脊柱胸腰段骨折椎體的三維形態(tài)學(xué)分析

蘇啟航 張錦飆 李聰 張巖 潘杰 李立鈞 譚軍，2

在脊柱骨折損傷中，位于移行處的胸腰段椎體（T11～L2）骨折發(fā)生率最高，約占脊柱骨折的90%［1，2］。胸腰段椎體骨折通常是高能量損傷的結(jié)果，其中大多數(shù)由機(jī)動(dòng)車事故、跌倒或墜落造成［3］，并且存在一些潛在的嚴(yán)重并發(fā)癥，包括頑固性疼痛、癱瘓、脊柱后凸、椎體高度和功能的喪失。盡管在胸腰段椎體骨折中通常較少出現(xiàn)癱瘓，但不穩(wěn)定的脊柱結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致周圍組織的破壞，從而發(fā)生遲發(fā)性癱瘓［4］。因此，準(zhǔn)確、全面的病情評(píng)估，正確的臨床決策以及早期的康復(fù)功能鍛煉，成為了影響病情預(yù)后的關(guān)鍵因素。

以往關(guān)于胸腰段椎體損傷研究多數(shù)是致力于建立一種可靠的、重復(fù)性好的損傷分型或評(píng)分，其中包括Denis 分型系統(tǒng)［5］，Magerl 等［6］的AO 分型系統(tǒng)，McCormack 等［7］提出的脊柱載荷分享評(píng)分（load sharing classification,LSC）系統(tǒng)，以及目前最具臨床指導(dǎo)價(jià)值的胸腰椎損傷分類及損傷程度評(píng)分系統(tǒng)（TLICS）［8］。然而并沒有一種系統(tǒng)能完全被臨床醫(yī)生所接受，各系統(tǒng)都存在一定程度的利弊。近些年，隨著骨科數(shù)字化、大數(shù)據(jù)分析的發(fā)展，三維（threedimensional,3D）技術(shù)、有限元生物力學(xué)分析技術(shù)及Mapping 技術(shù)，越來越受到臨床醫(yī)生及研究者的關(guān)注與應(yīng)用。其中，在諸多骨科形態(tài)學(xué)分析的研究［9-12］中，3D Mapping 技術(shù)顯示出了其特有的優(yōu)越性及價(jià)值。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的可視化，這對(duì)進(jìn)一步研究胸腰段椎體骨折的生物力學(xué)和形態(tài)學(xué)特點(diǎn)起到了關(guān)鍵作用。

本研究的目的是根據(jù)一系列胸腰段椎體（T11～L2）的骨折線位置和頻率，通過3D Mapping 技術(shù)得到椎體3D 骨折線分布圖（3D maps）。我們假設(shè)3D maps將揭示胸腰段椎體骨折的好發(fā)模式以及骨折特征，這可以提高外科醫(yī)生在術(shù)前評(píng)估過程中對(duì)胸腰段骨折的認(rèn)識(shí)和理解，以便作出最佳的臨床決策。

資料與方法

一、納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡為20～65 歲的病人；②T11～L2椎體的A 型骨折（Type A1.3 和Type A1.1 除外，Magerl 等［6］提出的AO 骨折分型系統(tǒng)）；③非骨質(zhì)疏松性和非病理性椎體骨折；④病史小于1 周的新鮮椎體骨折；⑤具有完整高質(zhì)量的胸腰椎CT影像學(xué)資料。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①CT 影像學(xué)資料質(zhì)量差，無法分辨椎體骨折線；②極其嚴(yán)重的粉碎性骨折或骨松質(zhì)坍塌性骨折，無法復(fù)位和分辨骨折線；③既往已行胸、腰椎內(nèi)固定手術(shù)或具有非正常解剖結(jié)構(gòu)的病人。

二、一般資料

回顧性分析2017年1月至2019年3月于我科就診的胸腰段椎體骨折病人的臨床資料，并獲取胸腰椎CT 檢查數(shù)據(jù)。本研究的興趣區(qū)域?yàn)門11～L2的椎體部分。研究對(duì)象由本研究第一作者、一位資深脊柱外科臨床醫(yī)生及一位高年資影像科醫(yī)師，共同評(píng)估篩選。

根據(jù)納入與排除標(biāo)準(zhǔn)，納入257例研究對(duì)象，共266個(gè)骨折椎體。其中，男150例，女107例，平均年齡為46 歲。T11椎體骨折15 例（15/266，5.64%），T12椎體骨折69 例（69/266，25.94%），L1椎體骨折95 例（95/266，35.71%），L2椎 體 骨 折87 例（87/266，32.71%），T11椎體骨折例數(shù)所占比例不高，而L1和L2椎體在胸腰段骨折損傷所占比例相對(duì)較高。另外，根據(jù)病史資料，病人的受傷機(jī)制主要有墜落、摔倒及交通意外，墜落和摔倒181例（181/257，70.43%），交通事故76例（76/257，29.57%）。

三、3D骨折線分布圖

我們根據(jù)Xie 等［13］描述的方法繪制椎體（T11～L2）的3D 骨折線分布圖。首先，在圖片存檔和通信系統(tǒng)（picture archiving and communication system,PACS）數(shù)據(jù)庫(kù)里，篩選并導(dǎo)出研究對(duì)象的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine, DICOM）格式原始CT 數(shù)據(jù)。且各研究對(duì)象所使用的CT檢查設(shè)備為64通道的高分辨率CT掃描儀（SOMATOM Sensation 64，西門子公司，德國(guó)），掃描參數(shù)如下：管電壓，120 kV；管電流，200 mA；切片厚度，1 mm；層間距，0.5 mm。然后，將各個(gè)研究對(duì)象的DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics V20.0 軟件（Materialise 公司，比利時(shí)）。通過閥值分割，確定胸椎和腰椎大致區(qū)域；然后通過區(qū)域增長(zhǎng)，將骨折椎體的骨折塊分離重建出來；再通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)圖像處理中的閉運(yùn)算和光滑化處理，使骨折椎體更進(jìn)一步接近原始形貌；最終建立起完整的骨折椎節(jié)STL 格式的三角網(wǎng)格模型。在軸向、矢狀面和冠狀面上同時(shí)分析、分離骨折塊，使我們能夠更完整地重建骨折椎體三維模型。

然后將STL 模型數(shù)據(jù)輸出到3-matic V9.0 軟件（Materialise 公司，比利時(shí)）中，其中重建的骨折塊需進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)、水平翻轉(zhuǎn)、復(fù)位和標(biāo)準(zhǔn)化操作，使其能最佳地匹配正常椎體的3D 模板模型。調(diào)整骨折椎體模型的透明度，將復(fù)位好的骨折椎體模型與正常椎體模型相重疊，然后直接在正常椎體3D模型的表面臨摹骨折線。然后依次將各骨折椎體的骨折線臨摹到同一正常椎體模型上，最后就獲得了各個(gè)椎體節(jié)段的3D骨折線分布圖。

四、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用分類變量的頻率和百分比以及連續(xù)變量的算術(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差來總結(jié)病人的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征。并對(duì)3D骨折線分布圖進(jìn)行描述性分析。

結(jié) 果

從圖1我們可以看到，45～49歲為胸腰段骨折高發(fā)年齡段。表1展示了T11～L2椎體的AO骨折分型情況。A1 型壓縮性骨折（147/266，55.26%）和A3 型爆裂性骨折（109/266，40.98%）較A2 型分裂性骨折（10/266，3.76%）發(fā)生率高。而對(duì)于各亞型而言，A1.2.1上方楔形壓縮性骨折和A3.1.1上方不完全爆裂性骨折所占比例相對(duì)較高。

圖1 病人年齡段分布情況

圖2是T11、T12、L1和L2的3D骨折線分布圖，直觀地展示了四個(gè)節(jié)段的骨折線分布特點(diǎn)。從圖中我們可以看出，骨折線主要集中在椎體的上半部分以及椎體的外1/3 部分，并且沿著椎體的前方和側(cè)方呈環(huán)狀楔形分布，也就說這部分骨折線的密度更高。而且通過觀察，骨折線的分布似乎從集中部分向椎體的后方和下方部分逐漸分散、稀疏。另外，我們可以發(fā)現(xiàn)T12的骨折線分布比較集中和有序，其骨折線集中部分更加靠椎體上方。L1和L2（尤其L2）骨折線分布相對(duì)于T12更加分散和雜亂。

表1 266個(gè)椎體（T11～L2）骨折分型情況［個(gè)（%）］

圖2 T11～L2 3D骨折線分布圖 從左往右依次為正面觀、頂面觀、底面觀、右面觀及左面觀

討 論

本研究采用了一種循證大數(shù)據(jù)可視化方法——3D Mapping 技術(shù)，該技術(shù)近些年被廣泛用于肩胛骨骨折［9］、脛骨平臺(tái)骨折［10］及踝關(guān)節(jié)骨折［11］等骨科領(lǐng)域的形態(tài)學(xué)分析研究中，且取得了許多成績(jī)斐然的研究成果，其研究?jī)r(jià)值越來越受到研究者和臨床工作者的關(guān)注。此次研究，我們結(jié)合了流行病學(xué)及形態(tài)學(xué)的分析，對(duì)胸腰段椎體骨折的AO 分型和骨折損傷特點(diǎn)有了新的認(rèn)識(shí)。

表1的AO分型結(jié)果揭示，T11、T12、L1和L2的分型特點(diǎn)似乎差別不大，都有A1 型壓縮性骨折和A3 型爆裂性骨折較A2 型分裂性骨折發(fā)生率高的共同特點(diǎn)。僅從AO 分型，很難發(fā)現(xiàn)這四個(gè)節(jié)段骨折特點(diǎn)的不同點(diǎn)，且所示的特點(diǎn)并不直觀。再加上AO 分型本身的復(fù)雜性［14］，因此AO 分型很難被廣泛應(yīng)用于臨床決策中。然而，對(duì)于此次研究的結(jié)果，通過對(duì)T11～L2椎體的3D 骨折線分析圖的觀察分析，我們可以非常直觀地看到T11～L2的骨折特點(diǎn)和模式是略微不同的，且顯示出了AO 分型所不能展示的大數(shù)據(jù)形態(tài)學(xué)特點(diǎn)：骨折線分布主要集中在椎體的上半部分以及椎體的外1/3，尤以前1/3最為集中，并沿著椎體上緣呈環(huán)形分布。因此，從該結(jié)果來看，我們猜測(cè)這部分是椎體骨折時(shí)的主要受力區(qū)或者是相對(duì)脆弱區(qū)。并且我們發(fā)現(xiàn)椎弓根下緣以下的椎體部分相比上半部分的椎體更不易發(fā)生骨折。所以在骨折內(nèi)固定手術(shù)治療時(shí)，我們需要更多地關(guān)注這部分骨折高發(fā)區(qū)的隱匿性骨折的存在，在優(yōu)化置釘角度和深度以及骨折內(nèi)固定器械設(shè)計(jì)方面亦是如此。

另外，相比T11和T12而言，L1和L2的骨折發(fā)生率更高，而且從更加散亂的骨折線分布特點(diǎn)來看，一般情況下，L1/2椎體的骨折粉碎程度相對(duì)T11/12更嚴(yán)重，對(duì)椎管的威脅程度也就不一樣。根據(jù)解剖特點(diǎn)［15，16］，T11～L2是脊柱生理彎曲的移行區(qū)域，T11和T12處于脊柱后凸的位置，L1和L2是處于脊柱前凸的位置，因此它們的受力重心是不同的。L1/2的受力重心比T11和T12更靠近椎體后部，因此L1/2椎體后部骨折發(fā)生率也相對(duì)更高，即中柱發(fā)生骨折的比例相對(duì)更高，對(duì)椎管和脊柱穩(wěn)定性的威脅程度也就更高。而對(duì)于T11和T12，由于這種解剖差異所導(dǎo)致的受力重心的差異，在3D骨折線分析圖上體現(xiàn)得更加明顯：它們的骨折線大部分是集中分布于脊柱前柱的椎體邊緣，即“椎體邊緣性骨折”的占比率比較高。結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)，單純的T11或T12椎體前柱的骨折，傾向于保守治療或椎體前路內(nèi)固定術(shù)。而L1和L2椎體的骨折，由于中柱損傷的發(fā)生率較高，因此對(duì)于TLICS評(píng)分［8］在3～5分的病人，盡早采取后路內(nèi)固定減壓術(shù)是必要的，以免發(fā)生進(jìn)一步椎管神經(jīng)的損傷和脊柱失穩(wěn)。因此，我們可以看到3D Mapping 技術(shù)在形態(tài)學(xué)分析方面是優(yōu)于AO 分型的，它可以非常直觀地為我們提供更加準(zhǔn)確清晰的信息，這將對(duì)后續(xù)的研究提供更多的形態(tài)學(xué)分析依據(jù)。

其次，本研究引發(fā)了我們新的思考：椎管前方椎體后壁和椎弓根前方椎體后壁是否應(yīng)該視為同一整體，對(duì)椎管的威脅程度是否相同？眾所周知，在Denis［5］和Ferguson 等［17］提出并改進(jìn)的三柱理論中，椎體的后1/3 是被歸為中柱的，且中柱對(duì)脊柱的穩(wěn)定性以及對(duì)椎管的威脅性是不可忽視的。根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，椎弓根前方的椎體后部發(fā)生骨折的比例是相對(duì)較低的，該部分的骨折很多是伴有椎體前部的骨折。而椎管前方的椎體后壁單獨(dú)發(fā)生骨折且不伴有椎體前部骨折的比例是相對(duì)更高的。我們猜測(cè)這可能是由于椎弓根的把持作用，致使椎管前方椎體后壁和椎弓根前方椎體后壁具有不同骨折特點(diǎn)和模式。從骨折線分布圖我們也可以看出，這兩部分的骨折線分布位置和密度也是不同的。因此，我們認(rèn)為這兩部分具有不同的生理解剖特點(diǎn)和骨折特征，對(duì)椎管的威脅程度也不一樣，不應(yīng)籠統(tǒng)地將兩者視為同一整體，是否應(yīng)該被歸為同一柱也值得研究者和臨床工作者進(jìn)一步討論。

目前很少有研究把3D Mapping 技術(shù)應(yīng)用到胸腰段骨折分析的研究中。事實(shí)上，這種大數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)將有利于未來胸腰段骨折研究的發(fā)展。但是本次研究仍然存在著一些不足：①本研究的興趣區(qū)域是T11～L2的椎體部分，未涉及胸腰椎后柱的相關(guān)結(jié)構(gòu)。胸腰段脊柱后方的韌帶對(duì)脊柱的穩(wěn)定性以及臨床決策是非常重要的［18，19］，因此僅僅從3D骨折線分布圖無法對(duì)病人進(jìn)行全面的病情評(píng)估。②對(duì)于很多的椎體坍塌性骨折病例以及粉碎較為嚴(yán)重的病例并未納入本研究中，因?yàn)閼?yīng)用Mapping 技術(shù)是很難復(fù)位骨塊以及識(shí)別骨折線的，因此本技術(shù)存在一定的局限性。③本研究主要是通過形態(tài)學(xué)對(duì)骨折進(jìn)行了分析，并未對(duì)胸腰段脊柱的生物力學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的研究。未來，我們將結(jié)合其他更多的新技術(shù)和新方法，對(duì)胸腰段骨折進(jìn)行進(jìn)一步研究。④該技術(shù)非常耗時(shí)，因此對(duì)于極大病例群體的研究，存在一定局限性［20］。

雖然3D Mapping 技術(shù)有一定的局限性，但是我們也不能忽視它帶給我們的研究?jī)r(jià)值。該技術(shù)可以輔助我們從形態(tài)學(xué)以及流行病學(xué)方面，對(duì)胸腰段骨折有新的認(rèn)識(shí)，使得我們能夠進(jìn)一步優(yōu)化手術(shù)方案，甚至是對(duì)優(yōu)化骨折內(nèi)固定器械的設(shè)計(jì)有所幫助。在提出一套完善的指導(dǎo)臨床決策的骨折分型系統(tǒng)方面，具有巨大的輔助潛力和價(jià)值。