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Considerazioni etiche e popolazione di studio
Questo studio retrospettivo è stato approvato dal comitato etico istituzionale. Il consenso informato è stato rinunciato poiché tutte le informazioni sanitarie protette sono state anonimizzate. La popolazione dello studio era composta da pazienti recuperati dal database di imaging del First People's Hospital di Nantong, che hanno sottoposto una risonanza magnetica della colonna lombare a causa di mal di schiena tra gennaio 2022 e dicembre 2023. Sono state raccolte anche le caratteristiche cliniche dei pazienti (Tabella 1).
Criteri di inclusione ed esclusione
L'attuale standard diagnostico per la DLBP segue il metodo discografico dell'International Association for the Study of Pain del 1995, che provoca dolore tramite aumento della pressione ma non è ampiamente accettato a causa della sua elevatainvasività 8. Pertanto, questo studio ha adottato un test di provocazione del dolore del disco intraoperatorio restrittivo come metodo diagnostico per la DLBP, coerente con i principi della discografia e minimizzando ulteriori danni e complicanzeal disco 31. La procedura ha coinvolto i pazienti in posizione prona sotto anestesia spinale, con il disco lombare bersaglio posizionato tramite guida a raggi X a braccio C. Un ago da 18 G (<22 G) è stato inserito tramite un approccio posterolaterale nel nucleo pulposo centrale, evitando le radici nervose e il sacco durale. Dopo la conferma del posizionamento dell'ago, è stato iniettato soluzione salina o contrastante non ionica (ad esempio, iohexol) a una velocità non superiore a 0,5 mL/min, con pressione inferiore a 50 psi e volume totale di iniezione inferiore a 3 mL, per simulare l'aumento della pressione intradiscale e provocare sintomi familiari di mal di schiena, con un punteggio della scala analogica visiva (VAS) ≥ 7.
Criteri di inclusione nel gruppo DLBP: I pazienti inclusi qui hanno sottoposto una risonanza magnetica, presentano mal di schiena ricorrente da oltre 3 mesi, con trattamento conservativo fallito, con o senza intorpidimento dell'arto inferiore o dolore irradiato, e sono positivi al test di provocazione del dolore del disco intraoperatorio.
Criteri di inclusione nei gruppi non DLBP: I pazienti inclusi qui hanno sottoposto una risonanza magnetica; non hanno una storia di mal di schiena entro 3 mesi o sono persone sane sottoposte a visite fisiche; non presentano anomalie nella risonanza magnetica; e hanno una valutazione standardizzata con l'Oswestry Disability Index (ODI) <10 e VAS ≤2.
Criteri di esclusione: Escludere i pazienti che presentano altre cause di mal di schiena, come ernia del disco significativa che comprime i nervi, fratture, infezioni spinali, spondilolistesi, tumori, osteoporosi o malattie metaboliche ossee; storia di interventi chirurgici prima dell'esame; immagini poco chiare o di scarsa qualità; incapacità di identificare la regione di interesse (ROI).
Alla fine, sono stati inclusi 243 pazienti, di cui 81 pazienti con DLBP e 162 controlli.
Parametri della risonanza magnetica
Tutti i pazienti coinvolti in questo studio sono stati sottoposti a risonanze magnetiche a 3,0 T, utilizzando sequenze che includevano immagini ponderate sagittali e assiali T1 (T1WI) e immagini ponderate T2 (T2WI). Nello studio sono state utilizzate tre diverse macchine per la risonanza magnetica: Siemens Verio, Siemens Prisma e Philips Ingenia CX. I parametri di scansione erano impostati come segue: per il T2WI sagitale, TR variava da 2000 a 4597 ms, TE da 90 a 120 ms, spessore di taglio da 4,0 a 4,8 mm, con 15 fette incluse, larghezza di banda da 250 Hz a 340 Hz, matrice di 384 × 384 o 512 × 512, percentuale di campo visivo di fase del 100%, e un campo visivo di lettura di 300 mm.
Misurazione delle caratteristiche e statistiche di imaging HIZ
Questo studio ha utilizzato il software 3D Slicer (versione 5.6.1, https://download.slicer.org/?version=5.6.1) per analizzare manualmente immagini ponderate T2 della risonanza magnetica lombare di 243 pazienti e controlli. Il flusso di lavoro di elaborazione dati era il seguente: le immagini venivano importate utilizzando la funzione Aggiungi Dati DICOM in 3D Slicer. Le misurazioni sono state effettuate utilizzando la funzione Markups da due studenti laureati in ricerca sulla colonna vertebrale sotto la guida di radiologi e chirurghi spinali con oltre 10 anni di esperienza clinica. Le discrepanze nelle misurazioni sono state risolte tramite consultazione con i due medici. Tutti i valori delle misurazioni sono stati mediati da due statistici per garantirne l'accuratezza. Nelle immagini sagittali, sono stati misurati i due diametri massimi reciprocamente perpendicolari della zona ad alta intensità (HIZ), definiti come Hizh (direzione quasi verticale) e Hizw (direzione quasi orizzontale). La funzione di segmentazione veniva utilizzata per delimitare la regione HIZ, e l'area dell'HIZ più prominente sul piano sagittale veniva calcolata, indicata come Hizarea. Nelle immagini assiali, veniva misurata la lunghezza massima dell'HIZ, chiamata Hizl. Inoltre, sono state definite tre variabili binarie: Hiz (presenza di HIZ), Altro (presenza di HIZ multisegmentale) e Posizione (se HIZ attraversa la linea mediana posteriore) (Tabella 2).
Radiomics caratteristiche di estrazione e standardizzazione
Per integrare il funzionamento specifico del Volume Scalare di Ricampionamento nel contesto dell'elaborazione di immagini ponderate T2 per risonanza magnetica lombare di 243 pazienti e controlli tramite 3D Slicer, sono stati seguiti i seguenti passaggi dettagliati: Il processo è iniziato con l'importazione di immagini ponderate in T2 per risonanza magnetica lombare in 3D Slicer. Per garantire coerenza e ridurre il bias di eterogeneità, tutte le immagini sono state ricampionate a una dimensione voxel di 0,6 × 0,6 × 0,6 mm utilizzando il modulo Resample Scalar Volume . I passaggi specifici erano: navigare nella sezione Moduli e selezionare Resample Scalar Volume. Sotto Set di parametri, assicurati che sia selezionato Volume Scalare di Ricampionamento . Nella sezione Parametri di Ricampionamento , imposta la Spaziatura a 0,6, 0,6, 0,6 per definire le dimensioni dei voxel di destinazione. Seleziona un metodo di interpolazione appropriato tra opzioni come lineare, vicino più prossimo, bspline, Hamming, coseno, Welch, Lanczos o Blackman, con lineare come predefinito. Per Output Volume, seleziona o crea un nuovo volume per memorizzare i dati ricampionati. Dopo aver verificato le impostazioni, clicca su Applica per eseguire il processo di ricampionamento.
Dopo il ricampionamento, due studenti di ricerca sulla colonna vertebrale, guidati da radiologi e chirurghi spinali con oltre 10 anni di esperienza, hanno effettuato una delineazione semiautomatica della regione di interesse (ROI). Le discrepanze sono state risolte tramite consultazione. I passaggi specifici erano: selezionare il livello (ricampionare nuovo volume), creare un nuovo livello di segmentazione e usare la funzione Disegna per la delineazione layer per layer. Usa la funzione Riempire tra le fette per il ripieno tra gli strati. Leviga il ROI formato usando il metodo di livellatura mediana con una dimensione del nucleo di 3,0 mm, 5 x 5 pixel. Utilizzando la libreria PyRadiomics, sono state estratte 107 caratteristiche radiomiche dalle immagini ricampionate, tra cui caratteristiche di forma, caratteristiche statistiche di primo ordine, matrice di co-incidenza a livello di grigio (GLCM), matrice di lunghezza di corsa a livello di grigio (GLRLM), matrice della zona di dimensione a livello di grigio (GLSZM), matrice di differenza di toni di grigio vicina (NGTDM) e matrice di dipendenza a livello di grigio (GLDM) (Tabella Supplementare 1). Infine, i dati estratti sulle caratteristiche sono stati standardizzati utilizzando il metodo Z-score per trasformare il loro intervallo naturale in un intervallo standardizzato.
Raggruppamento in base alle caratteristiche
I gruppi furono assegnati come segue:
d0 (Gruppo base): Caratteristiche cliniche incluse, n(d0) = 5.
d1 (Gruppo di fine tuning base): Caratteristiche cliniche incluse e caratteristiche di imaging HIZ, n(d1) = 12.
d2 (Gruppo modello): Caratteristiche cliniche e radiomiche incluse, n(d2) = 112.
D (gruppo finetune modello): Caratteristiche cliniche incluse, caratteristiche di imaging HIZ e caratteristiche radiomiche, n(D) = 119.
Lettura e preelaborazione dei dati
I dati per i rispettivi gruppi venivano letti utilizzando la funzione read_excel nel software R (versione 4.3.1, https://www.r-project.org/, piattaforma: x86_64-w64-mingw32/x64 [64-bit]) con codifica UTF-8 (impostazione predefinita del sistema), che supporta la maggior parte dei linguaggi scritti a livello globale. La funzione select veniva utilizzata per separare la variabile target dalle variabili di caratteristica.
Selezione delle caratteristiche
Per garantire la riproducibilità della suddivisione dei dati, i quattro dataset (D, d2, d1, d0) hanno seguito lo stesso flusso di lavoro di elaborazione, con un seed casuale fisso di 80. Una colonna di etichette veniva aggiunta al frame dati, convertita in un tipo di fattore, e venivano generate etichette casuali (1 e 0) utilizzando una distribuzione binomiale per suddividere i dati in set di addestramento e test in un rapporto 8:2 (probabilità dell'80% per l'insieme di addestramento). A causa del numero limitato di funzionalità, i gruppi d0 e d1 non richiedevano la selezione delle caratteristiche, mentre i gruppi d2 e D venivano selezionati per le caratteristiche:
Per prima cosa, il test Mann-Whitney U è stato applicato al set di addestramento per selezionare caratteristiche con valori p <0,05. Successivamente, è stata eseguita una regressione Lasso con validazione incrociata a 10 volte e regolarizzazione L1 per determinare il coefficiente di penalità ottimale e selezionare caratteristiche da un'unica iterazione. Veniva impostato un seme casuale da 1 a 100 e i passaggi sopra (suddivisione dei dati, test Mann-Whitney U e regressione Lasso) venivano ripetuti in un loop. Le funzionalità che apparivano più di 50 volte in 100 iterazioni sono state selezionate per la modellazione successiva per garantire affidabilità nella costruzione del modello e nella previsione diagnostica. Le caratteristiche di modellazione per ciascun gruppo sono elencate nella Tabella 3.
Ricerca a griglia e messa a punto del modello
Per ottimizzare i modelli, è stata applicata la ricerca a griglia per esplorare e valutare sistematicamente diverse combinazioni di iperparametri. Attraverso la messa a punto iterativa e la valutazione delle prestazioni, questo studio ha identificato l'insieme di iperparametri che fornivano i migliori valori ROC AUC per il treno e i set di test, ottimizzando così le prestazioni del modello.
Sviluppo e valutazione del modello
Tutto lo sviluppo del modello e l'analisi dei dati sono stati condotti in R (versione 4.3.1). Questo studio ha applicato vari algoritmi di machine learning, tra cui Random Forest (RF), Support Vector Machine (SVM), Decision Tree (TREE), K-Nearest Neighbors (KNN) e Logistic Regression (LOG), per sviluppare 20 modelli distribuiti nei quattro gruppi (d0, d1, d2 e D) per prevedere la diagnosi DLBP. Le prestazioni del modello sono state valutate utilizzando le seguenti metriche: ROC AUC, PR AUC, accuratezza, sensibilità, specificità, valore predittivo positivo (PPV), valore predittivo negativo (NPV) e punteggio F1.
I valori ROC AUC e PR AUC sono stati generati direttamente dalle curve ROC e PR, mentre le metriche restanti (accuratezza, sensibilità, specificità, PPV, NPV e punteggio F1) sono state calcolate e analizzate statisticamente usando le corrispondenti funzioni in R. Tra i 20 modelli sviluppati, questo studio ha selezionato 8 modelli rappresentativi per la valutazione basati sulle metriche di performance sopra descritte.
Le formule per ciascuna metrica sono le seguenti:




Q

TP: Vero Positivo; TN: Vero Negativo; FP: Falso Positivo; FN: Falso negativo.
Analisi dell'interpretabilità SHAP
Il modello Random Forest nel gruppo D ha dimostrato le migliori prestazioni nella valutazione del modello. Per interpretare ulteriormente le previsioni del modello, questo studio ha ricostruito il modello in Python (versione 3.7.9) ed ha eseguito un'analisi di interpretabilità SHAP. Per mantenere la coerenza, gli iperparametri di traino del modello Random Forest in Python erano identici a quelli usati in R, e anche il flusso di lavoro di elaborazione dei dati era coerente. In particolare, abbiamo utilizzato l'interprete del modello ad albero per analizzare il contributo di ciascuna caratteristica alle previsioni diagnostiche del modello nei set di train e test. Per una migliore visualizzazione, abbiamo generato grafici di distribuzione dei valori SHAP, grafici di importanza delle caratteristiche e grafici di forza SHAP per le previsioni individuali.
Analisi statistica
Tutte le analisi dei dati sono state condotte utilizzando R (versione 4.3.1, https://www.r-project.org/, piattaforma: x86_64-w64-mingw32/x64 (64 bit)) e Python (versione 3.7.9, https://www.python.org/downloads/release/python-379/). Le variabili continue erano descritte come media ± deviazione standard, mentre le variabili categoriche erano espresse come frequenza e percentuale. Il confronto tra DLBP e Non-DLBP è stato analizzato utilizzando il test U, con un valore P inferiore a 0,05 considerato statisticamente significativo.