青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸影像學(xué)新技術(shù)研究進(jìn)展

張書豪，李富麗綜述，王 帥，王連成審校

目前我國(guó)臨床診斷青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(AIS)的常用標(biāo)準(zhǔn)以脊柱全長(zhǎng)正、側(cè)位X線片為主。對(duì)于不同類型的AIS患者，臨床工作者往往需要對(duì)初次測(cè)量的數(shù)據(jù)、佩戴支具前后的數(shù)據(jù)、康復(fù)干預(yù)前后的數(shù)據(jù)以及每隔3個(gè)月或半年之后測(cè)得的數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析比較，以判斷患者是否存在進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)和評(píng)估康復(fù)干預(yù)前后的療效，這些數(shù)據(jù)往往需要通過(guò)頻繁的X線檢查才能獲得，這意味著患者需要頻繁地曝露于放射線之中。相關(guān)研究[1]表明，選擇觀察治療的患者平均每年需要攝3.7張X線片，支具治療的患者平均每年需要攝5.7張X線片，而手術(shù)治療的患者平均每年需要攝12.2張X線片，頻繁的X線檢查可能會(huì)提高AIS患者癌癥的發(fā)病率和病死率[2]，且女性患者輻射累積的癌癥風(fēng)險(xiǎn)率明顯高于男性[3]。Simony et al[4]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，丹麥每例患者在整個(gè)治療過(guò)程中平均需要16張X線片，患者癌癥的發(fā)病率是同齡人口的5倍。各項(xiàng)研究已證實(shí)X線曝露對(duì)青少年的身心健康造成嚴(yán)重后果，這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題不可忽視。本文就目前診斷AIS的低劑量放射方法與非電離輻射方法的影像學(xué)新技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述如下。

1 AIS病理特點(diǎn)

AIS是脊柱側(cè)凸的一種類型，青少年患者的脊柱、胸廓、軀干在冠狀面、矢狀面以及水平面出現(xiàn)三維畸形改變，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為側(cè)彎的弧度將會(huì)隨著自身的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)一步惡化或呈現(xiàn)出進(jìn)展趨勢(shì)，AIS約占所有脊柱側(cè)凸的80%[5]。AIS患病率為2%～3%，年齡分布于11～17歲[6]。研究[7]表明，AIS患者早期的男女比例并不存在明顯差異，但隨著年齡的增長(zhǎng)，女性患者所占的比例會(huì)越來(lái)越高。Weinstein et al[6]進(jìn)行了一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)50年的跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)治療的AIS患者雖然能像正常成年人一樣生活，但對(duì)于胸椎側(cè)凸較大的患者，會(huì)引起背部疼痛和肺部癥狀增加，有的患者可能會(huì)發(fā)展成實(shí)質(zhì)性畸形，影響整體外觀。對(duì)于AIS患者來(lái)說(shuō)，他們正處于生長(zhǎng)發(fā)育和心理成熟的關(guān)鍵時(shí)期，脊柱畸形會(huì)導(dǎo)致患者整個(gè)軀干結(jié)構(gòu)存在明顯的不對(duì)稱，有可能遷延至全身，這些異常改變將會(huì)嚴(yán)重影響青少年的身心健康和生活質(zhì)量。

脊柱畸形改變和姿勢(shì)異常的早期診斷一般都需要準(zhǔn)確、客觀的評(píng)估，目前影像學(xué)技術(shù)如X線、CT等已被廣泛應(yīng)用于臨床，但都存在各自的不足之處，如脊柱側(cè)凸是一種三維畸形的改變，而X線片只能夠提供脊柱的二維平面成像并且射線輻射的影響也無(wú)法避免；CT成像雖能立體地顯示出側(cè)凸處椎體的異常改變，但其成像方式易受重力因素影響，所測(cè)量的結(jié)果存在偏差。對(duì)于AIS患者而言，后續(xù)的X線檢查和監(jiān)測(cè)是必要的，也就意味著患者存在反復(fù)放射線曝露。本著醫(yī)學(xué)成像“輻射防護(hù)與安全最優(yōu)化”這一理念，在過(guò)去幾年間，診斷AIS的低劑量放射方法與非電離輻射方法的影像學(xué)新技術(shù)取得了發(fā)展，包括表面形貌學(xué)、三維超聲、EOS成像技術(shù)和攝影測(cè)量。這些技術(shù)有可能在減少輻射曝露的基礎(chǔ)上，兼顧成像的質(zhì)量與臨床實(shí)用價(jià)值。

2 表面形貌學(xué)

表面形貌學(xué)是一種非侵入式的檢查方法，開發(fā)該技術(shù)的最初目的是為了在臨床診斷與監(jiān)測(cè)AIS中減少對(duì)X線片的過(guò)度依賴。AIS患者背部的畸形改變通常最先被人們所注意到，發(fā)生側(cè)凸處的椎體一般會(huì)產(chǎn)生軸向旋轉(zhuǎn)，從而造成受累胸廓處肋骨的隆突，背部的不對(duì)稱也由此形成。為了評(píng)估AIS患者的畸形程度，學(xué)者們?cè)谘芯勘巢勘砻鏀?shù)據(jù)方面做了大量的工作，這些數(shù)據(jù)的采集在X線片中是無(wú)法完成的，但表面形貌學(xué)可以做到。

2.1 光柵立體攝影(RAST)最早應(yīng)用于評(píng)估脊柱表面形貌學(xué)的方法為莫爾地形圖，該方法的優(yōu)點(diǎn)包括操作簡(jiǎn)便和無(wú)輻射，但也存在著成本效益和精確度不可控等限制因素。因此，Drerup et al(1996年)開發(fā)了RAST成像技術(shù)，可以對(duì)脊柱畸形進(jìn)行無(wú)輻射的三維重建。隨后，Hackenberg et al在2003年通過(guò)研究證實(shí)，對(duì)于Cobb角≤80°的AIS患者，RAST成像技術(shù)能夠?qū)Ψ鞘中g(shù)或手術(shù)治療患者的脊柱畸形進(jìn)行可靠的分析與重建。在過(guò)去幾年的時(shí)間里，學(xué)者們已經(jīng)開發(fā)出了許多測(cè)量脊柱畸形的RAST系統(tǒng)，就目前而言，最為常見的包括Formetric system、Inspeck system、Integrated shape imaging system version 2(ISIS2)、Quantec system等成像系統(tǒng)[8]。

2.2 RAST成像技術(shù)的相關(guān)研究這些成像系統(tǒng)都存在各自的特點(diǎn)，但基本原則大致相同：依次或同時(shí)將光柵線投射至患者的背部，并用攝像機(jī)記錄患者背部發(fā)生形變的投射光線，結(jié)合校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)，再利用三角剖分法構(gòu)建被劃分曲面點(diǎn)的三維成像[9]。但是依次投射的方法可能由于攝影捕獲的時(shí)間較長(zhǎng)，增加了因患者個(gè)人因素而導(dǎo)致圖像模糊的可能性，如在捕獲期間患者姿勢(shì)發(fā)生改變或處于不同的呼吸階段。也有研究[10]認(rèn)為這一因素對(duì)該系統(tǒng)成像質(zhì)量并無(wú)顯著影響。此外，數(shù)據(jù)采集時(shí)間的長(zhǎng)短可能與重建脊柱三維圖像的可靠性和準(zhǔn)確性相關(guān)。隨著目前計(jì)算能力及操作規(guī)范性的不斷提高，基于表面形貌學(xué)數(shù)學(xué)模型的精確度將會(huì)有進(jìn)一步提升的空間。

Knott et al[11-12]對(duì)RAST成像技術(shù)與常規(guī)X線金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，研究其成像的可靠性和重復(fù)性，結(jié)果表明，使用RAST成像技術(shù)所測(cè)量的胸椎側(cè)凸角、腰椎側(cè)凸角和胸椎后凸角的重復(fù)性很強(qiáng)，其測(cè)量值與X線片測(cè)量值比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在臨床初次使用X線診斷為AIS之后，其后續(xù)的跟蹤和復(fù)查可在不連續(xù)使用X線片的情況下繼續(xù)進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)RAST成像技術(shù)評(píng)估的臨床應(yīng)用。在另一項(xiàng)研究中，Tabard-fougère et al[13]為了評(píng)價(jià)使用RAST成像技術(shù)測(cè)量Cobb角的準(zhǔn)確性，與二維EOS成像技術(shù)所提供的Cobb角進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩種方法所測(cè)結(jié)果呈強(qiáng)相關(guān)，并無(wú)顯著性差異。以上研究結(jié)果證實(shí)了RAST成像技術(shù)作為一種非侵入式的測(cè)量方法，可用于監(jiān)測(cè)AIS患者脊柱側(cè)彎的進(jìn)展情況。2019年Tabard-fougère et al[14]又對(duì)51例AIS患者分別采用RAST成像技術(shù)與X線檢查進(jìn)行比較，研究顯示無(wú)論是胸椎后凸角還是腰椎前凸角，兩者測(cè)量結(jié)果呈顯著性相關(guān)。Tabard-fougère et al[13-14]兩次的研究結(jié)果表明，RAST成像技術(shù)可有效用于評(píng)估AIS，且自身具有高效、經(jīng)濟(jì)、無(wú)輻射和非接觸等優(yōu)點(diǎn)，提示相較于常規(guī)影像診斷方法，RAST成像技術(shù)雖不能完全替代X線檢查，但可用于AIS患者后續(xù)的監(jiān)測(cè)和治療前后的評(píng)估，而且也可應(yīng)用于兒童青少年的篩查工作，這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用有可能大大減少AIS患者的輻射次數(shù)。

2.3 RAST成像技術(shù)的局限性關(guān)于RAST成像技術(shù)的有效性以及在臨床中應(yīng)用的可靠性有很多爭(zhēng)議[15]。首先，不同RAST成像技術(shù)的具體操作模式存在差異，意味著患者及臨床工作者的準(zhǔn)備工作也有所不同，如背部骨性標(biāo)志物的處理原則。不同操作模式下，測(cè)量的準(zhǔn)確性可能會(huì)受限于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，以及是否與患者體表相接觸而引起測(cè)量誤差等。其次，RAST成像技術(shù)測(cè)量冠狀面和矢狀面參數(shù)的可靠性尚未得到廣泛性研究，而現(xiàn)有的諸多試驗(yàn)設(shè)計(jì)也存在較多的局限性，如樣本量較小、受試者納入的Cobb角存在差異、后續(xù)隨訪或監(jiān)測(cè)周期較短等。到目前為止，RAST成像技術(shù)應(yīng)用于臨床的可行性仍存在質(zhì)疑，需要相關(guān)前瞻性研究進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

3 超聲成像

與表面形貌學(xué)相類似，脊柱超聲成像技術(shù)開發(fā)的初衷也是為了降低AIS患者所接受的輻射量。超聲檢查是一種非電離成像方式，能夠顯示出整個(gè)脊柱椎骨的骨性結(jié)構(gòu)，如棘突、橫突等，通過(guò)借助椎骨的這些特殊結(jié)構(gòu)，應(yīng)用超聲成像原理評(píng)估AIS患者三維畸形改變，檢查所需的費(fèi)用低，圖像易獲得，并且能夠提供實(shí)時(shí)圖像結(jié)果。很多研究者們對(duì)脊柱超聲成像進(jìn)行了廣泛的探索，提出了不同的測(cè)量方法，包括利用橫突、棘突以及椎板等作為標(biāo)記點(diǎn)測(cè)量AIS患者三維內(nèi)的相關(guān)參數(shù)。

3.1 超聲成像的相關(guān)研究Young et al[16]證實(shí)了超聲椎板中心法測(cè)量AIS患者冠狀面參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，并且驗(yàn)證了應(yīng)用超聲監(jiān)測(cè)脊柱側(cè)凸進(jìn)展的可行性。但值得注意的是，該項(xiàng)研究是在對(duì)照患者之前的X線片作為輔助檢查的基礎(chǔ)上完成超聲成像，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度更高，并且以X線片作為標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上，更有助于臨床應(yīng)用超聲技術(shù)選擇上下端椎。Zheng et al[17]又進(jìn)行了一項(xiàng)后續(xù)的研究，其結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了使用患者之前拍攝的X線片作為超聲測(cè)量輔助手段的可行性。此外，Brink et al[18]通過(guò)選取橫突和棘突作為標(biāo)記物來(lái)衡量超聲測(cè)量AIS患者冠狀面參數(shù)的可靠性和有效性，雖然其測(cè)量結(jié)果比常規(guī)測(cè)量的Cobb角偏小，但兩者在冠狀面參數(shù)值之間顯著相關(guān)，這與Takács et al[19]研究結(jié)果一致。在一項(xiàng)關(guān)于系統(tǒng)評(píng)價(jià)應(yīng)用超聲成像評(píng)估脊柱側(cè)凸患者冠狀面參數(shù)的研究[20]中，超聲成像技術(shù)顯示出了較高的可靠性和有效性，但存在證據(jù)水平有限或前后測(cè)量不相一致等問(wèn)題，其中高水平的證據(jù)更傾向于超聲椎板中心法成像。

近年來(lái)，便攜式三維超聲系統(tǒng)的相關(guān)研究逐漸引起人們的關(guān)注[21-22]，該系統(tǒng)與常規(guī)超聲檢查相比，除了能夠準(zhǔn)確地應(yīng)用于脊柱側(cè)凸的無(wú)輻射評(píng)估外，而且有攜帶方便、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，大大降低了對(duì)檢查場(chǎng)地的需求，可廣泛應(yīng)用于AIS患者的篩查、診斷和監(jiān)測(cè)中，目前具有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值及潛力，對(duì)未來(lái)臨床科學(xué)研究也具有較好的創(chuàng)新性。超聲技術(shù)雖不能完全取代X線檢查這一金標(biāo)準(zhǔn)，但在后續(xù)的工作中可發(fā)揮不小的作用。

3.2 超聲成像的局限性盡管超聲成像技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)X線片測(cè)量之間存在相關(guān)性和準(zhǔn)確性，但其并非沒(méi)有局限性。其一，脊柱超聲檢查的有效性和準(zhǔn)確性雖被大量研究證實(shí)，但測(cè)量結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)之間仍存在一定的差異，其所測(cè)量的Cobb角普遍偏小。其二，超聲成像技術(shù)的準(zhǔn)確性可能與操作者的經(jīng)驗(yàn)、水平存在一定的關(guān)聯(lián)，有研究[23]報(bào)道，與培訓(xùn)人員相比，有經(jīng)驗(yàn)的操作者使用超聲檢查的測(cè)量值與X線片測(cè)量的相關(guān)性更大。其三，對(duì)于Cobb角≥45°、伴有相關(guān)椎體旋轉(zhuǎn)和體重指數(shù)>25.0 kg/m2的患者，超聲測(cè)量依然存在一定的局限性。但是在大量不同類型的AIS患者中，超聲成像技術(shù)在未來(lái)所發(fā)揮的作用不可小覷，尤其是其具備的臨床應(yīng)用價(jià)值和無(wú)輻射、低成本的實(shí)用價(jià)值。

4 EOS成像技術(shù)

EOS成像技術(shù)最早于2007年作為影像技術(shù)手段開始應(yīng)用于臨床，成像時(shí)不受患者體位的影響，其最大優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為能夠提供患者站立位下的脊柱三維參數(shù)。該技術(shù)輻射量較低，平均輻射量只有常規(guī)X線檢查的1/6[24]，盡管低劑量EOS成像質(zhì)量可能會(huì)受到人們的懷疑，甚至質(zhì)疑EOS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脊柱三維重建的可靠性，但很多研究[25-26]已經(jīng)充分證實(shí)了EOS成像技術(shù)在脊柱三維重建方面的可靠性與重復(fù)性。

4.1 EOS成像的相關(guān)研究在最近幾年的研究中，Hui et al[27]提出了微劑量這一概念，使用該方案的EOS成像與常規(guī)X線檢查相比，AIS患者各器官接受X線輻射劑量只有常規(guī)X線檢查的1/34～1/16，EOS成像整體質(zhì)量與X線片無(wú)顯著性差異。為了進(jìn)一步驗(yàn)證微劑量方案的重復(fù)性以及在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用，很多學(xué)者也相繼展開了大量的研究進(jìn)行論證[28-29]。如Ilharreborde et al[28]隨訪了32例AIS患者，根據(jù)新的微劑量方案使用EOS成像系統(tǒng)獲得平面X線片，通過(guò)三維重建進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示臨床測(cè)量結(jié)果都一致，而且可以在不改變圖像質(zhì)量的情況下成功應(yīng)用于臨床，提示微劑量方案可用于臨床AIS患者的監(jiān)測(cè)工作。這種EOS成像微劑量方案，對(duì)AIS患者的輻射量更低[28]，患者所受到的輻射量幾乎可以忽略不計(jì)。在2019年，Pedersen et al[30]驗(yàn)證了一種新的減少微劑量方案在重建脊柱三維圖像方面的可重復(fù)性，這種新的微劑量方案理論上減少了約58%的輻射量，研究結(jié)果顯示這與之前基于脊柱三維重建可靠性和重復(fù)性的研究[31-32]相當(dāng)。但是這種新的微劑量方案[30]與之前的微劑量方案[27]在圖像質(zhì)量呈現(xiàn)方面，很多相關(guān)參數(shù)都要低于標(biāo)準(zhǔn)劑量，而實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)劑量方案仍然是準(zhǔn)確評(píng)估和重建三維成像的首選方法。盡管如此，該項(xiàng)研究成果所提供的這一新方案可能會(huì)成為輕度AIS患者初步篩查和后續(xù)隨訪的手段之一。

4.2 EOS成像的局限性盡管EOS成像技術(shù)能夠準(zhǔn)確地重建脊柱三維參數(shù)，但是也存在著一系列問(wèn)題。EOS系統(tǒng)整套設(shè)備的安裝和運(yùn)行都需要很高的花費(fèi)，除了一些專門從事脊柱側(cè)凸工作的醫(yī)院外，EOS成像系統(tǒng)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)臨床普及應(yīng)用的可能性較小。其次，整套設(shè)備的安裝還需要很大的空間，并且需要注意屏蔽輻射，設(shè)備的機(jī)動(dòng)性較差，很難完成大規(guī)模的篩查工作。

5 攝影測(cè)量方法

攝影測(cè)量方法是一種非侵入式的測(cè)量技術(shù)，其利用攝影測(cè)量方法的原理，通過(guò)專門的成像軟件對(duì)患者整個(gè)背部軀干進(jìn)行三維掃描，進(jìn)行有效的姿勢(shì)評(píng)估，這樣能夠定量化AIS患者的畸形改變情況且不受任何電離輻射的損害。其最大的優(yōu)勢(shì)是可以在不受到輻射的情況下完成對(duì)脊柱異常改變的評(píng)估，也可以作為定期監(jiān)測(cè)和評(píng)估治療的一種手段[31-32]。攝影測(cè)量是一種無(wú)創(chuàng)、操作簡(jiǎn)便、低成本、精確的方法，該測(cè)量設(shè)備便于攜帶，可滿足日常的篩查工作需求。

5.1 攝影測(cè)量的相關(guān)研究Aroeira et al[33]在16例AIS患者的C7～L5椎骨的棘突處放置標(biāo)記，并利用攝影測(cè)量方法拍攝患者的背部軀干，結(jié)果提示攝影測(cè)量與Cobb法測(cè)得的胸椎側(cè)凸角平均值比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Leal et al[34]研究表明，與X線檢查相比，攝影測(cè)量對(duì)AIS患者的進(jìn)展有較好的監(jiān)測(cè)效果。同時(shí)，攝影測(cè)量也可應(yīng)用于患者的靜態(tài)姿勢(shì)評(píng)估，無(wú)論是在臨床實(shí)踐還是在相關(guān)研究中，攝影測(cè)量方法都具有良好的重復(fù)性與再現(xiàn)性[35]。此外，Alexandre et al[36]研究發(fā)現(xiàn)攝影測(cè)量法不僅能夠直觀地反映出AIS患者的胸壁改變，而且還可顯示Cobb角與肺功能的相關(guān)性，建議將其作為臨床評(píng)估的輔助工具，盡可能地減少患者的放射線曝露。

5.2 攝影測(cè)量的局限性盡管攝影測(cè)量表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，但在臨床實(shí)踐中依舊無(wú)法成為常規(guī)檢查的替代品。該項(xiàng)技術(shù)與表面形貌學(xué)存在相同的缺陷，即無(wú)法為臨床醫(yī)師提供AIS患者的脊柱內(nèi)部骨骼特征、軀干移位和平衡的具體細(xì)節(jié)等，這些特征對(duì)于臨床診斷AIS必不可少，而在X線片中基本都可以觀察到。其次，攝影測(cè)量方法的具體操作需要得到規(guī)范化要求，以減少不必要的誤差和測(cè)量失真。

6 小結(jié)

影像學(xué)新技術(shù)的出現(xiàn)能否替代常規(guī)X線檢查？答案是否定的。不得不承認(rèn)，X線檢查依舊是目前或?qū)?lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)用于評(píng)估和監(jiān)測(cè)AIS的金標(biāo)準(zhǔn)。但AIS患者長(zhǎng)期曝露于X線之中這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題不可忽略。隨著各種影像學(xué)新技術(shù)的出現(xiàn)，大量研究者們正在試圖打破這一局面。關(guān)于AIS患者未來(lái)影像學(xué)診斷的發(fā)展方向，我國(guó)臨床工作者首先應(yīng)普遍達(dá)成“輻射防護(hù)與安全最優(yōu)化”這一共識(shí)；其次，非電離輻射技術(shù)的改進(jìn)還需進(jìn)一步的研究，側(cè)重于開發(fā)規(guī)范化的操作要求，避免不必要的技術(shù)誤差和測(cè)量失真；最后，考慮到EOS成像系統(tǒng)的成本效益，國(guó)家應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的政策扶持，以普及應(yīng)用這項(xiàng)最為接近常規(guī)X線檢查的影像學(xué)技術(shù)?？傊?，AIS患者在接受臨床的診斷、隨訪以及制定相應(yīng)的康復(fù)措施時(shí)，都避免不了X線曝露所帶來(lái)的危害，這些影像學(xué)新技術(shù)及相關(guān)研究的出現(xiàn)或許將會(huì)解決這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，但能否真正應(yīng)用于臨床，是否能夠準(zhǔn)確地評(píng)估患者脊柱的三維異常改變，仍需要大量的相關(guān)研究進(jìn)一步證實(shí)。