To develop and validate a fully automated, deep-learning pipeline for measuring glenoid bone loss on 3D CT scans using linear-based, en-face view, and best-circle method. Shoulder CT scans of 81 patients were retrospectively collected between January 2013 and March 2023. Our algorithm consists of three main stages: (1) Segmentation, where we developed a U-Net to automatically segment the glenoid and humerus; (2) anatomical landmark detection, where a second network predicts glenoid rim points; and (3) geometric fitting, where we applied a principal component analysis (PCA), projection, and circle fitting to compute the percentage of bone loss. The performance of the pipeline was evaluated using DSC for segmentation and MAE and ICC for bone-loss measurement; intermediate outputs (rim point sets and en-face view) were also assessed. Automated measurements showed strong agreement with consensus readings, exceeding surgeon-to-surgeon consistency (ICC 0.84 vs 0.78 for all patients; ICC 0.71 vs 0.63 for low bone loss; ICC 0.83 vs 0.21 for high bone loss; P < 0.001). For the classification task of assigning each patient to different bone loss severity subgroups, the pipeline's sensitivity was 71.4% for the low-severity group and 85.7% for the high-severity group, with no instances of misclassifying low as high or vice versa. A fully automated, deep learning-based pipeline for glenoid bone-loss measurement on CT scans can be a clinically reliable tool to assist clinicians with preoperative planning for shoulder instability. We are releasing our model and dataset at https://github.com/Edenliu1/Auto-Glenoid-Measurement-DL-Pipeline .


翻译:本研究旨在开发并验证一种全自动深度学习流程,用于在3D CT扫描上采用线性法、正位视图法和最佳拟合法测量关节盂骨缺损。回顾性收集了2013年1月至2023年3月期间81例患者的肩关节CT扫描。我们的算法包含三个主要阶段:(1) 分割阶段:开发U-Net网络自动分割关节盂和肱骨;(2) 解剖标志点检测阶段:通过第二网络预测关节盂边缘点;(3) 几何拟合阶段:应用主成分分析(PCA)、投影和圆拟合计算骨缺损百分比。通过DSC评估分割性能,通过MAE和ICC评估骨缺损测量性能;同时评估了中间输出(边缘点集和正位视图)。自动化测量结果与专家共识读数高度一致,且超过外科医生间一致性(全体患者ICC 0.84 vs 0.78;低骨缺损组ICC 0.71 vs 0.63;高骨缺损组ICC 0.83 vs 0.21;P < 0.001)。在将患者分配到不同骨缺损严重程度亚组的分类任务中,该流程对低严重程度组的敏感度为71.4%,对高严重程度组为85.7%,且未出现低危误判为高危或反之的情况。这种基于深度学习的CT关节盂骨缺损全自动测量流程可作为临床可靠工具,辅助临床医生进行肩关节不稳术前规划。我们在https://github.com/Edenliu1/Auto-Glenoid-Measurement-DL-Pipeline 公开了模型与数据集。

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