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Forschungsartikel

Deep Learning von lateralen thorakolumbalen Röntgenaufnahmen und klinische Risikofaktoren für neu auftretende Wirbelkörperfrakturen: retrospektive Einzelzentrums-Kohortenstudie

138 Aufrufe

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DOI:

10.3791/71628

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18. August 2026

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In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein aus lateralen Röntgenaufnahmen des thorakolumbalen Übergangs extrahierter Deep-Learning-Score, kombiniert mit klinischen Risikofaktoren, ermöglichte eine genaue Vorhersage von neu aufgetretenen Wirbelkörperfrakturen innerhalb von zwei Jahren. Das intern validierte Modell wies eine bessere Diskriminierung, Kalibrierung, Neuklassifizierung und einen höheren Entscheidungsnutzen als das klinische Modell auf und unterstützt damit individuelle Risikostratifizierungs- und frühzeitige präventive Managementstrategien.

Zusammenfassung

Die frühe Identifizierung von Patienten mit erhöhtem Risiko für eine neue Wirbelkörperfraktur bleibt herausfordernd, da die routinemäßige klinische Risikobewertung die lokale Wirbelsäulenfragilität nicht vollständig erfasst. Diese einzentrische retrospektive Kohortenstudie untersuchte, ob durch Deep-Learning-(DL-)Merkmale, die aus initialen lateralen Thorakolumbal-Röntgenaufnahmen extrahiert wurden, die Vorhersage einer neuen Wirbelkörperfraktur innerhalb von zwei Jahren verbessert werden kann, wenn sie mit klinischen Risikofaktoren kombiniert werden. Insgesamt wurden 2.173 Patienten eingeschlossen und chronologisch in eine Entwicklungs-Kohorte (n = 1.449) und eine interne Validierungs-Kohorte (n = 724) unterteilt. Die DL-Merkmale wurden aus den Basis-Röntgenaufnahmen abgeleitet, und mittels LASSO-Cox-Regression wurden Prädiktoren ausgewählt sowie ein klinisches Modell, ein DL-Modell und ein kombiniertes Modell erstellt. Die Leistungsfähigkeit wurde mittels Bootstrap-Optimismuskorrektur, zeitlicher interner Validierung, Kalibrierung, Entscheidungskurvenanalyse, zeitabhängiger netto-Reklassifizierungsverbesserung (NRI), integrierter Diskriminierungsverbesserung (IDI) sowie Sensitivitätsanalysen bewertet. Von 2.048 potenziellen DL-Merkmalen wurden 5 beibehalten, um einen DL-Score zu generieren, der im kombinierten Modell ein unabhängiger Prädiktor blieb (HR 1,64, 95 % KI 1,34–2,01; P < 0,001). In der internen Validierung erreichte das kombinierte Modell einen C-Index von 0,759, eine AUC nach zwei Jahren von 0,774 und einen Brier-Score nach zwei Jahren von 0,077, alles Werte, die über denen des klinischen Modells lagen, bei guter Kalibrierung (Interzept 0,012; Steigung 0,972). Im Vergleich zum klinischen Modell verbesserte das kombinierte Modell zudem die Reklassifizierung (NRI nach zwei Jahren 0,316 in der Entwicklungs-Kohorte und 0,241 in der Validierungs-Kohorte) und die Diskriminierung (IDI nach zwei Jahren 0,047 bzw. 0,033; alle P < 0,01) und zeigte eine höhere Nettobilanz in der Entscheidungskurvenanalyse. Die Sensitivitätsanalysen bestätigten die primären Ergebnisse. Die Kombination von DL-Merkmalen aus lateralen Thorakolumbal-Röntgenaufnahmen mit klinischen Risikofaktoren könnte eine genauere individuelle Vorhersage einer neuen Wirbelkörperfraktur innerhalb von zwei Jahren ermöglichen.

Einleitung

Wirbelbrüche gehören zu den häufigsten Arten von osteoporotischen Fragilitätsfrakturen und treten insbesondere im thorakolumbalen Bereich auf. Sie können zu chronischen Schmerzen, Körpergrößeverlust, kyphotischer Deformität, eingeschränkter Beweglichkeit führen und das Risiko für erneute Frakturen sowie eine ungünstige Prognose erhöhen1. In der klinischen Praxis weist ein erheblicher Anteil der Patienten vor dem Frakturereignis keine typischen Symptome auf, und viele Fälle werden erst bei der bildgebenden Kontrolluntersuchung erkannt. Dies deutet darauf hin, dass eine alleinige Orientierung an Symptomen oder eine retrospektive Diagnosestellung ....

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Protokoll

Diese Studie wurde vom Medizinischen Ethikkomitee des Achten Volkskrankenhauses von Shanghai, Shanghai, China, überprüft und genehmigt (Zulassungsnummer 2026-102-03-02). Da es sich bei dieser Studie um eine retrospektive Studie handelte und alle Daten vor der Analyse anonymisiert worden waren, verzichtete das Ethikkomitee auf die Einholung der informierten Einwilligung der Patienten.

Studienaufbau:

Studientyp

Diese Studie war eine einzentrische retrospektive Kohortenstudie, und die Studiendatenbank wurde mithilfe von Daten aus dem Bildarchivierungssyst....

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Ergebnisse

Prozess zur retrospektiven Kohortenkonstruktion und Baseline-Charakteristika der Kohorten

Während des Studienzeitraums wurden laterale Röntgenaufnahmen des Thorax- und Lendenbereichs ausgewertet, und nach Entfernung von Dubletten wurden 6.114 Patienten zur Einschreibung für die Studie herangezogen. Nach schrittweiser Ausschluss von Patienten im Alter von < 50 Jahren, von Personen mit bestehenden Frakturen zum Zeitpunkt der Basislinie sowie von Patienten mit unzureichender N.......

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Diskussion

Das kombinierte Modell behielt auch nach Korrektur für Optimismus und zeitlicher interner Validierung die optimale Leistung bei, was darauf hindeutet, dass die Merkmale des maschinellen Lernens aus der seitlichen Röntgenaufnahme des thorakolumbalen Bereichs keine einfache Wiederholung klinischer Informationen darstellen, sondern unabhängige und überprüfbare zusätzliche Informationen für die Risikobewertung von neu auftretenden Wirbelkörperfrakturen innerhalb von zwei Jahren liefern können. Seine Bedeutung liegt darin, de.......

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.

Danksagungen

Die Autoren danken dem Personal des Studienkrankenhauses für die Unterstützung bei der Bildbeschaffung, Datenauswertung und Datenverwaltung. Die Autoren danken außerdem allen Ärzten und radiologischen Technologen, die an der Patientenversorgung und der Bildakquise beteiligt waren. Diese Studie wurde finanziell unterstützt durch das Medizinische Forschungsprojekt im Bezirk Xuhui im Jahr 2024 (SHXH202405).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
glmnet-PaketCRANN/VWird für die LASSO-Cox-Regressionsanalyse verwendet.
ITK-SNAPUniversity of Pennsylvania / ITK-SNAP-ProjektN/VWird für die ROI-Auszeichnung von Basisbildern verwendet.
mice-PaketCRANN/VWird für multiple Imputation verwendet.
PythonPython Software FoundationVersion 3.10Wird für die Bildvorverarbeitung und Deep-Learning-Analyse verwendet.
PyTorchPyTorch Foundation / Linux FoundationVersion 2.1Wird für die Entwicklung von Deep-Learning-Modellen und die Merkmalsextraktion verwendet.
R-VersionR Foundation for Statistical ComputingVersion 4.3.2Wird für die statistische Analyse verwendet.
rmda-PaketCRANN/VWird für die Entscheidungskurvenanalyse verwendet.
rms-PaketCRANN/VWird für die Modellerstellung und Kalibrationsanalyse verwendet.
survival-PaketCRANN/VWird für die Cox-Regression mit proportionalen Hazards verwendet.
timeROC-PaketCRANN/VWird für die zeitabhängige AUC-Analyse verwendet.

Referenzen

  1. Daskalakis II, Bastian JD, Mavrogenis AF, Tosounidis TH. Osteoporotic vertebral fractures: an update. SICOT J. 2025;11:40.
  2. Na D et al. Underdiagnosis and underreporting of vertebral fractures on chest radiographs in men aged over 50 years or postmenopausal women with and without type 2 diabetes mellitus: a retrospective cohort study. BMC Med Imaging. 2022;22(1):81.
  3. Urrutia J, Besa P, Piza C. Incidental identification of vertebral compression fractures in patients over 60 years old using computed tomography scans showing the entire thoraco-lumbar spine. Arch Orthop Trauma Surg. 2019;139(11):1497-1503.
  4. Zerikly R, Demetriou EW. Use of Fracture Risk Assess....

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Nachdrucke und Genehmigungen

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