Osteologie 2025; 34(04): 256-264
DOI: 10.1055/a-2717-5826
Originalarbeit

KI zur automatisierten vBMD- und Fragilitätsanalyse des proximalen Femurs an CT-Scans

AI for Automated vBMD and Fragility Assessment of the Proximal Femur in CT Scans

Autoren

  • Nicolai Raphael Krekiehn

    1   Sektion Biomedizinische Bildgebung (SBMI), Intelligent Imaging Lab (i²Lab), Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel, Klinik für Radiologie und Neuroradiologie, Kiel, Germany
  • Stefan Bartenschlager

    2   Department of Medicine III, Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nürnberg, University Hospital Erlangen, Erlangen, Germany
    3   Institute of Medical Physics (IMP), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Germany
  • Ronald Seidel

    1   Sektion Biomedizinische Bildgebung (SBMI), Intelligent Imaging Lab (i²Lab), Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel, Klinik für Radiologie und Neuroradiologie, Kiel, Germany
  • Oliver Chaudry

    2   Department of Medicine III, Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nürnberg, University Hospital Erlangen, Erlangen, Germany
    3   Institute of Medical Physics (IMP), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Germany
  • Sigurdur Sigurdsson

    4   Kopavogur, Icelandic Heart Association, Kópavogur, Iceland
  • Vilmundur Gudnason

    4   Kopavogur, Icelandic Heart Association, Kópavogur, Iceland
    5   Department of Medicine, University of Iceland, Reykjavík, Iceland
  • Jan-B Hövener

    1   Sektion Biomedizinische Bildgebung (SBMI), Intelligent Imaging Lab (i²Lab), Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel, Klinik für Radiologie und Neuroradiologie, Kiel, Germany
  • Klaus Engelke

    2   Department of Medicine III, Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nürnberg, University Hospital Erlangen, Erlangen, Germany
    3   Institute of Medical Physics (IMP), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Germany
  • Claus-C Glüer

    1   Sektion Biomedizinische Bildgebung (SBMI), Intelligent Imaging Lab (i²Lab), Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel, Klinik für Radiologie und Neuroradiologie, Kiel, Germany

Fundref Information

Bundesministerium für Bildung und Forschung — http://dx.doi.org/10.13039/501100002347; ARTEMIS / 01EC1908A

Zusammenfassung

Hintergrund

Osteoporotische Hüftfrakturen sind mit hoher Morbidität und Mortalität verbunden. Die nebenbefundliche Routineanalyse klinischer CT-Scans im Hinblick auf Frakturrisiko (opportunistisches Screening) könnte Präventionsbedarf frühzeitig aufdecken, bislang fehlt jedoch ein frei verfügbares vollautomatisches Verfahren zur Bestimmung der volumetrischen Knochendichte (vBMD) des proximalen Femurs.

Methoden

Es wurde die open source KI TotalSegmentator mit zwei eigenen KI-Modellen kombiniert, um sowohl das proximale Femur als auch ein Kalibrierphantom zu segmentieren und daraus einen vBMD vollautomatisch zu berechnen. Die Güte der KI vBMD Messungen wurde an 1070 Hüft QCT-Scans der AGES Studie durch den Vergleich mit dem semi-automatischen Goldstandard MIAF ermittelt. Zur ersten Prüfung der Eignung wurden 289 klinische CT-Scans (ARTEMIS Studie) bzgl. der Vorhersage inzidenter Hüftfrakturen analysiert.

Ergebnisse

Die KI HU vBMD Werte korrelierten eng mit den MIAF vBMD Werten (r=0,88–0,97); nach Kalibrierung betrug die Korrelation r=0,96 bei einem Bias von 1,6 mg/cm³ (integral) und 21,9 mg/cm³ (trabekuläre) und RMS-Fehlern von 15,1 mg/cm³ (integral) und 9,8 mg/cm³ (trabekulär). Die prädiktive Güte für Hüftfrakturen (AUC 0,771–0,836) lag signifikant (p<0,031) über dem Basismodell aus Alter und Geschlecht (AUC=0,641).

Schlussfolgerungen

Die entwickelte KI ermöglicht eine vollautomatische, schnelle und kalibrierte Bestimmung der vBMD am proximalen Femur direkt aus klinischen CT-Scans und erlaubt die Vorhersage des Hüftfrakturrisikos. Die positiven Ergebnisse aus dieser ersten Prädiktionsstudie müssen jedoch in einem unabhängigen und größeren Datensatz überprüft werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, Risikopatienten/-innen im Rahmen des opportunistischen Screenings zu identifizieren und präventive Maßnahmen früher einzuleiten.

Abstract

Background

Osteoporotic hip fractures are associated with high morbidity and mortality. Opportunistic screening by incidental analysis of routine clinical CT scans for fracture risk could reveal the need for prevention at an early stage. However, a freely available fully automated method for determining volumetric bone mineral density (vBMD) of the proximal femur is still lacking.

Methods

The open-source AI tool TotalSegmentator was combined with two in-house AI models to segment both the proximal femur and a calibration phantom, enabling fully automated vBMD calculation. The accuracy of AI vBMD measurements was evaluated in 1070 hip QCT scans from the AGES study by comparison with the semi-automated gold standard MIAF. For an initial assessment of suitability, 289 clinical CT scans (ARTEMIS study) were analyzed regarding prediction of incident hip fractures.

Results

AI HU vBMD values correlated closely with MIAF vBMD values (r=0.88–0.97). After calibration, correlation was r=0.96 with a bias of 1.6 mg/cm³ (integral) and 21.9 mg/cm³ (trabecular), and RMS errors of 15.1 mg/cm³ (integral) and 9.8 mg/cm³ (trabecular). Predictive performance for hip fractures (AUC 0.771–0.836) was significantly higher (p<0.031) than the baseline model of age and sex (AUC=0.641).

Conclusions

The developed AI enables fully automated, rapid, and calibrated assessment of proximal femur vBMD directly from clinical CT scans and allows prediction of hip fracture risk. The positive results of this first prognostic study, however, need to be confirmed in independent and larger datasets. This approach offers the potential to identify at-risk patients in opportunistic screening and to initiate preventive measures at an earlier stage.



Publikationsverlauf

Eingereicht: 09. August 2025

Angenommen nach Revision: 06. Oktober 2025

Artikel online veröffentlicht:
14. November 2025

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