基于量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)研究腰椎不穩(wěn)癥的進(jìn)展*

陳文錦 綜述，王建偉，張亞峰 審校

(南京中醫(yī)藥大學(xué)無錫附屬醫(yī)院骨科，江蘇無錫 214001)

·綜 述·

基于量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)研究腰椎不穩(wěn)癥的進(jìn)展*

陳文錦 綜述，王建偉△，張亞峰 審校

(南京中醫(yī)藥大學(xué)無錫附屬醫(yī)院骨科，江蘇無錫 214001)

腰椎不穩(wěn)癥；量化研究；動態(tài)影像學(xué)

退行性腰椎不穩(wěn)癥是嚴(yán)重影響中老年人群生活質(zhì)量的慢性疾病，國內(nèi)外學(xué)者對腰椎不穩(wěn)癥進(jìn)行了大量研究。目前對腰椎穩(wěn)定性的評估大都采用X射線上過伸、過屈位椎體間的位移及角度變化作為依據(jù)，但這種評估方法具有較大的局限性：(1)腰椎不穩(wěn)癥經(jīng)常出現(xiàn)的疼痛、絞鎖等癥狀是在輕微屈伸，旋轉(zhuǎn)或側(cè)屈活動時(shí)出現(xiàn)，而非過伸過屈位；(2)這種方法沒有對腰椎的側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)活動做出評估；(3)腰椎活動不僅會產(chǎn)生節(jié)段間的位移及角度的變化，亦會產(chǎn)生節(jié)段間的耦合運(yùn)動變化。過伸過屈位只是一種靜止?fàn)顟B(tài)，很難描述腰椎活動復(fù)雜的動態(tài)過程，臨床上時(shí)常會出現(xiàn)假陰性結(jié)果。量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)相對于既往診斷腰椎不穩(wěn)癥的“金標(biāo)準(zhǔn)”，能為下腰痛患者提供更早診斷與治療的機(jī)會，為臨床診斷腰椎不穩(wěn)癥提供新的思路和方法。

1 利用量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)進(jìn)行檢查時(shí)需觀察的參數(shù)

在脊柱運(yùn)動中，兩椎體間可以在3個(gè)平面上發(fā)生旋轉(zhuǎn)、水平位移、角度位移的運(yùn)動，其穩(wěn)定性的維持有賴于椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及周圍的韌帶結(jié)構(gòu)。觀察的參數(shù)應(yīng)盡量包括以上內(nèi)容。

1.1 椎體在矢狀位及冠狀位上的旋轉(zhuǎn)和位移 觀察椎體的旋轉(zhuǎn)和位移的歷史已有數(shù)十年，目前仍是大多數(shù)臨床醫(yī)生用來診斷腰椎不穩(wěn)癥的方法[1-3]。相對于少數(shù)學(xué)者測量的椎體在冠狀位上的旋轉(zhuǎn)和位移[4],既往對于矢狀位上的旋轉(zhuǎn)和位移研究較多。1944年，Knuttson最早描述了通過在過伸過屈側(cè)位X片測量后者來診斷節(jié)段性腰椎不穩(wěn)。也有學(xué)者通過測量后者來對腰椎不穩(wěn)癥的患者進(jìn)行區(qū)分[5]。此外，有學(xué)者利用磁共振成像(MRI)的小平面流體標(biāo)志，通過測量此項(xiàng)目來計(jì)算量化的穩(wěn)定指數(shù)(quantitative stability index,QSI)，以此來探討QSI與腰椎不穩(wěn)間的關(guān)系。

1.2 運(yùn)動中椎間盤的高度 脊柱節(jié)段運(yùn)動主要是由于椎間盤的變形所形成。椎間盤的高度在X線片上表現(xiàn)為椎間隙的高度。椎間隙高度的異常時(shí)常提示腰椎不穩(wěn)[3]。通過測量椎間隙高度，可對采用不同手術(shù)方式進(jìn)行腰椎間盤置換術(shù)的效果進(jìn)行了較。Lee等[6]采用MRI技術(shù)，對兩種手術(shù)方式進(jìn)行腰椎間盤切除后的臨床和影像結(jié)果進(jìn)行了比較，并建議在腰椎間盤切除術(shù)中盡可能地保留中央部分的椎間盤，這樣可防止椎間盤高度的丟失及腰椎不穩(wěn)癥的發(fā)生。

1.3 腰椎的松弛度 腰椎的松弛度是衡量腰椎穩(wěn)定性的重要參數(shù)。松弛度增加，腰椎穩(wěn)定性減弱。Wong等[7-8]采用的計(jì)算腰椎單向運(yùn)動斜率的方法為腰椎松弛度的計(jì)算提供了新思路[4]。Gay等[9]闡明了準(zhǔn)靜態(tài)中性區(qū)與動態(tài)運(yùn)動參數(shù)間的相關(guān)性，并認(rèn)為此相關(guān)性反映了腰椎在中立位的松弛度。

1.4 腰椎運(yùn)動的對稱性 腰椎運(yùn)動的對稱性與椎間節(jié)段不穩(wěn)定性的相關(guān)性已被Kirkaldy-Willis和Farfan總結(jié)[10]，其被認(rèn)為有利于確定椎間盤突出的水平。對稱性分為側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)對稱性，前者為左右側(cè)屈活動時(shí)椎體的兩側(cè)在冠狀位上的位移和旋轉(zhuǎn)的差值的均方根[4]，后者為左右旋轉(zhuǎn)活動時(shí)椎體兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)度的對比。椎體旋轉(zhuǎn)度采用評估脊柱側(cè)凸時(shí)椎體旋轉(zhuǎn)的Nash-Moe法。

1.5 腰椎活動的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸(instantaneous helical axis,IHA) 在脊柱的運(yùn)動過程中，每一個(gè)運(yùn)動瞬間都對應(yīng)一個(gè)軸，包括側(cè)屈及屈伸活動旋轉(zhuǎn)軸，這些軸被稱為IHA。通過數(shù)百幀圖像的分析，IHA可以觀察每一個(gè)椎體的運(yùn)動軌跡和活動特點(diǎn)，繼而分析腰椎活動的動態(tài)平衡性。Mansour等[11]用高分辨率的6D運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)對IHA進(jìn)行了分析。Wachowski等[12-13]通過對IHA的定位、序列及位移的測量來闡明頸、胸、腰各段脊柱運(yùn)動的特點(diǎn)。

2 量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)的分類

既往有國內(nèi)外學(xué)者采用非侵入式方法對脊柱活動度及穩(wěn)定性進(jìn)行測量。Thoumie等[14]利用電子跟蹤及連續(xù)記錄技術(shù)，研究了腰部支具對脊柱的姿勢及運(yùn)動所造成的影響；有學(xué)者采用運(yùn)動捕捉技術(shù)，研究了頸椎旋提手法操作過程中的運(yùn)動力學(xué)過程并對其運(yùn)動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析；也有學(xué)者利用計(jì)算機(jī)光學(xué)測量技術(shù)，對脊柱的運(yùn)動進(jìn)行了分析。但這些非侵入式的測量方法均是通過體表的標(biāo)記來進(jìn)行，并不能精確地反映骨骼的運(yùn)動情況。而量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)則具有優(yōu)勢。它是通過包括X射線、CT、MRI在內(nèi)的體內(nèi)測量技術(shù)，全程、動態(tài)觀察并精確測量各個(gè)椎節(jié)間的異?；顒?，量化分析失穩(wěn)腰椎的活動特點(diǎn)。

2.1 X射線測量技術(shù) Takayanagi等[15]利用閃光X光照相技術(shù)對L4椎體滑脫患者的運(yùn)動模式進(jìn)行了連續(xù)動態(tài)的分析。最終發(fā)現(xiàn)，位移小于15%的患者的運(yùn)動模式與節(jié)段的不穩(wěn)定性有關(guān)；而位移大于15%的患者與脊柱的再穩(wěn)定性有關(guān)。Lin等[16]運(yùn)用表面與體積模型、單向與雙向透視技術(shù)，對脊柱的運(yùn)動進(jìn)行測量和分析，最終發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用體積模型的雙向透視組有最高的精確度，而運(yùn)用表面模型的單向透視組的精確度最差。Lee等[17]采用帶金屬標(biāo)志物的立體攝影測量技術(shù)對頸椎融合術(shù)后的椎體運(yùn)動進(jìn)行了測量，并獲得了頸椎3D運(yùn)動的數(shù)據(jù)。Leivseth等[18]通過立體攝影測量技術(shù)與失真補(bǔ)償測量技術(shù)的對比，對腰椎矢狀面上的節(jié)段運(yùn)動進(jìn)行分析，并得出結(jié)論：后者精確度略遜于前者，但明顯好于一般的測量技術(shù)。Bifulco等[19]采用自動追蹤X射線透視序列中椎骨的標(biāo)記來分析椎體間的運(yùn)動，該項(xiàng)技術(shù)改善了椎間運(yùn)動計(jì)算的精確性。

以上這些技術(shù)取得了一定的成果，但由于圖像質(zhì)量、圖像配準(zhǔn)和圖像恢復(fù)的精度較差，射線量過大以及連續(xù)性圖像獲取困難等原因，難以應(yīng)用于臨床[20]。量化X射線測量技術(shù)(quantitative fluoroscopy,QF)的出現(xiàn)較好地解決了上述問題。QF是基于數(shù)字化動態(tài)X射線透視和圖像自動措置演算法計(jì)算腰椎椎體的活動規(guī)律來評估腰椎活動狀態(tài)和特點(diǎn)的方法。它克服了上述方法的諸多缺點(diǎn)，在低X射線劑量下對處于運(yùn)動中的物體獲取連續(xù)的動態(tài)數(shù)字化圖像序列進(jìn)行自動演算并獲得精確的量化結(jié)果。利用動態(tài)的連續(xù)X射線掃描實(shí)現(xiàn)影像幾何量的數(shù)字化，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)將數(shù)據(jù)整合重建成數(shù)字化三維立體結(jié)構(gòu)圖像。此外，QF可以利用連續(xù)采集的二維圖像資料通過計(jì)算機(jī)輔助的圖像處理技術(shù)建立三維數(shù)字化模型。既往的三維數(shù)字化重建技術(shù)必須建立在二維圖像如CT、MRI的連續(xù)掃描基礎(chǔ)上，雖然成像清晰，但是具有射線劑量偏大、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，而QF可以在低劑量射線的基礎(chǔ)上建立三維數(shù)字化模型，既可以提供精確的瞬時(shí)信息，又可以提供多維信息，進(jìn)行高質(zhì)量的數(shù)字化重建，從而能夠直觀、具體地觀察腰椎在三維空間上的位移變化及位置異常。

2.2 CT測量技術(shù) CT是觀察骨關(guān)節(jié)及軟組織病變的一種較理想的檢查方式。CT圖像的空間分辨力低于X射線，且射線劑量偏大，但CT密度分辨率高于X射線，且能做軸位成像。目前通過CT對失穩(wěn)腰椎的活動特點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀察的研究相對較少。Ochia等[21-22]利用CT三維重建，在矢狀面、冠狀面及橫斷面上，對下腰痛的患者及無癥狀的對照者的腰椎節(jié)段運(yùn)動進(jìn)行分析。結(jié)果表明，此種測量方法的空間分辨率較高。Rozumalski等[23]將帶有被動標(biāo)志物的金屬棒分別置入受試者各腰椎棘突，用運(yùn)動捕捉相機(jī)來追蹤被動標(biāo)志物，將數(shù)據(jù)進(jìn)行腰椎三維運(yùn)動的分析，得出腰椎平均段間在矢狀面、冠狀面及橫斷面上的運(yùn)動范圍。但此方法對受試者有較大損傷，難以應(yīng)用于臨床。Wang等[24]對L3/4不穩(wěn)、L4/5不穩(wěn)及健康受試者進(jìn)行CT掃描，闡述了在承載體質(zhì)量的生理狀態(tài)下腰椎的三維運(yùn)動特點(diǎn)，并指出不穩(wěn)節(jié)段的運(yùn)動特點(diǎn)與正常節(jié)段有顯著差異，不穩(wěn)節(jié)段間的運(yùn)動特點(diǎn)亦有差異，應(yīng)根據(jù)不同的節(jié)段制定相應(yīng)的腰椎不穩(wěn)癥的診斷標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 MRI測量技術(shù) MRI優(yōu)點(diǎn)為高對比度，較好地反映解剖結(jié)構(gòu)、組織特點(diǎn)，可任意方位斷層，無輻射損傷。MRI可清晰顯示不穩(wěn)節(jié)段周圍組織的肉芽增生、炎癥和水腫，這一優(yōu)越性是X射線和CT所無法比擬的，但MRI檢查費(fèi)用較高，成像速度低于CT，有運(yùn)動偽影，體內(nèi)有順磁性金屬物體者禁止該項(xiàng)檢查。Fujii等[25]將受試者的腰椎中立位標(biāo)記為0°，用特殊旋轉(zhuǎn)裝置控制受試者腰椎的左右旋轉(zhuǎn)角度，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了腰椎左右旋轉(zhuǎn)的三維運(yùn)動特點(diǎn)。Ellingson等[26]利用MRI分析指出，退變的椎間盤與腰椎的不穩(wěn)定性在側(cè)屈運(yùn)動中存在相關(guān)性，而在屈伸運(yùn)動中無相關(guān)性。Patriarca等[27]利用動態(tài)MRI技術(shù)獲得了103例腰椎不穩(wěn)癥患者的影像學(xué)資料，結(jié)果表明,評估者是否具備動態(tài)MRI技術(shù)經(jīng)驗(yàn)對于腰椎不穩(wěn)癥的評估沒有大的影響。Kong等[28]利用動態(tài)MRI技術(shù)證實(shí)脊柱功能單位的異常節(jié)段活動與椎間盤的退變、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎及棘間韌帶、黃韌帶與椎旁肌的病理特征有著緊密的聯(lián)系。Yao等[29]利用MRI對退行性椎間盤病變及退行性脊椎滑脫患者的腰椎棘突的運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行了分析，指出腰椎棘突在退行性椎間盤病變患者中表現(xiàn)為高運(yùn)動性，而在退行性脊椎滑脫患者中表現(xiàn)為低運(yùn)動性。

綜上所述，量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)是基于X射線、CT、MRI技術(shù)基礎(chǔ)上的一項(xiàng)新興的測量手段，它給臨床診斷腰椎不穩(wěn)癥提供了新的思路和方法。其中， QF發(fā)展更為迅猛，它對評估腰椎的動態(tài)平衡性、探討腰椎不穩(wěn)癥的發(fā)病原因有著積極的意義。目前，關(guān)于量化的動態(tài)影像學(xué)測量技術(shù)的研究報(bào)道并不多見，這是今后進(jìn)一步深入研究的一個(gè)方向。相信隨著研究的深入，腰椎不穩(wěn)癥的發(fā)病機(jī)制、診斷標(biāo)準(zhǔn)、治療方法及療效判定方面一定會取得突破性進(jìn)展。

[1]Fritz JM,Piva SR,Childs JD.Accuracy of the clinical examination to predict radiographic instability of the lumbar spine[J].Eur Spine J,2005,14(8):743-750.

[2]Javadian Y,Akbari M,Talebi G,et al.Influence of core stability exercise on lumbar vertebral instability in patients presented with chronic low back pain:a randomized clinical trial[J].Caspian J Intern Med,2015,6(2):98-102.

[3]Pearson AM,Spratt KF,Genuario J,et al.Precision of lumbar intervertebral measurements:does a computer-assisted technique improve reliability[J].Spine (Phila Pa 1976),2011,36(7):572-580.

[4]Mellor FE,Muggleton JM,Bagust J,et al.Midlumbar lateral flexion stability measured in healthy volunteers by in vivo fluoroscopy[J].Spine (Phila Pa 1976),2009,34(22):E811-817.

[5]Taghipour-Darzi M,Takamjani EE,Salavati M,et al.The validity of vertebral translation and rotation in differentiating patients with lumbar segmental instability[J].Physiother Res Int,2012,17(4):227-234.

[6]Lee SH,Bae JS.Comparison of clinical and radiological outcomes after automated open lumbar discectomy and conventional microdiscectomy:a prospective randomized trial[J].Int J Clin Exp Med,2015,8(8):12135-12148.

[7]Wong KW,Leong JC,Chan MK,et al.The flexion-extension profile of lumbar spine in 100 healthy volunteers[J].Spine (Phila Pa 1976),2004,29(15):1636-1641.

[8]Wong KW,Luk KD,Leong JC,et al.Continuous dynamic spinal motion analysis[J].Spine (Phila Pa 1976),2006,31(4):414-419.

[9]Gay RE,Ilharreborde B,Zhao K,et al.Sagittal plane motion in the human lumbar spine:comparison of the in vitro quasistatic neutral zone and dynamic motion parameters[J].Clin Biomech (Bristol,Avon),2006,21(9):914-919.

[10] Kirkaldy-Willis WH,Farfan HF.Instability of the lumbar spine[J].Clin Orthop Relat Res,1982:110-123.

[11]Mansour M,Spiering S,Lee C,et al.Evidence for IHA migration during axial rotation of a lumbar spine segment by using a novel high-resolution 6D kinematic tracking system[J].J Biomech,2004,37(4):583-592.

[12]Wachowski MM,Mansour M,Lee C,et al.How do spinal segments move[J].J Biomech,2009,42(14):2286-2293.

[13]Wachowski MM,Hawellek T,Hubert J,et al.Migration of the instantaneous axis of motion during axial rotation in lumbar segments and role of the zygapophysial joints[J].Acta Bioeng Biomech,2010,12(4):39-47.

[14]Thoumie P,Drape JL,Aymard C,et al.Effects of a lumbar support on spine posture and motion assessed by electrogoniometer and continuous recording[J].Clin Biomech (Bristol,Avon),1998,13(1):18-26.

[15]Takayanagi K,Takahashi K,Yamagata M,et al.Using cineradiography for continuous dynamic-motion analysis of the lumbar spine[J].Spine(Phila Pa 1976),2001,26(17):1858-1865.

[16]Lin CC,Lu TW,Wang TM,et al.Comparisons of surface vs.volumetric model-based registration methods using single-plane vs.bi-plane fluoroscopy in measuring spinal kinematics[J].Med Eng Phys,2014,36(2):267-274.

[17]Lee S,Harris KG,Goel VK,et al.Spinal motion after cervical fusion.In vivo assessment with roentgen stereophotogrammetry[J].Spine(Phila Pa 1976),1994,19(20):2336-2342.

[18]Leivseth G,Brinckmann P,Frobin W,et al.Assessment of sagittal plane segmental motion in the lumbar spine.A comparison between distortion-compensated and stereophotogrammetric roentgen analysis[J].Spine (Phila Pa 1976),1998,23(23):2648-2655.

[19]Bifulco P,Cesarelli M,Allen R,et al.Automatic recognition of vertebral landmarks in fluoroscopic sequences for analysis of intervertebral kinematics[J].Med Biol Eng Comput,2001,39(1):65-75.

[20]Ahmadi A,Maroufi N,Behtash H,et al.Kinematic analysis of dynamic lumbar motion in patients with lumbar segmental instability using digital videofluoroscopy[J].Eur Spine J,2009,18(11):1677-1685.

[21]Ochia RS,Inoue N,Renner SM,et al.Three-dimensional in vivo measurement of lumbar spine segmental motion[J].Spine (Phila Pa 1976),2006,31(18):2073-2078.

[22]Ochia RS,Inoue N,Takatori R,et al.In vivo measurements of lumbar segmental motion during axial rotation in asymptomatic and chronic low back pain male subjects[J].Spine (Phila Pa 1976),2007,32(13):1394-1399.

[23]Rozumalski A,Schwartz MH,Wervey R,et al.The in vivo three-dimensional motion of the human lumbar spine during gait[J].Gait Posture,2008,28(3):378-384.

[24]Wang B,Xia Q,Miao J,et al.Application of digital orthopedic technology for observing degenerative lumbar segmental instability of three-dimensional kinematic characteristics in vivo[J].Zhonghua Yi Xue Za Zhi,2014,94(29):2264-2268.

[25]Fujii R,Sakaura H,Mukai Y,et al.Kinematics of the lumbar spine in trunk rotation:in vivo three-dimensional analysis using magnetic resonance imaging[J].Eur Spine J,2007,16(11):1867-1874.

[26]Ellingson AM,Nuckley DJ.Altered helical axis patterns of the lumbar spine indicate increased instability with disc degeneration[J].J Biomech,2015,48(2):361-369.

[27]Patriarca L,Letteriello M,Di Cesare E,et al.Does evaluator experience have an impact on the diagnosis of lumbar spine instability in dynamic MRI? Interobserver agreement study[J].Neuroradiol J,2015,28(3):341-346.

[28]Kong MH,Hymanson HJ,Song KY,et al.Kinetic magnetic resonance imaging analysis of abnormal segmental motion of the functional spine unit[J].J Neurosurg Spine,2009,10(4):357-365.

[29]Yao Q,Wang S,Shin JH,et al.Motion characteristics of the lumbar spinous processes with degenerative disc disease and degenerative spondylolisthesis[J].Eur Spine J,2013,22(12):2702-2709.

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.03.039

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81473693)。 作者簡介：陳文錦(1985-)，主治醫(yī)師，博士，主要從事脊柱骨科方面研究?！?/p>

R681.5

A

1671-8348(2017)03-0403-03

2016-07-11

2016-09-21)