Development of an Innovative Quantitative Evaluation Method for Implant Loosening after Spinal Surgery Correlated with Clinical Symptoms

• Project/Area Number: 20K20241
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 90140:Medical technology assessment-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Noguchi Hiroshi 筑波大学, 附属病院, 病院講師 (90783150)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: トモシンセシス / 椎弓根スクリュー / インプラントゆるみ / 弛み定量評価 / 脊椎インプラント / ゆるみ評価 / 脊椎インプラント弛み評価 / 脊椎固定手術 / インプラント弛み

Outline of Research at the Start

トモシンセシス画像による、スクリューと椎体後壁のなす角度を高精度で計測する手法を用いて、脊椎固定手術後のインプラント弛みのパターンを非臨床試験及び臨床研究にて詳細に検証する。トモシンセシスを用いた臥位と立位での姿勢の違いによる「脊椎とインプラントの相対的な位置関係」を示す弛みパターン(角度変位および軸方向変位)の変化に関する検証を行い、従来の骨透亮像による弛み評価との感度・特異度について比較検証し、臨床所見と相関する弛みパターン所見を見出すことを目標とする。

Outline of Final Research Achievements

We have developed an innovative laxity assessment method using tomosynthesis imaging to quantify the relative position of the spine and implants. Using this method, we conducted this study with the goal of analyzing the laxity of spinal screws after spinal fusion surgery in detail.
In clinical cases of lumbar spine surgery, implant laxity could be quantified by this method and a cutoff value could be found (1.7 degrees AUC = 0.98).
Next, we verified whether this method could be used for the cervical spine. A simulated bone experiment was performed to determine the appropriate reference point on the vertebral body side. The results of the verification in clinical cases showed that the angle of the screw centerline to the vertebral body could be measured in 16/21 cases (76%), and the angles under the two conditions of supine and upright positions were consistent. Although there was a problem with the reference point, this technique could be used for the cervical spine as well.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年、脊椎手術後のインプラントの弛みが高頻度に発生する事が臨床上の課題となっている。弛みにより腰背部痛や神経症状の再燃をきたすことも少なくなく、X線、CT画像等を用いたインプラントの術後画像評価が重要である。「スクリュー周囲での1mm以上の骨透亮像」が“弛み”と定義され、骨透亮像による定性的評価が標準的な検出法となっている。一方、我々が開発したトモシンセシスを用いた「脊椎とインプラントの相対的な位置関係」評価する画像解析手法は高精度の定量化が可能である。この新規手法に関して検証を進めることで、新たな知見を得ることができ、脊椎手術後の画像評価分野の発展に大きく貢献できると考えた。

Research Products

• [Journal Article] Development of a quantitative method to evaluate pedicle screw loosening after spinal instrumentation using digital tomosynthesis (2022)
  • Author(s): Kentaro Mataki, Yuki Hara, Eriko Okano, Katsuya Nagashima, Hiroshi Noguchi, Yosuke Shibao, Kousei Miura, Hiroshi Takahashi, Toru Funayama, Masao Koda, Masashi Yamazaki
  • Journal Title: BMC Musculoskelet Disord Volume: 23 Issue: 1 Pages: 358-358
  • DOI: 10.1186/s12891-022-05316-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] トモシンセシスを使用した脊椎椎弓根スクリューのゆるみの新たな定量的評価法の開発 (2021)
  • Author(s): 俣木健太朗, 朝田智之, 佐藤康介, 河野衛, 江藤文彦, 柴尾洋介, 三浦紘世, 野口裕史, 高橋宏, 船山徹, 安部哲哉, 國府田正雄, 山崎正志
  • Organizer: 第50回日本脊椎脊髄病学会
• [Presentation] トモシンセシスを使用した脊椎椎弓根スクリューのゆるみの新たな定量的評価法の開発 (2021)
  • Author(s): 俣木健太朗, 原友紀, 野口裕史, 岡野英里子, 長島克弥, 柴尾洋介, 三浦紘世, 高橋宏, 船山徹, 安部哲哉, 國府田正雄, 山崎正志
  • Organizer: 第94回日本整形外科学会学術総会
• [Presentation] トモシンセシスを用い高精度に 頚椎椎弓根スクリューのゆるみを検出する手法の開発に向けての基礎的検討 (2021)
  • Author(s): 岡野英里子, 野口裕史, 原友紀, 俣木健太朗, 長島克弥, 十時靖和, 松本佑啓, 柳澤洋平, 六崎裕高, 伊藤敦夫, 山崎正志
  • Organizer: 第36回日本整形外科学会基礎学術総会
• [Presentation] トモシンセシスを使用した脊椎椎弓根スクリューの弛みの定量的評価法の開発 (2020)
  • Author(s): 俣木健太朗、原友紀、野口裕史、岡野英里子、長島克弥、三浦紘世、高橋宏、船山徹、安部哲哉、國府田正雄、山崎正志
  • Organizer: 第35回日本整形外科学会基礎学術集会
• [Presentation] トモシンセシス動態撮影を使用した脊椎椎弓根スクリューの弛みの定量的評価法の開発 (2020)
  • Author(s): 俣木健太朗、河野衛、江藤文彦、柴尾洋介、三浦紘世、野口裕史、高橋宏、船山徹、安部哲哉、國府田正雄、山崎正志
  • Organizer: 第29回日本脊椎インストゥルメンテーション学会