正常志愿者C4、C5椎體在頸椎屈伸運(yùn)動過程中的相對位置特征

高雅鵬，陸庭斌

陜西省康復(fù)醫(yī)院影像一科，陜西 西安 710065

頸椎退行性骨關(guān)節(jié)病為臨床多見疾病，其發(fā)病率呈現(xiàn)出年輕化趨勢。當(dāng)前，采用影像學(xué)研究頸椎動態(tài)已成為臨床研究重點(diǎn)，動態(tài)MRI檢測在頸椎不同興趣部位時能夠看到黃韌帶厚度與椎間盤突出改變情況，經(jīng)過觀察頸椎1/2、1/4伸屈和完全伸屈情況，能夠及時發(fā)現(xiàn)常規(guī)中立位時隱匿黃韌帶變厚或者椎間盤突出[1-3]。WU等[4]在采用動態(tài)X線透視描述頸椎屈伸運(yùn)動過程的椎間角變化的研究中，提出了在頸椎連續(xù)運(yùn)動中提取頸椎特征點(diǎn)進(jìn)行分析的方法，并分析了椎間角的變化。因此，本研究應(yīng)用動態(tài)X線技術(shù)分析了正常志愿者C4、C5椎體在頸椎屈伸運(yùn)動過程中相對位置特征變化，以期為臨床患者診療提供一些借鑒。

1 資料與方法

1.1 納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn)：①查體平片無顯著鉤突肥大、椎體骨質(zhì)增生、椎間隙變窄、曲度消失及側(cè)彎等征象；②既往無上肢麻木、頸背部疼痛及明顯頭暈等頸椎病癥狀。排除標(biāo)準(zhǔn)：①拒接行動態(tài)X線采集者；②長期接觸電子屏幕、長期伏案等工作導(dǎo)致頸部長時間位于緊張狀態(tài)；③訓(xùn)練后其頸椎屈伸運(yùn)動依然無法勻速進(jìn)行者；④頸部既往曾受過外傷者；⑤查體平片顯示發(fā)生阻滯椎、頸椎滑脫等征象；⑥既往頸部有過手術(shù)史者。

1.2 一般資料 選取2017年1月至2019年1月間在陜西省康復(fù)醫(yī)院體檢且符合以上納入和排除標(biāo)準(zhǔn)的志愿者198例，由于年齡為發(fā)生頸椎病主要因素，故本研究依據(jù)志愿者年齡[5]將其分成兩組，其中75例＞40歲者作為罹患頸椎病高風(fēng)險組，123例＜40歲者作為低風(fēng)險組。高風(fēng)險組患者年齡40～67歲，平均(50.15±6.27)歲；男性28例，女性47例。低風(fēng)險組患者年齡24～38歲，平均(31.01±5.39)歲；男性41例，女性82例。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，志愿者個人或家屬知情并簽署同意書。

1.3 動態(tài)X線透視檢測 采用西門子數(shù)字胃腸X線機(jī)(JPN)對志愿者頸椎從屈位到伸位運(yùn)動過程進(jìn)行逐幀錄影。采集圖像時，速率調(diào)節(jié)為6幀/s，管電壓為60 kVp，管電流為2 mA；時間依據(jù)運(yùn)動速率與范圍不同大約為15 s。膠片和X線管球相距1.2 m，標(biāo)準(zhǔn)側(cè)位像下將X線中線設(shè)定是C椎體中分。志愿者檢測前，訓(xùn)練其頸椎均勻速完成。在檢測中志愿者都需目視前方，肩部放松避免遮擋頸椎。詳細(xì)記錄頸椎椎體從屈位到伸位運(yùn)動同時逐幀保存DICOM文件。志愿者頸椎運(yùn)動能夠保存80～110幀圖像，志愿者全部圖像依據(jù)其運(yùn)動時間的順序分成20部分。

1.4 測量方法 既往研究顯示頸椎屈伸運(yùn)動中C4、C5節(jié)段角度改變最大，出現(xiàn)頸椎退行性變化時容易受累。同時C3以上和C7椎體易被肩部和下頜骨所遮擋，本研究主要對C4、C5椎體相對位置改變進(jìn)行觀察。選取C4、C5椎體前緣與上緣交點(diǎn)當(dāng)做興趣點(diǎn)，對C4、C5椎體相對位置夾角進(jìn)行計算。采用Matlab?2014B軟件編程，使圖像實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)及自動獲取椎體興趣點(diǎn)。整幅圖像左下角當(dāng)做坐標(biāo)原點(diǎn)，橫軸x與縱軸y正方向分別為背側(cè)與頭側(cè)，每個像素各占據(jù)一個坐標(biāo)，讀取興趣點(diǎn)像素坐標(biāo)，采用反正切函數(shù)，C4、C5相對位置角度是C6椎體基準(zhǔn)點(diǎn)和C4椎體興趣點(diǎn)及C6椎體基準(zhǔn)點(diǎn)和C5椎體興趣點(diǎn)連線間夾角，如圖1所示。角度保留是正負(fù)值，可反映C4～6椎體部位改變。在全部圖像經(jīng)興趣點(diǎn)角度以后，對每部門平均角度進(jìn)行計算，統(tǒng)計分析。記錄兩組志愿者頸椎各階段椎間活動度情況。

圖1 頸椎運(yùn)動示例圖像，測量C4、C5位置夾角

1.5 圖像后處理 為降低頸椎前方軟組織干擾，突出骨皮質(zhì)對比度，需調(diào)節(jié)圖像對比度與亮度。DICOM文件采用Matlab?2014B軟件讀取后對每幀圖像進(jìn)行Canny邊緣檢測與高斯濾波，椎體邊緣皮質(zhì)輪廓需高亮顯示，志愿者頸椎運(yùn)動中圖像行邊緣檢測與濾波時，手動設(shè)定過濾的程度與范圍。第一幅圖像為頸椎處的最大伸位，同時在此圖像內(nèi)沿著C4、C5與C6椎體前緣從下至上手動輸入共60個點(diǎn)當(dāng)做參考路徑，并沿著此路徑對C6椎體下緣與前緣交點(diǎn)、C4、C5椎體上緣與前緣交點(diǎn)自動識別，如圖2、圖3所示。

圖2 男性志愿者圖像后處理過程

圖3 女性志愿者圖像后處理過程

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法 應(yīng)用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，患者頸椎活動度等符合正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)表示，兩兩比較采用t檢驗(yàn)。對受檢者頸椎運(yùn)動中每一部分相對位置角度平均值行統(tǒng)計描述，采用球形檢驗(yàn)評價運(yùn)動過程中相對位置角度變化是否具有相關(guān)性，若存在相關(guān)性，使用Greenhouse-Geisser校正統(tǒng)計結(jié)果，比較低風(fēng)險組和高風(fēng)險組頸椎運(yùn)動過程中相鄰椎體間相對位置角度的平均值。Matlab?2014B曲線擬合工具箱將頸椎屈伸運(yùn)動過程的位置和頸椎椎體相對位置角度分別對低風(fēng)險組、高風(fēng)險組及全體受檢者進(jìn)行擬合并獲得方程。檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.05。以P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組志愿者C4、C5椎體相對位置角度平均數(shù) 頸椎運(yùn)動中，高風(fēng)險組和低風(fēng)險組志愿者的C4、C5椎體相對位置角度平均數(shù)值如圖4所示。球形檢驗(yàn)P＜0.05，說明志愿者不同部位C4、C5椎體的相對部位角度和Huynh-Feldt條件不相符，不同位置間角度改變有相關(guān)性。Greenhouse Geisser校正顯示，P＜0.05，這說明不同位置角度的平均數(shù)值有一定差異。兩組志愿者在運(yùn)動中其C4、C5椎體相對部位角度差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，低風(fēng)險組志愿者在運(yùn)動中其C4、C5相對位置的改變較大。把頸椎位置與角度數(shù)值當(dāng)做橫縱坐標(biāo)行曲線擬合，結(jié)果顯示7次方曲線擬合度為最佳，P＞0.05，方程式為：f(x)=pl×x7+p2×x6+p3×x5+p4×x4+p5×x3+p6×x2+p7×x+p8(x自變量，表示頸椎曲伸任意位置，y因變量，表示頸椎運(yùn)動至某部位C4和C5間夾角，p1至p8是各項(xiàng)式系數(shù))。曲線擬合一元七次方程各系數(shù)如表1所示。兩組志愿者C4和C5椎體位置夾角與頸椎的運(yùn)動部位行曲線擬合。f（x）=pl×x7+p2×x6+p3×x5+p4×x4+p5×x3+p6×x2+p7×x+p8(e是10指數(shù)形式，括號內(nèi)是最大、最小值，括號外平均數(shù)值，p1至p8是各項(xiàng)式系數(shù))。

2.2 兩組志愿者頸椎各階段椎間活動度比較 低風(fēng)險組頸椎C5～6、C6～7椎間活動明顯高于高風(fēng)險組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，見表2。

圖4 頸椎運(yùn)動C4和C5椎體相對位置角度

表1 兩組志愿者經(jīng)曲線擬合一元七次方程的各項(xiàng)系數(shù)

表2 兩組志愿者頸椎各階段椎間活動度比較(，°)

表2 兩組志愿者頸椎各階段椎間活動度比較(，°)

images/BZ_90_206_812_2273_875.png低風(fēng)險組高風(fēng)險組t值P值123 75 12.25±3.67 11.92±3.36 0.357 0.469 9.13±2.50 8.89±2.25 0.492 0.352 13.14±3.19 12.96±3.20 0.430 0.286 17.14±3.39 16.76±3.46 0.338 0.197 20.08±3.93 13.93±3.28 9.037 0.001 17.65±3.80 10.34±3.22 12.055 0.001

3 討論

伴隨年齡不斷增加，機(jī)體發(fā)生頸椎退行性骨關(guān)節(jié)病概率也逐漸增大。椎小關(guān)節(jié)與椎間盤發(fā)生退變時，頸椎則出現(xiàn)不同程度的不穩(wěn)定情況，導(dǎo)致上肢麻木、功能減弱、頭疼、頭暈等臨床表征[6-7]。目前，臨床逐漸應(yīng)用自動化檢測軟件，對于頸椎的動態(tài)運(yùn)動可進(jìn)行多參數(shù)客觀檢測，顯示了對診斷有利的頸椎病動態(tài)征象[8-11]。有關(guān)專家采用位置相關(guān)磁共振(pMRI)或者動態(tài)MRI檢測頸椎退行性骨關(guān)節(jié)病，他們一般分析頸椎運(yùn)動內(nèi)某些特殊位置，如完全伸位、完全屈位及1/2、1/4屈位等[12-14]。ZAPEI等[15]采用kMRI對于頸椎運(yùn)動中相關(guān)興趣位置內(nèi)C2～7鄰近椎體夾角、C2和C7椎體的垂直距離、頸椎傾角及T1椎傾斜率等成功測量。對于常規(guī)MRI，動態(tài)MRI需相關(guān)模具來維持頸椎靜止的興趣位置。

為分析連續(xù)運(yùn)動中鄰近椎體間位置改變，本研究分析頸椎屈伸運(yùn)動時采用動態(tài)X線攝影，椎體間的位置指標(biāo)以椎體間夾角進(jìn)行描述[16]。后處理時，由于附件干擾了椎體后緣，所以選擇C4和C5上緣與前緣交點(diǎn)當(dāng)做興趣點(diǎn)以表示全部椎體。肩部和上胸段骨骨質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而C7椎體下部運(yùn)動時會被周邊骨質(zhì)遮擋，本研究中選取C6椎體下緣與后緣交點(diǎn)當(dāng)做旋轉(zhuǎn)中心來配準(zhǔn)。在經(jīng)訓(xùn)練以后志愿者屈伸運(yùn)動時均可維持勻速，但運(yùn)動幅度依然存在差異，所以將屈伸運(yùn)動百分化，運(yùn)動范圍共分成20部分，各部分表示頸椎運(yùn)動5%活動范圍，在依據(jù)檢測角度對比。

本研究結(jié)果顯示，鄰近椎體角度伴隨頸椎屈伸運(yùn)動持續(xù)改變，運(yùn)動中角度突變不會發(fā)生，這說明運(yùn)動中C4和C5椎體維持穩(wěn)定位置關(guān)系，表示鉤椎關(guān)節(jié)穩(wěn)定，結(jié)果和相關(guān)腰椎滑脫研究近似。對年齡不同志愿者研究顯示，C4和C5椎體的相對位置特點(diǎn)有一定差異，其中高風(fēng)險組患者的C4和C5椎體相對位置角度小，表示其活動度變小，志愿者常規(guī)X線和臨床表征均沒有患頸椎病的相關(guān)證據(jù)，由此可推斷其差異的出現(xiàn)和年齡有聯(lián)系，機(jī)體頸椎退化的主要危險因素為年齡。同時，本研究顯示頸椎屈伸運(yùn)動時其椎體相對位置改變有一定規(guī)律。在一元七次方程中，將頸椎屈伸運(yùn)動分為20部分，x表示頸椎屈伸運(yùn)動任意位置，表示所占頸椎屈伸百分比；y為伴隨頸椎屈伸運(yùn)動時鄰近椎體相對位置夾角改變，和自變性x為對應(yīng)關(guān)系，伴隨x的改變而改變。此方程給出了健康人頸椎屈伸運(yùn)動時C4和C5椎體所處對應(yīng)位置。因此，若不符合該方程，則能夠推斷C4和C5相對位置發(fā)生改變，原因可能為頸椎退變導(dǎo)致頸椎屈伸運(yùn)動椎間不穩(wěn)定所造成的。

綜上所述，頸椎屈伸運(yùn)動時伴隨頸椎的整體運(yùn)動，C4和C5椎體間相對位置會出現(xiàn)規(guī)律性改變，隨著年齡的增加機(jī)體頸椎活動度會下降。頸椎動態(tài)X線能夠很好地評估頸椎各階段運(yùn)動情況，對臨床頸椎病患者的診療有重要指導(dǎo)價值。