Djupinlärningsbaserad precisionsfenotypning av ryggradens kurvatur identifierar nya genetiska risklokusar för skolios i UK Biobank

Varför ryggradens form betyder något

Skolios, en sidovridning av ryggraden, kan leda till smärta, frakturer och sämre livskvalitet, men många med betydande krökning får aldrig någon diagnos. Denna studie visar hur modern datorseende och genetik kan samverka för att upptäcka ryggradsproblem tidigare och avslöja de DNA-varianter som i det tysta påverkar hur våra ryggar böjs när vi åldras.

Letar efter dolda kurvor

Läkare bedömer vanligen skolios med Cobb-vinkeln, en mätning från upprätta röntgenbilder som klassificerar personer som med eller utan skolios. Stora befolkningsbiobanker innehåller dock ofta vårdkoder snarare än detaljerade mätningar, och dessa koder fångar mestadels bara de allvarligaste fallen. Författarna vände sig istället till helkroppsbenröntgen från mer än 57 000 vuxna i UK Biobank. Dessa bilder, tagna medan deltagarna låg på rygg, innehåller en tydlig siluett av ryggraden och erbjuder en möjlighet att mäta kurvatur kontinuerligt hos alla, inte bara hos patienter som råkat få en skolioskod i sina journaler.

Lär datorer att spåra ryggraden

Med en liten uppsättning noggrant handmärkta bilder tränade teamet en djupinlärningsmodell att hitta och avgränsa varje persons ryggrad på bilden. Modellen, baserad på en vanlig arkitektur för medicinsk bildanalys, lärde sig att separera den ljusa ryggraden från resten av kroppen med 99 procent pixelnivånoggrannhet. För varje segmenterad ryggrad placerade forskarna 20 jämnt fördelade punkter längs dess längd, roterade ryggraden så att dess ändar linjerade vertikalt och summerade sedan hur långt varje punkt försköt sig åt vänster eller höger från ett steg till nästa. Detta gav ett enkelt, kontinuerligt tal för varje person som fångade hur mycket deras ryggrad slingrade sig i sidled, i millimeter, från topp till botten.

Kontrollerar att den nya mätningen är meningsfull

För att vara användbar behövde denna automatiserade kurvaturpoäng följa etablerade kliniska mått och verkliga utfall. I en grupp om 150 personer stämde poängen väl överens med Cobb-vinkelavläsningar gjorda av ortopeder, med en stark positiv korrelation. Personer vars Cobb-vinkel nådde den vanliga gränsen för skolios hade mycket högre kurvaturpoäng än de under gränsen, och de med en skoliosdiagnoskod i sina journaler visade också i genomsnitt högre kurvatur. Kurvaturen tenderade att öka stadigt med åldern, vilket stämmer med idén att slitage och bentäthetsförlust gradvis kan böja ryggraden. Med tröskelvärden härledda från diagnostiserade fall och Cobb-vinklar uppskattade teamet att tusentals UK Biobank-deltagare sannolikt har kliniskt viktig kurvatur som aldrig syns i deras medicinska kodning.

Koppla ryggradens form till DNA