新型腰椎軸向負(fù)荷MRI裝置的研制及初步應(yīng)用

房星宇，李佳林，姬軍，劉明霞，唐志全

中國(guó)人民解放軍第三○五醫(yī)院 a. 放射科；b. 檢驗(yàn)科；c. 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100017

引言

腰椎間盤(pán)突出癥（Lumbosacral Disc Herniation，LDH）是人體脊椎在老化、退化的病理過(guò)程中最常見(jiàn)的一類(lèi)疾病[1-2]。LDH發(fā)病機(jī)制是因?yàn)檠甸g盤(pán)纖維環(huán)局部破裂，髓核經(jīng)此破出，導(dǎo)致臨近硬膜囊、神經(jīng)根受壓[3-4]，從而出現(xiàn)下腰痛、下肢放散痛甚至神經(jīng)性跛行等臨床表現(xiàn)，使人們?nèi)粘９ぷ髂芰蜕钯|(zhì)量受到嚴(yán)重影響[5-6]。

LDH最重要的檢查方法為腰椎MRI檢查[7]。常規(guī)的腰椎MRI檢查即腰大肌放松仰臥位，患者處于仰臥位，此時(shí)腰椎處于非負(fù)荷狀態(tài), 椎間盤(pán)突出程度可能減輕，不能反映出直立負(fù)荷狀態(tài)下腰椎間盤(pán)的真實(shí)病理變化，從而導(dǎo)致患者M(jìn)RI檢查與臨床癥狀不符，檢查結(jié)果出現(xiàn)假陰性，延誤病情診斷，甚至可能需要脊髓、椎間盤(pán)造影及硬膜外、神經(jīng)根封閉等有創(chuàng)性檢查進(jìn)一步確診[8]。

因此，本研究擬研制一種新型的腰椎軸向負(fù)荷壓MRI裝置，通過(guò)佩戴該裝置，在軸向負(fù)荷體位進(jìn)行腰椎MRI檢查模擬出直立狀態(tài)下腰椎的病理變化，可以提高LDH診斷準(zhǔn)確率，避免一部分患者診斷困難的情況，甚至進(jìn)行不必要的有創(chuàng)檢查，簡(jiǎn)化診斷流程。

1 設(shè)計(jì)與制作

1.1 結(jié)構(gòu)

新型的腰椎軸向負(fù)荷壓MRI裝置包括負(fù)荷穿戴裝置及壓力裝置兩個(gè)部分，見(jiàn)圖1。負(fù)荷穿戴裝置包括肩部支撐帶、肩部調(diào)節(jié)扣、胸部束帶扣、連接帶、髖部支撐帶、髖部調(diào)節(jié)扣及腰部束帶扣，通過(guò)施加壓力于肩部及髖部，達(dá)到腰椎負(fù)荷的目的。壓力裝置包括氣缸、通氣管及氣動(dòng)控制系統(tǒng)，氣動(dòng)控制系統(tǒng)中主要包括氣泵、壓力測(cè)量及顯示裝置。整個(gè)裝置采用氣動(dòng)模式，通過(guò)控制系統(tǒng)充氣，空氣通過(guò)氣管傳導(dǎo)至氣缸，氣缸加壓后收緊連接帶，達(dá)到穩(wěn)定施加壓力并可準(zhǔn)確測(cè)量壓力的目的，實(shí)物如圖2～4所示。

圖1 腰椎軸向負(fù)荷MRI裝置示意圖

圖2 負(fù)荷穿戴裝置實(shí)物穿戴效果圖

圖3 氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2 材料選擇

由于本裝置工作在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，條件較為特殊，同時(shí)為避免對(duì)MRI產(chǎn)生影響，因此裝置進(jìn)入磁場(chǎng)部件均使用無(wú)電磁性材質(zhì)。負(fù)荷穿戴裝置主要采用高強(qiáng)度尼龍（聚酰胺纖維）及工程塑料（聚酰胺）制成；壓力裝置的材料選擇中，氣缸采用碳纖維材料及工程塑料（聚酰胺）制成；連接氣缸及控制系統(tǒng)的通氣管采用塑料（聚乙烯）制成。以上材料均無(wú)電磁性、抗拉及抗壓強(qiáng)度大并方便成型。控制系統(tǒng)中主要為各種金屬及電器元件，在實(shí)際操作過(guò)程中放置于操作間或遠(yuǎn)離磁體位置。

圖4 新型腰椎軸向負(fù)荷MRI整體效果圖

1.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)外使用的腰椎軸向負(fù)荷裝置均采用DynaWell L-Spine裝置或仿制裝置，其原理均為通過(guò)肩部與腳部施加壓力達(dá)到腰椎負(fù)荷的目的[9-11]。該類(lèi)裝置通過(guò)肩部及腳部施加壓力，作用力矩較長(zhǎng)，可能會(huì)因髖部及膝部關(guān)節(jié)的輕微變化引起壓力的變化。本裝置通過(guò)肩部及髖部施加壓力，施加壓力更為穩(wěn)定。

在壓力裝置方面，采用氣動(dòng)加壓方式，這種新式的加壓方式既可以應(yīng)用于磁場(chǎng)中，又可以保證施加壓力的穩(wěn)定及準(zhǔn)確測(cè)量。

2 應(yīng)用及評(píng)價(jià)

2.1 研究對(duì)象

本研究招募了30名無(wú)癥狀志愿者，男女各15名，年齡18～49歲，平均年齡35.3歲。入選標(biāo)準(zhǔn)：臨床無(wú)腰腿痛、下肢放散痛及間歇性跛行等癥狀及體征的患者，并經(jīng)專(zhuān)科醫(yī)生詳細(xì)詢(xún)問(wèn)及查體確認(rèn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：脊柱既往手術(shù)史、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松癥、嚴(yán)重心肺功能障礙、脊柱骨折史、脊柱惡性腫瘤、下肢病變、幽閉恐懼癥的病例。所有志愿者均在檢查前被詳細(xì)告知軸向負(fù)荷裝置的作用及意義，志愿者均同意參與該項(xiàng)研究并簽署知情同意書(shū)。

2.2 使用方法

所有志愿者均進(jìn)行腰大肌放松仰臥位及軸向負(fù)荷體位兩次MRI掃描。志愿者佩戴負(fù)荷穿戴裝置躺于檢查床，連接氣管，另一端連接控制系統(tǒng)，通氣管可通過(guò)地線(xiàn)槽導(dǎo)入操作間，以便于在操作間進(jìn)行加壓操作；如條件不允許，也可將操作系統(tǒng)放置于磁體間內(nèi)遠(yuǎn)離磁體的位置進(jìn)行操作。患者先進(jìn)行常規(guī)仰臥位腰椎MRI掃描；常規(guī)掃描完畢后，對(duì)裝置進(jìn)行加壓操作，通過(guò)調(diào)整壓力調(diào)節(jié)旋鈕，將力量控制在體重的40%～50%，按下加載按鈕，模擬人體直立時(shí)腰椎所承受的負(fù)荷重量，然后進(jìn)行腰椎軸向負(fù)荷MRI掃描。如在加壓以及檢查過(guò)程中志愿者無(wú)法承受施加壓力或感到不適可按壓手中報(bào)警球，檢查技師則馬上按下控制系統(tǒng)臺(tái)上的泄載按鈕釋放壓力。

2.3 MRI掃描參數(shù)

采用美國(guó)GE Signa 1.5 T磁共振，常規(guī)脊柱表面線(xiàn)圈。掃描序列包括矢狀位T1WI（TR 400 ms，TE 12 ms），T2WI（TR 2200 ms，TE 123 ms），橫軸位T2WI（TR 2700 ms，TE 115 ms），掃描層厚3～4 mm。橫軸位包括腰3～4、腰4～5及腰5骶1三個(gè)椎間隙，每個(gè)椎間隙掃描3個(gè)層面。腰椎軸向負(fù)荷前后掃描參數(shù)相同。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）舒適度對(duì)比。30名志愿者隨機(jī)平分為3組，每組10人，分別于檢查中施加相當(dāng)于體重40%、45%及50%的壓力。采用問(wèn)卷調(diào)查的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用5分評(píng)分法，評(píng)分越高表示舒適度越差。1分為無(wú)不適感覺(jué)，5分為不適感明顯，無(wú)法堅(jiān)持完成檢查。

（2） 檢查時(shí)間對(duì)比。分別對(duì)兩種檢查方式檢查進(jìn)行計(jì)時(shí)。負(fù)荷前：擺位時(shí)間+掃描時(shí)間；負(fù)荷后：擺位時(shí)間+掃描時(shí)間+裝置穿脫時(shí)間。

（3）影像學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)。由兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)師使用PACS軟件對(duì)影像圖像進(jìn)行認(rèn)真分析，分別測(cè)量L3～L4、L4～L5及L5～S1三個(gè)椎間隙的椎管矢狀徑及硬膜囊面積。椎管矢狀徑測(cè)量選取橫軸位圖像進(jìn)行測(cè)量，為椎間盤(pán)后緣中點(diǎn)到棘突基底部中點(diǎn)連線(xiàn)的距離。硬膜囊面積測(cè)量選取橫軸位圖像進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量同時(shí)結(jié)合矢狀位圖像，選取兩次掃描變化最明顯的層面進(jìn)行測(cè)量。椎間隙高度取椎間隙前緣、中線(xiàn)及后緣三者高度平均值。

2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。比較兩次掃描患者舒適度評(píng)分、檢查時(shí)間及三個(gè)椎間隙的椎管矢狀徑、硬膜囊面積及椎間隙高度的差異性，采用配對(duì)資料t檢驗(yàn)。P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 結(jié)果

所有志愿者均順利完成了檢查，圖像質(zhì)量滿(mǎn)意。30名志愿者在施加不同負(fù)荷壓力后與常規(guī)檢查的舒適度平均值比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；腰椎軸向負(fù)荷前后兩側(cè)檢查的時(shí)間平均值比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）（表 1）。

表1 軸向負(fù)荷前后檢查舒適度及檢查時(shí)間對(duì)比（±s）

表1 軸向負(fù)荷前后檢查舒適度及檢查時(shí)間對(duì)比（±s）

項(xiàng)目 舒適度 時(shí)間/min 40% 45% 50%負(fù)荷前 1.60±0.52 1.60±0.52 1.40±0.52 21.5±2.2負(fù)荷后 1.70±0.48 1.80±0.79 2.0±0.94 22.7±2.9 t值 0.978 1.443 1.862 1.800 P值 0.343 0.168 0.081 0.077

30名志愿者的圖像中，1人診斷為移行腰椎不適合進(jìn)行分析而排除，其余29人的圖像數(shù)據(jù)如表2所示。其中負(fù)壓前后，L4～5層面的椎管矢狀徑及橫截面面積變化比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）（表2），其中有3名志愿者4個(gè)椎間盤(pán)層面在負(fù)荷后出現(xiàn)影像學(xué)可診斷的椎間盤(pán)膨出或突出，但患者無(wú)臨床癥狀（圖5）。

表2 軸向負(fù)荷前后椎管矢狀徑及硬膜囊面積對(duì)比（±s）

表2 軸向負(fù)荷前后椎管矢狀徑及硬膜囊面積對(duì)比（±s）

項(xiàng)目 椎管矢狀徑/mm 硬膜囊面積/mm2 椎間隙高度/mm L3～4 L4～5 L5～S1 L3～4 L4～5 L5～S1 L3～4 L4～5 L5～S1負(fù)荷前 22.62±1.90 17.50±1.34 16.25±1.17 159.57±9.90 134.78±7.44 131.94±7.29 10.63±0.73 11.49±0.72 11.46±0.71負(fù)荷后 22.48±1.99 17.41±1.34 16.21±1.15 158.90±10.30 133.14±9.06 130.60±7.25 10.56±0.64 11.43±0.78 11.42±0.69 t值 1.558 2.075 1.644 1.240 2.231 1.653 1.784 1.760 1.565 P值 0.125 0.043 0.106 0.220 0.030 0.104 0.085 0.089 0.129

圖5 腰椎軸向負(fù)荷前后變化

4 討論

腰椎MRI是目前用于LDH診斷的最佳影像學(xué)方法，常規(guī)的腰椎MRI患者處于仰臥位，腰椎處于無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，不能反映出患者處于行走及站立等腰椎負(fù)荷體位的腰椎間盤(pán)真實(shí)病變情況，因此檢查存在一定的局限性。

為得到腰椎最準(zhǔn)確的影像學(xué)結(jié)果，國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者主要采取了兩類(lèi)不同的方法。第一類(lèi)是不同體位下的腰椎MRI檢查，常用的體位有腰椎俯臥過(guò)屈位MRI檢查及腰椎站立位MRI檢查。俯臥過(guò)屈位是模擬脊柱外科手術(shù)時(shí)的體位，患者俯臥于放置的弓形架或軟墊上達(dá)到腰椎過(guò)屈。在這種體位下進(jìn)行的腰椎MRI檢查與常規(guī)仰臥位MRI結(jié)果存在一定差異，對(duì)腰椎手術(shù)具有指導(dǎo)意義[12]。站立位腰椎MRI檢查是指患者行MRI檢查時(shí)處于站立位，可以真實(shí)反映出患者腰椎負(fù)荷狀態(tài)下的病變情況，也適合研究復(fù)雜體位下腰椎變化的研究，如過(guò)伸過(guò)屈位、脊柱旋轉(zhuǎn)位，但此類(lèi)檢查需配備專(zhuān)門(mén)的站立位MRI設(shè)備，價(jià)格昂貴，MRI設(shè)備場(chǎng)強(qiáng)較小（0.25～0.6 T），圖像質(zhì)量相對(duì)較差[13-14]。

第二類(lèi)是腰椎軸向負(fù)荷MRI檢查，一般是通過(guò)DynaWell L-Spine腰椎負(fù)荷裝置或與前者原理相似的自制腰椎負(fù)荷裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)MRI檢查。該體位下的 MRI 檢查結(jié)果能模擬站立位時(shí)椎間盤(pán)突出及硬膜囊受壓的檢查方式，能夠提高對(duì)腰椎隱匿性失穩(wěn)及腰椎間盤(pán)病變?cè)缙诘挠行г\斷率。對(duì)于椎間盤(pán)變化的評(píng)價(jià)，通常采用硬膜囊面積，椎管矢狀徑等指標(biāo)，可以最為直接地反映出椎間盤(pán)突出程度的變化及椎管內(nèi)結(jié)構(gòu)的改變[15]，有的研究從腰椎角度的變化評(píng)價(jià)負(fù)荷前后的改變[16-17]。Kinder等[18]針對(duì)腰痛患者分別行常規(guī)及軸向加壓MRI檢查，結(jié)果顯示81（67.5%）例患者中138（38.3%）個(gè)椎間盤(pán)水平在加壓后硬膜囊面積明顯縮小>15 mm2。Ozawa等[19]研究表明，在腰椎椎管狹窄中，軸向加壓 MRI 檢查中硬膜囊面積的大小與患者的行走距離及腰椎功能性評(píng)分有良好的相關(guān)性。因?yàn)槿梭w在直立狀態(tài)下，腰椎承受人體上半身的重量，大約為體重的40%～50%，因此軸向負(fù)荷選擇約為體重的40%～50%的壓力可以最佳地模擬出腰椎直立狀態(tài)下真實(shí)狀態(tài)[20]。根據(jù)研究，大于5 min的加壓時(shí)間足夠反映出真實(shí)椎間盤(pán)變化，實(shí)際的改變可能小于直立狀態(tài)下的真實(shí)情況[16,21]。

本文裝置采用了新的設(shè)計(jì)思路，肩-髖加壓及氣動(dòng)加壓的模式，是既往裝置所未有的。因此在應(yīng)用上，我們循序漸進(jìn)地首先采用無(wú)癥狀志愿者進(jìn)行試驗(yàn)，也是為了逐步的評(píng)價(jià)裝置的適用性、安全性等各項(xiàng)性能。對(duì)比以往肩-腳加壓模式的裝置，肩-髖加壓的模式施加壓力更加穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)橄リP(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)造成壓力改變；對(duì)于壓力的控制，氣動(dòng)裝置有著非常大的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示并調(diào)整壓力至設(shè)定的數(shù)值。該裝置按照MRI檢查的條件要求設(shè)計(jì)，同樣適用于CT及普通X線(xiàn)下對(duì)于腰椎軸向負(fù)荷的研究。

在新型腰椎負(fù)荷MRI裝置的初步應(yīng)用中，本研究發(fā)現(xiàn)該裝置可以滿(mǎn)足MRI檢查中腰椎軸向負(fù)荷的目的。志愿者佩戴裝置進(jìn)行檢查未明顯增加不適感，并且該裝置主要采用卡扣式佩戴，穿脫方便，未明顯增加檢查時(shí)間。雖然研究對(duì)象是無(wú)癥狀志愿者，但椎管矢狀徑及硬膜囊面積在L4～5椎間盤(pán)層面出現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的減小，甚至3名志愿者在腰椎負(fù)荷后出現(xiàn)了影像學(xué)可診斷的椎間盤(pán)膨出或突出，但仍無(wú)臨床癥狀。在Danielson等[22]的研究中也出現(xiàn)過(guò)這種情況，說(shuō)明診斷LDH必須結(jié)合臨床癥狀、體征及影像學(xué)表現(xiàn)。

5 結(jié)論

在LDH的診斷中，常規(guī)腰椎MRI檢查有時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足臨床需要，腰椎軸向負(fù)荷MRI檢查已被證實(shí)是一種有效模擬腰椎間盤(pán)真實(shí)病變情況的檢查方法。本研究研制的新型裝置創(chuàng)新性地采取了肩部-髖部施加壓力達(dá)到腰椎負(fù)荷的目的并采用氣動(dòng)加壓的方式，初步應(yīng)用表明該裝置適用于MRI檢查，可以對(duì)腰椎穩(wěn)定施加負(fù)荷壓力，應(yīng)用簡(jiǎn)單方便。未來(lái)將通過(guò)進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)，觀察臨床懷疑為L(zhǎng)DH的患者在應(yīng)用新型腰椎軸向負(fù)荷MRI裝置前后的影像學(xué)變化，是否可以提高診斷的準(zhǔn)確性，為臨床治療提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。