Ⅱa型腰骶部移行椎易發(fā)相鄰節(jié)段椎間盤(pán)突出癥的機(jī)制

喻 華，夏 群

1.洛陽(yáng)市第三人民醫(yī)院骨科，洛陽(yáng) 471000

2.天津市第一中心醫(yī)院骨科，天津 300000

腰骶部移行椎（LSTV）是一種臨床上常見(jiàn)的脊柱發(fā)育畸形，表現(xiàn)為末節(jié)腰椎的一側(cè)或兩側(cè)橫突增大、與骶骨或髂骨形成完全或不完全骨性融合［1］。有研究［2-4］報(bào)道，LSTV患者腰椎椎間盤(pán)突出癥（LDH）的發(fā)生率明顯高于正常人群。一些研究發(fā)現(xiàn)，LSTV引起的LDH主要發(fā)生在LSTV的相鄰節(jié)段，國(guó)外文獻(xiàn)［5-7］報(bào)道的LSTV上位節(jié)段（L4/L5）LDH發(fā)生率為41.4% ~ 81.3% ；國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)［2，8］報(bào)道的LSTV上位鄰近節(jié)段LDH發(fā)生率為58.3% ~ 70.0%。Castellvi等［9］依據(jù)腰椎X線片將LSTV分為4型。Ⅰ型：橫突肥大呈三角形，寬度>19 mm，單側(cè)為Ⅰa型，雙側(cè)為Ⅰb型；Ⅱ型：橫突與骶骨或髂骨形成假關(guān)節(jié)，單側(cè)為Ⅱa型，雙側(cè)為Ⅱb型；Ⅲ型：橫突與骶骨或髂骨骨性融合，單側(cè)為Ⅲa型，雙側(cè)為Ⅲb型；Ⅳ型：一側(cè)為橫突與骶骨或髂骨形成假關(guān)節(jié)，另一側(cè)骨性融合。杜心如等［10］的研究發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型LSTV除L5橫突明顯大于正常橫突外，其他結(jié)構(gòu)與其他類型LSTV無(wú)顯著差異，較難界定，所以單獨(dú)分出Ⅰ型無(wú)特殊臨床意義。相對(duì)于其他類型LSTV，Ⅱa型的發(fā)生率相對(duì)較高，故本研究選取Ⅱa型LSTV作為研究對(duì)象，試圖闡述LSTV鄰近節(jié)段易發(fā)生LDH的生物力學(xué)機(jī)制。

本研究采用雙X線透視影像系統(tǒng)（DFIS）與CT技術(shù)相結(jié)合［11］，在計(jì)算機(jī)軟件輔助下，經(jīng)過(guò)二維-三維圖像匹配，真實(shí)再現(xiàn)生理載荷下腰椎三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)測(cè)定椎體上三維坐標(biāo)系的變化，獲得生理載荷下腰椎三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，分析Ⅱa型LSTV患者腰椎在體三維運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，探討其容易導(dǎo)致相鄰節(jié)段發(fā)生LDH的機(jī)制。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇在天津市第一中心醫(yī)院就診的L4/L5節(jié)段LDH伴Ⅱa型LSTV患者9例（移行椎組）作為研究對(duì)象。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合LDH臨床表現(xiàn)，無(wú)腰部外傷史，通過(guò)影像學(xué)檢查明確診斷為Ⅱa型LSTV，LDH發(fā)生節(jié)段為L(zhǎng)STV相鄰節(jié)段（L4/L5）。排除標(biāo)準(zhǔn)：既往脊柱手術(shù)史，伴有脊柱側(cè)凸、腫瘤、脊髓疾病、精神病史等。同時(shí)招募9名健康成年志愿者（無(wú)脊柱側(cè)凸等畸形，無(wú)腰椎椎間盤(pán)退行性疾病如椎管狹窄、椎間失穩(wěn)、腰椎滑脫等或其他脊柱疾?。閷?duì)照組。所有受試者均簽署知情同意書(shū)，本研究符合醫(yī)學(xué)倫理要求。移行椎組男4例、女5例，年齡為（38.0±8.9）歲，體質(zhì)量指數(shù)為（23.5±5.8）kg/m2；假關(guān)節(jié)形成左側(cè)5例、右側(cè)4例，椎間盤(pán)向左突出6例、向右突出3例；對(duì)照組男6名、女3名，年齡為（35.2±8.8）歲，體質(zhì)量指數(shù)為（22.7±6.4）kg/m2。2組受試者性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P> 0.05），具有可比性。

1.2 腰椎三維模型建立

受試者取仰臥位，采用Sensation 16 CT機(jī)（Siemens公司，德國(guó)）對(duì)L3~ S1節(jié)段進(jìn)行CT薄層掃描（層厚為0.625 mm，分辨率為512×512）。把所得CT圖像導(dǎo)入Rhinoceros 4.0軟件（Robert MeNeel&Associ.ates，Seattle公司，美國(guó)），建立L3~ S1三維模型（圖1）。

圖1 三維模型創(chuàng)建Fig. 1 3D model creation

1.3 腰椎 DFIS透視

將2臺(tái)相同型號(hào)的C形臂X線機(jī)（BV Pulsera，Philips公司，荷蘭）組成正交X線透視系統(tǒng)，球管方向相互垂直。受試者雙髖固定，穿戴鉛頸圍和鉛圍裙，保護(hù)甲狀腺和生殖腺體不受放射線照射，腰椎活動(dòng)時(shí)處于2臺(tái)C形臂X線機(jī)交叉投射范圍之內(nèi)。首先采集X線校準(zhǔn)設(shè)備圖像，用以校正2臺(tái)C形臂X線機(jī)的相對(duì)位置、角度及系統(tǒng)誤差，保證系統(tǒng)精確性。然后分別采集受試者腰椎前屈-后伸、左右旋轉(zhuǎn)位、左右側(cè)曲時(shí)雙側(cè)腰椎斜位X線片（圖2）。

圖2 圖像采集Fig. 2 Image acquisition

1.4 三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重現(xiàn)

在Rhinoceros 4.0軟件輔助下，用計(jì)算機(jī)模擬DFIS透視環(huán)境，將受試者每一節(jié)段腰椎三維CT重建模型按照腰椎解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其投射影像分別與2個(gè)平面腰椎X線透視影像完全匹配，實(shí)現(xiàn)二維-三維圖像轉(zhuǎn)換（圖3），再現(xiàn)生理載荷條件下人體各種運(yùn)動(dòng)體位時(shí)腰椎在體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［12-13］。

圖3 二維-三維圖像轉(zhuǎn)換Fig. 3 2D-3D image conversion

1.5 椎體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量

在MATLAB 7.01 軟件（Math.Work 8，Natick公司，美國(guó)）輔助下，在L3~ S1椎體中心分別建立三維坐標(biāo)系，定義x軸位于冠狀面指向左側(cè)，y軸位于矢狀面指向后側(cè)，z軸垂直于x-y所處平面指向頭側(cè)，沿x、y和z軸的旋轉(zhuǎn)角度分別為α、β和γ角（圖4）。通過(guò)測(cè)量椎體在三維坐標(biāo)上的變化，即可獲得生理載荷下L3/L4、L4/L5和L5/S1的相對(duì)位移和相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。

圖4 在椎體中心建立三維坐標(biāo)系Fig. 4 A three-dimensional coordinate system established in center of vertebral body

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；以P< 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

在L5/S1節(jié)段，移行椎組左右側(cè)曲時(shí)沿冠狀軸的位移、沿矢狀軸和垂直軸的旋轉(zhuǎn)角度均明顯小于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P< 0.05，表1）。在相鄰節(jié)段（L4/L5），移行椎組前屈-后伸時(shí)沿冠狀軸的旋轉(zhuǎn)角度大于對(duì)照組，左右旋轉(zhuǎn)和左右側(cè)曲時(shí)沿冠狀軸的位移小于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P< 0.05，表2）。在非鄰近節(jié)段（L3/L4），2組三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P> 0.05，表3）。

表1 移行椎組與對(duì)照組L5/S1節(jié)段三維運(yùn)動(dòng)真實(shí)距離范圍Tab. 1 True range of 3D movement of L5/S1 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表1 移行椎組與對(duì)照組L5/S1節(jié)段三維運(yùn)動(dòng)真實(shí)距離范圍Tab. 1 True range of 3D movement of L5/S1 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

注 ：*與對(duì)照組比較，P < 0.05。Note ：* P < 0.05，compared with control group.

旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.77±1.40 1.71±1.14 1.26±1.26 3.72±2.27 4.70±3.52 2.78±1.66對(duì)照Control 2.59±1.91 2.35±1.65 2.96±4.61 3.53±3.13 3.53±3.13 5.02±4.78組別Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.99±1.44 1.15±0.77 1.15±0.77 3.82±3.16 2.76±0.98 4.26±2.39對(duì)照Control 2.93±1.90 2.28±2.04 1.22±0.96 3.71±4.36 3.88±2.00 3.69±2.76組別Group左右旋轉(zhuǎn)Left-right rotation位移/mm Displacement/mm旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 0.90±1.32* 1.57±1.72 1.17±0.72 2.06±1.84 1.77±1.19* 1.42±1.23*對(duì)照Control 2.99±2.46 2.85±3.01 2.85±3.01 3.52±3.60 3.90±2.59 5.08±4.16組別Group左右側(cè)曲Left-right bending位移/mm Displacement/mm

表2 移行椎組與對(duì)照組L4/L5節(jié)段三維運(yùn)動(dòng)真實(shí)距離范圍Tab. 2 True range of 3D movement of L4/L5 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表2 移行椎組與對(duì)照組L4/L5節(jié)段三維運(yùn)動(dòng)真實(shí)距離范圍Tab. 2 True range of 3D movement of L4/L5 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 2.61±2.09 1.84±1.26 1.27±0.78 5.22±2.45* 3.05±3.26 2.93±2.33對(duì)照Control 1.26±1.26 1.19±1.05 1.87±1.30 2.22±3.05 1.82±1.00 3.39±2.00組別Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.19±1.45* 1.72±1.32 0.68±0.53 2.86±2.41 2.79±1.79 2.81±2.51對(duì)照Control 3.00±1.50 1.49±1.32 1.04±0.97 2.82±2.95 1.80±1.79 5.51±3.80組別Group左右旋轉(zhuǎn)Left-right rotation位移/mm Displacement/mm

表2（續(xù)）

表3 移行椎組與對(duì)照組L3/L4節(jié)段三維運(yùn)動(dòng)真實(shí)距離范圍Tab. 3 True range of 3D movement of L3/L4 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表3 移行椎組與對(duì)照組L3/L4節(jié)段三維運(yùn)動(dòng)真實(shí)距離范圍Tab. 3 True range of 3D movement of L3/L4 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 2.22±1.23 1.49±1.10 0.52±0.44 2.31±2.48 4.52±2.24 2.36±2.10對(duì)照Control 2.97±1.35 1.77±1.31 0.68±0.73 3.36±2.24 4.37±3.24 5.83±5.99組別Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.85±1.27 2.29±0.85 0.62±0.59 3.51±2.50 4.28±1.63 2.53±1.51對(duì)照Control 1.76±0.91 2.30±1.81 1.09±0.90 4.06±3.48 2.63±2.68 1.28±1.16組別Group左右旋轉(zhuǎn)Left-right rotation位移/mm Displacement/mm旋轉(zhuǎn)角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.46±1.18 1.37±0.94 0.80±0.50 2.77±1.46 2.52±2.22 2.16±2.34對(duì)照Control 2.15±1.39 1.83±1.05 0.79±0.55 3.02±1.59 3.99±3.06 4.77±3.63組別Group左右側(cè)曲Left-right bending位移/mm Displacement/mm

3 討 論

近年來(lái)，腰椎在體運(yùn)動(dòng)學(xué)研究［14-20］已有相關(guān)報(bào)道，這種研究方法不僅能揭示腰椎三維運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，而且能獲得生理載荷下腰椎在體六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，為揭示腰椎退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展變化和機(jī)制，并為指導(dǎo)治療和康復(fù)提供一定的理論依據(jù)，本研究利用人體腰椎在體位變化時(shí)椎體幾乎沒(méi)有形變而形變集中發(fā)生在椎間盤(pán)、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及韌帶的特點(diǎn)，采用DFIS與CT技術(shù)相結(jié)合，最終獲得Ⅱa型LSTV患者LSTV節(jié)段（L5/S1）、鄰近節(jié)段（L4/L5）及非鄰近節(jié)段（L3/L4）的在體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。

本研究發(fā)現(xiàn)，在L5/S1節(jié)段，移行椎組左右側(cè)曲時(shí)沿冠狀軸的位移、沿矢狀軸和垂直軸的旋轉(zhuǎn)角度均明顯小于對(duì)照組，表明由于移行椎一側(cè)存在假關(guān)節(jié)限制了L5/S1節(jié)段的正?；顒?dòng)。究其原因可能是移行椎橫突與骶骨/髂骨形成的假關(guān)節(jié)及移行椎與髂骨間的致密纖維組織或堅(jiān)厚韌帶使移行椎相對(duì)于S1較為固定，降低了該節(jié)段的活動(dòng)度。這可能有助于降低該節(jié)段椎間盤(pán)所受壓力，從而減輕該節(jié)段椎間盤(pán)退行性變［21］，與文獻(xiàn)［2-8］報(bào)道移行節(jié)段LDH發(fā)生率較低相符合。

L5/S1節(jié)段運(yùn)動(dòng)模式的改變也可能會(huì)影響到L4/L5節(jié)段。本研究結(jié)果顯示，在L4/L5節(jié)段，移行椎組前屈-后伸時(shí)沿冠狀軸的旋轉(zhuǎn)角度大于對(duì)照組，該結(jié)果提示LSTV的橫突與骶骨/髂骨之間形成的假關(guān)節(jié)限制了L5/S1節(jié)段的活動(dòng)，使應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致L4/L5節(jié)段活動(dòng)相對(duì)增多，與寧尚龍等［17］的LDH患者腰椎在體運(yùn)動(dòng)特性研究結(jié)果一致。L4/L5節(jié)段所受應(yīng)力和剪切力的增大可導(dǎo)致椎間盤(pán)負(fù)荷過(guò)多，進(jìn)而加速椎間盤(pán)退行性變［7］。有研究［2］顯示，在健康人群中髂嵴連線主要通過(guò)L4/L5椎間隙，通過(guò)L5上1/3者只占7.4% ~ 19.6%，而在Ⅱ型LSTV患者中髂嵴連線通過(guò)L5上1/3者占46.4%；也有研究［22］認(rèn)為，LSTV上方的髂腰韌帶明顯較正常人體薄弱，可見(jiàn)Ⅱ型LSTV的上位椎體相對(duì)于骨盆位置較高，受到來(lái)自骨盆及韌帶的支持較弱，因此，所受到的應(yīng)力和剪切力較大，產(chǎn)生的不穩(wěn)或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致椎間盤(pán)早期發(fā)生退行性變。

本研究結(jié)果顯示，非鄰近節(jié)段（L3/L4）雖然在沿各軸的位移和旋轉(zhuǎn)角度與對(duì)照組相比，有增大或減小的趨勢(shì)，但差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。該結(jié)果與Elster等［6］的研究結(jié)果一致，其報(bào)道在2 000例腰腿痛患者中，LSTV上位節(jié)段（L3/L4）發(fā)生膨出或突出的概率分別為41.4%和4.3%，說(shuō)明LSTV非鄰近節(jié)段（L3/L4）在生物力學(xué)上接近健康人群，較LSTV相鄰節(jié)段（L4/L5）不易發(fā)生LDH。

綜上所述，本研究獲得LDH伴Ⅱa型LSTV患者生理載荷下椎體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，嘗試闡述Ⅱa型LSTV易導(dǎo)致相鄰節(jié)段發(fā)生LDH的生物力學(xué)機(jī)制，并在一定程度上為臨床治療LSTV合并LDH的術(shù)式選擇提供參考。本研究存在以下不足。①實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，受試者的篩選，數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、匹配等花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致研究例數(shù)偏少，今后還須擴(kuò)大樣本量以深入研究。②本研究只納入了Ⅱa型LSTV患者，對(duì)其他類型LSTV生理載荷下椎體間的三維運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)還須繼續(xù)研究。