建立計(jì)算機(jī)模型探索顱底凹陷導(dǎo)致寰樞椎脫位的力學(xué)機(jī)制的研究

首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（臨床生物力學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京 100069

引言

寰樞椎脫位（Atlanto-Axial Dislocation，AAD）是常見(jiàn)的脊柱外科疾病，先天性畸形或發(fā)育異常會(huì)導(dǎo)致C1和C2脫位或不穩(wěn)定，有可能壓迫到高位頸髓并累及椎-基底動(dòng)脈。顱頸區(qū)的結(jié)構(gòu)相互作用，一旦寰樞椎出現(xiàn)異常，也會(huì)導(dǎo)致其他結(jié)構(gòu)異常，其中顱底凹陷最為常見(jiàn)。在顱頸區(qū)發(fā)育異?；蚧蔚耐瑫r(shí)，枕骨會(huì)更趨于扁平并且有向內(nèi)翻折的趨勢(shì)。變形后的枕骨無(wú)法承擔(dān)顱底骨、寰樞關(guān)節(jié)、齒狀突等結(jié)構(gòu)的壓力，進(jìn)而使得顱底骨向中間凹陷進(jìn)入顱腔，寰樞關(guān)節(jié)和齒狀突也會(huì)呈現(xiàn)向顱底陷入的趨勢(shì)，從而使腦干和延髓受到壓迫，最終引發(fā)各種神經(jīng)脊髓綜合征[1]。

對(duì)于顱底凹陷引起的AAD，其外科治療方式一直在不斷改善，但目前見(jiàn)報(bào)道的完全復(fù)位率為75%，仍有部分患者無(wú)法完全復(fù)位。這是因?yàn)楫?dāng)顱底凹陷患者的樞椎側(cè)方關(guān)節(jié)和齒狀突畸形更為嚴(yán)重時(shí)，最終使得AAD的力學(xué)體制也更加復(fù)雜，加重復(fù)位的難度。因此，想要制定更為有效的外科治療方式，就必須要深入研究顱底凹陷和AAD之間的力學(xué)機(jī)制。目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究聚焦兩個(gè)方面：

（1）側(cè)方關(guān)節(jié)畸形與脫位之間的關(guān)系。顱底凹陷患者的顱頸區(qū)畸形中，寰枕融合最為常見(jiàn)。如果寰椎側(cè)塊和枕髁融合，會(huì)導(dǎo)致寰椎側(cè)塊失去高度，并且會(huì)使得樞椎齒狀突向上凹陷進(jìn)入枕骨大孔，最終導(dǎo)致顱底凹陷。寰椎側(cè)塊結(jié)合枕髁?xí)纬蓮?fù)合體，復(fù)合體在樞椎上關(guān)節(jié)面會(huì)與之構(gòu)成寰樞椎側(cè)方關(guān)節(jié)，異常關(guān)節(jié)面往往在矢狀面向前下傾斜，使齒狀突向后脫位[2-5]。相關(guān)學(xué)者的研究和測(cè)量均證實(shí)側(cè)方關(guān)節(jié)畸形程度與寰齒關(guān)節(jié)脫位程度呈正相關(guān)[2,6]，還有研究提出側(cè)方關(guān)節(jié)畸形引起AAD的假說(shuō)，側(cè)方關(guān)節(jié)的畸形在矢狀面內(nèi)令顱骨和頸椎失穩(wěn)，顱骨前移重心和頸椎前凸增加，使得齒狀突向后脫位[7]。

（2）齒狀突畸形與脫位之間的關(guān)系。在寰樞椎結(jié)構(gòu)中，齒橫關(guān)節(jié)對(duì)維持寰樞椎矢狀面內(nèi)穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用，而齒狀突畸形，橫韌帶異常都會(huì)使得齒橫關(guān)節(jié)失穩(wěn)，從而導(dǎo)致AAD[8-11]。顱底凹陷患者在顱頸區(qū)出現(xiàn)畸形的同時(shí)，側(cè)方關(guān)節(jié)和齒狀突結(jié)構(gòu)也會(huì)受到累及而發(fā)育異?；虺霈F(xiàn)畸形。因此顱底凹陷和AAD之間的作用機(jī)制，不僅與寰樞椎側(cè)方關(guān)節(jié)畸形有關(guān)，也與樞椎齒狀突畸形有密切關(guān)系。

先天性顱底凹陷病人因復(fù)雜的三維畸形病理特點(diǎn)使得常規(guī)生物力學(xué)模型、物理模型、在體模型等均無(wú)法用于研究[12]，計(jì)算機(jī)模型則提供了新的思路，只需采集病人的CT圖像并借助圖像處理軟件的重建算法，即可得到頸椎三維幾何模型。本研究將分別建立正常人、顱底凹陷不合并AAD患者、顱底凹陷合并AAD患者的三維幾何模型，討論側(cè)方關(guān)節(jié)畸形和齒狀突畸形與AAD之間的關(guān)系，探索顱底凹陷導(dǎo)致AAD的力學(xué)機(jī)制，以利于優(yōu)化外科手術(shù)的方案。

1 材料與方法

1.1 樣本

采用20位無(wú)既往頸椎病史的成年志愿者的頸椎CT斷層圖像、20位顱底凹陷不合并AAD的患者的頸椎CT斷層圖像、20位顱底凹陷合并AAD的患者的頸椎CT斷層圖像來(lái)完成建模，采集數(shù)據(jù)使用西門(mén)子SOMATOM Sensation 64/Cardiac 64螺旋CT機(jī)，掃描層距為0.6 mm，臨床圖像資料以512×512像素的DICOM格式保存數(shù)據(jù)。

1.2 三維幾何模型構(gòu)建

1.2.1 軟硬件配置

本研究所建立模型的硬件配置采用Hasee Computer N8xEJEK(CPUi5-8300h，內(nèi)存8192 MB RAM，硬盤(pán)250 G）。本研究使用Mimics Research 20.0、IBM SPSS Statistics 21軟件完成。

1.2.2 頸椎三維幾何模型構(gòu)建方法

通過(guò)CT圖像灰度特征來(lái)設(shè)定不同的閾值特性，之后基于空間連接性演算，利用確定好的CT閾值范圍，在某一橫截面選擇種子點(diǎn)，再通過(guò)編碼和運(yùn)算，找尋臨近與之連接的演算點(diǎn)（像素點(diǎn)）。通過(guò)不斷的編碼和運(yùn)算，最終整個(gè)閾值范圍的像素點(diǎn)都被選取成為蒙版，將蒙版內(nèi)相鄰像素連接即可獲得頸椎三維幾何模型。如圖1所示，分別為正常對(duì)照志愿者、顱底凹陷不伴有AAD患者、顱底凹陷伴有AAD患者的頸椎三維幾何模型。

圖1 頸椎三維幾何模型

1.3 形態(tài)學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 顱底凹陷程度

錢(qián)氏（Chamberlain）線，硬腭后緣與枕骨大孔后緣間的連線，亦稱腭枕線。正常人齒狀突在此線的3 mm以下，若超過(guò)此限，即為顱底凹陷癥。本研究采用在矢狀位圖像中齒狀突尖部距錢(qián)氏線距離判斷顱底凹陷的程度，在頸椎矢狀位圖像中通過(guò)測(cè)量顱骨斜坡前緣和齒狀突前邊界之間的夾角獲得顱頸傾角輔助分析顱底凹陷[13-14]。

1.3.2 AAD程度

齒狀突與寰椎兩側(cè)塊之間的距離不對(duì)稱，兩側(cè)塊與樞椎體關(guān)節(jié)不對(duì)稱或一側(cè)關(guān)節(jié)間隙消失或重疊是脫位的征象。寰椎前弓與齒狀突前面的距離正常人不超過(guò)2.5 mm，若超過(guò)此范圍即為前脫位。在橫截面圖像中測(cè)量齒突前正中點(diǎn)到寰椎前弓后緣的距離，即寰齒前間距（Atlanto Distance Interval，ADI），用來(lái)判斷AAD 程度[15-16]。

1.3.3 齒狀突畸形參數(shù)

設(shè)定一組參數(shù)（齒狀突高度、齒狀突高度與齒狀突基底寬度的比值、齒狀突傾斜角度）作為表征齒狀突畸形的形態(tài)參數(shù)。在建立好的頸椎模型上，利用齒狀突兩側(cè)與樞椎椎體移行的位置為齒狀突基底的兩端，連線兩個(gè)端點(diǎn)作為齒狀突的基底線，測(cè)量齒狀突基底線的長(zhǎng)度得到齒狀突基底寬度D，通過(guò)測(cè)量齒狀突尖部距齒狀突基底線的垂直距離即可得到齒狀突高度H，測(cè)量齒狀突兩個(gè)傾角θ1和θ2及傾角差值來(lái)研究齒狀突不規(guī)則傾斜程度。利用齒狀突高度、齒狀突高度/齒狀突基底寬度和齒狀突傾角評(píng)價(jià)齒狀突畸形形態(tài)如圖2所示。

圖2 齒狀突畸形參數(shù)示意圖

1.3.4 側(cè)方關(guān)節(jié)畸形參數(shù)

本文選用顱頸傾角和矢狀面夾角作為表征側(cè)方關(guān)節(jié)畸形的形態(tài)參數(shù)[13-14]，在頸椎矢狀位圖像中，齒狀突前緣和顱骨斜坡前緣之間所呈夾角即顱頸傾角，利用齒狀突后邊界作為輔助線，記錄與樞椎上關(guān)節(jié)面水平面的夾角即可測(cè)量左右兩個(gè)矢狀關(guān)節(jié)面夾角。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究利用IBM SPSS 21軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，選用的樣本滿足獨(dú)立性，需進(jìn)行檢驗(yàn)正態(tài)性和方差齊性。對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)分析，由于每組樣本數(shù)為20<50，故采用Shapiro-Wilk法，每組正態(tài)性檢驗(yàn)值均大于0.20時(shí)可以認(rèn)為樣本來(lái)自正態(tài)總體。齒狀突尖部距Chamberlain線距離、齒狀突高度/基底寬度和矢狀位關(guān)節(jié)傾角來(lái)自正態(tài)總體，而ADI、齒狀突高度、齒狀突基底寬度、齒狀突傾角θ1、齒狀突傾角θ2、齒狀突傾角差值、顱頸傾角并非來(lái)自正態(tài)總體。利用Levene方差齊性檢驗(yàn)方法，當(dāng)數(shù)據(jù)基于均值的P＞0.10時(shí)可認(rèn)為數(shù)據(jù)具有方差齊性。則可知齒狀突高度、齒狀突基底寬度具有方差齊性。而齒狀突尖部距Chamberlain線距離、ADI、齒狀突高度/基底寬度、齒狀突傾角θ1、齒狀突傾角θ2、齒狀突傾角差值、矢狀位關(guān)節(jié)傾角、顱頸傾角不具有方差齊性。經(jīng)過(guò)以上的檢驗(yàn)，每組數(shù)據(jù)均不同時(shí)滿足方差分析和最小有意義LSD-t檢驗(yàn)的使用條件。

根據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)的理論，如果樣本不滿足正態(tài)性與方差齊性，則需采用非參數(shù)檢驗(yàn)方法，非參數(shù)檢驗(yàn)是不依賴特定的總體分布，也不對(duì)總體參數(shù)進(jìn)行推斷的一類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析方法，又稱任意分布檢驗(yàn)。用于比較多個(gè)獨(dú)立樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)方法是在Wilcoxon秩和檢驗(yàn)基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)的Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，可用于比較多個(gè)總體的分布位置是否相同。采用Kruskal Wallis檢驗(yàn)分析整體數(shù)據(jù)，原假設(shè)為各總體差異分布情況相同，選用獨(dú)立樣本Kruskal Wallis檢驗(yàn)，齒狀突尖部距Chamberlain線距離、ADI、齒狀突高度、齒狀突高度/基底寬度、齒狀突傾角θ1、齒狀突傾角θ2、矢狀位關(guān)節(jié)傾角、顱頸傾角P＜0.001，拒絕原假設(shè)。齒狀突尖部距Chamberlain線距離、ADI、齒狀突高度、齒狀突高度/基底寬度、齒狀突傾角θ1、齒狀突傾角θ2、矢狀位關(guān)節(jié)傾角、顱頸傾角在α=0.05的檢驗(yàn)水平下差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可認(rèn)為三組的數(shù)據(jù)不全相等，而齒狀突基底寬度、齒狀突傾角差值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

多個(gè)獨(dú)立樣本經(jīng)過(guò)Kruskal-Wallis檢驗(yàn)拒絕H0時(shí)，認(rèn)為各總體的分布位置不全相同，還需進(jìn)行組間多重比較來(lái)推斷某兩個(gè)總體的分布位置是否不同，如采用Bonferroni校正的近似正態(tài)Z檢驗(yàn)組間差異[17]。

Spearman秩相關(guān)系數(shù)是一個(gè)非參數(shù)性質(zhì)（與分布無(wú)關(guān)）的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，用來(lái)度量?jī)蓚€(gè)變量之間聯(lián)系的強(qiáng)弱，通常被認(rèn)為是排列后變量之間的Pearson線性相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 顱底凹陷程度

對(duì)齒狀突尖部距Chamberlain線距離，得到不脫位組、脫位組與正常組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），不脫位組和脫位組之間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.999）（表1）。

表1 各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

2.2 AAD程度

對(duì)ADI進(jìn)行分析后，三組間任意兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.3 齒狀突畸形參數(shù)

對(duì)齒狀突高度進(jìn)行分析后，得到不脫位組、脫位兩組與正常組比較差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），不脫位組和脫位組之間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.054＞0.05）。對(duì)齒狀突高度/基底寬度進(jìn)行分析，三組間任意兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。對(duì)齒狀突傾角θ1進(jìn)行分析，三組間任意兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。對(duì)齒狀突傾角θ2分析后，得到不脫位組，脫位兩組與正常組比較差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），不脫位組和脫位組之間比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.114＞0.05）（表1）。

2.4 側(cè)方關(guān)節(jié)畸形參數(shù)

對(duì)矢狀位關(guān)節(jié)傾角進(jìn)行分析，三組間任意兩組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。對(duì)顱頸傾角進(jìn)行分析后，不脫位、脫位兩組與正常組比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），不脫位組和脫位組之間比較差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.066＞0.05）（表 1）。

2.5 相關(guān)性分析

以矢狀位關(guān)節(jié)傾角作為表征側(cè)方關(guān)節(jié)畸形的參數(shù)，計(jì)算齒狀突參數(shù)與側(cè)方關(guān)節(jié)畸形的相關(guān)性（表2）。從結(jié)果中可以看出，齒狀突高度、齒狀突高度/基底寬度與側(cè)方關(guān)節(jié)畸形顯著負(fù)相關(guān)，其他兩個(gè)參數(shù)與側(cè)方關(guān)節(jié)畸形顯著正相關(guān)。

表2 相關(guān)參數(shù)與側(cè)方關(guān)節(jié)畸形之間的相關(guān)性

以齒狀突尖部距Chamberlain線距離作為顱底凹陷程度的參數(shù)，計(jì)算參數(shù)與顱底凹陷之間的相關(guān)性（表3），從結(jié)果中可以看出，齒狀突高度、齒狀突高度/基底寬度與顱底凹陷顯著負(fù)相關(guān)，其他四個(gè)參數(shù)與顱底凹陷顯著正相關(guān)。

表3 相關(guān)參數(shù)與顱底凹陷之間的相關(guān)性

以ADI作為AAD程度的參數(shù)，計(jì)算參數(shù)與AAD之間的相關(guān)性（表4），從結(jié)果中可以看出，齒狀突高度、齒狀突高度/基底寬度與AAD顯著負(fù)相關(guān)，其他四個(gè)參數(shù)與AAD顯著正相關(guān)。

表4 相關(guān)參數(shù)與AAD之間的相關(guān)性

3 討論

寰樞椎關(guān)節(jié)是人體活動(dòng)最大的關(guān)節(jié)，其周?chē)绣咀登肮?、十字韌帶限制活動(dòng)并維持穩(wěn)定，其旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)則受到翼狀韌帶的限制，這些結(jié)構(gòu)的損傷或變形將會(huì)影響到寰樞椎關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。許多研究表明顱底凹陷患者側(cè)方關(guān)節(jié)畸形和AAD之間有顯著的相關(guān)性，因此顱底凹陷患者側(cè)方關(guān)節(jié)畸形是導(dǎo)致AAD的重要原因。顱底凹陷不僅導(dǎo)致側(cè)方關(guān)節(jié)畸形，也會(huì)使齒狀突發(fā)生不同程度的畸形，有學(xué)者認(rèn)為顱底凹陷患者的齒狀突畸形作為顱底凹陷患者重要的病理學(xué)特征，與顱底凹陷導(dǎo)致AAD的發(fā)生機(jī)制有很密切的關(guān)系[18-20]。

本研究從前人的研究基礎(chǔ)出發(fā)，探究側(cè)方關(guān)節(jié)畸形和齒狀突畸形與顱底凹陷導(dǎo)致AAD之間的關(guān)系。創(chuàng)新點(diǎn)之一是在建立的不同組別的頸椎三維模型上對(duì)各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，相比較二維的圖像可以更精確地選取測(cè)量點(diǎn)，以便提高測(cè)量精度。創(chuàng)新點(diǎn)之二是在測(cè)量齒狀突高度和基底寬度的同時(shí)增加兩個(gè)表征齒狀突傾斜角度的參數(shù)，這些參數(shù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析后均表明差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本研究發(fā)現(xiàn)齒狀突的兩個(gè)形態(tài)參數(shù)（齒狀突高度、齒狀突高度/基底寬度）與樞椎上關(guān)節(jié)面的形態(tài)參數(shù)（矢狀位關(guān)節(jié)傾角）具有顯著的負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明顱底凹陷患者齒狀突高度丟失很可能與上關(guān)節(jié)面畸形有關(guān)。證明顱底凹陷引起側(cè)方關(guān)節(jié)畸形同時(shí)，亦會(huì)導(dǎo)致齒狀突畸形，側(cè)方關(guān)節(jié)畸形越嚴(yán)重，齒狀突高度丟失越嚴(yán)重。齒狀突趨向扁平與椎體融合，令橫韌帶很難限制其在矢狀面的活動(dòng)。同時(shí)在矢狀面也會(huì)令寰樞椎失去穩(wěn)定性，導(dǎo)致AAD。齒狀突高度和齒狀突高度/基底寬度與顱底凹陷亦存在顯著相關(guān)性，即顱底凹陷越嚴(yán)重，齒狀突的高度越低，齒狀突的形態(tài)越傾向于扁平。顱底凹陷越嚴(yán)重的患者，樞椎齒狀突對(duì)延髓和頸髓壓迫的越嚴(yán)重，齒狀突高度丟失，形態(tài)變得扁平可以減輕對(duì)延髓和脊髓的壓迫，這可能是為了避免加重神經(jīng)結(jié)構(gòu)壓迫的一種代償性的改變，與Xia等[16]研究得到的結(jié)果相符。

本研究創(chuàng)新點(diǎn)所涉及的齒狀突兩個(gè)傾角也符合上述的特點(diǎn)，其與樞椎上關(guān)節(jié)面的形態(tài)參數(shù)（矢狀位關(guān)節(jié)傾角）、顱底凹陷均存在顯著相關(guān)性，從形狀角度上也可以看出顱底凹陷越嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致齒狀突越扁平，兩個(gè)傾角越大，同時(shí)也會(huì)反映出側(cè)方關(guān)節(jié)畸形越嚴(yán)重。而傾角差值參數(shù)卻沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能因?yàn)閮A角從最高點(diǎn)選取，不能完全地表現(xiàn)齒狀突的畸形傾斜程度，且樣本量較少，也許選用更多的樣本能探究出齒狀突畸形傾斜與顱底凹陷程度之間的關(guān)系。

脫位組的齒狀突高度僅與正常人組相比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而與不脫位組相比差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與相關(guān)研究結(jié)果[16]不同。同時(shí)，齒狀突高度/基底寬度與兩組相比差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，若排除測(cè)量誤差和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法不同造成的差異，這是否可以說(shuō)明齒狀突代償性趨向扁平時(shí)，齒狀突寬度寬而齒狀突高度變化更小，而齒狀突寬度數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也許齒狀突寬度更寬而高度變化小只是特例，這里只是提供一種可能的猜想。齒狀突傾角θ1與兩組相比差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，齒狀突傾角θ2與正常人組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而其與不脫位組差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這說(shuō)明這兩個(gè)新設(shè)定的角度參數(shù)對(duì)顱底凹陷、AAD患者的相關(guān)性分析有一定參考意義。

4 結(jié)論

本項(xiàng)研究建立三維模型并進(jìn)行形態(tài)學(xué)測(cè)量，選定了與齒狀突畸形相關(guān)的四個(gè)參數(shù)表征顱底凹陷患者齒狀突畸形的程度，其中，齒狀突的兩個(gè)傾角輔助證明齒狀突畸形更加趨向扁平。分析側(cè)方關(guān)節(jié)、齒狀突畸形、顱底凹陷和AAD間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)側(cè)方關(guān)節(jié)畸形和樞椎齒狀突畸形是顱底凹陷患者出現(xiàn)AAD的重要原因。