Ⅱa型腰骶部移行椎易發相鄰節段椎間盤突出癥的機制

喻 華，夏 群

1.洛陽市第三人民醫院骨科，洛陽 471000

2.天津市第一中心醫院骨科，天津 300000

腰骶部移行椎（LSTV）是一種臨床上常見的脊柱發育畸形，表現為末節腰椎的一側或兩側橫突增大、與骶骨或髂骨形成完全或不完全骨性融合［1］。有研究［2-4］報道，LSTV患者腰椎椎間盤突出癥（LDH）的發生率明顯高于正常人群。一些研究發現，LSTV引起的LDH主要發生在LSTV的相鄰節段，國外文獻［5-7］報道的LSTV上位節段（L4/L5）LDH發生率為41.4% ~ 81.3% ；國內相關文獻［2，8］報道的LSTV上位鄰近節段LDH發生率為58.3% ~ 70.0%。Castellvi等［9］依據腰椎X線片將LSTV分為4型。Ⅰ型：橫突肥大呈三角形，寬度>19 mm，單側為Ⅰa型，雙側為Ⅰb型；Ⅱ型：橫突與骶骨或髂骨形成假關節，單側為Ⅱa型，雙側為Ⅱb型；Ⅲ型：橫突與骶骨或髂骨骨性融合，單側為Ⅲa型，雙側為Ⅲb型；Ⅳ型：一側為橫突與骶骨或髂骨形成假關節，另一側骨性融合。杜心如等［10］的研究發現，Ⅰ型LSTV除L5橫突明顯大于正常橫突外，其他結構與其他類型LSTV無顯著差異，較難界定，所以單獨分出Ⅰ型無特殊臨床意義。相對于其他類型LSTV，Ⅱa型的發生率相對較高，故本研究選取Ⅱa型LSTV作為研究對象，試圖闡述LSTV鄰近節段易發生LDH的生物力學機制。

本研究采用雙X線透視影像系統（DFIS）與CT技術相結合［11］，在計算機軟件輔助下，經過二維-三維圖像匹配，真實再現生理載荷下腰椎三維運動狀態，通過測定椎體上三維坐標系的變化，獲得生理載荷下腰椎三維運動學數據，分析Ⅱa型LSTV患者腰椎在體三維運動學特性，探討其容易導致相鄰節段發生LDH的機制。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選擇在天津市第一中心醫院就診的L4/L5節段LDH伴Ⅱa型LSTV患者9例（移行椎組）作為研究對象。納入標準：符合LDH臨床表現，無腰部外傷史，通過影像學檢查明確診斷為Ⅱa型LSTV，LDH發生節段為LSTV相鄰節段（L4/L5）。排除標準：既往脊柱手術史，伴有脊柱側凸、腫瘤、脊髓疾病、精神病史等。同時招募9名健康成年志愿者（無脊柱側凸等畸形，無腰椎椎間盤退行性疾病如椎管狹窄、椎間失穩、腰椎滑脫等或其他脊柱疾病）為對照組。所有受試者均簽署知情同意書，本研究符合醫學倫理要求。移行椎組男4例、女5例，年齡為（38.0±8.9）歲，體質量指數為（23.5±5.8）kg/m2；假關節形成左側5例、右側4例，椎間盤向左突出6例、向右突出3例；對照組男6名、女3名，年齡為（35.2±8.8）歲，體質量指數為（22.7±6.4）kg/m2。2組受試者性別、年齡、體質量指數差異均無統計學意義（P> 0.05），具有可比性。

1.2 腰椎三維模型建立

受試者取仰臥位，采用Sensation 16 CT機（Siemens公司，德國）對L3~ S1節段進行CT薄層掃描（層厚為0.625 mm，分辨率為512×512）。把所得CT圖像導入Rhinoceros 4.0軟件（Robert MeNeel&Associ.ates，Seattle公司，美國），建立L3~ S1三維模型（圖1）。

圖1 三維模型創建Fig. 1 3D model creation

1.3 腰椎 DFIS透視

將2臺相同型號的C形臂X線機（BV Pulsera，Philips公司，荷蘭）組成正交X線透視系統，球管方向相互垂直。受試者雙髖固定，穿戴鉛頸圍和鉛圍裙，保護甲狀腺和生殖腺體不受放射線照射，腰椎活動時處于2臺C形臂X線機交叉投射范圍之內。首先采集X線校準設備圖像，用以校正2臺C形臂X線機的相對位置、角度及系統誤差，保證系統精確性。然后分別采集受試者腰椎前屈-后伸、左右旋轉位、左右側曲時雙側腰椎斜位X線片（圖2）。

圖2 圖像采集Fig. 2 Image acquisition

1.4 三維運動狀態的重現

在Rhinoceros 4.0軟件輔助下，用計算機模擬DFIS透視環境，將受試者每一節段腰椎三維CT重建模型按照腰椎解剖結構特點使其投射影像分別與2個平面腰椎X線透視影像完全匹配，實現二維-三維圖像轉換（圖3），再現生理載荷條件下人體各種運動體位時腰椎在體的真實運動狀態［12-13］。

圖3 二維-三維圖像轉換Fig. 3 2D-3D image conversion

1.5 椎體間相對運動的測量

在MATLAB 7.01 軟件（Math.Work 8，Natick公司，美國）輔助下，在L3~ S1椎體中心分別建立三維坐標系，定義x軸位于冠狀面指向左側，y軸位于矢狀面指向后側，z軸垂直于x-y所處平面指向頭側，沿x、y和z軸的旋轉角度分別為α、β和γ角（圖4）。通過測量椎體在三維坐標上的變化，即可獲得生理載荷下L3/L4、L4/L5和L5/S1的相對位移和相對旋轉角度。

圖4 在椎體中心建立三維坐標系Fig. 4 A three-dimensional coordinate system established in center of vertebral body

1.6 統計學處理

采用SPSS 18.0軟件對數據進行統計分析。符合正態分布的計量資料以表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗；以P< 0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

在L5/S1節段，移行椎組左右側曲時沿冠狀軸的位移、沿矢狀軸和垂直軸的旋轉角度均明顯小于對照組，差異有統計學意義（P< 0.05，表1）。在相鄰節段（L4/L5），移行椎組前屈-后伸時沿冠狀軸的旋轉角度大于對照組，左右旋轉和左右側曲時沿冠狀軸的位移小于對照組，差異均有統計學意義（P< 0.05，表2）。在非鄰近節段（L3/L4），2組三維運動數據差異無統計學意義（P> 0.05，表3）。

表1 移行椎組與對照組L5/S1節段三維運動真實距離范圍Tab. 1 True range of 3D movement of L5/S1 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表1 移行椎組與對照組L5/S1節段三維運動真實距離范圍Tab. 1 True range of 3D movement of L5/S1 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

注 ：*與對照組比較，P < 0.05。Note ：* P < 0.05，compared with control group.

旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.77±1.40 1.71±1.14 1.26±1.26 3.72±2.27 4.70±3.52 2.78±1.66對照Control 2.59±1.91 2.35±1.65 2.96±4.61 3.53±3.13 3.53±3.13 5.02±4.78組別Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.99±1.44 1.15±0.77 1.15±0.77 3.82±3.16 2.76±0.98 4.26±2.39對照Control 2.93±1.90 2.28±2.04 1.22±0.96 3.71±4.36 3.88±2.00 3.69±2.76組別Group左右旋轉Left-right rotation位移/mm Displacement/mm旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 0.90±1.32* 1.57±1.72 1.17±0.72 2.06±1.84 1.77±1.19* 1.42±1.23*對照Control 2.99±2.46 2.85±3.01 2.85±3.01 3.52±3.60 3.90±2.59 5.08±4.16組別Group左右側曲Left-right bending位移/mm Displacement/mm

表2 移行椎組與對照組L4/L5節段三維運動真實距離范圍Tab. 2 True range of 3D movement of L4/L5 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表2 移行椎組與對照組L4/L5節段三維運動真實距離范圍Tab. 2 True range of 3D movement of L4/L5 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 2.61±2.09 1.84±1.26 1.27±0.78 5.22±2.45* 3.05±3.26 2.93±2.33對照Control 1.26±1.26 1.19±1.05 1.87±1.30 2.22±3.05 1.82±1.00 3.39±2.00組別Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.19±1.45* 1.72±1.32 0.68±0.53 2.86±2.41 2.79±1.79 2.81±2.51對照Control 3.00±1.50 1.49±1.32 1.04±0.97 2.82±2.95 1.80±1.79 5.51±3.80組別Group左右旋轉Left-right rotation位移/mm Displacement/mm

表2（續）

表3 移行椎組與對照組L3/L4節段三維運動真實距離范圍Tab. 3 True range of 3D movement of L3/L4 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表3 移行椎組與對照組L3/L4節段三維運動真實距離范圍Tab. 3 True range of 3D movement of L3/L4 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 2.22±1.23 1.49±1.10 0.52±0.44 2.31±2.48 4.52±2.24 2.36±2.10對照Control 2.97±1.35 1.77±1.31 0.68±0.73 3.36±2.24 4.37±3.24 5.83±5.99組別Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.85±1.27 2.29±0.85 0.62±0.59 3.51±2.50 4.28±1.63 2.53±1.51對照Control 1.76±0.91 2.30±1.81 1.09±0.90 4.06±3.48 2.63±2.68 1.28±1.16組別Group左右旋轉Left-right rotation位移/mm Displacement/mm旋轉角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.46±1.18 1.37±0.94 0.80±0.50 2.77±1.46 2.52±2.22 2.16±2.34對照Control 2.15±1.39 1.83±1.05 0.79±0.55 3.02±1.59 3.99±3.06 4.77±3.63組別Group左右側曲Left-right bending位移/mm Displacement/mm

3 討 論

近年來，腰椎在體運動學研究［14-20］已有相關報道，這種研究方法不僅能揭示腰椎三維運動的特點，而且能獲得生理載荷下腰椎在體六自由度運動數據，為揭示腰椎退行性疾病的發生、發展變化和機制，并為指導治療和康復提供一定的理論依據，本研究利用人體腰椎在體位變化時椎體幾乎沒有形變而形變集中發生在椎間盤、關節突關節及韌帶的特點，采用DFIS與CT技術相結合，最終獲得Ⅱa型LSTV患者LSTV節段（L5/S1）、鄰近節段（L4/L5）及非鄰近節段（L3/L4）的在體運動學數據。

本研究發現，在L5/S1節段，移行椎組左右側曲時沿冠狀軸的位移、沿矢狀軸和垂直軸的旋轉角度均明顯小于對照組，表明由于移行椎一側存在假關節限制了L5/S1節段的正常活動。究其原因可能是移行椎橫突與骶骨/髂骨形成的假關節及移行椎與髂骨間的致密纖維組織或堅厚韌帶使移行椎相對于S1較為固定，降低了該節段的活動度。這可能有助于降低該節段椎間盤所受壓力，從而減輕該節段椎間盤退行性變［21］，與文獻［2-8］報道移行節段LDH發生率較低相符合。

L5/S1節段運動模式的改變也可能會影響到L4/L5節段。本研究結果顯示，在L4/L5節段，移行椎組前屈-后伸時沿冠狀軸的旋轉角度大于對照組，該結果提示LSTV的橫突與骶骨/髂骨之間形成的假關節限制了L5/S1節段的活動，使應力發生轉移，導致L4/L5節段活動相對增多，與寧尚龍等［17］的LDH患者腰椎在體運動特性研究結果一致。L4/L5節段所受應力和剪切力的增大可導致椎間盤負荷過多，進而加速椎間盤退行性變［7］。有研究［2］顯示，在健康人群中髂嵴連線主要通過L4/L5椎間隙，通過L5上1/3者只占7.4% ~ 19.6%，而在Ⅱ型LSTV患者中髂嵴連線通過L5上1/3者占46.4%；也有研究［22］認為，LSTV上方的髂腰韌帶明顯較正常人體薄弱，可見Ⅱ型LSTV的上位椎體相對于骨盆位置較高，受到來自骨盆及韌帶的支持較弱，因此，所受到的應力和剪切力較大，產生的不穩或長時間過度運動可能導致椎間盤早期發生退行性變。

本研究結果顯示，非鄰近節段（L3/L4）雖然在沿各軸的位移和旋轉角度與對照組相比，有增大或減小的趨勢，但差異并無統計學意義。該結果與Elster等［6］的研究結果一致，其報道在2 000例腰腿痛患者中，LSTV上位節段（L3/L4）發生膨出或突出的概率分別為41.4%和4.3%，說明LSTV非鄰近節段（L3/L4）在生物力學上接近健康人群，較LSTV相鄰節段（L4/L5）不易發生LDH。

綜上所述，本研究獲得LDH伴Ⅱa型LSTV患者生理載荷下椎體運動數據，嘗試闡述Ⅱa型LSTV易導致相鄰節段發生LDH的生物力學機制，并在一定程度上為臨床治療LSTV合并LDH的術式選擇提供參考。本研究存在以下不足。①實驗較為復雜，受試者的篩選，數據的采集、計算、匹配等花費時間較長，導致研究例數偏少，今后還須擴大樣本量以深入研究。②本研究只納入了Ⅱa型LSTV患者，對其他類型LSTV生理載荷下椎體間的三維運動特點還須繼續研究。