The human spine is a complex structure composed of 33 vertebrae. It holds the body and is important for leading a healthy life. The spine is vulnerable to age-related degenerations that can be identified through magnetic resonance imaging (MRI). In this paper we propose a novel computer-vison-based deep learning method to estimate spine age using images from over 18,000 MRI series. Data are restricted to subjects with only age-related spine degeneration. Eligibility criteria are created by identifying common age-based clusters of degenerative spine conditions using uniform manifold approximation and projection (UMAP) and hierarchical density-based spatial clustering of applications with noise (HDBSCAN). Model selection is determined using a detailed ablation study on data size, loss, and the effect of different spine regions. We evaluate the clinical utility of our model by calculating the difference between actual spine age and model-predicted age, the spine age gap (SAG), and examining the association between these differences and spine degenerative conditions and lifestyle factors. We find that SAG is associated with conditions including disc bulges, disc osteophytes, spinal stenosis, and fractures, as well as lifestyle factors like smoking and physically demanding work, and thus may be a useful biomarker for measuring overall spine health.


翻译:人类脊柱是由33块椎骨组成的复杂结构,它支撑身体并对健康生活至关重要。脊柱易受年龄相关性退变的影响,这些退变可通过磁共振成像(MRI)识别。本文提出了一种新颖的基于计算机视觉的深度学习方法,利用超过18,000个MRI序列的图像来估计脊柱年龄。数据仅限于仅存在年龄相关性脊柱退变的受试者。通过使用均匀流形逼近与投影(UMAP)和基于层次密度的噪声应用空间聚类(HDBSCAN)识别常见的年龄相关性脊柱退变聚类,制定了入选标准。模型选择通过对数据规模、损失函数以及不同脊柱区域影响的详细消融研究确定。我们通过计算实际脊柱年龄与模型预测年龄之间的差异——即脊柱年龄差(SAG),并检验这些差异与脊柱退变状况及生活方式因素之间的关联,评估了模型的临床实用性。研究发现,SAG与椎间盘膨出、骨赘形成、椎管狭窄和骨折等退变状况,以及吸烟和体力劳动等生活方式因素相关,因此可能成为衡量整体脊柱健康的有用生物标志物。

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