R.노두현정형외과와 연구 이야기
글자
← 연구 이야기

AI와 영상 검사 · 2023

AI는 다리 X-ray에서 무엇을 찾아 각도를 잴까요?

고관절부터 발목까지 찍은 사진에서 기준점 15개를 찾고, 다리 전체의 정렬 각도를 계산했습니다.

KSSTA · Changwung Jo, Doohyun Hwang, Sunho Ko et al. · Du Hyun Ro

연구 수치로 읽는 결과

학습 10,407장, 검증 500장, 시험 305장으로 구성한 단일 기관 연구입니다. 이 그림은 데이터 분리 구조를 보여줍니다. 세 기관 외부 검증은 후속 2024년 연구에서 따로 시행했습니다.그림 크게 보기

학습 10,407장, 검증 500장, 시험 305장으로 구성한 단일 기관 연구입니다. 이 그림은 데이터 분리 구조를 보여줍니다. 세 기관 외부 검증은 후속 2024년 연구에서 따로 시행했습니다.

KSSTA (2023). DOI: 10.1007/s00167-022-07124-x · Original explanatory chart based on reported data

근거·원문그림 이용조건
01

고관절부터 발목까지 이어서 봅니다

무릎만 가까이 찍은 사진으로는 다리 전체의 체중선과 뼈의 각도를 충분히 알기 어렵습니다. 전장 하지 X-ray는 서 있는 상태에서 고관절·무릎·발목을 함께 보여줍니다. 인공관절이나 절골술을 계획할 때 이 사진에서 여러 점을 찍고 선을 연결해 정렬을 측정합니다. 저희는 이 반복 작업을 자동화하는 방법을 개발했습니다.

02

먼저 관절을 찾고 그 안의 점을 찾습니다

11,212영상으로 모델을 개발하고 평가했습니다. 고관절·무릎·발목의 위치를 먼저 나눈 뒤 열다섯 개 해부학적 기준점을 찾습니다. 그림에 표시된 점이 각도의 출발점입니다. 전문의가 정한 기준값과 비교했고 학습에 사용하지 않은 305영상을 시험 자료로 따로 두었습니다.

03

똑같은 각도를 반복해 잴 수 있는지 확인했습니다

모델과 기준값 사이의 일치도는 각도별로 높았고, 같은 영상을 반복해서 측정한 결과도 일정했습니다. JLCA를 제외한 각도의 평균 절대 오차는 0.52° 미만이었습니다. 평균 오차가 작다고 모든 영상의 오차가 작은 것은 아닙니다. 이상치와 각도별 성능을 함께 확인해야 합니다.

04

관절선 사이 각도는 따로 주의해서 읽습니다

JLCA는 허벅지뼈와 정강이뼈의 관절면이 만드는 작은 각도입니다. 다른 큰 정렬 각도와 같은 정확도라고 묶어 설명할 수는 없습니다. 퇴행성 변화로 경계가 흐릿하거나 촬영 회전이 달라지면 기준점도 달라질 수 있습니다. 원문은 측정하기 어려운 영상의 사례도 함께 보여주어 모델이 무엇을 찾았는지 확인하게 합니다.

05

자동 측정 다음에는 의사의 해석이 이어집니다

각도를 빨리 재는 기능과 수술 목표를 정하는 일은 다릅니다. 어떤 변형이 뼈에서 왔고 어떤 부분이 관절 안에서 왔는지, 환자의 증상과 움직임은 어떤지를 판단해야 합니다. 이 연구는 한 기관 자료의 내부 검증이므로 다른 기관에서의 확인도 필요합니다. 반복 가능한 측정을 바탕으로 더 좋은 연구와 계획을 만드는 것이 목적입니다.

연구 숫자 다시 보기

11,212개발·평가 영상
15개해부학적 기준점
305시험 영상
RESEARCH FINDING영상

연구 대상의 구성

개발·평가 영상
11,212
06,446.912,893.8
연구에 포함된 자료의 수입니다. 치료의 효과나 개인의 위험 확률을 나타내지 않습니다.

많이 묻는 질문

이 결과를 개인의 치료에 바로 적용할 수 있나요?

각도를 빨리 재는 기능과 수술 목표를 정하는 일은 다릅니다. 어떤 변형이 뼈에서 왔고 어떤 부분이 관절 안에서 왔는지, 환자의 증상과 움직임은 어떤지를 판단해야 합니다. 이 연구는 한 기관 자료의 내부 검증이므로 다른 기관에서의 확인도 필요합니다. 반복 가능한 측정을 바탕으로 더 좋은 연구와 계획을 만드는 것이 목적입니다.

연구 방법과 수치 자세히 보기

Deep learning-based landmark recognition and angle measurement of full-leg plain radiographs can be adopted to assess lower extremity alignment

대상과 방법

전장 하지 방사선 11,212장: 학습 10,407장, 검증 500장, 시험 305장. 중복 학습을 줄이기 위해 우측 하지 영상을 사용했습니다.

고관절·무릎·발목 ROI를 분리한 뒤 15개 anatomical landmark를 검출해 mLDFA, MPTA, JLCA, HKAA를 계산했습니다. 전문의 기준값에 대한 inter-/intra-observer ICC, 평균 절대 오차와 이상치를 분석했습니다.

논문에 보고된 결과

  1. 자동 모델의 각도별 inter-observer ICC는 ≥0.98, 반복 측정 ICC는 1.00이었습니다.
  2. JLCA를 제외한 각도의 평균 절대 오차는 0.52° 미만, 이상치 비율은 4.26% 미만이었습니다.
  3. 각도마다 정의와 오차가 달랐습니다. 수치의 재현성과 landmark 인식 실패를 함께 살펴야 합니다.

해석의 범위

후향적 단일 기관 내부 검증이며 외부 기관에서의 일반화 성능을 직접 평가하지 않았습니다. 우측 하지에 집중한 개발 자료, 영상 질과 촬영 회전의 영향을 고려해야 합니다. JLCA를 다른 각도와 묶어 모든 측정이 0.52° 미만이라고 설명하면 안 됩니다.

Keywords · 주제어

Abstract · 원문 초록

Changwung Jo, Doohyun Hwang, Sunho Ko, Myung Ho Yang, Myung Chul Lee, Hyuk-Soo Han, Du Hyun Ro. Deep learning-based landmark recognition and angle measurement of full-leg plain radiographs can be adopted to assess lower extremity alignment. Knee surgery, sports traumatology, arthroscopy : official journal of the ESSKA. 2023;31(4):1388-1397. doi:10.1007/s00167-022-07124-x.

PURPOSE

Evaluating lower extremity alignment using full-leg plain radiographs is an essential step in diagnosis and treatment of patients with knee osteoarthritis. The study objective was to present a deep learning-based anatomical landmark recognition and angle measurement model, using full-leg radiographs, and validate its performance.

METHODS

A total of 11,212 full-leg plain radiographs were used to create the model. To train the data, 15 anatomical landmarks were marked by two orthopaedic surgeons. Mechanical lateral distal femoral angle (mLDFA), medial proximal tibial angle (MPTA), joint line convergence angle (JLCA), and hip-knee-ankle angle (HKAA) were then measured. For inter-observer reliability, the inter-observer intraclass correlation coefficient (ICC) was evaluated by comparing measurements from the model, surgeons, and students, to ground truth measurements annotated by an orthopaedic specialist with 14 years of experience. To evaluate test-retest reliability, all measurements were made twice by each measurer. Intra-observer ICCs were then derived. Performance evaluation metrics used in previous studies were also derived for direct comparison of the model's performance.

RESULTS

Inter-observer ICCs for all angles of the model were 0.98 or higher (p < 0.001). Intra-observer ICCs for all angles were 1.00, which was higher than that of the orthopaedic specialist (0.97-1.00). Measurements made by the model showed no significant systemic variation. Except for JLCA, angles were precisely measured with absolute error averages under 0.52 degrees and proportion of outliers under 4.26%.

CONCLUSIONS

The deep learning model is capable of evaluating lower extremity alignment with performance as accurate as an orthopaedic specialist with 14 years of experience.

LEVEL OF EVIDENCE

III, retrospective cohort study.