生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点.doc

www.CRTER.org魏冬，等. 生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点魏 冬1，2，夏 群2，苗 军2，白剑强2，刘佳男2，李宏达2(1天津中医药大学研究生院，天津市 300193；2天津医院脊柱外科二病区，天津市 300162)引用本文：魏冬，夏群，苗军，白剑强，刘佳男，李宏达. 生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点J.中国组织工程研究，2016，20(17): 2526-2532.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.013 ORCID: 0000-0002-7249-1553(魏冬)文章快速阅读：生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点魏冬，男，1988年生，吉林省九台市人，汉族，天津中医药大学在读硕士，医师，主要从事脊柱的生物力学研究。通讯作者：夏群，教授，主任医师，天津市天津医院脊柱外科二病区，天津市 300162 中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)17-02526-07稿件接受：2016-02-06http:/WWW.获得上颈椎不同活动体位图像二维-三维匹配双荧光透视影像系统Rhinoceros软件重现生理载荷下上颈椎运动颈椎CT 文题释义：双荧光透视影像系统：双荧光透视影像系统和CT检查相结合的非侵袭技术是人体生物力学在体研究的新理念，最早由哈佛大学麻省总医院骨科生物工程实验室Guoan Li教授提出，通过在计算机软件计算受试者脊柱椎体CT获取的每一节段三维模型，匹配到双荧光透视影像系统采集的不同活动体位的双斜位X射线透视图像上，实现二维-三维图像空间匹配，从而实现在生理载荷下人体脊柱的真实运动状态。本研究拟通过该技术建立寰枢椎在体运动学测试平台，并获得健康成人上颈椎三维运动学数据。六自由度：在实验中，受试者分别行最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧弯位、最大左旋转位及最大右旋转位活动，采集受试者最大程度前屈-后伸、最大程度左旋-右旋和最大程度左侧弯-右侧弯时的上颈椎图像，通过以上6个活动度来全面了解上颈椎的三维在体运动学特性。摘要背景：人体的颈椎是承载头颅和连接脊柱的重要结构，虽然是脊柱中体积最小，但是灵活性最大，活动频率最高的节段，同时也是人体几何形体和运动特性最为复杂的的骨性结构之一，承受了头部的生理负荷，还肩负着屈伸、侧弯、旋转等运动功能。因此，颈椎成为了人体脊柱最容易受到伤害和出现退行性病变的结构之一。而对颈椎特别是上颈椎生物力学的分析，认识和理解其正常的功能和力学机制，也将为更好的治疗上颈椎疾患提供理论基础。目的：通过双荧光透视影像系统联合螺旋CT观察测定健康成年人生理载荷下寰枢椎在体三维瞬时运动特点。方法：招募17名健康志愿者，采用双X射线透视影像系统和螺旋CT检查相结合技术，利用相关处理软件建模，并与双荧光透视影像系统捕获的X射线透视图像匹配，重现上颈椎三维瞬时运动状态，通过建立椎体几何中心坐标并进行测量，从而获得健康成人生理载荷下上颈椎在体三维瞬时运动学数据。结果与结论：前屈后伸时，C1-2节段与C2-3节段在冠状轴位移、矢状轴位移和旋转角度差异有显著性意义；左右侧屈时，C1-2节段旋转角度明显大于C2-3节段。左右旋转时，C1-2节段与C2-3节段在冠状轴位移、垂直轴位移，侧屈角度和旋转角度均有明显差异且有显著性意义；说明双荧光透视影像系统联合螺旋CT测量能够获得健康成人寰枢椎在体三维瞬时运动六自由度数据，并发现寰枢椎活动以旋转运动为主，以及上颈椎在体生理活动范围及特点，为上颈椎疾病非固定手术方案提供了量化参考。关键词：骨科植入物；数字化骨科；生理载荷；寰枢椎；运动学；透视；三维模型；瞬时运动；在体试验；健康成人；国家自然科学基金主题词：寰枢关节；解剖；组织工程2527ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH基金资助：国家自然科学基金资助项目(81472140，8157090604)Three-dimensional transient motion characteristics of atlanto-axial joint in healthy adults under physiological load Wei Dong1, 2, Xia Qun2, Miao Jun2, Bai Jian-qiang2, Liu Jia-nan2, Li Hong-da2 (1Graduate School, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China; 2Second Ward, Department of Spinal Surgery, Tianjin Hospital, Tianjin 300162, China)AbstractBACKGROUND: The cervical spine of the human body is an important structure carrying the head and connecting the spine. Its volume is small, but its flexibility was great. Activity frequency was highest. Simultaneously, cervical spine is the most complicated bony structure of geometric and kinematic characteristics of human body, bears the physiological load of the head, has functions of flexion and extension, lateral bending and rotation. Therefore, the cervical spine has become one of the most vulnerable structures with degenerative diseases of the spine. Analysis of upper cervical spine biomechanics, recognition and understanding of its normal function and mechanical mechanism will provide a theoretical basis for better treatment of upper cervical spine disorders. OBJECTIVE: To observe the in vivo three-dimensional kinematics of the upper cervical spine in healthy human beings under physiological load with dual fluorescence X-ray imaging system and spiral CT. METHODS: Seventeen healthy volunteers were recruited for this study. The vertebral segment motion of each subject was reconstructed with three-dimensional computed tomography and solid modeling software. In vivo cervical vertebral motion during functional postures was observed with dual fluoroscopic imaging. Coordinate systems were established at the vertebral center to obtain the intervertebral range of motion. Wei Dong, Studying for masters degree, Physician, Graduate School, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China; Second Ward, Department of Spinal Surgery, Tianjin Hospital, Tianjin 300162, ChinaCorresponding author: Xia Qun, Professor, Chief physician, Second Ward, Department of Spinal Surgery, Tianjin Hospital, Tianjin 300162, ChinaRESULTS AND CONCLUSION: (1) During the flexion-extension motion, significant differences in the distance in coronal axis, sagittal axis and angle of rotation were detected in C1-2 and C2-3 segments. (2) During the left-right bending motion, the angle of rotation was obviously greater at C1-2 segment than that at C2-3 segment. During the left-right twisting motion, significant differences in distance of the vertical axis and the coronal axis, lateral flexion angle and rotation angle were detectable between C1-2 and C2-3 segments. (3) These findings confirmed that dual fluorescence X-ray imaging system combined with CT scan can obtain atlanto-axial three-dimensional instantaneous motion of six-DOF data of healthy adults, and found that the main motion of the C1-2 vertebrae is rotating. These data may provide us with some new information about the in vivo kinematics of the upper cervical spine and the non-fixed surgical operation.Subject headings: Atlanto-Axial Joint; Dissection; Tissue EngineeringFunding: the National Natural Science Foundation of China, No. 81472140, 8157090604Cite this article: Wei D, Xia Q, Miao J, Bai JQ, Liu JN, Li HD. Three-dimensional transient motion characteristics of atlanto-axial joint in healthy adults under physiological load. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(17): 2526-2532.2531ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction颈椎位于颅骨与胸椎之间，是脊柱中活动频率较大的节段，由于颈椎解剖结构复杂，因而在一些基础实验和临床试验中如何准确测量颈椎活动度成为一个难题。寰枢椎在颈椎活动中特别是在旋转活动中起到重要角色，所以准确测量寰枢椎运动各自由活动度对了解颈椎生理活动功能以及指导上颈椎疾病如上颈椎不稳的治疗等起到重要作用。有研究利用体外解剖来了解寰枢椎的活动1-3，但这种方法并不能很好的体现生理载荷下上颈椎的活动的真实状态。随着技术发展，越来越多学者将视角转向在体研究并应用多种技术来观察测定上颈椎运动特点，如动态X射线技术、双平面X射线技术、CT断层扫描技术与MRI技术等4-14。但大多数研究仅进行寰枢椎旋转或侧弯时的活动度观察，并不能完整反映正常人上颈椎生理载荷下六自由度(6-degree-of-freedom，6-DOF)的运动数据。作者所在课题组在前期研究中已经利用双荧光透视影像系统结合螺旋CT或MRI成功对腰椎的在体运动学进行了研究报道15-17，同时也对该技术应用于颈椎在体运动研究进行了方法学探索18。作者此次试验采用双荧光透视影像系统联合螺旋CT测量成年人生理载荷在寰枢椎在体三维瞬时运动特点，更系统量化的了解寰枢椎在站立位、最大左右旋转位、最大前屈后伸位、最大左右侧屈弯位的运动学数据，并对C1-2与C2-3两个节段的活动进行比较，希望对临床治疗上颈椎疾病有所帮助。1 对象和方法 Subjects and methods 1.1 设计 三维建模试验。1.2 时间及地点 试验于2015年1至11月在天津医院脊柱外科二病区完成。1.3 对象 通过在天津医院张贴公告自主报名获得试验的健康志愿者。纳入标准：无颈肩部急性疼痛，且目前未使用止痛药治疗。无颈椎病等诊断史。无颈肩部受伤史或手术史。无其他重大疾病。排除标准：既往有颈部不适或颈椎手术病史。影像学显示有颈椎畸形或颈椎退行性变及脊髓病变。有精神病史、骨质疏松或肥胖及其他严重疾病患者。共获得17名健康志愿者，其中男8人，女9人，年龄23-41岁，平均年龄25.8岁，受试者既往无任何颈椎疾患及其他影响颈椎活动的疾病。研究对象符合医学伦理学要求并签署知情同意书。该试验得到医学伦理学委员会的批准。1.4 方法1.4.1 人体颈椎CT的摄取 受试者取仰卧位，对17名受试者分别进行颈椎CT(Siemens，德国)薄层扫描获得C1-7椎体横断面图像(层厚为0.625 mm，分辨率为512512像素)，试验主要观察C1-3节段，受试者于扫描前4 h不进行任何剧烈活动，30 min内平卧于检查床上休息。1.4.2 重建三维上颈椎解剖模型 将CT扫描所获得的图像导入Rhinoceros三维建模软件(Robert McNeel Associates 公司，美国)，逐层勾画出CT图像各层面颈椎的骨性轮廓，得到C1-3每个椎体的三维模型(图1)。1.4.3 双荧光透视获得上颈椎不同活动体位图像 2台相同型号的“C”型臂X射线透视机(Siemens ARCADIS Orbic，德国)组成双荧光透视系统。将2台“C”型臂按照投射夹角45设置，受试者双髋固定，取坐位，穿铅围裙以保护下体不受放射线照射；根据受试者身高调整管球高度，受试者采用坐位同轴躯干旋转代替头颅旋转来实现颈椎旋转动作，采集受试者最大程度前屈-后伸、最大程度左旋-右旋和最大程度左侧弯-右侧弯时的上颈椎图像(图2)8。1.4.4 重现生理载荷下上颈椎运动 将透视图像矫正后导入造模软件，在计算机内模拟透视场景，将每一节段椎体三维模型导入模拟场景，调整受试者每一节段上颈椎三维重建模型的空间位置，按照颈椎解剖结构特点使其投射影像同时与两个平面上颈椎X射线透视影像完全匹配，即实现二维-三维图像的匹配，从而再现生理载荷条件下人体各种运动体位时上颈椎的真实运动状态(图3A)。 在C1-3各椎体几何中心分别建立三维坐标系，定义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平面指向头侧；沿X轴，Y轴及Z轴旋转的角度分别为，和(图3B)。1.4.5 上颈椎活动体位的三维数据测量 操作者可以通过Rhinoceros软件在模拟三维空间内最小以0.01的旋转角度和0.01 mm的位移来移动三维模型，期望获得最精确的三维数据。通过椎体的空间位移和角度的变化完成人体自然站立位、最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧屈位、最大左旋转位及最大右旋转位每个相邻椎体的6-DOF数据的计算。本试验的6-DOF数据是指以平卧位椎体三维模型为基本，计算从最大前屈位到最大后伸位之间的、从最大左侧屈位到最大右侧屈位之间、从最大左侧弯位到最大右侧弯位的6-DOF数据范围，使用“Measure Axes”工具计算出前屈时C2椎体相对于C1椎体中心点空间位移和旋转的6-DOF数据。应用相同的方法得出C3椎体相对于C2椎体中心点(L4/5失稳椎体)间的相对位移和旋转角度6-DOF活动数据。1.5 主要观察指标 (1)C2椎体中心点相对于C1椎体中心点在最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧屈位、最大左旋转位及最大右旋转位的相对位移与旋转角度。(2)C3椎体中心点相对于C2椎体中心点在最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧屈位、最大左旋转位及最大右旋转位的相对位移与旋转角度。1.6 统计学分析 采用SPSS 17.0统计软件(SPSS，美国)对两椎体间数据进行独立样本t 检验分析统计，P 0.05为差异有显著性意义。2 结果 Results2.1 参与者数量分析 所有健康志愿者均进入结果分析，无脱失。参与者基本信息见表1。图1 重建三维上颈椎解剖模型Figure 1 Creating the three-dimensional model of the upper cervical spine 图注：图中显示创建三维模型的过程。其中A为CT扫描矢状位图像；B为颈椎矢状面数字化椎体骨性轮廓描记；C为C1-3椎体三维解剖模型。模型特点为各椎体自成一体，并可自由拆分。图2 双荧光透视影像系统测量上颈椎不同活动体位图像Figure 2 Different positions of upper cervical spine measured with dual fluoroscopic imaging system图注：双荧光透视影像系统以获取不同活动位置时颈椎双斜位X射线片。左侧弯后伸前屈右旋左旋右侧弯图3 重现生理载荷下上颈椎运动Figure 3 Upper cervical spine movement under physiological load图注：图中A为计算机内虚拟的双X射线透视影像系统模拟真实的透视场景，通过2D-3D的图像匹配，真实重现在体颈椎位置关系；B为椎体中心坐标示意图，沿左-右、前-后和上-下的位移和旋转分别用X、Y、Z和、表示。BA2.2 上颈椎活动体位的三维数据 前屈到后伸位时，C2-3节段冠状轴、矢状轴上位移、矢状轴旋转角度较C1-2节段增加(P 0.05；表2)。左旋到右旋位时，C2-3节段沿冠状轴的相对位移与沿垂直轴的相对位移及在矢状轴与垂直轴上旋转角度较C1-2节段明显减小(P 0.05；表2)。左右侧弯时，C2-3节段在冠状轴、矢状轴与垂直轴上的相对位移均较C1-2节段小(P 0.05)；C2-3节段在垂直轴上的旋转角度较C1-2节段小(P 0.05；表2)。3 讨论 Discussion由于寰枢椎部位较深，周围有许多血管组织和重要神经，故该部位一旦损伤，后果及其严重，损伤机制复杂、手术难度高、手术风险大。所以进一步了解寰枢椎损伤机制及其生理活动功能显得尤为重要。由于目前技术的限制，关于寰枢椎的在体三维运动学数据的研究鲜有报道。Ishii等19-20利用三维MRI结合3D-fast GRASS (gradient recalled acquisition in the steady state，稳态梯度回波序列)技术测量正常人枕骨到枢椎旋转时和侧弯时沿各轴的活动度，测得C1-2由旋转到中立位的的旋转角度分别为(1.71.5)和(36.24.5)。在侧弯活动时，表2 正常受试者C1-2节段与C2-3节段位移和旋转度 (s，n=17)Table 2 Displacement and rotation angle at C1-2 and C2-3 segments of normal subjects项目位移(mm)旋转()前后位移(Y)左右位移(X)上下位移(Z)屈伸旋转()侧弯旋转()左右旋转()前屈后伸C1-2.04.62.3C2-34.22.2a2.41.2a3.95.0a左右侧弯C1-23.03.312.46.529.111.9C2-31.70.8a2.71.5a1.00.4aa左右旋转C1-23.02.019.66.971.115.5C2-32.0a0.90.5a3.5a3.31.6a表注：与C1-2节段相比，aP 0.05。表1 健康志愿者基本信息Table 1 Basic information of healthy volunteers患者性别年龄(岁)身高(m)体质量(kg)体质量指数(kg/m2)1男291.859026.302男251.766922.283男311.767022.604男251.706723.185男411.707325.266男231.727525.357男231.626022.868男231.626022.869女231.605019.5310女231.705217.9911女261.575321.5012女231.575221.1013女231.575321.1014女231.576321.1015女251.575120.6916女271.575321.5017女261.575221.10平均值25.821.6561.3521.04该学者发现C1-2在侧弯活动时，沿垂直轴旋转角度明显大于C2-3节段。Nagamoto等21利用三维MRI技术对10例正常人和15例颈椎病患者进行颈椎活动度测量，受试者在头部中立位，左右旋转45及头部最大旋转角度时进行测量，并对测量数据进行对比。该学着发现，和正常组相比，颈椎病患者C5-6、C6-7两个节段的旋转活动角度降低，而在C2-3、C3-4两个阶段的侧弯角度明显增加，且差异有显著性意义。Takasaki等22利用MRI技术测量屈伸旋转时上颈椎活动度用来评测上颈椎功能，发现该体位变化角度可以用来评估上颈椎疾患。Salem等23利用CT扫描与建模软件结合测量颈椎被动旋转至最大角度时各节段的活动度，发现颈椎旋转活动以上颈椎为主，旋转时C1-2节段占整个颈椎的60%。Zhao等24应用相似技术同样成功测得颈椎旋转时的活动度数据。以上技术应用虽然成像清晰，但大都不能真实反映受试者生理载荷下上颈椎瞬时运动状态，并且只是测得上颈椎单一活动时的运动数据。近年来，二维-三维匹配技术利用计算机软件与医学成像技术相结合，模拟再现脊柱生理载荷下各种运动体位的的真实运动状态。该技术最早见于麻省总医院骨科生物工程实验室Li等25对膝关节在体运动学进行的研究，此后学者相继应用此技术对腰椎旋转中心、腰椎间盘形变、腰椎退行性滑脱、椎体间活动度等进行报道26-36。以上研究说明该技术在腰椎生物力学的探索应用已趋于成熟。 试验成功将该理念应用于颈椎在体运动学的研究，成功测得正常人生理载荷下C1-3节段六自由活动度数据，发现由于寰椎特殊的解剖结构与位置，寰枢椎活动与C2-3活动有很大区别。在左右旋转位时，C1-2节段较C2-3节段在冠状轴上位移及沿矢状轴活动角度明显大于C2-3节段。说明在旋转活动时以寰枢椎旋转为主，Ishii等19利用三维MRI所测数据及Dugailly等3利用体外尸体解剖所测数据支持本试验结果。在左右侧弯时，寰枢椎沿垂直轴活动角度明显大于C2-3节段，说明在侧弯活动时，寰枢椎活动由部分旋转代替侧弯活动。Salem等23利用CT扫描与建模软件结合测量颈椎被动旋转至最大角度时各节段的活动度，此次试验在旋转主活动及屈伸角度结果与其相似，但侧弯活动角度有偏差，究其原因可能是该研究颈椎活动是被动扭转到最大角度，并且是平卧位测量，无法模拟测得受试者生理载荷下颈椎活动的真实数据。在屈伸活动时，虽部分活动差异有显著性意义，但位移与角度差别不大，Anderst等37也利用相似技术对颈椎进行研究，其测得数据支持作者试验结果，但其只是测得屈伸活动时上颈椎沿各轴的运动数据。作者首次应用双荧光透视影像系统系统进行生理载荷下寰枢椎在体运动6-DOF的测量，并且与C2-3节段各活动进行对比，在试验进行及试验设计上存在一定的局限性。首先，如能建立枕骨模型并测量枕骨与寰椎之间6-DOF数据，试验将更有意义。其次，试验人工图像匹配、图形比对等过程工程量较大，操作复杂，样本例数偏少，以上因素可能导致某些统计学上的误差。今后将继续改进试验设备与相应技术，扩大样本量，为进一步了解上颈椎活动功能及为临床治疗上颈椎疾病提供理论基础。致谢：软件开发和研究期间特别感谢哈佛大学麻省总医院骨科提供技术支持，感谢天津医院脊柱外科及手术室对该研究的大力支持。作者贡献：第一作者魏冬负责软件应用、病例收集、图像匹配、数据统计及文章书写；李宏达，刘佳南负责图像矫正；白剑强、苗军负责技术指导；夏群负责文章修改及提供资金支持。利益冲突：文章所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：试验方案经天津医院伦理委员会批准，试验方案已经患者/家属知情同意。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：本刊实行双盲外审制度，文章经国内小同行外审专家审核，符合本刊发稿宗旨。作者声明：文章第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 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