2024 RSNA 개념 이론

Lumbar Spine Degenerative Classification

= MRI 이미지를 통한 퇴행성 요추 질환 분류 목표

 

• 이번 챌린지는 다섯가지 요추 퇴행성 질환 분류를 목표로 한다
  • Left Neural Foraminal Narrowing (좌측 신경공 협착)
  • Right Neural Foraminal Narrowing (우측 신경공 협착)
  • Left subariticular Stenosis (좌측 관절하 협착증)
  • Right subarticular Stenosis (우측 관절하 협착증)
  • Spinal Canal Stenosis (척추관 협착증)

각 데이터셋의 이미지는 각각의 디스크(L1/L2, L2/L3, L3/L4, L4/L5, and L5/S1)에 대한 심각도 점수(Normal/Mild, Moderate, or Severe)를 제공한다.

 

퇴행성 척추 상태의 심각도를 감지하고 평가하는 방법을 개발하는 것.

이 과제는 주로 척추요추 부위의 세가지 유형의 상태를 식별하는데 중점을 둔다. 

1. foraminal narrowing (좌/우)
2. subraticular stensis (좌/우)
3. canal stenosis 

 

이러한 상태는 각 척추 디스크에서 나타날 수 있다. 

L4/L5는 L4와 L5 척추 사이의 척추 디스크에 해당한다.

퇴행성 척추 상태의 감지 및 평가는 척추 건강을 관리하는 데 매우 중요한 부분입니다. 여기서 언급한 세 가지 유형의 상태는 척추의 여러 부분에서 발생하는 흔한 문제들을 나타냅니다.

1. **Foraminal narrowing (좌/우)**: 이 상태는 척추의 신경이 지나가는 통로인 신경공(foramen)이 좁아지는 것을 말합니다. 이 좁아짐은 척추 주변의 변형이나 퇴행 때문에 발생할 수 있습니다. Foraminal narrowing이 발생하면, 신경 압박이 일어나 통증이나 감각 이상, 근육 약화를 유발할 수 있습니다. 좌/우는 문제가 발생하는 측면(왼쪽 또는 오른쪽)을 나타냅니다.

2. **Subarticular stenosis (좌/우)**: Subarticular stenosis는 척추의 관절 바로 아래 위치한 신경 통로가 좁아지는 것을 말합니다. 이 역시 좁아진 통로로 인해 신경이 압박 받아 통증이나 기타 신경학적 증상을 일으킬 수 있습니다. 이 상태는 특히 관절의 퇴행으로 인해 더 자주 발생하며, 좌/우는 어느 쪽 신경 통로에 문제가 있는지를 가리킵니다.

3. **Canal stenosis**: 이는 척추관 협착증으로, 척추를 둘러싼 주요 신경 통로인 척추관이 좁아지는 상태를 말합니다. 이 협착은 척추 디스크의 돌출, 인대의 비후, 척추골의 과성장 등 여러 요인에 의해 발생할 수 있습니다. Canal stenosis는 등이나 다리로 방사되는 통증을 유발하며, 심한 경우에는 보행 장애나 신경 기능 장애를 초래할 수 있습니다.

이 세 가지 상태의 식별과 평가는 일반적으로 MRI(자기공명영상)나 CT(전산화단층촬영) 같은 영상의학적 방법을 통해 이루어집니다. 영상 진단을 통해 해당 부위의 구조적 변화를 정확히 파악하고 적절한 치료 방안을 결정할 수 있습니다.

 

 

 

각 조건에 대한 압박 정도를 3종류(normal/mild, moderate, severe)로 예측해야 한다.

 

 

Anatomical overview

척추는 4 부분으로 나누어진다.

 

1. cervical region (경추부, 7개의 척추체)
2. thoracic region (흉부, 12개의 척추체)
3. lumbar region (요추부, 5개의 척추체)
4. sarcral region (천추부, 3~5개의 융합된 척추체)

모든 부위( sarcal region 제외)의 각 척추체 사이에는 디스크가 있다.

더욱이 각 척추체의 뒤쪽 측면을 따라 척수(Spinal cord)가 놓여 있으며, 각 척추체에서 척수 신경은 척추체 사이의 (Foraminal)이라고 불리는 통로를 통해 나온다.

 

척수나 신경의 압박은 환자에게 통증을 유발한다.

이러한 신경/ 척수의 압박을 유발할 수 있는 요인으로는 척추 디스크 돌출, 뼈 자체의 퇴행성 변화(돌출이 커지거나 압박을 받음), 외상 또는 척수 주변 인대가 두꺼워지는 등이 있다.

 

1. foraminal narrowing의 원인

 

척수에는 foramina라고 부리는 구멍을 통해 척수관에서 나오는 척수 신경이 있다. 이 구멍은 sagittal plane에서 가장 잘보인다.  때때로 이러한 구멍이 압축되어 foraminal narrowing을 유발한다. 이러한 압박은 압박부위 하류의 신경 분포를 따라 환자에게 통증을 유발한다.

 

위의 이미지는 구멍이 보이는 sagittal MR slice이다. 십자선은 구멍이 척추관에서 나가는 위치를 보여준다.

 

이 이미지는 압박 정도를 지정하기 위한 등급 기준을 보여준다. 이 과제의 경우 normal과 mild는 하나의 레이블이다. 

 

이 이미지는 "Lumbar Neural Foraminal Stenosis Grading" 즉, 요추 신경공 협착의 정도를 분류하는 기준을 설명하는 이미지입니다. 이미지는 요추 신경공의 협착 정도를 네 가지 등급으로 나누고, 각각의 등급에 대한 설명과 함께 MRI 스캔 예시를 제공합니다.

1. **Normal**
   - **설명**: 지방의 변화가 없으며 정상적인 열쇠 구멍 모양을 갖추고 있습니다.
   - **MRI 이미지**: 정상적인 신경공 모양이 유지되고 있으며, 신경이나 지방의 압박이 보이지 않습니다.

2. **Mild**
   - **설명**: 수직 또는 횡방향으로 지방의 변화가 일부 발생합니다.
   - **MRI 이미지**: 신경공 내부의 지방이 약간 눌린 모습이 보이지만, 신경 압박은 명확하지 않습니다.

3. **Moderate**
   - **설명**: 신경 압박 없이 거의 모든 지방이 눌린 상태입니다.
   - **MRI 이미지**: 신경공 내부의 지방이 거의 모두 눌려 있지만, 신경 자체는 압박을 받지 않은 상태입니다.

4. **Severe**
   - **설명**: 신경근 압박을 동반한 모든 지방이 눌린 상태입니다.
   - **MRI 이미지**: 신경공 내부의 모든 지방이 눌려 있고, 신경 자체도 압박을 받는 모습이 보입니다.

이 분류 체계는 요추 신경공 협착증의 진단과 치료 계획 수립에 도움이 되며, 환자의 증상과 영상 소견을 종합하여 신경 압박의 정도를 평가하는 데 사용됩니다.

 

2. subraticular stensis (좌/우)

관절 하 협착증은 관절하 (subraticular zone)에서 척수의 압박으로 발생하며 axial plane에서 잘 관찰된다.

 

 

subraticular stenosis의 정도를 지정하는 label

 

이 이미지는 "Subarticular Zone (SZ) Stenosis Grading" 즉, 아관절구역 협착의 등급을 분류하는 기준을 설명하는 이미지입니다. 이미지는 아관절구역의 협착 정도를 네 가지 등급으로 나누고, 각각의 등급에 대한 설명과 함께 MRI 스캔 예시를 제공합니다.

1. **Normal**
   - **설명**: 지방이나 뇌척수액(CSF)의 변화가 없으며 인접 구조물과의 접촉이 없습니다.
   - **MRI 이미지**: 정상적인 아관절구역이 보여지며, 신경이나 주변 조직의 압박이 없습니다.

2. **Mild**
   - **설명**: 신경근의 압박이나 변위 없이 아관절구역이 좁아집니다.
   - **MRI 이미지**: 신경근의 압박이 없고, 아관절구역이 약간 좁아진 모습이 보입니다.

3. **Moderate**
   - **설명**: 신경근의 변위를 동반한 아관절구역의 좁아짐이 나타납니다.
   - **MRI 이미지**: 신경근이 약간 변위된 모습이 보이며, 아관절구역이 더 좁아진 상태입니다.

4. **Severe**
   - **설명**: 신경근 압박을 동반한 아관절구역의 협착이 있습니다.
   - **MRI 이미지**: 신경근이 명확하게 압박된 모습이 보이며, 아관절구역이 심하게 좁아진 상태입니다.

이 분류 체계는 아관절구역 협착증의 진단과 치료 계획 수립에 도움을 주며, 환자의 증상과 영상 소견을 종합하여 신경 압박의 정도를 평가하는 데 사용됩니다. 각 등급은 협착의 심각성을 나타내며, 적절한 의료적 개입을 결정하는 기준이 될 수 있습니다.

 

3. canal stenosis 

Canal Stenosis는 척추관에 영향을 미치는것으로 척추 디스크 돌출, 외상, 뼈 골극( 퇴행성 변화로 인한 척추체의 성장) 또는 인대 비후(척추관 길이를 따라 이어지는 인대)로 인해 발생하며 sagittal plane에서 잘 관찰된다.

 

 

이 사진은 canal stenosis를 관찰할 수 있는 sagittal view이다.

 

 

canal stenosis 심각도 분류 label 표시

 

데이터 구성

1. train.csv

• study_id - The study ID. Each study may include multiple series of images.
  • 각각의 study는 3개의 이미지 시리즈(T1 sagittal, T2 sagittal, transversal)를 가짐
• [condition]_[level] - The target labels, such as spinal_canal_stenosis_l1_l2, with the severity levels of Normal/Mild, Moderate, or Severe. Some entries have incomplete labels.
  • 각각의 disc에 대하여(5개) 위에서 서술한 5가지 질환의 중증도를 나타냄

 

 

2. train_label_coordinates.csv

• study_id
• series_id - The imagery series ID.
  • 이미지의 ID
• instance_number - The image's order number within the 3D stack.
  • 3D stack에서 이미지의 번호
• condition - There are three core conditions: spinal canal stenosis, neural_foraminal_narrowing, and subarticular_stenosis. The latter two are considered for each side of the spine.
  • 질환별 상태(3분류)
• level - The relevant vertebrae, such as l3_l4
  • 디스크 위치
• [x/y] - The x/y coordinates for the center of the area that defined the label.
  • 질환 좌표

 

질환이 표시된 좌표의 갯수는 48692개, series_id별 description과 merge하여 이미지 type입력

 

질환별로 정리 (이미지 타입별로 질환 분류 고려)

 

• 질환별 이미지 type 정리
  • 이 중 Canal stenosis에서 Sagittal T1인 이미지는 5개

 

 

## 데이터 구성 요약

### train.csv

- `study_id`: 연구 ID. 각 연구는 여러 이미지 시리즈를 포함할 수 있습니다.
    - 각 연구는 T1 sagittal, T2 sagittal, transversal의 3가지 이미지 시리즈를 포함함.
- `[condition]_[level]`: 목표 레이블로, 예를 들어 `spinal_canal_stenosis_l1_l2`와 같은 형식이며, 중증도 수준은 `Normal/Mild`, `Moderate`, `Severe`로 구분됨. 일부 항목은 불완전한 레이블을 가질 수 있음.
    - 각 디스크에 대해 5가지 질환의 중증도를 나타냄.

### train_label_coordinates.csv

- `study_id`: 연구 ID.
- `series_id`: 이미지 시리즈 ID.
    - 각 이미지의 고유 ID.
- `instance_number`: 3D 스택 내에서 이미지의 순서 번호.
    - 3D 스택에서 이미지의 번호.
- `condition`: 세 가지 주요 조건이 있음. 척추관 협착증(spinal canal stenosis), 신경공 협착증(neural foraminal narrowing), 아관절 협착증(subarticular stenosis). 후자의 두 가지는 척추의 각 측면을 고려함.
    - 질환별 상태(3분류).
- `level`: 관련 척추 위치, 예를 들어 `l3_l4`.
    - 디스크 위치.
- `[x/y]`: 해당 레이블을 정의하는 영역의 중심 좌표.
    - 질환 좌표.

### 데이터 세부사항

- 질환이 표시된 좌표의 총 개수는 48692개.
- series_id별 description과 merge하여 이미지 타입 입력.
- 질환별 이미지 타입 정리:
    - Canal stenosis의 경우 Sagittal T1 이미지가 5개임.

### 데이터 통합 예시

- 데이터셋에서 각 조건의 심각도(중증도)를 예측하기 위해, 각 이미지를 3가지 등급(Normal/Mild, Moderate, Severe)으로 분류합니다.
- 이미지 타입에 따라 분류된 데이터는 다음과 같습니다:
    - Canal stenosis의 경우 Sagittal T1 이미지가 5개로 확인됨.
    - foraminal narrowing은 Sagittal T1 이미지가 19719개.
    - subarticular stenosis는 Axial T2 이미지가 19220개.

이와 같은 정보는 모델을 훈련시킬 때 유용하며, 각 질환 상태의 위치와 중증도를 평가하는 데 중요합니다. 이를 통해 신경학적 평가와 치료 계획 수립에 중요한 통찰을 제공할 수 있습니다.

 

T1 시상면(T1 Sagittal)과 T2 시상면(T2 Sagittal) MRI 영상은 각각 다른 방식으로 조직의 특성을 강조하며, 특정 조건에서 유용한 정보를 제공합니다. 이 둘의 차이점은 아래와 같습니다:

### T1 시상면 (T1 Sagittal)

- **영상 특징**: T1 가중 영상은 지방이 밝게 보이고, 물(예: 뇌척수액)은 어둡게 보입니다.
- **사용 목적**:
  - 해부학적 구조를 명확하게 보여줍니다.
  - 지방 조직의 평가에 유용합니다.
  - 섬유성 조직과 근육의 구분이 잘 됩니다.
  - 급성 출혈을 평가할 때 유용합니다.
- **강조점**: 해부학적 디테일을 강조하여 구조적 이상을 식별하는 데 도움을 줍니다.

### T2 시상면 (T2 Sagittal)

- **영상 특징**: T2 가중 영상은 물이 밝게 보이고, 지방은 어둡게 보입니다.
- **사용 목적**:
  - 체액(예: 뇌척수액, 부종)의 존재를 평가하는 데 유용합니다.
  - 염증, 부종, 감염, 신생물 등의 병리학적 변화가 잘 보입니다.
  - 디스크와 신경 구조의 평가에 유용합니다.
- **강조점**: 병리학적 변화나 체액의 존재를 강조하여 질병의 상태를 더 명확히 보여줍니다.

### 정리

- **T1 Sagittal**: 해부학적 구조를 자세히 보여주며, 지방이 밝게 나타나는 영상. 주로 구조적 평가에 사용됩니다.
- **T2 Sagittal**: 체액과 병리학적 변화를 강조하여 물이 밝게 나타나는 영상. 주로 병리적 상태 평가에 사용됩니다.

이 두 가지 방식의 MRI 영상은 상호 보완적이며, 각각의 강점을 활용하여 정확한 진단을 내리는 데 도움을 줍니다. 예를 들어, T1 시상면 영상은 해부학적 구조를 명확히 보여주어 구조적 이상을 식별하는 데 유용하고, T2 시상면 영상은 염증이나 부종 같은 병리학적 변화를 강조하여 질병의 상태를 평가하는 데 유용합니다.