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Die geometrischen Grundlagen des COBB-Winkels
Seit mehr als 50 Jahren wird der Schweregrad von Adoleszentenskoliosen anhand des COBB-Winkels bestimmt. Die Technik der COBB-Winkel – Konstruktion bestimmt bis heute unsere Sicht auf die Statik der Wirbelsäule. Sie hat zu einer wesentlichen Standardisierung der Therapieentscheidungen in der spinalen Deformitätenchirurgie beigetragen. Abgeleitete Winkel werden zur Bestimmung der (regionalen) cervikalen und lumbalen Lordose und der thorakalen Kyphose verwendet.
von Kmhkmh – Eigenes Werk, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48897686
Wie kommt man nun von der Verkrümmung zum Winkel? Stellen wir uns vor, dass man in die Skoliose einen Kreis hineinlegt. Der Kreis kann eindeutig durch seinen Radius beschrieben werden. Die Kontaktstrecke des Kreises mit der Wirbelsäule ist die Bogenlänge Δs. An den Stellen, an denen der Kreis den Kontakt zur Wirbelsäule verliert, legen wir Tangenten an. Diese äußeren Tangenten bilden zusammen einen Winkel Δφ. Geometrische Grundlage des COBB-Winkels ist letztlich die Beziehung des äußeren Tangentenwinkels Δφ zu Bogenlänge und Radius des angelegten Krümmungskreises:
Der COBB Winkel und seine Schwächen
Die Konstruktion des COBB-Winkels auf dem Röntgenbild
Für die Skoliose auf dem PA-Röntgenbild der gesamten Wirbelsäule (und damit exemplarisch für Kyphose und Lordose auf dem Seit-Röntgenbild) werden
- die Neutralwirbel gesucht
- an den Endplatten der Neutralwirbel die Schenkel des zu bestimmenden Winkels eingezeichnet
- der Winkel entweder manuell konstruiert (über 2 Orthogonale) oder vom Computer ausgegeben
Alle 3 Prozessschritte sind fehlerbehaftet und führen zu Abweichungen von bis zu 10° zwischen verschiedenen Untersuchern.1Bernstein P, Metzler J, Weinzierl M, Seifert C, Kisel W, Wacker M. Radiographic scoliosis angle estimation: spline-based measurement reveals superior reliability compared to traditional COBB method. Eur Spine J. 2021 Mar;30(3):676-685. doi: 10.1007/s00586-020-06577-3. Epub 2020 Aug 27. PMID: 32856177.
Das ist bei den aktuellen Therapie-Cutoffs der idiopathischen Adoleszentenskoliose von 10°/25°/40° eine nicht tolerable Abweichung. Der klinisch tätige Arzt behilft sich dann in der Regel mit dem wichtigen Aspekt der Progredienz. Hängt man zwei Röntgenbilder unterschiedlichen Datums vom gleichen Patienten nebeneinander, kann man den Fehler von Schritt 1 (Wahl der Neutralwirbel) fast ausschliessen. Schritt 3 ist aufgrund der Verwendung von Computern heutzutage unkritisch. Somit werden die 10° Fehler beim einzelnen Patienten möglicherweise nicht zu einer klinischen Fehlentscheidung führen.
Aber – die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Patienten ist damit nicht gegeben, sofern nicht über mehrere Untersucher der Fehler herausgemittelt werden kann. Auch spiegelt der COBB-Winkel allein nicht das Ausmaß der klinischen Deformität und damit des Leidensdrucks der Patienten wider.
So können großbogige einkurvige 40°-Skoliosen zu einer erheblichen Deformität mit Rumpfimbalance führen und doppel- oder dreibogige Skoliosen lediglich eine (äußerlich kaum wahrnehmbare) Rumpfverkürzung verursachen. Eine weitere Beobachtung ist, dass äußerliche Messverfahren wie Moirée oder Rasterstereografie zwar intraindividuell ganz gut mit dem Progredienzverhalten der Deformität korrelieren, aber nicht 1:1 auf den COBB-Winkel umgerechnet werden können. 2Schulte TL, Hierholzer E, Boerke A, Lerner T, Liljenqvist U, Bullmann V, Hackenberg L. Raster stereography versus radiography in the long-term follow-up of idiopathic scoliosis. J Spinal Disord Tech. 2008 Feb;21(1):23-8. doi: 10.1097/BSD.0b013e318057529b. PMID: 18418132. So sind zum Beispiel Rastersterografische Messergebnisse nur im niedrigen Winkelbereich bis 20° mit einem tolerablen Fehler auf den COBB-Winkel übertragbar. 3Thometz JG, Lamdan R, Liu XC, Lyon R. Relationship between Quantec measurement and Cobb angle in patients with idiopathic scoliosis. J Pediatr Orthop. 2000 Jul-Aug;20(4):512-6. PMID: 10912610.
Unklarer Fehler bei der Übertragung der COBB-Winkel-Konstruktion auf andere Deformitäten
Nun ist es so, dass wir bei idiopathischen Skoliosen relativ harmonische Verhältnisse vorfinden, d.h. die Bogenlängen überspannen mehrere Segmente – somit gibt es auch entsprechend große Krümmungskreise. Optisch sichtbare Deformität und die Außenwinkel der Tangenten und somit auch der COBB-Winkel stimmen zumindest näherungsweise überein.
Schwieriger wird die Situation bei degenerativen Skoliosen. Aufgrund von Bandscheibenveränderungen entwickeln die Wirbelsegmente hier eine eigene Krümmungsdynamik, die in der unteren und oberen LWS völlig unterschiedlich sein kann. Oft finden sich eher großbogige Kurven proximal, während die distale LWS kurze segmentale Krümmungen produziert. Die Auswirkung der gemessenen COBB-Winkel auf die Statik der Wirbelsäule lassen sich somit nicht mehr vorhersagen, da an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich große Krümmungskreise und damit auch unterschiedlich große Deformitäten zugrunde liegen.
Höhere Präzision durch ein Spline-basiertes Vorgehen
Unsere aktuelle geometrische Beschreibung von Skoliosen ist ungenau, da bei der Konstruktion der Winkel mindestens 2 Fehler entstehen können. Zudem bildet sie die Wirklichkeit der Deformitätenkräfte wahrscheinlich nicht ab, sobald man unterschiedlich große Krümmungen vorfindet.
Die Lösung für dieses Problem besteht in einer Rückbesinnung auf den eigentlichen Winkel-bestimmenden Schritt: Die Tangenten. Diese könnten auch direkt an der Wirbelsäule eingezeichnet werden – unter Umgehung der COBB‘schen Konstruktion. Dies ist allerdings von Hand schwierig zu bewerkstelligen, da die Referenzlinie schlecht bestimmt werden kann. Allerdings kann ein Computeralgorithmus eine künstliche Referenzlinie aus den Wirbelkörpern interpolieren. Dabei entsteht die geometrische Figur der Spline, die auch aus der Computergrafik bekannt ist. Durch kubische Interpolation der Linie an die eingezeichneten Punkte entsteht hier eine Näherung an die Skoliose, die imstande ist, den Messfehler um eine Zehnerpotenz zu reduzieren.4Bernstein P, Metzler J, Weinzierl M, Seifert C, Kisel W, Wacker M. Radiographic scoliosis angle estimation: spline-based measurement reveals superior reliability compared to traditional COBB method. Eur Spine J. 2021 Mar;30(3):676-685. doi: 10.1007/s00586-020-06577-3. Epub 2020 Aug 27. PMID: 32856177.
Gehen wir einen Schritt weiter, so enthält eine Spline deutlich mehr Informationen als ein einzelner Winkelwert. Verteilung der Krümmung und Imbalancen von Krümmungskreisen lassen sich so deutlich besser repräsentieren als ein Konstrukt aus Winkeln und Klassifikationen (Lenke, King,…). Für ein algorithmisch getriebenes Verständnis von Skoliose ist somit der Wechsel auf eine Spline-basierte Messmethodik alternativlos.
Die technische Umsetzung dieses Schrittes ist denkbar einfach. Wirbel können halb- oder vollautomatisch markiert und daran die Spline konstruiert werden – Fertig. Implantatehersteller bieten derartige Lösungen schon als vollautomatisierte KI-gadgets an, sogar die OP-Planung kann damit auf das Grad genau durchgeführt werden.
Ich möchte mit dem xray-annotator ein freies Tool für jeden Interessierten anbieten. Das Werkzeug erlaubt die Spline-basierte neben der klassischen regionalen und segmentalen COBB-Winkel-Messung. Außerdem ist eine Messung der Bilder durch mehrere Untersucher in einer Institution möglich.
