基于雙平面透視成像技術(shù)的在體頸椎生物力學(xué) 研究進(jìn)展

羅燁 趙雅琦 郭璐琦 李鳳 李霽欣 趙璇 黃小凡 王少白

頸椎具有復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，在活動(dòng)中對(duì)頭部起支撐作用。通過頸椎在體運(yùn)動(dòng)學(xué)定量分析，可以全面了解頸椎各結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有助于改進(jìn)手術(shù)技術(shù)[1]與康復(fù)方案[2]。

隨著多學(xué)科交叉融合的發(fā)展，雙平面透視成像系統(tǒng)（DFIS）進(jìn)入科學(xué)研究領(lǐng)域。DFIS將動(dòng)態(tài)正交透視技術(shù)與磁共振成像（MRI）或CT技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用CT/MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，在模擬空間軟件中將三維模型與透視機(jī)拍攝的二維圖像進(jìn)行2D-3D配準(zhǔn)，最終計(jì)算其6自由度或軟骨接觸面積等數(shù)據(jù)。自Wang等[3]使用DFIS對(duì)在體脊柱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究后，由于該方法突破了傳統(tǒng)生物力學(xué)測(cè)量方法對(duì)測(cè)量精度的限制，避免了有創(chuàng)研究中的倫理限制，并具有實(shí)時(shí)追蹤關(guān)節(jié)在體運(yùn)動(dòng)時(shí)6自由度和韌帶長(zhǎng)度變化的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)研究及臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本文回顧文獻(xiàn)，對(duì)DFIS技術(shù)應(yīng)用于健康人群及頸椎手術(shù)后患者的在體頸椎運(yùn)動(dòng)學(xué)研究進(jìn)行綜述，以期為未來的深入研究提供參考。

1 DFIS在頸椎測(cè)量中的信度和效度

優(yōu)秀的信度和效度是DFIS被廣泛應(yīng)用的前提，多項(xiàng)研究將DFIS與動(dòng)態(tài)立體影像測(cè)量分析（RSA）技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。McDonald等[4]在綿羊標(biāo)本的椎骨中植入鉭珠，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)和平移頸部標(biāo)本，獲得椎骨的DFIS與RSA圖像數(shù)據(jù)，然后將兩者進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量得到的平移精度誤差為±0.6 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)位移誤差為±0.6°。Anderst等[5]招募3名接受頸椎前路椎間盤切除減壓植骨融合術(shù)（ACDF）的患者，在手術(shù)中將直徑1 mm的鉭珠植入融合椎體及其相鄰椎體，于術(shù)后6個(gè)月采集患者頸部屈伸、側(cè)屈和軸向旋轉(zhuǎn)活動(dòng)中的DFIS與RSA數(shù)據(jù)，結(jié)果表明頸椎的融合節(jié)段與非融合節(jié)段平均跟蹤精度分別為0.19 mm和0.33 mm，重復(fù)同一實(shí)驗(yàn)時(shí)的變異性在平移活動(dòng)中為0.02 mm，旋轉(zhuǎn)活動(dòng)中為0.06°。上述驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，將DFIS應(yīng)用于脊柱的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)精度。

2 DFIS在健康人群頸椎運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 頸椎椎體研究

采用DFIS技術(shù)評(píng)定頸椎各節(jié)段功能活動(dòng)中的差異，有助于發(fā)現(xiàn)與揮鞭傷、ACDF及人工頸椎椎間盤置換術(shù)（ACDR）后等疾病狀態(tài)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)異常[6]。

Anderst等[7]招募29名健康受試者，采集其頸部全范圍的屈伸、側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，對(duì)樞椎下關(guān)節(jié)(C2～T1)各節(jié)段活動(dòng)的貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明頸椎屈伸活動(dòng)中C4/C5節(jié)段和C5/C6節(jié)段的貢獻(xiàn)度最大，分別為19.5°±3.4°和19.7°±3.7°。Anderst等[6]將上頸段(C0～C2)與C2～T1節(jié)段均納入研究后分析認(rèn)為，頸椎在側(cè)屈與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中左右對(duì)稱，但在屈曲和伸展運(yùn)動(dòng)中非對(duì)稱。上頸段在功能運(yùn)動(dòng)的初始階段為運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)，而樞椎下關(guān)節(jié)(C2～T1)在功能運(yùn)動(dòng)終末時(shí)貢獻(xiàn)度最大。在屈曲運(yùn)動(dòng)末進(jìn)行伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)主要由C0/C1節(jié)段產(chǎn)生。Zhou等[8]招募10名受試者以分析C0～T1節(jié)段在頸椎最大屈伸、左右側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)動(dòng)作中的貢獻(xiàn)度，發(fā)現(xiàn)在軸向旋轉(zhuǎn)動(dòng)作中C1/C2節(jié)段的貢獻(xiàn)度為73.2%±17.3%，而其他節(jié)段的貢獻(xiàn)度均小于10%，且在以上3項(xiàng)功能活動(dòng)中，C0/C1節(jié)段和C7/T1節(jié)段的貢獻(xiàn)度始終小于10%，明顯低于其他節(jié)段。該研究結(jié)果與基于靜態(tài)CT三維重建所得結(jié)果顯示的C0/C1處的屈伸活動(dòng)度并不相同[9]，這也提示頸椎在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)時(shí)存在運(yùn)動(dòng)學(xué)差異[8]。

準(zhǔn)確測(cè)量耦合運(yùn)動(dòng)有助于了解相關(guān)疾病的病因和診斷，也有助于評(píng)估后續(xù)治療。Lin等[10]發(fā)現(xiàn)，在頸部的軸向旋轉(zhuǎn)和側(cè)屈動(dòng)作中，側(cè)屈耦合較旋轉(zhuǎn)耦合的活動(dòng)度更大。耦合運(yùn)動(dòng)比率（椎間旋轉(zhuǎn)/椎間側(cè)屈）在側(cè)屈時(shí)為0.23～0.75，旋轉(zhuǎn)時(shí)為0.34～0.95。

2.2 頸椎附屬結(jié)構(gòu)研究

DFIS可以無創(chuàng)測(cè)量椎間盤和椎間孔等無體表標(biāo)記結(jié)構(gòu)的在體運(yùn)動(dòng)，有助于提高對(duì)神經(jīng)根型頸椎病等疾病的認(rèn)識(shí)。既往有關(guān)椎間盤的研究中主要基于矢狀面MRI或側(cè)位X線檢查進(jìn)行椎間盤間隙高度測(cè)量，也可以采用計(jì)算機(jī)三維有限元建模方式進(jìn)行模擬載荷下的研究，但這些方法所獲數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)中真實(shí)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)存在部分差異[11-15]。

采用DFIS技術(shù)評(píng)估椎間盤時(shí)，通過計(jì)算上下終板間的空間幾何形狀變化得出負(fù)載下的椎間盤形變，該方法能更好地重現(xiàn)椎間盤運(yùn)動(dòng)中的真實(shí) 形變?；?于DFIS技 術(shù)，Yu等[16]對(duì)10名 健 康受試者的C3～C7節(jié)段椎間盤進(jìn)行研究，分析其屈伸運(yùn)動(dòng)中的形變。他們得到椎間盤牽張變形的最大 值 為C3/C470.3%±34.1%、C4/C561.9%±28.8%、 C5/C675.9%±32.2%、C6/C739.1%±37.4%，椎間盤壓 縮變形的最大值為C3/C468.3%±34.1%、C4/C578.5%±41.3%、C5/C648.3%±20.9%、C6/C733.1%±18.2%。該結(jié)果表明，有限元分析中所采用的10%～30%的椎間盤變形[12]可能低估了體內(nèi)椎間盤的功能。

采用DFIS技術(shù)評(píng)估椎間孔時(shí)，通過重建頸椎的三維模型疊加構(gòu)成椎間孔的上下椎弓根，可以精確地確定每個(gè)椎間孔區(qū)域的橫斷面，獲得每個(gè)椎間孔的傾斜重建圖像，得出真實(shí)的椎間孔數(shù)據(jù)，據(jù)此可以識(shí)別不同頸椎節(jié)段和頸椎姿勢(shì)之間的差異[17]?；谠摲椒ǎ琈ao等[17]對(duì)頸椎屈伸活動(dòng)中頸椎椎間孔的面積、高度與寬度變化進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)，在屈伸活動(dòng)中，C4/C5節(jié)段椎間孔面積變化最大 (31%)，然后是C3/C4(27%)、C6/C7(19%)、 C5/C6(18%)節(jié) 段；從 伸 展 到 屈 曲，C4/C5節(jié)段椎間孔的整體高度變化最大 (26%)，然后是 C3/C4(24%)、C6/C7(18%)、C5/C6(16%)節(jié) 段；在 屈伸運(yùn)動(dòng)過程中，不同節(jié)段水平的整體寬度變化存在顯著差異，C3/C4(28%)和C4/C5(35%) 節(jié)段的變化明顯大于C5/C6(18%) 和C6/C7（19%）節(jié)段。該結(jié)果與同樣使用DFIS技術(shù)的Chang等[18]的研究結(jié)果一致。Chang等[18]認(rèn)為，C5/C6節(jié)段與C6/C7節(jié)段在運(yùn)動(dòng)過程中面積變化小是為了適應(yīng)更高的負(fù)重需求，低節(jié)段頸椎疾病高發(fā)的原因可能在于頸椎運(yùn)動(dòng)過程中較低頸椎節(jié)段對(duì)椎間孔寬度變化的耐受性較低。這些研究結(jié)果也佐證了C3/C4和C4/C5節(jié)段對(duì)頸椎運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)度較大。

3 DFIS在手術(shù)后頸椎運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用

將DFIS技術(shù)應(yīng)用于接受ACDF與ACDR的患者，有助于了解椎體相鄰節(jié)段退行性變（ASD）的發(fā)病機(jī)制。

ACDF是治療脊髓型頸椎病最常用的術(shù)式，文獻(xiàn)報(bào)道ACDF術(shù)后10年內(nèi)因ASD導(dǎo)致的二次手術(shù)率超過15%[19-20]。有學(xué)者認(rèn)為，相鄰椎體運(yùn)動(dòng)增加是促進(jìn)ASD發(fā)生的原因之一[21-23]，故術(shù)后頸椎各節(jié)段的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化一直是臨床醫(yī)生關(guān)注的問題[24]。為探索此問題，Anderst等[25]招募6名 C5/C6節(jié)段ACDF術(shù)后（7±1）個(gè)月的患者，采集其頸部屈伸動(dòng)作中C3～T1節(jié)段的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示C6/C7節(jié)段活動(dòng)增加最多(8.9%)，其次是C4/C5節(jié)段(5.1%)。這表明，C5/C6節(jié)段ACDF術(shù)后，ASD更可能發(fā)生于C6/C7節(jié)段，該結(jié)果與流行病學(xué)研究的結(jié)果一致[21,26]。

為了降低術(shù)后ASD發(fā)生率，ACDR成為ACDF的可能替代方案[27]。但有研究表明，ACDR并不能顯著降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率[28]。為研究ACDR與ACDF術(shù)后運(yùn)動(dòng)學(xué)差異，McDonald等[29]招募17名C5/C6節(jié)段頸椎手術(shù)后短期患者（ACDF 10名，ACDR 7名），采用DFIS對(duì)患者頸部旋轉(zhuǎn)和后伸動(dòng)作進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)ACDF組非手術(shù)節(jié)段貢獻(xiàn)度變化為28.5%±6.7%，較ACDR組（20.5%±5.5%）更大，并以C6/C7節(jié)段的差異最顯著。

然而，生物力學(xué)研究的長(zhǎng)期隨訪結(jié)果與短期隨訪結(jié)果不同。Azad等[30]招募23名頸椎手術(shù)后2年 的 受 試 者（ACDF 16名，ACDR 7名），對(duì)14名獲得長(zhǎng)期隨訪（術(shù)后6.5年）者（ACDF組8名，ACDR組6名）采集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，術(shù)后兩組相鄰椎體水平節(jié)段的運(yùn)動(dòng)在長(zhǎng)期內(nèi)均無持續(xù)增加；ACDF組融合節(jié)段與相鄰節(jié)段的椎間孔寬度均隨時(shí)間增加而減小，而ACDR組C6/C7節(jié)段的椎間孔高度隨時(shí)間增加而增加。

未來應(yīng)開展更大規(guī)模的研究，納入更多的頸椎病患者，并采集其術(shù)前運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，以闡明年齡變化和退行性變化對(duì)頸椎的影響，更好地比較ACDF與ACDR術(shù)后長(zhǎng)期并發(fā)癥的差異[17,30-32]。

4 DFIS應(yīng)用于在體頸椎運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量的局限性

DFIS具有無創(chuàng)、高精度等特點(diǎn)，在頸椎在體生物力學(xué)研究中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，然而該技術(shù)也存在一些局限性。第一，成像需借助于X線技術(shù)，對(duì)受試者有一定劑量的電離輻射，文獻(xiàn)報(bào)道輻射量為0.24 mSV[32]～4 mSV[2]，因此對(duì)試驗(yàn)中的樣本數(shù)量[33]、采集次數(shù)與總時(shí)間、試驗(yàn)設(shè)計(jì)等都提出了更高要求。第二，受其拍攝范圍的限制[10,17,34]，在某些姿勢(shì)的頸椎運(yùn)動(dòng)中，下頜骨和枕骨阻擋了C1、C2椎體圖像獲取，導(dǎo)致目標(biāo)信息部分缺失。第三，受現(xiàn)有技術(shù)的限制，其所成圖像的分辨率較體外測(cè)量低[2]，使得在配準(zhǔn)過程中精度下降。此外，由于存在設(shè)備較少、學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)、頸椎運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理耗時(shí)等問題，DFIS的普及應(yīng)用仍存在挑戰(zhàn)。

5 展望

DFIS采用動(dòng)態(tài)正交透視技術(shù)與MRI或CT檢查相結(jié)合的方法，其測(cè)量精確度為亞毫米級(jí)。DFIS的優(yōu)點(diǎn)在于可直接精準(zhǔn)測(cè)量人體各關(guān)節(jié)，特別是對(duì)包裹在眾多皮膚、肌肉組織下的椎間盤、橫突、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)等頸椎結(jié)構(gòu)的在體位置及運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。該技術(shù)為臨床醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了動(dòng)、靜態(tài)條件下捕捉頸椎真實(shí)運(yùn)動(dòng)的新方案?；贒FIS技術(shù)，學(xué)者們?cè)诮】嫡?、ACDF和ACDR患者頸椎各節(jié)段及其附屬結(jié)構(gòu)的在體生物力學(xué)研究中有眾多新發(fā)現(xiàn)。但是，尚無對(duì)頸椎病術(shù)前運(yùn)動(dòng)學(xué)表現(xiàn)的文獻(xiàn)報(bào)道，也缺乏對(duì)不同人工椎間盤植入物或不同手術(shù)入路方式治療效果的研究報(bào)道。

未來研究方向可能包括以下方面。①為頸椎開發(fā)精準(zhǔn)度較高的自動(dòng)化2D-3D配準(zhǔn)程序，或?qū)⑾リP(guān)節(jié)中已使用的自動(dòng)化2D-3D配準(zhǔn)程序[35]適配到頸椎研究中，縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間。②提高DFIS普及率，以便更多學(xué)者深入探究頸椎在體運(yùn)動(dòng)學(xué)變化。③設(shè)計(jì)一些生活中常用的組合動(dòng)作[6]，并將其應(yīng)用于研究中。④招募不同性別、年齡和癥狀的受試者，收集其頸椎不同結(jié)構(gòu)在不同實(shí)驗(yàn)條件如不同體位(仰臥與坐姿)[16,36]、頸椎曲度[37]、運(yùn)動(dòng)速度[6]、運(yùn)動(dòng)方向[32,38]、手術(shù)方式[33]下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定這些變量所帶來的影響。將數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)臨床實(shí)踐，改進(jìn)人工椎間盤設(shè)計(jì)，提高假體匹配性，減少手術(shù)與植入物對(duì)術(shù)后鄰近椎體節(jié)段運(yùn)動(dòng)的 影響。