应用计算机重建瞬时旋转轴精确评估腰椎节段稳定性及其临床意义

(青岛大学附属医院脊柱外科，山东 青岛 266100)

据统计，绝大多数人一生中会受到腰背痛的困扰，其中30%与腰椎失稳有关[1]。腰椎节段性不稳既是脊柱疾患中的一个病理现象，也是一个征候群，还可以是一个独立的疾病。随着人口老龄化进程加快，腰椎退行性疾患发病率逐年增高，由此引发的腰椎失稳的发生率也越来越高。准确评估腰椎失稳情况，对于顽固性腰背痛的诊断与治疗具有重要意义。由于腰椎节段运动的复杂性、多维性和传统检测方法的局限性，导致目前对腰椎节段运动动力学机制的认识较浅，精确评估腰椎稳定性成为脊柱外科领域的一个长期难题。

由于腰椎节段运动是一种三维的、多达6个自由度的、复杂的三关节耦联运动，并且受到椎间盘、关节突关节、周围韧带以及相关肌肉筋膜等多重因素的影响[2-3]，任何仅对其中某个或某几个因素单独进行分析的研究方法，均难以精确、客观地展现腰椎节段运动的整体特点。

本研究旨在将计算机三维重建技术与瞬时旋转轴(IAR)理论相结合，建立一套能够将腰椎6个自由度考虑在内且不受周围解剖因素影响的客观、精确的腰椎节段运动评估系统，初步归纳出健康成人与腰椎失稳两个群体的不同腰椎节段运动IAR相关参数，发现腰椎节段运动形式的多样性，同时将进一步证实IAR在腰椎节段不稳研究中的应用价值。现将结果报告如下。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2017年1月—2018年3月在我院经动力位X线检查确诊L4-5单节段不稳并伴有半年以上下腰痛症状患者42例，男18例，女24例；年龄30～50岁，平均(36.4±10.3)岁。选取无腰背痛症状及脊柱外科手术史志愿者70例作为对照组，男33例，女37例；年龄20～50岁，平均(32.6±12.3)岁。所有纳入研究对象均签署知情同意书。两组一般资料比较,差异无显著性(P>0.05)，具有可比性。

1.2 扫描方法

所有研究对象采用GE Optima 670 CT扫描分别获得仰卧中立位和仰卧右旋 50°位全腰椎扫描影像，参数选取:电压120 kV，电流量300 mA，厚度1 mm，并以 DICOM 格式保存。

1.3 终板重心及上关节突表面重心的测算

将DICOM影像文件输入图像处理软件Mi-mics19.0，重建腰椎三维图像，获取L1～S1每个椎体的上下终板的点云影像，并测算出每个终板的重心坐标和终板的向量(图1)，在L1～L5双侧上关节突表面的点云资料上应用OTSUKA等[4]描绘关节突的方法测算出上关节突表面重心坐标(图2)。

1.4 腰椎节段局部坐标系的建立

以每个腰椎运动节段中的上位椎体为运动椎体，相邻下位椎体为相对固定椎体，进行各运动节段两个相邻椎体间的相对运动分析。经上述方法获得L1～L5每个椎体上、下终板和双侧上关节突的表面重心后，即拥有了IAR相关矩阵计算的4个非共面的点。以下位椎体上终板重心为原点，以该终板的方向为向量，建立每个腰椎节段的局部坐标系，Y轴位于冠状面由右侧指向左侧，X轴位于矢状面由腹侧指向背侧，Z轴垂直于X-Y平面由尾侧指向头侧。将上位椎体四个非共面点的坐标转换为在该节段中的局部坐标，包括运动前的局部坐标和运动后的局部坐标(图3)。

图1 腰椎终板点云影像的抽取

图2 腰椎关节突点云影像的获取

图3 以腰椎各椎体上终板重心为原点的局部坐标系的建立

1.5 计算方法

应用KINZEL等[5]的方法计算各节段运动椎体包含IAR相关信息的矩阵。在包含IAR信息的矩阵中有4个子矩阵，根据旋转矩阵[R]及滑移矩阵[S]可以计算出某个运动椎体沿IAR旋转的角度及IAR到坐标原点最短距离。IAR上坐标原点最近的一点为P(PxPyPz)(图4)，记录落入以坐标原点为中心的10 mm3及20 mm3立方体区域内点P(PxPyPz)的个数。

1.6 统计学方法

应用SPSS 23.0软件进行统计学分析。两组同节段运动椎体沿IAR旋转角度、IAR到坐标原点最短距离差异的比较采用独立样本t检验，对照组内的不同腰椎节段间的运动椎体沿IAR旋转角度、IAR到坐标原点最短距离比较采用单因素方差分析,采用SNK-q检验进行两两比较。两组同腰椎节段之间P点弥散程度差异的比较采用卡方检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 IAR到坐标原点最短距离

112例试验对象中从L1～S1评估了560个运动节段。腰椎运动椎体沿IAR平均旋转角度及IAR到坐标原点最短距离见表1。病例组L4-5节段IAR到坐标原点最短距离大于对照组(t=6.36,P<0.05)，两组间其他节段比较差异无统计学意义(P>0.05)。对照组中IAR到坐标原点最短距离的平均值自L1-2至L4-5逐渐增大而L5-S1节段却突然减小，其中L4-5节段上IAR到坐标原点最短距离大于其他节段，差异具有统计学意义(F=10.05,q=3.69～8.78,P<0.05)；L5-S1节段上IAR到坐标原点最短距离小于其他节段(q=3.34～8.78,P<0.05)。

A：三维空间内，当运动椎(红色)相对于固定椎(绿色)由位置1运动到了位置2，运动椎体沿IAR旋转的角度为。B：点P为IAR上到坐标原点最近的一点，IAR到坐标原点的最短距离代表了运动椎体偏移原点的距离。

图4IAR参数的测算

2.2 P点的弥散程度

IAR到坐标原点最近的点P(PxPyPz)的弥散程度见表2。在以坐标原点为中心的10 mm3立方体区域内，病例组L4-5节段P点频率为16.67%，远小于对照组(2=15.45,P<0.05)；在以坐标原点为中心的20 mm3立方体区域内,病例组L4-5节段P点的频率为78.57%，与对照组比较差异无统计学意义(P>0.05)。

2.3 运动椎体沿IAR平均旋转角度

病例组各腰椎节段运动椎体沿IAR旋转的角度与对照组比较差异无统计学意义(P>0.05)，见表1。对照组中L1～S1运动椎体沿IAR旋转角度的平均值逐渐增大，其中L5-S1节段旋转角度的平均值明显大于其他的节段，差异具有显著统计学意义(F=4.98,q=3.95～5.93,P<0.05)。

表1 两组运动椎体沿IAR旋转角度及IAR到坐标原点的最短距离

表2 两组IAR到坐标原点最近的点P的弥散程度(例(χ/%))

3 讨 论

人体脊柱通过杠杆、运动轴、致动体和限制体协同作用实现其生理功能，是一个精密的生物力学结构，其动力学机制非常复杂。此结构不仅使脊柱具有良好的柔韧性和活动度，满足了身体平衡和运动的需要，而且又能确保脊柱获得良好的稳定性，有效限制各节段间的过度位移，保护神经组织，防止畸形和疼痛的发生[6]。

正常情况下，腰椎节段间的相对运动控制在一定的生理范围内，而当椎间盘和关节突退变，以及各类手术操作对腰椎周围组织造成破坏时，则将影响腰椎节段的稳定性，压迫或牵拉邻近的神经组织，和(或)导致纤维环、终板、关节囊和韧带组织发生异常形变，诱发顽固的腰背痛[7]。而腰椎节段稳定性的破坏又可加重椎间盘和关节突退行性变，两者互为因果，相互影响，使腰背痛的病理机制更为复杂，诊断和治疗更加困难[8-9]。精准评估腰椎失稳情况，对于顽固性腰背痛的诊断与治疗具有重要的意义。但是，由于腰椎节段运动的复杂性、多维性和传统检测方法的局限性，导致目前对腰椎节段运动动力学机制的认识较浅， 精确评估腰椎稳定性成为脊柱外科领域的一个长期难题。加之对病理机制认识的不足，腰椎失稳的早期诊断、精确定量和科学治疗十分困难[10]。

PEARCY等[11]于1988年就开始利用侧位X线片来探究正常腰椎IAR的相关参数及临床意义，由IAR定义可知，对于一个刚性物体，在三维空间内从一个点运动到另一个点，无论实际上发生了何种形式的运动，均可以描述为沿着一个临时的轴旋转并在此轴上滑移的总和，这个轴称为瞬时旋转轴[12]。IAR就某一个相对运动而言是唯一的，它在固定体上的物理位置与局部坐标系的实际位置是相对独立的，可以在不考虑关节表面的几何结构情况下来描述移动椎体相对于固定椎体的整体运动。本研究将计算机三维重建技术与IAR理论相结合比过去仅通过侧位X线更能精确评估在体腰椎节段运动情况。

本研究结果显示，IAR到坐标原点最短距离及P点的弥散程度是衡量腰椎节段稳定性的两个重要指标。假设腰椎节段运动只存在单纯旋转性质，IAR理论上应穿过坐标原点，然而由于椎间盘这个柔软的弹性组织在脊柱扭转过程中的拉伸或者压缩，使IAR都偏离了坐标原点，因此偏离越大，IAR到坐标原点最短距离越大，P点的分布也就越分散，这一节段的稳定性也就越差。本研究结果显示，L1～L5的IAR到坐标原点最短距离逐渐增大，而L5-S1的最短距离却突然减小，这一特性符合腰椎关节突关节解剖特性，即L1～L5的角度逐步增大，并且方向由近似矢状位向下逐渐变为斜位，至L5-S1节段时几乎呈冠状位，也证实腰椎小关节在限制腰椎运动、维持腰椎稳定性起到重要作用[13]。本研究结果显示，L4-5的IAR到坐标原点最短距离显著大于其他节段，证实该节段稳定性较差，符合临床上L4退变性滑脱高发的现实[14]。INOUE等[12]通过对鹿脊柱测量IAR轨迹得出了相同的结论，即受损模型的IAR会更加偏离坐标原点，但是其实验标本为离体，忽略了肌肉等软组织对腰椎稳定性的影响。本研究结果显示，L5-S1节段运动椎体沿IAR的旋转角度比其他节段大，同时L5位于相对固定的骶骨之上，因此在脊柱旋转时可能会给予椎间盘较大的压力从而导致L5-S1椎间盘突出发病率较高[15],其IAR到坐标原点的最短距离最小符合其解剖特性，即L5-S1关节突呈冠状位同时被髂腰韧带和邻近强韧肌肉组织进一步加强，使它成为整个腰椎最稳定的部分[16]，因此L5-S1节段常发生椎间盘突出与峡部裂滑脱，而退变性滑脱的发病率相对较低[17-18]。OCHIA等[19]通过特征向量法和体积合并法的组合来测量体内腰椎节段旋转与平移的情况，通过测量腰椎节段旋转和平移，发现与本项目研究结果相吻合，即L4-5节段的轴向旋转小于L5-S1，小关节面方向从L1-2到L4-5节段逐渐朝向矢状位，而L5-S1关节面则更偏向冠状位[20]。

综上所述，本研究结果显示，IAR到坐标原点最短距离及P点的弥散程度为早期诊断腰椎失稳的重要指标，运动椎体沿IAR的旋转角度与椎间盘盘内压力的相关性需进行相关研究来验证。本试验研究对象较少，需增加样本量进行研究，以建立国人腰椎各节段IAR的相关参数。同时由于受CT设备所限，本研究研究对象无法进行过伸过屈位三维CT扫描，限制了腰椎过伸过屈IAR相关参数的获取。应用计算机三维重建技术结合IAR理论可以精确评估在体腰椎节段稳定性及运动特征，并证实了其结果的可靠性，未来可进一步探究腰椎融合术后及人工腰椎间盘术后等不同腰椎病理状态下的人群IAR特征，为临床诊疗相关疾病提供参考依据。