青少年特发性脊柱侧凸影像学评估研究进展

王谦，雷中杰，马宗浩，帅桃，黄文生

青少年特发性脊柱侧凸影像学评估研究进展

王谦1a,2,3，雷中杰1a,2，马宗浩3,4，帅桃1b，黄文生3

青少年特发性脊柱侧凸(AIS)是一种复杂的脊柱三维畸形。影像学检查能测量AIS侧凸与旋转角度，预测病情进展，协助康复和手术治疗，包括X线平片、三维立体放射技术、计算机断层技术、磁共振成像技术和三维超声成像技术。本文综述其在AIS评估中的应用参数、信度与效度、优势与劣势。三维影像学成像评估技术将是今后的研究趋势。

特发性脊柱侧凸；影像学；评估；综述

青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)表现为脊柱椎体在冠状面和矢状面上侧凸畸形，以及在水平面上旋转畸形[1-2]。影像学技术是AIS诊断与评估的重要方法，能反映脊柱侧凸的形态结构，评估椎体侧凸与旋转的角度，预测病情进展的可能性，为康复和手术治疗提供参考[3]。随着计算机辅助程序的应用，脊柱侧凸的诊断逐渐从二维图像发展到三维图像。目前，临床和科研中常用的影像学成像技术包括X线平片、三维立体X线成像技术、计算机断层(computerized tomography,CT)技术、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术和超声成像技术。本文对上述影像学技术在AIS筛查、诊断、治疗和随访中的应用进行综述，综合分析相关评估方法的信度与效度及其优势和劣势。

1 X线平片

1.1 测量参数及应用

全脊柱正侧位X线片是AIS诊断与评估最常用的方法[2-3]。正位片在冠状面上确定AIS关键椎，测量椎体侧凸与旋转角度，评价脊柱柔韧性；侧位片在矢状面上评估胸椎前凸及后凸畸形程度、骨盆倾斜及稳定性等[3]。此外，骨盆正位片通过骨成熟度，预测AIS进展的可能性。

1.1.1 椎体侧凸角度

椎体侧凸角度是评估AIS严重程度的主要参数。在正位片上，椎体侧凸角的测量方法包括Ferguson方法、Cobb方法、Greenspan指数法、Diab方法、几何中心法等[4]。其中Cobb方法是测量AIS椎体侧凸角度的标准[4]：上端椎上终板平行线与下端椎下终板平行线之间的夹角称为Cobb角；Cobb角大于10°是AIS的诊断标准；连续测量Cobb角之间差异大于5.0°，被认为是AIS进展的标准，或存在测量误差[3]。

1.1.2 椎体旋转角度

椎体旋转角度是评估AIS的另一项重要参数，能够评估侧凸进展的风险及治疗效果[5-6]。在正位片上，根据棘突、椎弓根投射在椎体上的位置评估椎体旋转角度，如Cobb方法、Nash-Moe方法、Perdriolle方法、Drerup方法及Stokes方法[6]。上述测量方法只能粗略估算AIS椎体在水平面上的旋转角度，精确度低[5]。

1.1.3 脊柱柔韧性

脊柱柔韧性(curve flexibility)是评估AIS矫正程度的重要参数[3]。通过测量不同体位，如仰卧侧屈位、俯卧加压位、牵引位和支点侧曲位下X线片与站立位X片之间Cobb角的变化，可以评估AIS患者的脊柱柔韧性[7]。上述测量方法的装置以及患者体型方面的差异，将影响脊柱柔韧性评估的信度和效度[8]。设计个体化装置、制定标准规范的测量方法，仍有待进一步研究。

1.1.4 骨成熟度

骨成熟度反映青少年生长发育程度，是选择手术或矫形器治疗的重要依据[3]。Risser征反映骨骼成熟度：依据骨盆正位片上髂骨翼骨骺骨化范围(由外至内)分为5个等级[9]，等级越低，表明患者骨骼成熟度越低，AIS进展的可能性越大。

1.2 信度和效度

X线片是评估AIS椎体侧凸与旋转角度最常用方法。研究表明，Cobb方法测量AIS椎体侧凸角具有较高的评测者内/评测者间信度，组内相关系数(intra-class correlation coefficients,ICC)＞0.78，平均绝对差(mean absolute deviation,MAD)2.2°～3.9°，标准差(standard deviation,SD)2.2°～4.6°，测量标准误(standard error of measurement,SEM)2.0°～3.2°[10-13]。测量误差来源于端椎选择、评测者经验及患者体位等因素[14]。

研究表明，X线平片评估AIS椎体旋转角度的评测者内/评测者间ICC＞0.76，测量误差小于3.2°[15-16]。数字化图像处理技术和相关软件的开发，提高了AIS椎体侧凸与旋转角度评估的信度与效度[17]。

1.3 优势和劣势

X线摄影及Cobb方法操作简便、快捷，广泛用于AIS的临床诊疗中。然而，多次X线检查使患者暴露于X线辐射中，增加肿瘤等疾病的发生率[18]。此外，X线平片将三维的脊柱结构投射在二维胶片上，不能真正反映脊柱侧凸三维空间的病变特征[3]。随着AIS三维矫正技术的开展及减少X线辐射量的基本要求，探索无辐射、可靠和准确的三维影像学评估方法成为AIS的研究热点。

2 三维立体X线成像技术

2.1 测量参数及应用

三维立体X线成像技术(stereoradiography)通过双平面X线成像系统，同时进行正位和侧位X线摄影；在特定计算机程序辅助下，重建AIS脊柱和躯干的三维图像[19]。测量参数包括AIS在冠状面上的椎体侧凸角度、在水平面上的椎体旋转角度，以及在矢状面上的胸椎后凸/腰椎前凸角度[20]。此外，胸廓容积(thoracic volume)、脊柱贯入度指数(spinal penetration index)[21]和骨盆入射角(pelvic incidence)[22]等参数，实现了对AIS胸廓和骨盆畸形的评估。

2.2 信度和效度

三维立体X线成像技术评估AIS患者椎体侧凸角度、椎体旋转角度、胸椎后凸及腰椎前凸角度MAD分别为1.6°～6.2°、0.9°～6.1°、3.6°～7.0°和2.5°～6.7°；评测者内/评测者间ICC均大于0.87[22-23]。

2.3 优势和劣势

相比普通X线片，三维立体X线成像技术能够提供AIS三维脊柱畸形图像，X线辐射量为普通X线片的1/9～1/6[18]；采取站位测量，不受重力因素的影响。然而，三维立体X线成像技术仍不能直接显示AIS在水平面上的形态特征，其三维评估结果来源于三维重建模型上的测量数据，并不是AIS三维脊柱畸形的真实数据[4,6]。

3 CT

3.1 测量参数及应用

CT能够显示AIS椎体在水平面上骨性结构特征，可直接评估椎体旋转角度[24]。作为AIS患者术前常规检查项目，CT检查能够评估椎弓根的异常形态；通过模拟椎弓根螺钉的大小，提高术中椎弓根螺钉置入准确率和手术安全性[25]。在计算机程序辅助下，CT三维重建技术能够构建脊柱侧凸的三维模型，还可评估AIS两侧肺容积的大小，有助于手术方案的设计和风险评估[26]。近年来，有研究报道了高分辨率定量CT在评估椎体容积、骨密度和骨微结构中的应用，对预测AIS进展的风险具有重要作用[27]。

3.2 信度和效度

Aaro-Dahlborn方法和Ho方法是CT水平面图像上测量AIS椎体旋转角度的常用方法。Aaro-Dahlborn方法评测者内/评测者间MAD为1.76°，Ho方法评测者内/评测者间MAD为1.18°，两种方法的信度均较高[28]。

3.3 优势和劣势

CT成像的优势在于清楚显示AIS椎体的骨性结构，评估椎体旋转角度及椎弓根形态变化。相比于Perdriolle方法和Scoliometer方法，CT能更加准确地反映手术前后椎体旋转角度的变化[24]。然而，全脊柱CT成像产生大量电离辐射，严重威胁青少年身体健康。与X线相比，仰卧或俯卧位下CT成像的测量结果易受重力影响。

4 MRI

4.1 测量参数及应用

MRI是一种无辐射、高分辨率的影像学评估方法。与CT成像评估方法类似，MRI采用Cobb方法测量AIS椎体在冠状面和矢状面上的侧凸角度，采用Aaro-Dahlborn方法或Ho方法测量椎体在水平面上的旋转角度[29-30]。由于对软组织和神经结构显示良好，MRI可评估椎管内神经轴索和脊髓病变的情况，如Chiari畸形、脊髓空洞、脊髓纵裂等[31]。然而，Diab等[32]通过多中心回顾性分析2260例AIS患者的MRI检查，结果发现，术后并发症的发生率与MRI检查结果之间并无相关性；另外，对于低龄、存在神经系统症状、右侧胸凸、胸椎旋转及后凸角度增大的脊柱侧凸患者，推荐MRI检查以明确患者的神经系统并发症。

4.2 信度和效度

研究报道，MRI成像采用Cobb方法评估AIS椎体在冠状面上侧凸角的评测者内/评测者间ICC为0.467～0.966，评估矢状面上胸椎后凸角ICC为0.561～0.989，腰椎前凸角ICC为0.678～0.879；采用Aaro-Dahlborn方法测量AIS椎体在水平面上旋转角度的评测者内/评测者间ICC为0.945～0.992[29-30]。有较高信度。

4.3 优势和劣势

MRI无电离辐射，是一种安全有效的三维影像学评估方法。但全脊柱MRI价格昂贵，成像系统普及率低，不适于AIS患者的筛查、监测和随访等常规临床诊疗。此外，MRI在仰卧位下进行，易受重力影响，与站立位X线结果的差异造成临床决策困难。近年来，有研究探索仰卧位轴向加压MRI和站立位MRI的可能性，以及其测量结果与站立位X线结果之间的相关性[30,33]，还有待进一步研究。

5 超声成像技术

5.1 测量参数及应用

由于对软组织成像的优势，超声成像技术最初用于AIS患者脊柱椎旁肌、腹内外斜肌对称性的评估[34-35]。近年来，肌骨超声的应用受到广泛关注。三维超声(three-dimension ultrasound)成像技术使超声图像能够在冠状面、水平面和矢状面上显示AIS脊柱的三维畸形特征[36]。研究发现[37]，三维超声成像能够显示椎骨后部结构标志，如棘突、椎板和横突。借助上述椎体结构标志，不同学者提出棘突角法(spinous process angle)[38]、横突角法(transverse process angle)[39]和椎板中心法(center of laminae)[40]用于AIS椎体侧凸角的测量；椎板中心法还可用于AIS椎体旋转角度的评估[41]。

5.2 信度和效度

研究显示，椎板中心法测量椎体侧凸角度的评测者内/评测者间ICC＞0.85[40,42]，评估椎体旋转角度的评测者内/评测者间ICC＞0.9[41]，有较好信度。此外，三维超声测量结果有较高的效度，与X线和MRI测量结果相关性和一致性均较高。

5.3 优势和劣势

超声成像技术具有无辐射、性价比高、普及面广、操作简单等优势。三维超声成像技术拉开了肌骨超声在脊柱侧凸三维评估应用中的新帷幕。然而，由于声波反射的特点，在肌肉较发达、椎体旋转角度过大及肋骨隆起部位，均有可能造成椎体结构的超声影像缺失[40]；而且操作者技术水平将影响评估的信度和效度。如何规范超声扫描技术，减少操作因素的干扰，提高超声成像效果等，有待进一步探索和研究。

6 小结与展望

X线平片是AIS诊断与评估最基本的方法。近年来，随着脊柱侧凸三维矫正技术的开展及减少患者X线辐射的基本要求，探索更加安全、可靠和准确的三维影像学检查技术成为研究热点，如三维立体X线成像技术、CT、MRI以及三维超声。鉴于不同成像技术的特点，选取合适的影像学技术、规范操作技术提高测量信度与效度，是今后临床诊疗与研究的关注点。在影像学诊断与评估结果基础上，优化AIS患者的康复治疗、脊柱矫形器制作及手术方案设计等仍有待进一步研究。

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Application of Medical Imaging Technologies inAdolescent Idiopathic Scoliosis(review)

WANG Qian1a,2,3,LEI Zhong-jie1a,2,MA Zong-hao3,4,SHUAI Tao1b,WONG Man-sang3
1.a.Center of Rehabilitation Medicine;b.Department of Radiology,West China Hospital,Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610041,China;2.Rehabilitation Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu,Sichuan 610041,China;3.Interdisciplinary Division of Biomedical Engineering,The Hong Kong Polytechnic University,Hong Kong 999077,China;4.Rehabilitation Engineering Research Institute,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

WONG Man-sang.E-mail:m.s.wong@polyu.edu.hk

Adolescent idiopathic scoliosis(AIS)is a complex three-dimensional spinal deformity,characterized by lateral curvature and vertebral rotation.The medical imaging techniques are essential for determination of severity of scoliotic spine,prediction of progression and assistance in the decision-making process of treatment for scoliosis,including radiograph,stereoradiography,computed tomography,magnetic resonance imaging and ultrasound.This paper reviewed their application from the view of measure parameters,reliability and validity,as well as merits and demerits.It is possible to assess the three-dimensional nature of scoliosis in the future.

adolescent idiopathic scoliosis;imaging;assessment;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.11.013

R681.5

A

1006-9771(2017)11-1304-04

[本文著录格式] 王谦，雷中杰，马宗浩，等.青少年特发性脊柱侧凸影像学评估研究进展[J].中国康复理论与实践,2017,23(11):1304-1307.

CITED AS:Wang Q,Lei ZJ,Ma ZH,et al.Application of medical imaging technologies in adolescent idiopathic scoliosis(review)[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(11):1304-1307.

香港特别行政区研究基金委员会面上项目(No.PolyU 5634/13M)。

1.四川大学华西医院，a.康复医学中心；b.放射科，四川成都市610041；2.康复医学四川省重点实验室，四川成都市610041；3.香港理工大学生物医学工程跨领域学部，香港999077；4.中国康复研究中心康复工程研究所，北京市100068。作者简介：王谦(1984-)，男，汉族，内蒙古包头市人，博士，讲师，主要研究方向：脊柱侧凸的三维超声评估及手法治疗、骨关节炎及骨质疏松的物理因子治疗基础研究。通讯作者：黄文生。E-mail:m.s.wong@polyu.edu.hk。

2017-06-11

2017-08-04)