經椎間孔腰椎椎間融合術術后融合器沉降預測模型的建立與驗證

李 根 李 鑫 楊 碩 經 歷 潘 彬 程 琳 袁 峰

經椎間孔腰椎椎間融合術(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)目前已廣泛應用于臨床各種腰椎退行性疾病的治療中,與傳統的后路腰椎椎間融合術(posteriol lumbar interbody fusion,PLIF)比較,TLIF方法保留了椎體后方韌帶結構,這有助于恢復脊柱的生物力學穩定性[1]。然而,術后椎間融合器沉降可能導致撐開的椎間隙及椎間孔的高度再次降低,使拉伸的韌帶松弛褶皺,進而壓迫神經根導致根性神經癥狀的復發[2]。目前,大部分的研究者采用了量化標準對椎間融合器沉降進行了定義,認為術后椎間隙高度降低超過2mm即可定義為椎間融合器的沉降。流行病學研究顯示,TLIF術后融合器沉降的概率為 15.43%～32.12%, TLIF術后融合器沉降成為骨科醫生亟待解決的重要問題[3]。既往的回顧性研究報道了幾種可能導致椎間融合器沉降的危險因素,包括年齡、體重指數(body mass index,BMI)、椎間隙的形態、骨密度、術中終板處理操作等[4]。列線圖作為一種可視化的預測模型,近年來逐漸成為臨床醫生評估疾病預后、量化風險、指導治療的重要工具[5]。然而,目前尚未有基于眾多危險因素構建的TLIF術后融合器沉降的預測模型。因此,筆者探討TLIF術后融合器沉降的危險因素,建立并驗證了一個預測模型,以期在早期識別融合器沉降的高危人群,為后續的臨床治療提供科學指導。

資料與方法

1.研究對象:選取2017年1月1日～2021年1月1日因腰椎退行性疾病于徐州醫科大學附屬醫院接受TLIF手術治療的389例患者的臨床資料。納入標準:①以腰椎間盤突出癥、腰椎滑脫癥等腰椎退行性病變行單節段TLIF手術的患者;②既往無腰椎手術史;③經保守治療3個月癥狀未見改善;④術后隨訪時間大于1年;⑤有完整的影像學資料,包括術前腰椎X線、CT和MRI,術后1天、3個月、6個月、12個月以及末次的腰椎X線以及CT。排除標準:①責任椎間隙壓縮超過50%或存在嚴重后凸畸形;②多節段病變;③合并脊柱腫瘤、結核;④臨床資料不全或在隨訪期間失聯的患者。本研究獲得筆者醫院醫學倫理學委員會批準(倫理學審批號:XYFY2022-KL470-01)。

2.主要觀察指標:回顧性分析患者術后1天、3個月、6個月、12個月以及末次復查的影像學資料,觀察比較術后椎間隙高度變化情況,將術后手術節段椎間隙高度丟失≥2mm患者歸為沉降組(n=83),其余患者歸為非沉降組(n=306)。徐州醫科大學附屬醫院脊柱外科常規采用聚醚醚酮材質的子彈頭融合器(融合器來自威高醫療器械有限公司、大博醫療器械有限公司,長度為22～32mm,高度為10～14mm),只有極少數患者使用了腎型融合器及Z型融合器,因應用量較小,本研究暫不將融合器形態納入危險因素分析。因此,本研究最終收集了兩組患者的性別、年齡、BMI、Modic改變、椎間隙的形態、椎弓根螺釘的位置、術中終板損傷情況、HU(Hounsfield units)值、高血壓病史、糖尿病病史、吸煙史、手術節段、椎間隙高度矯正值和手術時間等臨床數據。

3.影像學參數的測量方法:在患者術前CT、MRI矢狀面觀察椎間隙的形態。將上下終板后半部分有凸面,而前半部分有凹面的椎間隙定義為梨形椎間隙,如圖1所示。術后1天拍攝腰椎X線檢查術中終板損傷情況,將終板損傷定義為術后X線上的融合器進入終板的皮質(圖2)。將每一個椎體HU值記為該椎體冠狀位、矢狀位、軸位3個切面最佳擬合圓的HU值的平均值,最后將L1～L55個椎體的HU值的平均值定為腰椎HU值(圖3)。術前MRI影像資料觀察融合節段Modic改變,如圖4所示,Ⅰ型T1序列呈低信號,T2序列呈高信號;Ⅱ型T1序列呈高信號,T2序列呈較高信號或等信號;Ⅲ型T1、T2序列均呈低信號。根據術后1天腰椎側位X線確定椎弓根螺釘的位置,筆者在腰椎側位片上將椎體平均分為4個區域,椎弓根螺釘尖端所在區域代表椎弓根螺釘所在的位置(圖5)。

圖1 梨形椎間隙A.梨形椎間隙示意圖;B.CT掃描下的梨形椎間隙;C.MRI掃描下的梨形椎間隙

圖2 術后終板損傷A.側位片;B.正位片。術后腰椎X線可見融合器進入終板

圖3 椎體HU值測量A.軸位;B.矢狀位;C.冠狀位。以L3椎體為例,使用PACS系統分別在L3椎體的軸位(A)、矢狀位(B)、冠狀位(C)劃選3個最佳擬合圓,L3椎體的HU值則為3個擬合圓的HU值的平均值

圖4 融合節段的Modic改變A.Modic Ⅰ型改變;B.Modic Ⅱ型改變;C.Modic Ⅲ型改變

圖5 椎弓根螺釘的位置1～4.椎體平均分為4個區域

結 果

1.患者的臨床基本特征:本研究最終共納入389例因腰椎退行性疾病在徐州醫科大學附屬醫院接受TLIF手術患者。所有患者平均隨訪時間為17個月(14～26個月)。共有83例患者出現融合器的沉降,發生率為21.34%。沉降組與非沉降組的BMI、Modic改變、椎間隙的形態、HU值、手術節段比較,差異有統計學意義(P<0.05),詳見表1。

表1 兩組患者的基本資料與相關風險因素分析

2.數據的降維與數據的篩選:使用LASSO回歸分析,選擇LASSO回歸模型中系數非零的變量作為潛在的預測因子。12個變量最終削減為BMI、Modic改變、椎間隙的形態、HU值、手術節段這5個變量(圖6),即可以通過BMI、Modic改變、椎間隙形態、HU值、手術節段來預測TLIF術后患者發生融合器沉降的概率。

圖6 使用LASSO回歸篩選TLIF術后出現融合器沉降的預測因子

3.個性化預測模型的建立:對LASSO 回歸中篩選的變量進行多因素Logistic回歸分析 (表2)。BMI、Modic改變、椎間隙形態、HU值和手術節段均為TLIF術后患者發生融合器沉降的獨立預測因素。隨后這5個變量作為潛在的預測因子被納入到預測模型中繪制列線圖構建可視化的臨床預測模型,詳見圖7。

表2 多因素Logistic回歸分析

圖7 預測TLIF術后出現融合器沉降的列線圖根據患者資料上信息在得分軸上獲得每個預測因子相對應的數值,并將每一個預測因子的數值相加。在總得分軸上標出總數值,并畫一條垂直于融合器沉降風險軸的垂直線。垂直線對應的數值就是預測的概率

4.融合器沉降預測模型的表觀性能:借助1000次自舉重復抽樣的方法對模型進行了內部驗證并繪制了預測模型的校準曲線,如圖8A所示,該模型的表觀曲線與偏差校正曲線彼此接近,具有高度一致性,表明該預測模型具有較好的預測性能。該模型的C指數為0.82515,AUC為0.8485,95% CI:0.8034～0.8935,表明該預測模型具有較好的鑒別能力,詳見圖8B。

圖8 臨床預測模型的校準圖與臨床預測模型的ROC曲線

5.預測模型的臨床效能評估:如臨床決策曲線分析所示,該模型在閾值0.05～0.79具有最高的臨床獲益率,詳見圖9。

圖9 預測模型的臨床決策分析曲All.假設所有患者術后均出現融合器沉降;None.假設所有患者術后均不出現融合器沉降

討 論

關于融合器沉降的臨床意義現存在兩種主要的觀點,部分研究者認為,融合器沉降是融合器與椎體終板之間生物力學載荷重塑的一個過程,此過程一直延續至骨融合完成,并不會對術后臨床癥狀的改善產生不利的影響[6,7]。然而大部分研究者認為,融合器的過度沉降可能會導致椎間隙與椎間孔高度丟失,前柱支持減弱,使拉伸變薄的韌帶再次褶曲變厚,削弱手術的間接減壓效果,進而影響患者術后臨床癥狀的轉歸[8,9]。因此筆者通過LASSO回歸篩選出BMI、Modic改變、椎間隙的形態、HU值以及手術節段作為預測因子,建立風險預警模型,并通過列線圖來預測TLIF術后融合器沉降的概率,這有助于及早識別融合器沉降的高危人群,優化患者的治療效果。

本研究構建的預測模型中,BMI是TLIF術后融合器沉降的潛在的預測因子,其中,肥胖是TLIF術后融合器沉降的危險因素。研究表明,肥胖會對腰椎產生異常應力,成為影響肥胖患者腰椎融合術后中遠期并發癥的重要因素[10,11]。Yao等[12]在研究微創經椎間孔腰椎間融合術(minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion,MI-TLIF)術后融合器沉降的危險因素中發現,融合器沉降組的BMI顯著高于未沉降組。Behrbalk等[13]也得到了同樣的結論。這與筆者預測模型得到的結果是一致的,提示該預測模型具有良好的科學性與可行性。

椎間盤退行性改變會使終板承受過多的軸向載荷與應力,引起終板及終板下骨質在MRI上出現異常的信號改變,即Modic改變[14,15]。Modic改變中的終板損傷會弱化終板強度,降低終板載荷能力,同時Modic改變帶來的微環境變化會使損傷的終板難以得到充足的營養供給,損傷無法及時修復[16]。本研究發現,Modic改變Ⅰ型與Ⅱ型患者術后融合器沉降的發生率明顯高于無Modic改變患者,這與王牧一等[17]研究結果一致,但Modic改變Ⅲ型的患者出現融合器沉降發生率卻低于無Modic改變的患者,筆者認為這可能與軟骨終板的硬化有關。

該預測模型將椎間隙的形態作為TLIF術后融合器沉降的預測因子,這與之前的研究結果相一致,Park等[18]在探究TLIF術后融合器沉降危險因素時發現,手術節段為梨形椎間隙的患者更容易出現TLIF術后融合器沉降。筆者認為當融合器斜行植入椎間隙時,梨形椎間隙與融合器接觸面積較非梨形椎間隙小,接觸面壓強大,應力集中進而誘發融合器沉降。

椎體的骨質量被認為是影響腰椎融合術后融合器下沉的重要影響因素[19]。Park等[18]在對TLIF術后并發癥研究中發現,骨質疏松出現融合器沉降的概率是無骨質疏松患者的5.77倍。Hou等[20]對不同骨密度的腰椎終板進行力學實驗,認為BMD與腰椎終板的失效載荷呈正相關,即BMD值越高,腰椎終板硬度越強,其發生腰椎術后融合器沉降的概率越低。雙能 X 線吸收測定法(dual- energy X-ray absorptiometry,DXA)作為目前測量骨密度 T 值的金標準,廣泛應用于臨床中,然而其額外的輻射及花費使得該項檢查難以成為術前的常規檢查[21]。近年來,大量研究證實了計算機斷層掃描的HU值可作為DXA測量骨密度的替代方法,不僅可以有效避免基于 DXA 測量椎體骨密度T值的誤差,同時有選擇性局部測量椎體骨密度,提供椎體骨密度HU值,當椎體HU值<110,即可診斷為骨質疏松[22,23]。與既往研究類似,本研究發現,HU值≥110的患者術后出現融合器沉降的風險遠低于HU值<110患者,其OR值為0.11。因此對于術前測量HU值<110的患者常規給予術前與術后的抗骨質疏松治療,減少術后融合器沉降風險。

目前,關于手術節段對TLIF術后出現融合器沉降的影響尚未得出統一的結論,有研究者認為,TLIF術中L4～L5單節段融合較其他單節段融合有著更高的沉降率[12]。然而本研究發現,手術節段L5～S1是TLIF術后出現融合器沉降的獨立危險因素,這可能與該節段有較大的靈活性以及重量載荷有關,術中操作者在處理該節段椎間隙時會傾向對該節段進行更多的終板處理[24]。適當的終板處理不僅能夠提高植骨融合率,并且能夠減少融合器脫出等相關并發癥的發生。研究表明,TLIF術中的終板損傷在增加融合器脫出率的同時也提高融合器沉降的風險[19]。因此本研究收集了患者術后1天腰椎X線并依此判斷術中終板損傷的情況。結果分析表明,沉降組與非沉降組終板損傷情況無明顯的差異(P>0.05),盡管這項研究并不支持術中終板的損傷會增加融合器沉降的風險假設,但由于此次研究中病例量較小,且終板損傷情況僅是通過腰椎X線來評估,因此需要納入更多的樣本量及CT掃描的影像學資料才能得到更具說服力的結論。

本研究中筆者通過繪制列線圖構建了TLIF術后融合器沉降的預測模型,為預測融合器沉降發生及高風險人群早期干預處理提供了依據。本研究通過將LASSO回歸分析篩選出來的變量納入預測因子中構建模型,并通過ROC曲線及C指數對模型的準確度進行評估,ROC曲線下面積為0.8485,C指數為0.82515,表明該模型具有良好的臨床可靠性。在校準度評估中,校準曲線始終圍繞參考線波動,未出現顯著的偏離,表明該預測模型預測TLIF術后出現融合器沉降的概率與術后實際發生融合器沉降的概率具有高度一致性。決策曲線分析表明,該預測模型具有較好的臨床獲益率,使用該模型進行預測風險的患者能從中獲益。

然而,本研究也存在一定的局限性:(1)臨床資料僅來自于單個中心,缺乏多中心的對比,并且患者的平均隨訪時間相對較短,未來仍需要多中心的臨床資料進行外部驗證以及更長時間隨訪的研究。(2)本研究并沒有結合融合器的形態納入危險因素分析,這是今后的研究方向。

綜上所述,該研究的LASSO回歸分析及多因素Logistic回歸分析表明,BMI、Modic改變、椎間隙的形態、HU值,手術節段L5～S1是TLIF術后出現融合器沉降的獨立危險因素。筆者基于這些危險因素構建的預測模型能夠客觀準確為臨床醫生及患者提供個性化的風險評估,以便于早期干預處理。