腰椎峡部裂滑脱相邻节段三维瞬时运动特征的在体研究

Abstract

Objective

To observe vertebral three-dimensional motion characteristics of adjacent segments in patients with symptomatic L₄ isthmic spondylolisthesis (IS).

Methods

Fourteen symptomatic L₄ IS patients who underwent surgery treatment (trial group) and 15 asymptomatic volunteers without back pain and other lesions of spine (control group) were recruited. There was no significant difference in gender, age, body mass index, and bone mineral density between the two groups (P>0.05). The three-dimensional reconstruction model of lumbar spine was acquired from the thin slice CT of the lumbar spine of the subjects by combining dual-X-ray fluoroscopy imaging system with spiral CT examination. The model was matched to the double oblique X-ray fluoroscopy images captured by dual-X-ray fluoroscopy imaging system at different active positions of the lumbar spine to reproduce the three-dimensional instantaneous of lumbar spondylolisthesis at different state of motion. The motion and relative displacement of adjacent segments (L_{3, 4} and L₅, S₁) of spondylolisthesis were measured quantitatively by establishing a three-dimensional coordinate system at the geometric center of the vertebral body. The results were compared with those of the control group.

Results

When L_{3, 4} in the control group were flexed flexion-extension, left-right twisting, and left-right bending, and when L₅, S₁ in the control group were flexed left-right twisting and left-right bending, the activity along the main axis of motion (main axis of motion) tended to increase compared with that along the corresponding coupled axis of motion (secondary axis of motion); however, this trend disappeared in the trial group, and the main and secondary movements were disordered. Because of the coronal orientation of the facet joints of L₅, S₁, the degree of motion along the main axis of motion decreased during flexion and extension, but this trend disappeared in the trial group. Compared with the control group, L_{3, 4} in the trial group exhibited displacement instability in flexion-extension, left-right twisting, and left-right bending (P<0.05); there was no significant difference in the relative displacement of L₅, S₁ intervertebral bodies along x, y, and z axes between the trial group and the control group in flexion-extension, left-right twisting, and left-right bending curvature (P>0.05).

Conclusion

Patients with symptomatic L₄ IS have disorders of primary and secondary movement patterns in adjacent segments, while IS showed significantly displacement instability in L_{3, 4} and significantly decreased motion in L₅, S₁.

峡部裂滑脱（isthmic spondylolisthesis，IS）是因腰椎峡部裂缺陷而致椎体相邻节段产生滑移，成人发病率约为 6%^[1]。峡部是连接脊柱上下关节突的枢纽，当其缺损或是破坏时，脊柱后柱稳定性将受到影响^[2]。许多学者通过离体或在体研究证实 IS 节段存在过度活动或失稳^[3-6]。这种过度活动可能会改变脊柱正常力学传导，影响相邻节段椎间运动特征^[7]。一些学者对此进行探索^[8-12]，但研究结果并不一致或矛盾，峡部裂缺陷对相邻节段椎间运动影响仍然存在争议。大多数研究方法仅局限于腰椎矢状面上屈伸活动的观测，或采用离体实验缺乏非生理载荷下的观测，或非瞬时运动状态下的观测，尚无生理载荷下 IS 相邻节段间三维瞬时运动的研究，即三维空间 6 个自由度运动（6 degree-of-freedom，6DOF）数据。

本课题组采用双 X 线透视影像系统结合 MRI 或 CT 三维重建技术，对腰椎三维瞬时运动进行了一系列研究^[13-16]。本研究测量 L₄ IS 患者在前屈后伸、左右旋转及左右侧弯体位转换过程中，相邻节段间的三维位移和旋转角度变化，并与健康志愿者进行比较，以获取 IS 相邻节段椎体三维运动特点。

1. 资料与方法

1.1. 研究对象

1.1.1. 患者选择标准

纳入标准：① L₄ IS 患者，以不同程度机械性腰痛为主，伴或不伴神经源性间歇性跛行，保守治疗 6 个月无效；② 体质量指数 18.5～23.9；③ 骨密度正常（–1<T 值<1）。排除标准：① 既往有脊柱手术病史；② 有 L₄ 节段以外的滑脱、外伤、脊柱侧凸及肿瘤；③ 年龄超过 75 岁；④ 有脊髓疾病、瘫痪、精神病史、肥胖及骨质疏松。2013 年 3 月— 10 月天津医院脊柱外科收治患者中有 14 例符合选择标准纳入研究，作为研究组。另外招募既往无腰痛症状和脊柱疾病史的健康志愿者 15 名，作为对照组。本研究经过天津医院医学伦理委员会批准，受试者均签署知情同意书。

1.1.2. 一般资料

研究组：男 7 例，女 7 例；年龄 37～65 岁，平均 53 岁。体质量指数 23±2。骨密度 T 值为 0.7±0.1。滑脱程度按 Meyerding 分度^[17]：Ⅰ度 6 例、Ⅱ度 8 例。对照组：男 9 例，女 6 例；年龄 45～60 岁，平均 54 岁。体质量指数 23±3。骨密度 T 值为 0.8±0.2。两组受试者性别、年龄、体质量指数、骨密度比较差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

1.2. 腰椎三维模型建立

受试者取平卧位，行 CT 薄层扫描（Siemens 公司，德国）获取 L₃～S₁ 椎体横断面图像（层厚 0.75 mm，分辨率 512×512 像素）。将所得横断面 CT 图像导入 Efilm 2.1 软件（Merge Healthcare 公司，美国），转化为 120 层矢状面骨性轮廓图像。再通过 Rhinoceros 4.0 造模软件（Robert McNeel&Associates 公司，美国）描记每一层矢状面骨性轮廓图像，将椎体轮廓数字化；并将各层面矢状位轮廓线输入 Rhinoceros 4.0 造模软件创建 L₃～S₁ 的三维网状模型，通过对网状模型表面数字化处理建立 L₃～S₁ 的三维模型^[12-16]。

1.3. 双平面 X 线透视

采用 2 台同型号管球相互垂直放置的 ARCADIS Orbic C 臂 X 线机（Siemens 公司，德国）组成双荧光透视系统。采集受试者 45° 前屈、最大程度后伸、最大程度左旋-右旋和最大程度左侧弯-右侧弯时的腰椎图像。每个采集图像位置停留约 1 s，以获得瞬时 X 线双斜位透视图像。见图 1a。

图 1.

Dual-X-ray fluoroscopy imaging system

双 X 线影像透视系统

a. 相互垂直放置的 C 臂 X 线机; b. 通过 Rhinoceros 造模软件重现腰椎在体活动

a. C-arm X-ray machine perpendicular to each other; b. The virtual reproduction of the in vivo position of the lumbar vertebrae was made in Rhinoceros modeling software

模拟生理载荷下腰椎三维瞬时运动状态：将透视图像矫正后导入 Rhinoceros 4.0 造模软件，模拟透视场景。将每一节段腰椎三维重建模型导入模拟场景，调整每一节段模型的空间位置。按照腰椎解剖结构特点使其投射影像同时与两个平面腰椎 X 线透视影像完全匹配，实现 L₃～S₁ 椎体二维-三维图像的转换。见图 1b。

1.4. 建立腰椎三维坐标系

在 L₃～S₁ 椎体三维模型几何中心建立三维坐标系，定义为 x 轴、y 轴、z 轴。x 轴位于冠状面并指向左侧，y 轴位于矢状面并指向后侧，z 轴垂直于 x-y 轴形成的平面并指向头侧。前屈-后伸时沿 x 轴的运动度 α 为主要运动轴（主运动轴），沿 y 轴、z 轴的运动度 β、γ 为耦合运动轴（次运动轴）；左旋-右旋时运动度 γ 为主要运动轴（主运动轴），运动度 α、β 为耦合运动轴（次运动轴）；左侧弯-右侧弯时运动度 β 为主要运动轴（主运动轴），运动度 α、γ 为耦合运动轴（次运动轴）。见图 2。

图 2.

Establishment of three-dimensional coordinate system in vertebral body geometry center

在椎体几何中心建立三维坐标系

1.5. 腰椎活动体位下三维数据的测量

参照文献[12-16]方法，通过近侧坐标相对于远侧坐标的位置，计算前屈-后伸位、左旋-右旋位、左侧弯-右侧弯 6 个腰椎活动体位下 L_{3、 4} 和 L₅、S₁ 椎体间的相对位移和旋转角度（运动度）。

1.6. 统计学方法

采用 SPSS19.0 统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本 t 检验；检验水准 α=0.05。

2. 结果

2.1. L₄ IS 相邻节段椎体间活动度

2.1.1. L_{3、 4}

对照组 L_{3、 4} 椎体间在前屈-后伸、左旋-右旋和左侧弯-右侧弯时，沿主要运动轴的活动度均较相应耦合运动轴活动度有增大趋势；而研究组 L_{3、 4} 椎体间这种趋势消失，主次运动紊乱。两组前屈-后伸、左旋-右旋和左侧弯-右侧弯姿势下，沿 y 轴的活动度 β 比较差异无统计学意义（P>0.05）；但沿 x 轴和 z 轴的活动度 α 及 γ 差异均有统计学意义（P<0.05）。见图 3a。

图 3.

Adjacent segment mobility of L₄ IS

L₄ IS 相邻节段活动度

从左至右分别为前屈-后伸、左旋-右旋和左侧弯-右侧弯　a. L_{3、 4}; b. L₅、S₁

From left to right for flexion-extension, left-right twisting, and left-right bending, respectively　a. L_{3, 4}; b. L₅, S₁

2.1.2. L₅、S₁

对照组 L₅、S₁ 椎体间在左旋-右旋和左侧弯-右侧弯时沿主要运动轴的活动度均较相应耦合运动轴活动度有增大趋势；而研究组 L₅、S₁ 椎体间这种趋势消失，其在左旋-右旋和左侧弯-右侧弯时沿主要运动轴的活动度明显小于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。对照组 L₅、S₁ 由于椎间小关节方向偏冠状位，前屈-后伸时沿主要运动轴活动度较相应耦合运动轴活动度变小，但研究组这种趋势消失，主次运动紊乱；两组沿主要运动轴的活动度比较差异有统计学意义（P<0.05）。见图 3b。

2.2. L₄ IS 相邻节段相对位移

2.2.1. L_{3、 4}

研究组 L_{3、 4} 椎体间在前屈-后伸位时沿 y 轴、左旋-右旋时沿 z 轴、左侧弯-右侧弯时沿 z 轴的相对位移均显著大于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）；其余各体位下沿其余各轴的相对位移两组间比较差异无统计学意义（P>0.05）。见图 4a。

图 4.

Relative displacement of adjacent segments of L₄ IS

L₄ IS 相邻节段相对位移

从左至右分别为前屈-后伸、左旋-右旋和左侧弯-右侧弯　a. L_{3、 4};　b. L₅、S₁

From left to right for flexion-extension, left-right twisting, and left-right bending, respectively　a. L_{3, 4}; b. L₅, S₁

2.2.2. L₅、S₁

研究组 L₅、S₁ 椎体间在前屈-后伸、左旋-右旋和左侧弯-右侧弯时沿 x、y、z 轴的相对位移与对照组比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。见图 4b。

3. 讨论

探讨腰椎发生 IS 后其相邻节段在体三维瞬时运动特征，对于 IS 手术方式的选择或融合术后相邻节段退变的预防有积极意义。但由于技术原因和腰椎解剖结构的复杂性，生理载荷下 IS 相邻节段 6DOF 数据尚未见报道。本研究采用双 X 线透视影像系统结合 CT 扫描技术，探索不同体位下（前屈-后伸、左旋-右旋和左侧弯-右侧弯）L₄ IS 对相邻节段在体运动的影响，并与对照组比较。结果发现 L₄ IS 导致相邻节段（L_{3、 4} 和 L₅、S₁）运动模式异于对照组；滑脱相邻头侧节段（L_{3、 4}）存在位移失稳，相邻尾侧节段（L₅、S₁）旋转角度明显减小。

3.1. L₄ IS 相邻节段运动模式

腰椎三维运动存在共轭（耦合）特征，即同时发生在同一轴上的平移和旋转活动，或指在一个轴上的旋转或平移活动必然伴有另一个轴上的旋转或平移活动的现象^[18]。通常将与外载荷方向相同的脊柱运动称为主运动，把其他方向的运动称为耦合运动^[19]。主运动伴随耦合运动极少被深入研究。利用双平面 X 线透视，Pearcy^[20]发现正常人腰椎屈伸和左右侧弯运动时，主运动轴活动度均较耦合运动轴大；Shin 等^[21]证实左右旋转时也存在同样的运动趋势。本研究结论与其一致，即正常人腰椎（L_{3、 4} 和 L₅、S₁）各活动姿势下主要运动轴活动度均大于耦合运动轴，但 L₅、S₁ 屈伸活动时沿冠状轴（主运动轴）活动度小于矢状轴和垂直轴（耦合运动轴），这可能与 L₅、S₁ 关节突方向偏冠状位有关^[22]。但本组 L₄ IS 患者相邻节段（L_{3、 4} 和 L₅、S₁）这种主次运动模式消失，各活动姿势下其耦合运动呈现一种增大的趋势，可能与滑脱导致相邻节段肌肉韧带等“非对称性”加强相关^[10]。从生物力学观点来看，增大的耦合运动将改变峡部裂相邻椎间盘剪切力和张应力，加速退变。许多学者证实 IS 患者相邻椎间盘退变会导致相应的临床症状^{[10, 23-24]}。这有助于解释一些峡部裂患者临床症状定位与峡部裂节段不一致的临床现象^[24]。

一些离体实验证实脊柱后柱损伤不影响侧屈活动^{[8, 25-26]}。Goel 等^[26]通过尸体研究发现切断上下关节之间的峡部后，相应节段屈伸和左右旋转活动度分别增加 33% 和 113%，侧屈活动无明显改变。Mihara 等^[8]证实峡部裂相邻上位椎体也存在相似的运动趋势。本研究结论与其一致，即峡部裂上位椎体（L_{3、 4}）侧屈活动度与对照组相似，同时还发现屈伸和左右旋转运动时伴随的侧弯活动度也与对照组相似。

3.2. L₄ IS 相邻节段运动范围

IS 节段位置和形态已经改变，Vialle 等^[27]发现与正常人相比，IS 患者拥有更大的腰椎前凸角和骶骨入射角。Lamartina 等^[28]发现滑脱患者通过加强肌肉力量维持直立姿势下重力线位置和水平凝视。这些都可能影响 IS 相邻节段的运动范围。

一些研究发现 L₅、S₁ IS 相邻上位节段常发生 L₄ 后滑脱^{[23-24, 29]}，分析可能是 L₅ 向前滑脱后，L_{4、 5} 节段黄韧带张应力增加，导致 L₄ 发生后滑脱^[29]。Mihara 等^[8]却认为 L₅ 前滑脱时峡部裂缺损改变 L_{4、 5} 椎间稳定性，棘突和棘突间韧带并不能有效地限制 L_{4、 5} 椎间运动，导致过度活动产生后滑脱；并通过小牛脊柱模型证实 L₄ IS 相邻上位节段（L_{3、 4}）在屈伸和旋转时活动度分别较正常对照组增加 106% 和 120%。利用 CT 重建，Been 等^[30]发现与退变滑脱相比，IS 腰椎前凸角更大，机体为维持直立姿势下的平衡，代偿性增加相邻上位节段椎间盘楔形变角度。本研究结果表明滑脱相邻头侧节段（L_{3、 4}）存在位移失稳；同时还发现左右侧弯时研究组 L_{3、 4} 沿垂直方向的相对位移明显大于对照组，两组间沿冠状轴左右位移无差异，可能与上腰椎关节突方向偏矢状位，限制其左右活动相关^[22]。

L₄ IS 对相邻下位节段的影响鲜有报道，且存在争议。一些学者认为滑脱将增加尾侧节段的活动度^[31-32]。Morishita 等^[31]采用过伸过屈 X 线片研究 L_{4、 5} 滑脱融合术前后各节段间运动变化，发现术前屈伸活动时尾侧节段活动度明显高于滑脱节段（占整个腰椎活动 29%及 25%）。随着现代影像技术的不断进步，另一些学者发现滑脱不会增加尾侧节段的活动度，甚至可能限制其正常活动^{[11, 33-34]}。McGregor 等^[11]运用动态 MRI 技术、Takayanagi 等^[34]运用动态摄影术研究发现，L_{4、 5} 滑脱尾侧节段在屈伸运动时角度运动较正常人有减小趋势。本研究结果也表明了这点，同时发现不同活动姿势下，滑脱尾侧节段活动度存在差异，即屈伸运动时活动度接近对照组，左右旋转、左右侧弯运动时却小于对照组。

L₅、S₁ 角度运动减小的原因可能为：站立时峡部裂其前后两部分在重力作用下有向两侧分离的趋势，必然增加滑脱周围肌肉韧带的张力，特别是髂腰韧带；与退变滑脱相比，IS 关节突方向更趋冠状位，这些都可能限制 L₅、S₁ 的正常活动^[35-36]。另外，本课题组前期发现 L₄ IS 节段存在失稳^[6]；本次研究发现滑脱头侧节段 L_{3、 4} 也存在位移失稳，L₅、S₁ 活动减少也可能是上位椎体过度活动的机械性补偿^{[6, 37-38]}。

3.3. 临床意义

本研究从运动力学的角度发现，不稳定的 IS 缺损不仅改变滑脱节段的稳定性，同时还影响相邻头侧节段的稳定，但相邻尾侧节段趋于稳定。故对这类患者保守治疗无效选择手术治疗时，应根据术中及术前影像检查判断峡部裂上位脊柱椎间盘退变程度或椎间稳定性，选择合适的术式，巩固腰椎稳定性，减少术后相邻节段退变的发生，提高手术疗效。

综上述，本研究从腰椎在体学动学角度观察了 L₄ IS 患者相邻节段间三维运动规律，发现有症状 IS 患者滑脱相邻节段椎体三维运动特点与正常人明显不同，相邻头侧椎间运动存在位移失稳，而尾侧椎间运动趋于稳定。但本研究也存在如下不足：首先，只研究了术前 IS 患者相邻节段运动特征，需要进一步对比研究融合术后是否存在运动学差异；其次，只研究了 L_{4、 5} 节段，且本实验病例采集匹配过程相对复杂耗时，今后将改进实验设备与技术，扩大样本量，以期获得更全面的不同节段 IS 相邻节段在体运动特性的数据，为临床 IS 治疗方式的选择和术后相邻节段退变的预防提供一定理论依据。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（81472140、81572199）

National Natural Science Foundation of China (81472140, 81572199)