コンピュータ断層撮影に基づく骨の特徴を用いた低エネルギー寛骨臼骨折のコントロールとの鑑別

Discrimination of Low-Energy Acetabular Fractures from Controls Using Computed Tomography-Based Bone Characteristics.

• Robel K Gebre
• Jukka Hirvasniemi
• Iikka Lantto
• Simo Saarakkala
• Juhana Leppilahti
• Timo Jämsä

抄録

低エネルギー寛骨臼骨折の発生率が増加している。しかし、これらの骨折の構造的要因は依然として不明である。本研究の目的は、臨床コンピュータ断層撮影（CT）画像から海綿骨構造と大腿骨近位部形状（PFG）測定値を抽出し、（1）寛骨臼骨折の構造的危険因子の可能性を同定し、（2）機械学習法を用いて骨折症例と対照者を識別することである。臼蓋骨骨折者107人（女性25人、男性82人）と年齢性別をマッチさせた対照者107人のCT画像を検査した。関心のある3つのボリューム（寛骨臼部の1つと大腿骨頭の2つ）を抽出し、骨体積率（BV/TV）、グレーレベル共起行列、グレー値のヒストグラム（GV）を算出した。PFGは頸部軸角と大腿骨頸部軸長で定義した。変数間の関係は、統計的平均比較および相関分析によって評価した。分類にはベイズロジスティック回帰と弾性ネット機械学習モデルを用いた。その結果、骨折した被験者の大腿骨頭のBV/TVは、対照群と比較して低く（0.51 vs. 0.55、p = 0.012）、寛骨臼（98.81 vs. 115.33、p < 0.001）と大腿骨頭（150.63 vs. 163.47、p = 0.005）の平均GVは低いことがわかった。寛骨臼骨折側の大腿骨頭内の海綿体は、骨折被験者の対応する対照側と構造、密度および質感が異なっていた。さらに、PFGと海綿骨の構造変数は、単独でも組み合わせても、骨折症例と対照群を識別することができた（レシーバー操作特性曲線下面積0.70～0.79）。結論として、寛骨臼と大腿骨頭の密度が低く、大腿骨頭の海綿体構造とテクスチャーが異常であることが、低エネルギー寛骨臼骨折の危険因子であるように思われる。

The incidence of low-energy acetabular fractures has increased. However, the structural factors for these fractures remain unclear. The objective of this study was to extract trabecular bone architecture and proximal femur geometry (PFG) measures from clinical computed tomography (CT) images to (1) identify possible structural risk factors of acetabular fractures, and (2) to discriminate fracture cases from controls using machine learning methods. CT images of 107 acetabular fracture subjects (25 females, 82 males) and 107 age-gender matched controls were examined. Three volumes of interest, one at the acetabulum and two at the femoral head, were extracted to calculate bone volume fraction (BV/TV), gray-level co-occurrence matrix and histogram of the gray values (GV). The PFG was defined by neck shaft angle and femoral neck axis length. Relationships between the variables were assessed by statistical mean comparisons and correlation analyses. Bayesian logistic regression and Elastic net machine learning models were implemented for classification. We found lower BV/TV at the femoral head (0.51 vs. 0.55, p = 0.012) and lower mean GV at both the acetabulum (98.81 vs. 115.33, p < 0.001) and femoral head (150.63 vs. 163.47, p = 0.005) of fracture subjects when compared to their matched controls. The trabeculae within the femoral heads of the acetabular fracture sides differed in structure, density and texture from the corresponding control sides of the fracture subjects. Moreover, the PFG and trabecular architectural variables, alone and in combination, were able to discriminate fracture cases from controls (area under the receiver operating characteristics curve 0.70 to 0.79). In conclusion, lower density in the acetabulum and femoral head with abnormal trabecular structure and texture at the femoral head, appear to be risk factors for low-energy acetabular fractures.