青少年特发性脊柱侧凸患者术前肺功能影响因素分析及临床意义

余 文,张永刚,郑国权,董天祥,唐翔宇,宋 凯

以往对青少年特发脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis, AIS)患者术前肺功能的研究报道，主弯Cobb角愈大(>60°)，冠状面近胸弯Cobb角>30°，后凸角<10°，累及胸椎数越多，胸腰椎高度越低，通气功能受损越严重。

有学者报道，弥散功能参数一氧化碳弥散量/肺泡通气量(diffusing capacity of the lung for carbon monoxide/alveolar volume, DLCO/VA)与Bending位顶椎凸凹侧肋椎角差值呈正相关(r=0.4)，与主弯Cobb等参数无相关性[1]。另有学者报道参数一氧化碳弥散量(diffusing capacity of the lung for carbon monoxide，DLCO)与脊柱胸廓畸形参数(包括椎体旋转角等)无相关性[2]。术前影像参数对弥散功能是否存在相关性尚存在争议。

本试验通过二维影像学参数与术前通气及弥散功能相关性分析，寻找AIS患者术前肺功能不全的相关影像学参数及其临床意义。

1 资料和方法

1.1 一般资料

选取2009年7月～2012年8月本院收治的24例术前资料完整的AIS患者，其中女16例，男8例；年龄平均为14.8岁，其中按Lenke分型[3]：Ⅰ型11例，Ⅱ型4例，Ⅲ型1例，Ⅳ型1例，Ⅴ型5例，Ⅵ型2例，均采用后路矫形植骨融合术治疗。排除标准：既往有胸部手术史，吸烟史及呼吸道疾病史。

1.2 术前肺功能和影像学评估

术前行肺功能检查，包括通气及换气功能，呼吸频率(breathing frequency, BF)、肺活量(vital capacity, VC)、肺活量占预计值百分比(percentages of vital capacity to predicted values, VC%)、用力肺活量(forced vital capacity, FVC)、用力肺活量占预计值百分比(percentages of forced vital capacity to predicted values, FVC%)、第1秒最大呼气容积(forced expiratory volume in one second, FEV1)、第1秒最大呼气容积占预计值百分比(percentages of forced expiratory volume in one second to predicted values, FEV1%)、肺总量(total lung capacity, TLC)、肺总量占预计值百分比(percentages of total lung capacity to predicted values, TLC%)、最大呼气流量(peak expiratory flow, PEF)、25%肺活量时最大呼气流量(forced expiratory flow after 25% of vital capacity has been expelled , FEF25%)、50%肺活量时最大呼气流量(FEF50%)、75%肺活量时最大呼气流量(FEF75%)、最大用力呼气中段流速占预计值百分比(percentages of maximal midexpiratory flow to predicted values, MMEF%)、最大通气量占预计值百分比(percentages of maximal ventilatory volume to predicted values, MVV%)、一氧化碳弥散量(diffusing capacity of the lung for carbon monoxide, DLCO SB)、一氧化碳弥散量占预计值百分比 ( percentages of diffusing capacity of the lung for carbon monoxide to predicted values, DLCO SB%) 和一氧化碳弥散量/肺泡通气量(diffusing capacity of the lung for carbon monoxide/alveolar volume, DLCO/VA)等。

术前站立位全长X线片，Bending位及胸部CT扫描，影像学观察参数包括主弯Cobb角[4]，近胸弯Cobb角，胸段累及椎体数，T5～12后凸角，顶椎椎体旋转分度(Nash/Moe 法)[5]，站立位顶椎肋椎角(肋骨头中心和肋骨颈中心连线与同侧椎体侧缘切线夹角)差值(见图1)，Bending仰卧位顶椎肋椎角差值，顶椎偏移等。

图1肋椎角
Fig.1Apical rib-vertebral angle

1.3 分组方法

术前肺功能结果分别与侧凸主弯角度、顶椎偏移、站立位以及Bending位顶椎凸凹侧肋椎角差值进行相关性分析；以主弯Cobb角50°，近胸弯Cobb角30°，顶椎旋转(Nash/Moe 法)3，矢状位后凸角10°，胸段累及椎体数7个为界值，分别比较2组间肺功能数值差异是否有统计意义。肺功能参数为因变量，影像学测量参数为自变量，建立多元线性回归方程。

1.4 统计学方法

2 结 果

按主弯Cobb角<50°及≥50°分别比较肺功能指标(见表1)。Cobb角≥50°的患者与Cobb角<50°者相比，TLC%和DLCO SB%数值减少，差异有统计学意义(P<0.05)。MVV%结果Cobb角<50°的患者大于Cobb角≥50°者，但差异无统计学意义(P=0.058)。2类患者按肺功能分级标准[6]记录正常、轻度、中度、重度功能不全所占比例(见表2)。Cobb角<50°的患者中肺功能正常、轻度不全分别为91%和9%，无中重度功能不全；Cobb角≥50°的患者中、重度功能不全各占8%。 按近胸弯Cobb角<30°及≥30°分别比较肺功能指标(见表3)。近胸弯Cobb角≥30°的患者与Cobb角<30°者相比，TLC% 和DLCO SB%数值减少，但差异无统计学意义(P=0.051,P=0.052)。

表1 不同主弯Cobb角组肺功能参数比较Tab.1 Parameter comparison of different main curve Cobb’s angle group

主弯Cobb角Cobb’s angleFEF50%FEF75%MMEF%MVV%TLC%DLCO SB%DLCO SBDLCO/VA<50°82.74±29.9180.70±24.8484.15±27.21128.52±42.55108.70±11.92∗134.51±29.65∗8.36±1.921.83±0.27≥5072.76±25.9070.20±23.4273.84±33.2193.36±37.2387.00±21.21∗95.50±29.94∗6.71±2.341.76±0.23

注：*P<0.05
Note: *P<0.05

按顶椎旋转Nash/Moe 法分度<3及≥3比较肺功能指标(见表4)。组间肺功能指标差别未发现统计意义(P>0.05)。

按T5-12矢状位后凸角<10°及≥10°分组比较肺功能参数(见表5)。后凸角≥10°组与后凸角<10°组比较，DLCO SB%和DLCO SB升高，但差异无统计学意义(P=0.056,P=0.052)。

按胸段累及椎体数<7个和≥7个分组比较肺功能参数(见表6)。累及椎体数≥7个组与累及椎体数<7个组比较，FEF50%, FEF75%, MMEF%, MVV%及DLCO SB%下降(P<0.05)，DLCO SB也减少，但差异无统计学意义(P=0.05)。

主弯Cobb角与术前肺功能检查相关性。主弯Cobb角与VC% 、FEV1% 、FVC%、MVV%、TLC%呈负相关，相关系数r分别为-0.41、-0.42、-0.40、-0.46，和-0.69。主弯Cobb与DLCO SB%及DLCO SB有较好相关性，相关系数r为-0.74和-0.66；而与DLCO/VA未发现相关(P>0.05)。

主弯顶椎偏移与肺功能指标相关性。顶椎偏移与TLC%、DLCO SB%及DLCO SB明显负相关(r值分别为-0.61、-0.61、-0.54)，而与TLC、DLCO/VA、FEF25%、FEF50%、FEF75%、MMEF%和MVV%均无相关性。

表2 2组按肺功能不全分级标准分组结果Tab.2 Distribution of preoperative Pulmonary dysfunction in 2 groups

表3 不同近胸弯Cobb角组肺功能参数比较Tab.3 Parameter comparison of different proximal thoracic Cobb’s angle group

近胸弯Cobb角Proximal thoracicCobb’s angleFEF50%FEF75%MMEF%MVV%TLCTLC%DLCO SBDLCO SB%<30°79.62±28.5274.69±25.4781.59±29.37116.60±40.614.55±0.96102.01±14.917.93±2.01122.18±30.16≥30°70.04±26.0577.16±21.1369.50±34.5082.30±41.413.36±1.9772.85±35.995.16±2.6571.95±40.65

表4 不同主弯顶椎椎体旋转分度组肺功能参数比较Tab.4 Parameter comparison of different NASH/MOE group

Nash/Moe 法Nash/Moe methodFEF75%MMEF%MVV%TLCTLC%DLCO SBDLCO SB%DLCO/VA<373.57±18.1678.08±13.80115.44±28.584.49±0.74104.31±9.317.98±1.80126.05±29.031.81±0.25≥376.50±28.6078.92±38.78104.92±48.574.22±1.5789.23±27.626.93±2.76100.28±39.511.78±0.26

表5 不同T5～12后凸角组肺功能参数比较Tab.5 Parameter comparison of different T5-12 Kyphosis Cobb’s angle group

T5～12后凸角T5-12 Kyphosis Cobb’s angleMMEF%MVV%TLCTLC%DLCO SBDLCO SB%DLCO/VA<10°57.97±30.6560.50±35.353.46±1.4080.66±28.825.36±1.9081.36±33.051.56±0.07≥10°82.69±29.39113.47±40.664.63±0.96102.53±15.538.13±1.98124.18±30.781.84±0.24

表6 不同胸段累及椎体数组肺功能参数比较Tab.6 Parameter comparison of different number of vertebrae in thoracic curve

累及椎体数组Number of vertebrae in thoracic curveMMEF%MVV%TLCTLC%DLCO SBDLCO SB%DLCO/VA<7106.92±25.29∗151.54±43.74∗5.44±0.84116.60±8.959.72±1.25150.06±29.95∗1.85±0.40≥771.11±27.52∗94.96±32.90∗4.09±1.0392.73±19.236.94±2.08105.44±30.81∗1.78±0.21

注：*P<0.05
Note: *P<0.05

站立位顶椎凸凹侧肋椎角差值，Bending位顶椎凸凹侧肋椎角差值，分别与术前肺功能指标做相关性分析。站立位顶椎凸凹侧肋椎角差值分别与TLC%，TLC，DLCO SB%和DLCO SB呈负相关(r值分别为-0.59，-0.62，-0.53及-0.59)；与VC%、FVC%、FEV1%、MMEF%、MVV%、PEF%、FEF25%、FEF50%、FEF75%、DLCO/VA都无相关性(P>0.05)。Bending像顶椎凸凹侧肋椎角差值与TLC、DLCO SB呈负相关(r值等于-0.57和-0.57)；与VC%、FVC%、FEV1%、MMEF%、MVV%、PEF%、FEF25%、FEF50%、FEF75%、DLCO/VA都无相关性(P>0.05)。

肺功能与影像学参数间多元线性回归分析。以VC%，DLCO%为因变量，影像学参数为自变量，按逐步引入法多元线性回归分析：根据模型建立的VC%多元线性回归方程：Y=101.09+0.94×X1-4.44×X2，(X1：T5～12矢状位后凸角； X2：胸段累及椎体数目)，经t检验，X1和 X2的P值分别0.06和0.07，按α=0.10水平，差异均有统计学意义。建立的DLCO SB %多元线性回归方程：Y=208.58-1.82×X，(X：主弯Cobb角)，经t检验，X的P值=0.025，按α=0.05水平，差异有统计学意义。

3 讨 论

AIS是常见的脊柱侧凸畸形，脊柱弯曲和胸廓畸形不仅影响患者外观，更重要的是影响肺脏正常发育，导致不可逆的肺功能损害。术前肺功能检查对手术时机、方式选择具有指导意义。

Johnston等[7]报道AIS患者中约19%术前有肺功能不全，主胸弯侧凸Cobb度数越大、后凸度数丢失越多、近胸弯>30°，肺功能损害越明显。水平位畸形与肺功能损害无明显相关。提示手术防止畸形进展，尽可能恢复矢状面与冠状面平衡对防止肺功能进一步恶化十分重要。刘臻等[8]报道脊柱侧凸患者(先天性和特发性)主要表现为以限制性通气功能障碍为主，术前肺功能主要影响因素为侧凸发生年龄，侧凸畸形Cobb角，侧凸发生部位及侧凸累及节段。Newton等[9]报道部分AIS患者临床肺功能不全与侧凸严重性不成比例，决定手术方案时采用获得良好矫形效果且对肺功能产生最少负效应的融合技术。由于影像学参数与肺功能指标之间缺少中等或高度相关性，二维参数很难定量描述整体胸廓畸形，其建议对脊柱和胸廓三维空间进一步进行研究以及改善目前的肺功能测量技术，这对更好地理解侧凸如何对胸廓形状及其功能产生有害影响是有帮助的。

主弯Cobb角与VC% 、FEV1% 、FVC%、MVV% 、TLC%呈负相关(相关系数从-0.4到-0.69)，与Johnston等[7]及刘臻等[8]报道相符。冠状位主弯Cobb角愈大，术前患者肺功能受损可能性增加，从保存肺功能角度出发，临床上轻度至中度肺功能不全可以作为矫形手术的适应证。DLCO SB%与主弯Cobb角呈负相关，对于冠状面严重失衡患者侧凸，为避免肺功能进一步受损，应合理选择手术时机进行手术矫正畸形。大多肺功能指标绝对值与主弯Cobb角无相关性。但本研究得出Cobb角愈大，不仅通气功能指标下降，弥散指标也受损，这与Upadhyay等[1]报道Cobb角同DLCO%无相关性不一致。由于本研究患者弥散功能不全所占比例为14%(2/14，其余10例未测得术前数据)，其余患者(12/14)DLCO SB%均在正常范围(均值为115%)，主弯Cobb角与DLCO SB%相关系数r为-0.74，因此推测AIS患者在自然发展史过程中(无矫形手术等干预)，随着年龄的增大，DLCO SB%将有不同程度受损；且主弯Cobb角≥50°相较<50°患者围手术期呼吸系统并发症可能性增加。

Johnston等[7]报道FVC、FVC% 、FEV1、FEV1%数值，近胸弯≥30°组低于近胸弯<30°组，差异有统计学意义；而本研究结论与国外报道不一致可能受肺功能检查自身质量控制等因素影响。若近胸弯为结构性，提示TLC%和DLCO SB%下降可能性大；顶椎偏移愈大，TLC%和DLCO SB%下降愈明显，提示可通过顶椎偏移推测AIS患者肺功能受损严重程度。同主弯Cobb与肺功能结果之间相关性变化趋势相一致。顶椎旋转Nash/Moe分度按≥3度和<3度分2组，组间差异无统计意义(P>0.05)，与Johnston等[7]报道相符，提示椎体旋转分度不是预测肺功能受损的影像学参数。通过测量顶椎凸凹侧肋椎角，站立位顶椎肋椎角差值增加，TLC%和DLCO SB%受损也增加。本研究中Ⅴ型和Ⅵ型患者一共7例，胸腰段和腰段脊柱侧凸纳入研究范围，因为这些侧凸类型虽然主弯不在胸段，理论上可能改变膈肌的位置与功能，进而影响正常呼吸过程，对肺功能产生意外的负面影响[9]。

Johnston等[7]报道T5-12矢状位后凸角≥10°组FEV1，FEV1%，FVC，FVC%数值较<10°组高(P<0.05)。Newton等[9]报道后凸不足(<10°)更有可能存在肺功能不全，后凸>41°较后凸不足肺功能数值更高。而本研究FEV1%，FVC%组间差别未发现统计意义(P>0.05)，可能由于样本量不足导致；胸段累及椎体数≥7组患者存在不同程度肺功能不全，呼吸肌需要做更多功完成正常活动，剧烈活动耐受能力下降，降低矫形手术安全性；这一发现可能是与胸廓三维空间的畸形变化有关。

分别以VC%，DLCO%为因变量，所有影像学参数为自变量建立回归方程。VC%回归方程中T5～12矢状位后凸角及胸段累及椎体数目R2=0.32(修正决定系数)，说明二者对VC%贡献度占32%。DLCO%回归方程中主弯Cobb角R2=0.46，说明主弯Cobb角对DLCO%贡献度占46%。由此，术前T5～12矢状位后凸角和胸段累及椎体数目的影响仅占VC%下降的32%；术前冠状位主弯Cobb角的影响仅占DLCO%下降的46%。胸廓三维空间改变对肺功能变化的影响有待进一步研究。

本研究不足之处是样本量偏少，有一些患者术前弥散功能检查未完成(10/24)。青少年处在生长发育关键时期，肺功能结果绝对值并不是呼吸系统成熟后的最终值，采用测量值占预计值百分比来分析更具合理性。脊柱侧凸及椎体旋转引起胸廓畸形，进而肺容量减少,肺容量减少提示胸廓机械动力学的改变。对于AIS患者，脊柱侧凸阻碍肋骨的运动，使呼吸肌处在机械不利状态，及胸腔各器官发生移位。脊柱侧凸直接减少胸壁顺应性和间接减少肺顺应性(肺不张和逐步空气潴留)，造成显著增加呼吸作功，相关的呼吸肌无力可能导致慢性呼吸衰竭。渐进性肺动脉高压也构成发病和死亡的主因[11-14]。术前应常规行肺功能检查对患者作出合理评估。主弯Cobb≥50°，近胸弯Cobb≥30°，胸段累及椎体数≥7个，外科医师应合理选择手术入路，避免传统的开胸或胸腹联合前方入路。

综上，术前肺功能主要影响因素是主弯Cobb角，冠状位近胸弯Cobb角，主弯顶椎偏移，站立位和Bending位顶椎凸凹侧肋椎角差值，胸段累及椎体数。术前站立位主弯Cobb角愈大，主弯顶椎偏移增大，站立位顶椎凸凹侧肋椎角差值增加，近胸弯≥30°，胸段累及椎体数≥7个，肺功能下降明显；Bending位顶椎凸凹侧肋椎角差值增加，TLC、DLCO SB减少；手术矫正冠状位失平衡，可以避免患者肺TLC、DLCO SB进一步下降；顶椎椎体旋转分度(Nash/Moe 法)不是预测肺功能受损的影像学参数。

参考文献

[1] Upadhyay SS, Mullaji AB, Luk KD, et al. Relation of spinal and thoracic cage deformities and their flexibilities with altered pulmonary functions in adolescent idiopathic scoliosis[J]. Spine (Phila Pa 1976),1995, 20(22):2415-2420.

[2] Takahashi S, Suzuki N, Asazuma T, et al. Factors of thoracic cage deformity that affect pulmonary function in adolescent idiopathic thoracic scoliosis[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2007, 32(1):106-112.

[3] Lenke LG, Betz RR, Harms J, et al. Adolescent idiopathic scoliosis: a new classification to determine extent of spinal arthrodesis[J]. J Bone Joint Surg Am, 2001, 83-A(8):1169-81..

[4] Cobb JR. Outline for the study of scoliosis[J]. Am Acad Orthop Surg Inst Course Lect. 1948, 5: 261-275.

[5] Nash CL Jr, Moe JH. A study of vertebral rotation[J]. J Bone Joint Surg Am, 1969,51(2): 223-229.

[6] 赵立军,李强.实用肺功能临床解读手册[M].上海:第二军医大学出版社,2010.

[7] Johnston CE, Richards BS, Sucato DJ, et al. Correlation of preoperative deformity magnitude and pulmonary function tests in adolescent idiopathic scoliosis[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2011, 36(14):1096-1102.

[8] 刘臻, 邱勇, 王斌,等. 脊柱侧凸患者肺功能影响因素的分析及临床意义[J].中华医学杂志, 2008, 88(35):2457-2460.

[9] Newton PO, Faro FD, Gollogly S, et al. Results of preoperative pulmonary function testing of adolescents with idiopathic scoliosis. A study of six hundred and thirty-one patients[J]. J Bone Joint Surg Am, 2005, 87( 9):1937-1946.

[10] 郝冉, 吴志宏, 韩江娜,等.影响脊柱侧凸患者肺功能的脊柱胸廓畸形指标[J].中国医学科学院学报, 2011, 33(2):194-199.

[11] Boyer J, Amin N, Taddonio R, et al. Evidence of airway obstruction in children with idiopathic scoliosis[J]. Chest, 1996, 109(6):1532-1535.

[12] Koumbourlis AC. Scoliosis and the respiratory system[J]. Paediatr Respir Rev, 2006, 7(2):152-160.

[13] Chu WC, Ng BK, Li AM, et al. Dynamic magnetic resonance imaging in assessing lung function in adolescent idiopathic scoliosis: a pilot study of comparison before and after posterior spinal fusion[J]. J Orthop Surg Res, 2007, 2:20.

[14] Kearon C, Viviani GR, Kirkley A, et al. Factors determining pulmonary function in adolescent idiopathic thoracic scoliosis[J]. Am Rev Respir Dis,1993, 148(2):288-294.