應用計算機重建瞬時旋轉(zhuǎn)軸精確評估腰椎節(jié)段穩(wěn)定性及其臨床意義

(青島大學附屬醫(yī)院脊柱外科，山東 青島 266100)

據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)人一生中會受到腰背痛的困擾，其中30%與腰椎失穩(wěn)有關(guān)[1]。腰椎節(jié)段性不穩(wěn)既是脊柱疾患中的一個病理現(xiàn)象，也是一個征候群，還可以是一個獨立的疾病。隨著人口老齡化進程加快，腰椎退行性疾患發(fā)病率逐年增高，由此引發(fā)的腰椎失穩(wěn)的發(fā)生率也越來越高。準確評估腰椎失穩(wěn)情況，對于頑固性腰背痛的診斷與治療具有重要意義。由于腰椎節(jié)段運動的復雜性、多維性和傳統(tǒng)檢測方法的局限性，導致目前對腰椎節(jié)段運動動力學機制的認識較淺，精確評估腰椎穩(wěn)定性成為脊柱外科領(lǐng)域的一個長期難題。

由于腰椎節(jié)段運動是一種三維的、多達6個自由度的、復雜的三關(guān)節(jié)耦聯(lián)運動，并且受到椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、周圍韌帶以及相關(guān)肌肉筋膜等多重因素的影響[2-3]，任何僅對其中某個或某幾個因素單獨進行分析的研究方法，均難以精確、客觀地展現(xiàn)腰椎節(jié)段運動的整體特點。

本研究旨在將計算機三維重建技術(shù)與瞬時旋轉(zhuǎn)軸(IAR)理論相結(jié)合，建立一套能夠?qū)⒀?個自由度考慮在內(nèi)且不受周圍解剖因素影響的客觀、精確的腰椎節(jié)段運動評估系統(tǒng)，初步歸納出健康成人與腰椎失穩(wěn)兩個群體的不同腰椎節(jié)段運動IAR相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)腰椎節(jié)段運動形式的多樣性，同時將進一步證實IAR在腰椎節(jié)段不穩(wěn)研究中的應用價值?，F(xiàn)將結(jié)果報告如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2017年1月—2018年3月在我院經(jīng)動力位X線檢查確診L4-5單節(jié)段不穩(wěn)并伴有半年以上下腰痛癥狀患者42例，男18例，女24例；年齡30～50歲，平均(36.4±10.3)歲。選取無腰背痛癥狀及脊柱外科手術(shù)史志愿者70例作為對照組，男33例，女37例；年齡20～50歲，平均(32.6±12.3)歲。所有納入研究對象均簽署知情同意書。兩組一般資料比較,差異無顯著性(P>0.05)，具有可比性。

1.2 掃描方法

所有研究對象采用GE Optima 670 CT掃描分別獲得仰臥中立位和仰臥右旋 50°位全腰椎掃描影像，參數(shù)選取:電壓120 kV，電流量300 mA，厚度1 mm，并以 DICOM 格式保存。

1.3 終板重心及上關(guān)節(jié)突表面重心的測算

將DICOM影像文件輸入圖像處理軟件Mi-mics19.0，重建腰椎三維圖像，獲取L1～S1每個椎體的上下終板的點云影像，并測算出每個終板的重心坐標和終板的向量(圖1)，在L1～L5雙側(cè)上關(guān)節(jié)突表面的點云資料上應用OTSUKA等[4]描繪關(guān)節(jié)突的方法測算出上關(guān)節(jié)突表面重心坐標(圖2)。

1.4 腰椎節(jié)段局部坐標系的建立

以每個腰椎運動節(jié)段中的上位椎體為運動椎體，相鄰下位椎體為相對固定椎體，進行各運動節(jié)段兩個相鄰椎體間的相對運動分析。經(jīng)上述方法獲得L1～L5每個椎體上、下終板和雙側(cè)上關(guān)節(jié)突的表面重心后，即擁有了IAR相關(guān)矩陣計算的4個非共面的點。以下位椎體上終板重心為原點，以該終板的方向為向量，建立每個腰椎節(jié)段的局部坐標系，Y軸位于冠狀面由右側(cè)指向左側(cè)，X軸位于矢狀面由腹側(cè)指向背側(cè)，Z軸垂直于X-Y平面由尾側(cè)指向頭側(cè)。將上位椎體四個非共面點的坐標轉(zhuǎn)換為在該節(jié)段中的局部坐標，包括運動前的局部坐標和運動后的局部坐標(圖3)。

圖1 腰椎終板點云影像的抽取

圖2 腰椎關(guān)節(jié)突點云影像的獲取

圖3 以腰椎各椎體上終板重心為原點的局部坐標系的建立

1.5 計算方法

應用KINZEL等[5]的方法計算各節(jié)段運動椎體包含IAR相關(guān)信息的矩陣。在包含IAR信息的矩陣中有4個子矩陣，根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣[R]及滑移矩陣[S]可以計算出某個運動椎體沿IAR旋轉(zhuǎn)的角度及IAR到坐標原點最短距離。IAR上坐標原點最近的一點為P(PxPyPz)(圖4)，記錄落入以坐標原點為中心的10 mm3及20 mm3立方體區(qū)域內(nèi)點P(PxPyPz)的個數(shù)。

1.6 統(tǒng)計學方法

應用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計學分析。兩組同節(jié)段運動椎體沿IAR旋轉(zhuǎn)角度、IAR到坐標原點最短距離差異的比較采用獨立樣本t檢驗，對照組內(nèi)的不同腰椎節(jié)段間的運動椎體沿IAR旋轉(zhuǎn)角度、IAR到坐標原點最短距離比較采用單因素方差分析,采用SNK-q檢驗進行兩兩比較。兩組同腰椎節(jié)段之間P點彌散程度差異的比較采用卡方檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

2.1 IAR到坐標原點最短距離

112例試驗對象中從L1～S1評估了560個運動節(jié)段。腰椎運動椎體沿IAR平均旋轉(zhuǎn)角度及IAR到坐標原點最短距離見表1。病例組L4-5節(jié)段IAR到坐標原點最短距離大于對照組(t=6.36,P<0.05)，兩組間其他節(jié)段比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。對照組中IAR到坐標原點最短距離的平均值自L1-2至L4-5逐漸增大而L5-S1節(jié)段卻突然減小，其中L4-5節(jié)段上IAR到坐標原點最短距離大于其他節(jié)段，差異具有統(tǒng)計學意義(F=10.05,q=3.69～8.78,P<0.05)；L5-S1節(jié)段上IAR到坐標原點最短距離小于其他節(jié)段(q=3.34～8.78,P<0.05)。

A：三維空間內(nèi)，當運動椎(紅色)相對于固定椎(綠色)由位置1運動到了位置2，運動椎體沿IAR旋轉(zhuǎn)的角度為。B：點P為IAR上到坐標原點最近的一點，IAR到坐標原點的最短距離代表了運動椎體偏移原點的距離。

圖4IAR參數(shù)的測算

2.2 P點的彌散程度

IAR到坐標原點最近的點P(PxPyPz)的彌散程度見表2。在以坐標原點為中心的10 mm3立方體區(qū)域內(nèi)，病例組L4-5節(jié)段P點頻率為16.67%，遠小于對照組(2=15.45,P<0.05)；在以坐標原點為中心的20 mm3立方體區(qū)域內(nèi),病例組L4-5節(jié)段P點的頻率為78.57%，與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

2.3 運動椎體沿IAR平均旋轉(zhuǎn)角度

病例組各腰椎節(jié)段運動椎體沿IAR旋轉(zhuǎn)的角度與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，見表1。對照組中L1～S1運動椎體沿IAR旋轉(zhuǎn)角度的平均值逐漸增大，其中L5-S1節(jié)段旋轉(zhuǎn)角度的平均值明顯大于其他的節(jié)段，差異具有顯著統(tǒng)計學意義(F=4.98,q=3.95～5.93,P<0.05)。

表1 兩組運動椎體沿IAR旋轉(zhuǎn)角度及IAR到坐標原點的最短距離

表2 兩組IAR到坐標原點最近的點P的彌散程度(例(χ/%))

3 討 論

人體脊柱通過杠桿、運動軸、致動體和限制體協(xié)同作用實現(xiàn)其生理功能，是一個精密的生物力學結(jié)構(gòu)，其動力學機制非常復雜。此結(jié)構(gòu)不僅使脊柱具有良好的柔韌性和活動度，滿足了身體平衡和運動的需要，而且又能確保脊柱獲得良好的穩(wěn)定性，有效限制各節(jié)段間的過度位移，保護神經(jīng)組織，防止畸形和疼痛的發(fā)生[6]。

正常情況下，腰椎節(jié)段間的相對運動控制在一定的生理范圍內(nèi)，而當椎間盤和關(guān)節(jié)突退變，以及各類手術(shù)操作對腰椎周圍組織造成破壞時，則將影響腰椎節(jié)段的穩(wěn)定性，壓迫或牽拉鄰近的神經(jīng)組織，和(或)導致纖維環(huán)、終板、關(guān)節(jié)囊和韌帶組織發(fā)生異常形變，誘發(fā)頑固的腰背痛[7]。而腰椎節(jié)段穩(wěn)定性的破壞又可加重椎間盤和關(guān)節(jié)突退行性變，兩者互為因果，相互影響，使腰背痛的病理機制更為復雜，診斷和治療更加困難[8-9]。精準評估腰椎失穩(wěn)情況，對于頑固性腰背痛的診斷與治療具有重要的意義。但是，由于腰椎節(jié)段運動的復雜性、多維性和傳統(tǒng)檢測方法的局限性，導致目前對腰椎節(jié)段運動動力學機制的認識較淺， 精確評估腰椎穩(wěn)定性成為脊柱外科領(lǐng)域的一個長期難題。加之對病理機制認識的不足，腰椎失穩(wěn)的早期診斷、精確定量和科學治療十分困難[10]。

PEARCY等[11]于1988年就開始利用側(cè)位X線片來探究正常腰椎IAR的相關(guān)參數(shù)及臨床意義，由IAR定義可知，對于一個剛性物體，在三維空間內(nèi)從一個點運動到另一個點，無論實際上發(fā)生了何種形式的運動，均可以描述為沿著一個臨時的軸旋轉(zhuǎn)并在此軸上滑移的總和，這個軸稱為瞬時旋轉(zhuǎn)軸[12]。IAR就某一個相對運動而言是唯一的，它在固定體上的物理位置與局部坐標系的實際位置是相對獨立的，可以在不考慮關(guān)節(jié)表面的幾何結(jié)構(gòu)情況下來描述移動椎體相對于固定椎體的整體運動。本研究將計算機三維重建技術(shù)與IAR理論相結(jié)合比過去僅通過側(cè)位X線更能精確評估在體腰椎節(jié)段運動情況。

本研究結(jié)果顯示，IAR到坐標原點最短距離及P點的彌散程度是衡量腰椎節(jié)段穩(wěn)定性的兩個重要指標。假設(shè)腰椎節(jié)段運動只存在單純旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，IAR理論上應穿過坐標原點，然而由于椎間盤這個柔軟的彈性組織在脊柱扭轉(zhuǎn)過程中的拉伸或者壓縮，使IAR都偏離了坐標原點，因此偏離越大，IAR到坐標原點最短距離越大，P點的分布也就越分散，這一節(jié)段的穩(wěn)定性也就越差。本研究結(jié)果顯示，L1～L5的IAR到坐標原點最短距離逐漸增大，而L5-S1的最短距離卻突然減小，這一特性符合腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)解剖特性，即L1～L5的角度逐步增大，并且方向由近似矢狀位向下逐漸變?yōu)樾蔽?，至L5-S1節(jié)段時幾乎呈冠狀位，也證實腰椎小關(guān)節(jié)在限制腰椎運動、維持腰椎穩(wěn)定性起到重要作用[13]。本研究結(jié)果顯示，L4-5的IAR到坐標原點最短距離顯著大于其他節(jié)段，證實該節(jié)段穩(wěn)定性較差，符合臨床上L4退變性滑脫高發(fā)的現(xiàn)實[14]。INOUE等[12]通過對鹿脊柱測量IAR軌跡得出了相同的結(jié)論，即受損模型的IAR會更加偏離坐標原點，但是其實驗標本為離體，忽略了肌肉等軟組織對腰椎穩(wěn)定性的影響。本研究結(jié)果顯示，L5-S1節(jié)段運動椎體沿IAR的旋轉(zhuǎn)角度比其他節(jié)段大，同時L5位于相對固定的骶骨之上，因此在脊柱旋轉(zhuǎn)時可能會給予椎間盤較大的壓力從而導致L5-S1椎間盤突出發(fā)病率較高[15],其IAR到坐標原點的最短距離最小符合其解剖特性，即L5-S1關(guān)節(jié)突呈冠狀位同時被髂腰韌帶和鄰近強韌肌肉組織進一步加強，使它成為整個腰椎最穩(wěn)定的部分[16]，因此L5-S1節(jié)段常發(fā)生椎間盤突出與峽部裂滑脫，而退變性滑脫的發(fā)病率相對較低[17-18]。OCHIA等[19]通過特征向量法和體積合并法的組合來測量體內(nèi)腰椎節(jié)段旋轉(zhuǎn)與平移的情況，通過測量腰椎節(jié)段旋轉(zhuǎn)和平移，發(fā)現(xiàn)與本項目研究結(jié)果相吻合，即L4-5節(jié)段的軸向旋轉(zhuǎn)小于L5-S1，小關(guān)節(jié)面方向從L1-2到L4-5節(jié)段逐漸朝向矢狀位，而L5-S1關(guān)節(jié)面則更偏向冠狀位[20]。

綜上所述，本研究結(jié)果顯示，IAR到坐標原點最短距離及P點的彌散程度為早期診斷腰椎失穩(wěn)的重要指標，運動椎體沿IAR的旋轉(zhuǎn)角度與椎間盤盤內(nèi)壓力的相關(guān)性需進行相關(guān)研究來驗證。本試驗研究對象較少，需增加樣本量進行研究，以建立國人腰椎各節(jié)段IAR的相關(guān)參數(shù)。同時由于受CT設(shè)備所限，本研究研究對象無法進行過伸過屈位三維CT掃描，限制了腰椎過伸過屈IAR相關(guān)參數(shù)的獲取。應用計算機三維重建技術(shù)結(jié)合IAR理論可以精確評估在體腰椎節(jié)段穩(wěn)定性及運動特征，并證實了其結(jié)果的可靠性，未來可進一步探究腰椎融合術(shù)后及人工腰椎間盤術(shù)后等不同腰椎病理狀態(tài)下的人群IAR特征，為臨床診療相關(guān)疾病提供參考依據(jù)。