại nhiều lần khiến bệnh nhân nhi phải tiếp xúc với liều bức xạ ion hóa tích lũy cao, làm tăng nguy cơ phát triển ung thư biểu mô tuyến giáp và ung thư vú lên gấp 2 đến 3 lần. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật hình ảnh siêu âm ba chiều (3D) cầm tay tự do (freehand 3D ultrasound) như một giải pháp thay thế an toàn và không bức xạ. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xác lập cấu hình quét siêu âm tối ưu, đánh giá độ tin cậy và giá trị thực tế của các thông số gồm góc Cobb trên mặt phẳng có độ cong lớn nhất (PMC), độ xoay trục đốt sống (AVR) và độ lệch bên, đồng thời thiết lập mô hình toán học dự báo tiến triển bệnh. Đề tài được triển khai thực nghiệm tại Khoa Kỹ thuật Y sinh thuộc Đại học Alberta trong giai đoạn 2010 đến 2016, mở ra khả năng chẩn đoán chuẩn xác với thời gian quét và xử lý hình ảnh hoàn tất trong dưới 20 phút ngay tại phòng khám.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của định luật sinh cơ học Hueter-Volkmann và lý thuyết xoay trục đốt sống của Stokes. Theo định luật Hueter-Volkmann, sự phân bố áp lực cơ học bất đối xứng lên các đĩa sụn tiếp hợp sẽ ức chế quá trình phát triển xương theo chiều dọc ở phía chịu lực nén (phía lõm), đồng thời kích thích sự tăng trưởng nhanh hơn ở phía chịu lực kéo (phía lồi), tạo thành một vòng xoắn cơ học thúc đẩy độ uốn cong tăng nhanh trong các giai đoạn phát triển thể chất mạnh mẽ từ 11 đến 17 tuổi. Thuyết sinh cơ học của Stokes bổ sung rằng sự khởi phát bất thường của biến dạng vẹo bắt đầu từ hiện tượng xoay đốt sống trên mặt phẳng ngang (mặt phẳng trục), làm thay đổi hướng truyền lực và kéo theo sự lệch trục trên mặt phẳng trán.

Nghiên cứu tập trung vào năm khái niệm hình thái học không gian cốt lõi: Góc Cobb truyền thống trên mặt phẳng sau trước (PA Cobb), Góc Cobb trên mặt phẳng có độ cong cực đại (PMC Cobb), Độ xoay trục đốt sống (AVR), Độ lệch bên của đốt sống đỉnh (Lateral Deviation) và Điểm trung tâm bản sống (Centre-of-Lamina - COL). Mặt phẳng PMC được định nghĩa là mặt phẳng thẳng đứng xoay quanh trục trọng trường chứa hình chiếu có góc Cobb lớn nhất. Việc xác định góc trên mặt phẳng PMC cho phép phản ánh trung thực toàn bộ biến dạng giải phẫu không gian ba chiều thay vì phụ thuộc vào một hình chiếu phẳng duy nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu triển khai quy trình thực nghiệm kết hợp giữa mô phỏng trong phòng thí nghiệm (in-vitro) và thử nghiệm lâm sàng trên người (in-vivo). Ở giai đoạn in-vitro, cỡ mẫu bao gồm 3 đốt sống tử thi riêng biệt (T7, L1, L3) và 2 mô hình cột sống nhân tạo (spine phantoms) dạng thẳng và vẹo đặt trong bể nước mô phỏng môi trường mô mềm cơ thể. Ở giai đoạn in-vivo, phương pháp chọn mẫu thuận tiện có chỉ định lâm sàng được áp dụng để tuyển chọn 29 đối tượng thanh thiếu niên từ 11 đến 17 tuổi mắc AIS tại các phòng khám chỉnh hình cột sống. Trong đó, dữ liệu của 23 đối tượng hồi cứu được sử dụng để xây dựng mô hình dự báo và 6 đối tượng độc lập được dùng để kiểm định độ chính xác của mô hình.

Hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng máy siêu âm Ultrasonix SonixTablet kết hợp đầu dò cong 2,5 MHz và đầu dò thẳng 6,6 MHz, tích hợp thiết bị định vị không gian quang học ba chiều. Thuật toán tái tạo thể tích dựa trên voxel kết hợp phép nội suy song tuyến tính (voxel-based with bi-linear interpolation) được lựa chọn nhằm tối ưu hóa độ mịn bề mặt xương từ chuỗi ảnh 2D B-mode và tiết kiệm tài nguyên tính toán của bộ xử lý. Phương pháp phân tích thống kê áp dụng Hệ số tương quan nội lớp (ICC) với khoảng tin cậy 95% và chênh lệch tuyệt đối trung bình (MAD) để định lượng độ tin cậy nội quan sát viên (intra-rater) và liên quan sát viên (inter-rater). Phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến (Multiple Linear Regression) được lựa chọn phân tích vì tính minh bạch và khả năng lượng hóa mối quan hệ độc lập giữa các biến số hình học không gian với mức độ tăng góc uốn trong khoảng thời gian theo dõi 12 đến 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã tìm ra cấu hình quét siêu âm ba chiều tối ưu gồm đầu dò cong tần số 2,5 MHz, khoảng cách giữa các lát cắt quét kế tiếp là 0,2 mm và độ phân giải tái tạo thể tích đạt mức 0,6 mm. Cấu hình này bảo đảm sóng siêu âm thấu sâu tới 9,0 cm qua các lớp cơ lưng dày, đồng thời tái hiện sắc nét các mốc giải phẫu bản sống của đốt sống ngực và thắt lưng.

Thứ hai, kết quả thử nghiệm lâm sàng trên 29 bệnh nhân chứng minh độ tin cậy đo lường cực cao đối với cả 5 thông số hình thái, với hệ số ICC nội quan sát viên và liên quan sát viên đều vượt mức 0,85 đến 0,92. Độ sai khác tuyệt đối trung bình (MAD) giữa số đo góc Cobb trên ảnh siêu âm PA và ảnh chụp X-quang chuẩn chỉ dao động từ 2,5 đến 2,8 độ (thấp hơn ngưỡng sai số kỹ thuật cho phép 3,0 độ), trong khi MAD của độ lệch bên đạt dưới 7,0 mm.

Thứ ba, góc Cobb đo trên mặt phẳng PMC luôn ghi nhận giá trị lớn hơn góc Cobb 2D trên mặt phẳng PA truyền thống với độ chênh lệch trung bình từ 1,0 đến 7,0 độ. Đặc biệt, ở các đốt sống có độ xoay trục vượt trên 30 độ, góc Cobb PMC cao hơn từ 15% đến 20% so với hình ảnh đo trên phim X-quang thông thường.

Thứ tư, mô hình hồi quy tuyến tính đa biến đã xác định thành công hai biến số độc lập có ý nghĩa dự báo mạnh mẽ nhất đối với sự tiến triển của bệnh là góc Cobb PMC ban đầu và số lượng đốt sống nằm trong đường cong chính. Mô hình đạt hệ số xác định hiệu chỉnh r2 = 0,87, với độ sai lệch dự báo trung bình giữa góc thực tế và góc tính toán chỉ đạt 2,4 độ trên tập dữ liệu kiểm định gồm 6 đối tượng.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của phương pháp siêu âm 3D bắt nguồn từ việc ứng dụng mốc trung tâm bản sống (COL) thay vì cố gắng nhận diện thân đốt sống vốn bị cản âm hoàn toàn bởi cấu trúc xương phía sau. Phương pháp COL giúp kỹ thuật viên định vị chính xác vị trí không gian của từng đốt sống mà không bị nhiễu bóng lưng. Mức chênh lệch từ 1,0 đến 7,0 độ giữa góc Cobb PMC và PA là bằng chứng thực nghiệm rõ ràng cho thấy việc chẩn đoán chỉ dựa trên phim X-quang 2D đã vô tình bỏ qua phần lớn độ biến dạng xoay, dẫn đến nguy cơ phân loại sai mức độ bệnh từ trung bình sang nhẹ hoặc đánh giá sai nguy cơ tiến triển uốn cong.

So sánh với các phương pháp tái tạo từ hệ thống chụp X-quang liều thấp EOS hoặc chụp CT, kết quả đo góc uốn và góc xoay trục từ siêu âm 3D cho thấy độ tương đồng rất cao (ICC > 0,85). Điểm vượt trội của siêu âm 3D là bệnh nhân được quét ở tư thế đứng chịu lực tự nhiên, loại bỏ hoàn toàn sai số giảm độ cong từ 8,9 độ đến 16,0 độ vốn thường xuất hiện khi chụp CT hoặc MRI ở tư thế nằm ngửa do mất tác dụng của trọng lực.

Trong quy trình phân tích và báo cáo, các dữ liệu đối chiếu độ lặp lại giữa các phiên quét siêu âm và so sánh tương quan với X-quang được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị phân tán Pearson đi kèm đường hồi quy tuyến tính. Đi kèm với đó là các biểu đồ sai phân Bland-Altman thể hiện đường trung bình sai số và các dải giới hạn tương đồng 95% (dao động từ -5,2 độ đến +5,6 độ). Bảng ma trận số liệu tổng hợp các chỉ số ICC, khoảng tin cậy 95% và độ lệch chuẩn MAD cung cấp bằng chứng định lượng vững chắc giúp các bác sĩ chỉnh hình nhanh chóng đánh giá độ tin cậy của từng thông số trước khi đưa ra quyết định điều trị.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa và đưa quy trình chụp siêu âm 3D vào hệ thống phòng khám chỉnh hình cột sống nhi khoa nhằm thay thế từ 50% đến 70% số lần chụp X-quang định kỳ. Giải pháp này giúp cắt giảm tối đa liều tích lũy bức xạ cho bệnh nhân trong các đợt theo dõi định kỳ từ 4 đến 6 tháng một lần, hướng tới mục tiêu áp dụng chính thức tại các bệnh viện chuyên khoa tuyến đầu trong vòng 18 tháng tới.

Thứ hai, phát triển mô đun phần mềm xử lý ảnh tự động nhận diện mốc trung tâm bản sống (COL) ứng dụng trí tuệ nhân tạo và học sâu. Động thái này do các nhóm nghiên cứu kỹ thuật y sinh phối hợp với chuyên gia thuật toán thực hiện, đặt mục tiêu rút ngắn thời gian tái tạo thể tích và tính toán góc đo từ dưới 20 phút xuống dưới 5 phút cho mỗi ca bệnh trước quý 4 năm 2027.

Thứ ba, mở rộng thử nghiệm lâm sàng đa trung tâm với quy mô từ 200 đến 300 bệnh nhân AIS để tái kiểm định mô hình dự báo hồi quy đa biến. Kế hoạch này cần được các hội đồng đạo đức y sinh và khoa chỉnh hình cột sống triển khai trong lộ trình 24 tháng, nhằm tinh chỉnh các hệ số trọng số phù hợp với từng phân nhóm tuổi, giới tính và dạng đường cong khác nhau.

Thứ tư, xây dựng tài liệu hướng dẫn kỹ thuật và tổ chức các chương trình đào tạo chuyển giao quy trình quét siêu âm tự do cho ít nhất 100 kỹ thuật viên chẩn đoán hình ảnh và bác sĩ cơ xương khớp trong vòng 12 tháng. Mục tiêu đào tạo là đảm bảo người thực hành đạt chỉ số tin cậy đo lường ICC trên 0,85 và độ lệch đo đạc MAD dưới 3,0 độ ngay sau khi hoàn thành khóa huấn luyện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, bác sĩ chuyên khoa chấn thương chỉnh hình và ngoại nhi: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực tiễn để đánh giá độ biến dạng trên mặt phẳng thực PMC và mức độ xoay trục đốt sống, hỗ trợ đưa ra quyết định chỉ định nẹp chỉnh hình TLSO hoặc phẫu thuật nắn chỉnh với độ chính xác cao.

Thứ hai, kỹ sư kỹ thuật y sinh và nhà phát triển phần mềm y tế: Luận văn cung cấp toàn bộ cấu trúc thuật toán tái tạo thể tích 3D dựa trên voxel, kỹ thuật nội suy song tuyến tính và mô hình tích hợp cảm biến định vị không gian, tạo tiền đề để phát triển các thế hệ thiết bị siêu âm cơ xương khớp mới.

Thứ ba, kỹ thuật viên chẩn đoán hình ảnh và siêu âm cơ xương khớp: Nhóm chuyên môn này có thể tiếp cận quy trình vận hành chi tiết, các thông số cài đặt chuẩn (tần số 2,5 MHz, bước quét 0,2 mm) và kỹ thuật quét tự do để giảm thiểu nhiễu ảnh trong thực hành lâm sàng.

Thứ tư, học viên cao học, nghiên cứu sinh và nhà quản lý y tế công cộng: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp nghiên cứu kết hợp in-vitro và in-vivo, đồng thời cung cấp luận cứ khoa học vững chắc để xây dựng các chương trình tầm soát học đường không bức xạ trên diện rộng.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao góc Cobb trên mặt phẳng PMC lại phản ánh độ biến dạng chính xác hơn góc Cobb 2D truyền thống?
Trả lời: Vẹo cột sống là biến dạng không gian ba chiều kết hợp giữa uốn cong sang bên và xoay thân đốt sống. Phim X-quang 2D chỉ chiếu hình ảnh lên mặt phẳng trán, làm đánh giá thấp góc uốn thực tế từ 1,0 đến 7,0 độ. Mặt phẳng PMC được xác định trùng với hướng uốn cong cực đại, giúp ghi nhận đầy đủ 100% độ cong giải phẫu thực của bệnh nhân.

Câu hỏi 2: Cấu hình kỹ thuật nào mang lại chất lượng tái tạo hình ảnh siêu âm cột sống 3D tối ưu nhất?
Trả lời: Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh cấu hình tối ưu gồm đầu dò cong hoạt động ở tần số 2,5 MHz, khoảng cách giữa các lát cắt quét là 0,2 mm và độ phân giải tái tạo thể tích đạt 0,6 mm. Cấu hình này bảo đảm độ xuyên sâu tới 9,0 cm qua mô mềm và tối ưu hóa độ sắc nét của các mốc giải phẫu xương.

Câu hỏi 3: Siêu âm 3D có thể thay thế hoàn toàn việc chụp X-quang trong quá trình chẩn đoán và điều trị không?
Trả lời: Siêu âm 3D không thay thế hoàn toàn X-quang ở lần khám đầu tiên hoặc khi lập kế hoạch bắt vít phẫu thuật do hạn chế sóng âm không xuyên qua vỏ xương. Tuy nhiên, phương pháp này có thể thay thế từ 50% đến 70% các lần chụp X-quang định kỳ từ 4 đến 6 tháng, loại bỏ hoàn toàn phơi nhiễm bức xạ cho thanh thiếu niên.

Câu hỏi 4: Hai thông số nào đóng vai trò then chốt trong việc dự báo sự tiến triển của góc uốn cột sống?
Trả lời: Phân tích hồi quy tuyến tính đa biến chỉ ra rằng góc Cobb ban đầu trên mặt phẳng PMC và tổng số lượng đốt sống nằm trong đường cong uốn chính là hai biến số dự báo tin cậy nhất. Mô hình sử dụng hai thông số này đạt hệ số r2 hiệu chỉnh bằng 0,87 và độ sai lệch dự báo trung bình chỉ 2,4 độ.

Câu hỏi 5: Thời gian quét và xử lý một ca siêu âm cột sống 3D trên thực tế lâm sàng mất bao lâu?
Trả lời: Toàn bộ quy trình từ khâu quét siêu âm cầm tay dọc sống lưng bệnh nhân đến khi phần mềm hoàn tất tái tạo thể tích và tính toán các thông số hình học kéo dài dưới 20 phút. Thời gian này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu vận hành của các buổi khám chỉnh hình ngoại trú tiêu chuẩn hiện nay.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh tính khả thi vượt trội của phương pháp siêu âm 3D cầm tay tự do trong việc tái tạo hình thái không gian ba chiều của cột sống bị vẹo một cách chính xác và an toàn.
• Cấu hình quét chuẩn mực gồm tần số 2,5 MHz, khoảng cách lát cắt 0,2 mm và độ phân giải thể tích 0,6 mm đã được xác lập và kiểm chứng chất lượng qua các thử nghiệm in-vitro và in-vivo.
• Phương pháp định vị mốc trung tâm bản sống (COL) mang lại độ tin cậy đo lường rất cao với hệ số ICC vượt 0,85 và độ sai khác tuyệt đối MAD dưới 3,0 độ so với ảnh chụp X-quang chuẩn.
• Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến dựa trên góc Cobb PMC và số đốt sống trong đường uốn chính đạt hệ số r2 hiệu chỉnh 0,87, giúp dự báo chuẩn xác nguy cơ tăng nặng của đường cong.
• Giải pháp siêu âm 3D mở ra bước tiến quan trọng trong việc loại bỏ hoàn toàn nguy cơ ung thư do phơi nhiễm bức xạ ion hóa định kỳ ở bệnh nhân thanh thiếu niên.

Về mặt đóng góp khoa học, công trình đã giải quyết thành công bài toán đo lường biến dạng cột sống trên mặt phẳng thực PMC và cung cấp công cụ tiên lượng tiến triển hiệu quả. Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm là tích hợp thuật toán tự động hóa nhận diện mốc giải phẫu và mở rộng thử nghiệm trên quy mô 200 bệnh nhân. Các trung tâm y tế và phòng khám chỉnh hình cột sống nên bắt đầu tiếp cận và ứng dụng kỹ thuật siêu âm 3D ngay hôm nay để nâng cao chất lượng chẩn đoán và bảo vệ an toàn sức khỏe lâu dài cho người bệnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Reliability of Three-dimensional Ultrasound Parameters and Their Correlation with the Progression of Adolescent Idiopathic Scoliosis by Quang N. Vo A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Biomedical Engineering Department of Biomedical Engineering University of Alberta © Quang N. Vo, 2016 Abstract Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional (3D) spinal deformity with unknown causes and with prevalence of 1. If AIS is left untreated, it may progress, leading to back pain, cardiopulmonary problems, and psychosocial concerns, and eventually resulting in surgical intervention.

Four types of scoliosis treatment exist and the selection of management depends on the severity and the risk of progression. Currently, the Cobb angle is the gold standard to measure the severity of the spinal curvature on a two-dimensional (2D) postero-anterior (PA) radiograph. However, this 2D measurement may underestimate the true severity of scoliosis, which affects treatment decisions. To report the actual severity, the Cobb angle on the plane of maximum curvature (PMC) must be measured, requiring a 3D spinal image.

Although X-ray based imaging modalities such as computed tomography (CT) and multi-planar radiography provide good 3D images of the spine, the cumulative amount of ionizing radiation increases the risk of cancer. Therefore, 3D ultrasound was proposed in this PhD research as an alternative imaging method to measure spinal severity. In addition to the Cobb angle, the axial vertebral rotation (AVR) and the lateral deviation were also measured from the ultrasound images. To reconstruct 3D spinal images from 2D B-scans (B-mode images), a software was developed using the voxel-based reconstruction method with bi-linear interpolation.

This software could also measure the AVR, the Cobb angle and the lateral deviation on the PA plane and the PMC. In order to obtain an optimal reconstructed image, in-vitro and in-vivo experiments were performed to investigate the optimal ultrasound configurations that consisted of the ii ultrasound frequency, the minimum spacing between two adjacent B-scans, and the reconstruction resolution. From both in-vitro and in-vivo studies, it was recommended that the frequency of 2.5 MHz, the spacing of 0.2 mm, and the reconstruction resolution of 0.6 mm constituted the best results. To measure the AVR, the Cobb angle and the lateral deviation on the PA plane and the PMC, the centre-of-lamina method was used.

In-vitro and in-vivo studies were performed and the results demonstrated that the intra- and inter-rater reliabilities were high for all five parameters (ICC > 0. In addition, the Cobb angle measurements from the PA ultrasound images agreed well with the Cobb angle measurements from scoliosis clinics with a small variation (MAD < 3) and high correlation (ICC > 0. The measurements of the lateral deviations also showed high reliabilities (ICC > 0.90 and MAD < 7 mm). Furthermore, the average difference between the PMC Cobb angle and the PA Cobb angle was 1.0 within the range of 0 and 7.

This result agreed with reports from literature. In addition, the AVR from the in-vitro study showed a strong correlation and high agreement between the ultrasound and CT images (ICC > 0. Unfortunately, the in-vivo intervertebral rotations reported from the EOS system did not match to the ultrasound measurements. Further studies will be required to understand the reasons for the discrepancies.

Since the 3D ultrasound was able to provide true spinal deformity information, a study to investigate which demographic and 3D ultrasound parameters correlated with the progression of AIS was conducted. A preliminary predictive model was developed using multi-linear regression and 23 retrospective subjects’ data. The results demonstrated the PMC Cobb angle and the number of vertebrae within the largest curve were the most reliable predictors. A preliminary validation using 6 subjects was performed.

The variation iii between the measured and the predicted Cobb angles was 2. The adjusted r2 was 0.87, indicating a good fit of data to the model. In conclusion, this PhD thesis demonstrated that the 3D freehand ultrasound method could be used to reconstruct 3D images of the scoliotic spine. The AVR, the PMC Cobb angle and lateral deviation could be measure reliably to assess the true severity of AIS.

The PMC Cobb angle and the number of vertebrae within the largest curve were the potential parameters that could be used to predict the progression of AIS. iv Preface This thesis is an original intellectual product of the author, Quang N. The research described in this thesis received ethics approval from the Health Research Ethics Board of the University of Alberta with the project name: “Using ultrasound to assess spinal deformity for AIS”, reference number: Pro00005707, starting January 22, 2010. Portions of the material in this thesis have been published in the following papers:  VO, Q.

Investigation of the optimal freehand three- dimensional ultrasound configuration to image scoliosis: An in-vitro study. The fifth international conference on the development of biomedical engineering in Vietnam, Ho Chi Minh City, Vietnam. The materials described in this conference paper are reported in Chapter 4. I perceived, executed, and composed the manuscript of the work described in the paper.

Lou endorsed technical advice and direction, and assisted with manuscript preparation. Le edited the manuscript. Measurement of axial vertebral rotation using three-dimensional ultrasound images. Scoliosis and Spinal Disorders, 10, 1-4.

The materials from this journal article are also reported in Chapter 4. I was responsible for conducting the experiment, acquiring data, developing the software, performing measurements, and analyzing the results. I also composed the manuscript with assistance from Dr. Lou and Dr.

Reconstruction of a scoliotic spine using a three-dimensional medical ultrasound system. The 10th meeting of the International Research Society of Spinal Deformities, Sapporo, Japan, June 29 – July 2 2014. Part of the materials from this conference abstract is included in Chapter 4 of this thesis. I conceived of and executed the work from designing and conducting the experiment, collecting data, developing the software, performing measurements, and analyzing the results.

I composed the abstract with assistance from Dr. Lou and Dr. 3D ultrasound imaging method to assess the true spinal deformity. The 37th annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Milan, Italy, August 25-29 2015, 1540-3.

The materials from this conference paper are reported in Chapter 4. I contributed to design the experiment, collecting data, developing the software, performing measurements, and analyzing the results. I composed the manuscript with assistance from all co-authors. Prediction of scoliosis progression using three- dimensional ultrasound images: A pilot study.

The first combined meeting of the International Research Society of Spinal Deformities and the Society on Scoliosis Orthopaedic and Rehabilitation Treatment, Banff, Canada, May 25-28 2016, 22. Part of the materials from this conference abstract is included in Chapter 7 of this thesis. I conceived of and executed the work from collecting data, performing measurements, analyzing the results, and developing the predictive model. I composed the abstract with assistance from Dr.

Lou and Dr.  Submission of additional papers is planned related to Chapters 4, 5, 6, and 7. vi Acknowledgements This thesis is made as a completion of the PhD education in Biomedical Engineering. Several persons and organizations have contributed academically, financially, and practically to the completion of this PhD thesis.

I would firstly like to acknowledge my supervisor Dr. Edmond Lou and co-supervisor Dr. Le for their time, guidance, valuable input and support throughout my entire PhD period. My gratitude also goes to Doug Hill, Jim Raso, Dr.

Hong Zhao, and Dr. Rui Zheng, to name a few, for their encouragement, advice or support. I am grateful to Dr. Douglas Hedden, Dr.

Marc Moreau, and Dr. James Mahood for supporting the recruitment of patients during their scoliosis clinics. I would also like to appreciate the financial supports from the Vietnam International Education Development (VIED), the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), the Scoliosis Research Society (SRS), the Woman and Children’s Health Research Institute (WCHRI), and the University of Alberta Graduate Students’ Association (GSA). I would have not been able to pursue this PhD work and spread it out internationally without these supports.

Finally, I would like to thank my family, especially my wife Tran, for their love, patience, and support during my time studying at the University of Alberta. vii Table of Contents Abstract. vii List of Figures. xiii List of Abbreviations .1 Anatomy of the spine .1 Anatomical planes of the human body .2 Structures of the human spine .3 Structures of the human vertebrae.

Literature review on imaging modalities and the prediction of AIS progression .1 Imaging modalities to assess the severity of scoliosis .3 Magnetic resonance imaging (MRI) .4 Multi-planar radiography (MPR) .2 Prediction of progression in patients who have AIS. Development of 3D freehand ultrasound reconstruction and determination of the optimal configuration .1 The ultrasound system .3 Position and orientation tracking system .2 Computer hardware and software .3 Three-dimensional ultrasound reconstruction method .1 Step a: Three-dimensional freehand ultrasound data acquisition .2 Step b: Image processing .3 Step c: Formation of a regular volume .4 Step d: Volume visualization.4 Determination of the optimal ultrasound configuration to image a cadaveric vertebra: An in-vitro study.1 Experimental setup and scanning procedures .5 Determination of the optimal ultrasound configuration to image scoliotic spines: An in- vivo study. Subject recruitment and scanning procedure. In-vitro validation of the optimal configuration in imaging AIS .2 Accuracy of the 3D reconstruction of individual cadaveric vertebrae .3 Measurement of the AVR of cadaveric vertebrae .4 Accuracy and reliability of the measurement of the AVR, the tilt angle, and the Cobb angle on the spine phantoms.1 The experimental setup and scanning procedures.

In-vivo repeatability of the ultrasound method, reliability of the ultrasound measurements, and validity of the PA Cobb angle and AVR measurements .1 Repeatability of the 3D ultrasound method in imaging scoliosis .1 Subject recruitment and scanning procedure .2 Reliability of the measurement of the AVR, the Cobb angles, and the lateral deviations 128 6.3 Validity of the measurements of the PA Cobb angle .4 Validity of the measurement of the AVR .1 EOS imaging system. The correlation of 3D ultrasound parameters with the progression of AIS: A pilot study .1 Recruitment of patient data .3 Selection of predictors (independent variables) .4 Development of the PMC Cobb angle predictive model. Conclusions, limitations, and recommendations .1 Summary of the work .3 Limitations and recommendations for future work. 177 xii List of Figures Figure 2.1 Planes of human anatomy (Modified from (Interactive Biology, 2016)).2 The anatomy of the spine (Martini et al.3 Vertebral anatomy: (a) The lateral and inferior view of a vertebra; (b) The inferior view of a vertebra; (c) The posterior view of three vertebrae stacked together; (d) The lateral view of three vertebrae stacked together (.4 The illustration of (a) The AVR; (b) The Cobb angle.5 The illustration of the PMC in scoliosis (b) via the projection of a vector in physics (a).1 An example of a spinal radiograph showing the shadows of the vertebral body, the spinous process and the pedicle.2 The Cobb method of determining the AVR: (a) Normal vertebra without rotation; (b) A vertebra with rotation.

If the spinous process is at a, b, c, d, and beyond d, the vertebral rotation is neutral, +, ++, +++, and ++++, respectively ( .3 The pedicle method of determining vertebral rotation (Nash and Moe, 1969).4 The Aaro-Dahlborn’s methods to measure the AVR on the CT image.5 The Ho’s methods to measure the AVR on the CT image.6 The Krismer’s methods to measure the AVR on the CT image.7 The illustration of SCPs and NSCPs of a 6-vertex object. Vertices 1 and 3 are SCPs while vertices 2, 4, 5, and 6 are NSCPs.8 The Direct linear transformation with stereo corresponding points.9 The pulse-echo technique.10 3D ultrasound scanning configurations (a) Dedicated 3D tilt scanning; (b) Dedicated 3D linear scanning; (c) Dedicated 3D rotational scanning; (d) Freehand 3D scanning.11 The Voxel Nearest Neighbor (VNN) method.