基于双平面透视成像技术的在体颈椎生物力学 研究进展

罗烨 赵雅琦 郭璐琦 李凤 李霁欣 赵璇 黄小凡 王少白

颈椎具有复杂的解剖结构，在活动中对头部起支撑作用。通过颈椎在体运动学定量分析，可以全面了解颈椎各结构的运动规律，有助于改进手术技术[1]与康复方案[2]。

随着多学科交叉融合的发展，双平面透视成像系统（DFIS）进入科学研究领域。DFIS将动态正交透视技术与磁共振成像（MRI）或CT技术相结合，应用CT/MRI数据构建三维模型，在模拟空间软件中将三维模型与透视机拍摄的二维图像进行2D-3D配准，最终计算其6自由度或软骨接触面积等数据。自Wang等[3]使用DFIS对在体脊柱进行运动学研究后，由于该方法突破了传统生物力学测量方法对测量精度的限制，避免了有创研究中的伦理限制，并具有实时追踪关节在体运动时6自由度和韧带长度变化的优势，被广泛应用于生物力学研究及临床医学领域。本文回顾文献，对DFIS技术应用于健康人群及颈椎手术后患者的在体颈椎运动学研究进行综述，以期为未来的深入研究提供参考。

1 DFIS在颈椎测量中的信度和效度

优秀的信度和效度是DFIS被广泛应用的前提，多项研究将DFIS与动态立体影像测量分析（RSA）技术进行对比。McDonald等[4]在绵羊标本的椎骨中植入钽珠，手动旋转和平移颈部标本，获得椎骨的DFIS与RSA图像数据，然后将两者进行对比，测量得到的平移精度误差为±0.6 mm，转动位移误差为±0.6°。Anderst等[5]招募3名接受颈椎前路椎间盘切除减压植骨融合术（ACDF）的患者，在手术中将直径1 mm的钽珠植入融合椎体及其相邻椎体，于术后6个月采集患者颈部屈伸、侧屈和轴向旋转活动中的DFIS与RSA数据，结果表明颈椎的融合节段与非融合节段平均跟踪精度分别为0.19 mm和0.33 mm，重复同一实验时的变异性在平移活动中为0.02 mm，旋转活动中为0.06°。上述验证实验表明，将DFIS应用于脊柱的三维运动学分析可以实现亚毫米级精度。

2 DFIS在健康人群颈椎运动学测量中的应用

2.1 颈椎椎体研究

采用DFIS技术评定颈椎各节段功能活动中的差异，有助于发现与挥鞭伤、ACDF及人工颈椎椎间盘置换术（ACDR）后等疾病状态相关的运动异常[6]。

Anderst等[7]招募29名健康受试者，采集其颈部全范围的屈伸、侧屈、轴向旋转动作，对枢椎下关节(C2～T1)各节段活动的贡献度进行分析，结果表明颈椎屈伸活动中C4/C5节段和C5/C6节段的贡献度最大，分别为19.5°±3.4°和19.7°±3.7°。Anderst等[6]将上颈段(C0～C2)与C2～T1节段均纳入研究后分析认为，颈椎在侧屈与旋转运动中左右对称，但在屈曲和伸展运动中非对称。上颈段在功能运动的初始阶段为运动的主导，而枢椎下关节(C2～T1)在功能运动终末时贡献度最大。在屈曲运动末进行伸展运动时，运动主要由C0/C1节段产生。Zhou等[8]招募10名受试者以分析C0～T1节段在颈椎最大屈伸、左右侧屈、轴向旋转动作中的贡献度，发现在轴向旋转动作中C1/C2节段的贡献度为73.2%±17.3%，而其他节段的贡献度均小于10%，且在以上3项功能活动中，C0/C1节段和C7/T1节段的贡献度始终小于10%，明显低于其他节段。该研究结果与基于静态CT三维重建所得结果显示的C0/C1处的屈伸活动度并不相同[9]，这也提示颈椎在动态与静态时存在运动学差异[8]。

准确测量耦合运动有助于了解相关疾病的病因和诊断，也有助于评估后续治疗。Lin等[10]发现，在颈部的轴向旋转和侧屈动作中，侧屈耦合较旋转耦合的活动度更大。耦合运动比率（椎间旋转/椎间侧屈）在侧屈时为0.23～0.75，旋转时为0.34～0.95。

2.2 颈椎附属结构研究

DFIS可以无创测量椎间盘和椎间孔等无体表标记结构的在体运动，有助于提高对神经根型颈椎病等疾病的认识。既往有关椎间盘的研究中主要基于矢状面MRI或侧位X线检查进行椎间盘间隙高度测量，也可以采用计算机三维有限元建模方式进行模拟载荷下的研究，但这些方法所获数据与运动中真实的关节运动学存在部分差异[11-15]。

采用DFIS技术评估椎间盘时，通过计算上下终板间的空间几何形状变化得出负载下的椎间盘形变，该方法能更好地重现椎间盘运动中的真实 形变。基 于DFIS技 术，Yu等[16]对10名 健 康受试者的C3～C7节段椎间盘进行研究，分析其屈伸运动中的形变。他们得到椎间盘牵张变形的最大 值 为C3/C470.3%±34.1%、C4/C561.9%±28.8%、 C5/C675.9%±32.2%、C6/C739.1%±37.4%，椎间盘压 缩变形的最大值为C3/C468.3%±34.1%、C4/C578.5%±41.3%、C5/C648.3%±20.9%、C6/C733.1%±18.2%。该结果表明，有限元分析中所采用的10%～30%的椎间盘变形[12]可能低估了体内椎间盘的功能。

采用DFIS技术评估椎间孔时，通过重建颈椎的三维模型叠加构成椎间孔的上下椎弓根，可以精确地确定每个椎间孔区域的横断面，获得每个椎间孔的倾斜重建图像，得出真实的椎间孔数据，据此可以识别不同颈椎节段和颈椎姿势之间的差异[17]。基于该方法，Mao等[17]对颈椎屈伸活动中颈椎椎间孔的面积、高度与宽度变化进行研究。他们发现，在屈伸活动中，C4/C5节段椎间孔面积变化最大 (31%)，然后是C3/C4(27%)、C6/C7(19%)、 C5/C6(18%)节 段；从 伸 展 到 屈 曲，C4/C5节段椎间孔的整体高度变化最大 (26%)，然后是 C3/C4(24%)、C6/C7(18%)、C5/C6(16%)节 段；在 屈伸运动过程中，不同节段水平的整体宽度变化存在显著差异，C3/C4(28%)和C4/C5(35%) 节段的变化明显大于C5/C6(18%) 和C6/C7（19%）节段。该结果与同样使用DFIS技术的Chang等[18]的研究结果一致。Chang等[18]认为，C5/C6节段与C6/C7节段在运动过程中面积变化小是为了适应更高的负重需求，低节段颈椎疾病高发的原因可能在于颈椎运动过程中较低颈椎节段对椎间孔宽度变化的耐受性较低。这些研究结果也佐证了C3/C4和C4/C5节段对颈椎运动的贡献度较大。

3 DFIS在手术后颈椎运动学测量中的应用

将DFIS技术应用于接受ACDF与ACDR的患者，有助于了解椎体相邻节段退行性变（ASD）的发病机制。

ACDF是治疗脊髓型颈椎病最常用的术式，文献报道ACDF术后10年内因ASD导致的二次手术率超过15%[19-20]。有学者认为，相邻椎体运动增加是促进ASD发生的原因之一[21-23]，故术后颈椎各节段的运动学变化一直是临床医生关注的问题[24]。为探索此问题，Anderst等[25]招募6名 C5/C6节段ACDF术后（7±1）个月的患者，采集其颈部屈伸动作中C3～T1节段的运动学数据，结果显示C6/C7节段活动增加最多(8.9%)，其次是C4/C5节段(5.1%)。这表明，C5/C6节段ACDF术后，ASD更可能发生于C6/C7节段，该结果与流行病学研究的结果一致[21,26]。

为了降低术后ASD发生率，ACDR成为ACDF的可能替代方案[27]。但有研究表明，ACDR并不能显著降低术后并发症发生率[28]。为研究ACDR与ACDF术后运动学差异，McDonald等[29]招募17名C5/C6节段颈椎手术后短期患者（ACDF 10名，ACDR 7名），采用DFIS对患者颈部旋转和后伸动作进行分析，发现ACDF组非手术节段贡献度变化为28.5%±6.7%，较ACDR组（20.5%±5.5%）更大，并以C6/C7节段的差异最显著。

然而，生物力学研究的长期随访结果与短期随访结果不同。Azad等[30]招募23名颈椎手术后2年 的 受 试 者（ACDF 16名，ACDR 7名），对14名获得长期随访（术后6.5年）者（ACDF组8名，ACDR组6名）采集运动学数据。他们发现，术后两组相邻椎体水平节段的运动在长期内均无持续增加；ACDF组融合节段与相邻节段的椎间孔宽度均随时间增加而减小，而ACDR组C6/C7节段的椎间孔高度随时间增加而增加。

未来应开展更大规模的研究，纳入更多的颈椎病患者，并采集其术前运动学数据，以阐明年龄变化和退行性变化对颈椎的影响，更好地比较ACDF与ACDR术后长期并发症的差异[17,30-32]。

4 DFIS应用于在体颈椎运动学测量的局限性

DFIS具有无创、高精度等特点，在颈椎在体生物力学研究中具有独特优势，然而该技术也存在一些局限性。第一，成像需借助于X线技术，对受试者有一定剂量的电离辐射，文献报道辐射量为0.24 mSV[32]～4 mSV[2]，因此对试验中的样本数量[33]、采集次数与总时间、试验设计等都提出了更高要求。第二，受其拍摄范围的限制[10,17,34]，在某些姿势的颈椎运动中，下颌骨和枕骨阻挡了C1、C2椎体图像获取，导致目标信息部分缺失。第三，受现有技术的限制，其所成图像的分辨率较体外测量低[2]，使得在配准过程中精度下降。此外，由于存在设备较少、学习曲线长、颈椎运动学数据处理耗时等问题，DFIS的普及应用仍存在挑战。

5 展望

DFIS采用动态正交透视技术与MRI或CT检查相结合的方法，其测量精确度为亚毫米级。DFIS的优点在于可直接精准测量人体各关节，特别是对包裹在众多皮肤、肌肉组织下的椎间盘、横突、关节突关节等颈椎结构的在体位置及运动特征进行精准测量。该技术为临床医学和运动医学领域提供了动、静态条件下捕捉颈椎真实运动的新方案。基于DFIS技术，学者们在健康者、ACDF和ACDR患者颈椎各节段及其附属结构的在体生物力学研究中有众多新发现。但是，尚无对颈椎病术前运动学表现的文献报道，也缺乏对不同人工椎间盘植入物或不同手术入路方式治疗效果的研究报道。

未来研究方向可能包括以下方面。①为颈椎开发精准度较高的自动化2D-3D配准程序，或将膝关节中已使用的自动化2D-3D配准程序[35]适配到颈椎研究中，缩短数据处理时间。②提高DFIS普及率，以便更多学者深入探究颈椎在体运动学变化。③设计一些生活中常用的组合动作[6]，并将其应用于研究中。④招募不同性别、年龄和症状的受试者，收集其颈椎不同结构在不同实验条件如不同体位(仰卧与坐姿)[16,36]、颈椎曲度[37]、运动速度[6]、运动方向[32,38]、手术方式[33]下的实验数据，确定这些变量所带来的影响。将数据用于指导临床实践，改进人工椎间盘设计，提高假体匹配性，减少手术与植入物对术后邻近椎体节段运动的 影响。