腰椎峡部骨微细结构的Micro CT研究

唐曦,刘洪,李鑫,吴少平,黄丽,冯俊榜,雍刘军,刘卫华*(.成都医学院第一附属医院,成都 60500；. 成都医学院校医院内科,成都 60500；. 成都医学院教学保障处,成都 60500；. 成都医学院人体解剖与组织胚胎学教研室,成都 60500)

·论 著·

腰椎峡部骨微细结构的Micro CT研究

唐曦1,刘洪2,李鑫3,吴少平1,黄丽1,冯俊榜1,雍刘军4,刘卫华1*
(1.成都医学院第一附属医院,成都 610500；2. 成都医学院校医院内科,成都 610500；3. 成都医学院教学保障处,成都 610500；4. 成都医学院人体解剖与组织胚胎学教研室,成都 610500)

目的 通过Micro CT检测腰椎峡部,运用Micro CT的后处理功能-骨分析,检测腰椎峡部骨微细结构,并探讨其变化趋势。方法 对30具成人尸体标本的L1～L5双侧峡部,共300个干燥腰椎峡部进行扫描,检测峡部的骨微细结构参数,并分析比较L1～L5峡部骨微细结构的差异性。结果 L5腰椎峡部BMD值最低,L2腰椎峡部BMD值次之,L4腰椎峡部BMD值最高；L5和L2腰椎峡部BV/TV值较低,L4腰椎峡部BV/TV值最高；L5和L2腰椎峡部Tb.Th值较低,L4腰椎峡部Tb.Th值最高；L5腰椎峡部Tb.Sp值最高,L1和L4腰椎峡部Tb.Sp值较低。结论 L2、L4峡部骨质较腰椎各峡部骨质密集、骨小梁较粗；L1、L5峡部骨质较腰椎各峡部骨质稀疏,骨小梁较细；L3峡部骨质微细结构居腰椎各峡部骨质微细结构的一般水平。

腰椎峡部；Micro CT；骨分析；骨微细结构

腰椎峡部是脊椎后柱的重要骨性结构,峡部前方连接椎弓根,向上连接上关节突,向下连接下关节突,向后连接椎板,内侧为侧隐窝,外侧临脊神经根。峡部的完整性关联着脊椎的稳定性,腰椎峡部断裂后,腰椎的力学稳定性将发生改变。胸腰椎的屈、伸、弯、旋转等运动产生的剪切力需要椎小关节、峡部进行对抗以保持脊柱形态的完整和连续性。如果峡部断裂,运动产生的剪切力将导致腰椎椎间盘、韧带的退变损伤,致稳定腰椎稳定性的功能丧失,致椎体失稳并产生峡部裂性腰椎滑脱。流行病学研究[1]发现,峡部裂性腰椎失稳和滑脱是引起慢性下腰痛的常见原因,尤其在年轻人群的腰痛中占最主要原因,18岁青年人发病率达6%。峡部裂发生的原因较多,如胚胎发育不良,上下关节突在发育的过程中骨骺小体在峡部未形成骨性连接,以致峡部产生裂隙。本研究采用Micro CT检测正常成人腰椎各节段的峡部,探讨正常成人腰椎峡部骨质的微细结构并观察其差异性,为下一步研究慢性损伤致腰椎峡部微细骨质改变和对内固定材质要求打下一定的研究基础。

1 材料和方法

1.1 材料

由成都医学院人体解剖与组织胚胎教研室提供的30具成人尸体标本的L1～L5各30个双侧峡部,共计300个检测标本,标本无峡部裂等结构异常。男15具,女15具,年龄40～84岁。

1.2 方法

1.2.1 Micro CT扫描方式及参数选择 所有标本均用Micro CT(广州中科恺盛医疗科技有限公司 ZKKS-MicroCT 3.0)独立扫描。电压：60 KV,功率：40 W,探测器拼合B1,4帧叠加,转台角度采样间隔0.72 度/转,投影视图数500,平移台视野选择：Large Field。做好空扫和暗电流后将标本固定在模具上,将模具放置固定在旋转台上,关上仓门,开始采集操作。将所得到的原始数据进行重建处理,调整好窗宽、窗位后,分别保存IMO格式和RAW格式。

1.2.2 Micro CT骨分析 对所有腰椎的双侧峡部分别进行骨分析,加载IMO格式和RAW格式,选择电压60 KV进行骨仿体的映射,在横断面上选择峡部的测量感兴趣区,ROI前、后、内、外缘,包括峡部的皮质和骨松质,滑动切片条,使起始切片包括峡部下缘骨皮质,截止切片包括峡部上缘骨皮质,对ROI进行切割(见图1),对需要进行分析的骨质进行阈值分割,点击“显示信息”后即显示当前选定的感兴趣区的各项骨质参数。本研究对骨矿物质密度(bone mineral density,BMD)、骨体积分数(BV/TV)、骨小梁分离度(trabecular separation,Tb.Sp)、骨小梁厚度(trrabecular thickness, Tb.Th)等数据进行分析比较。

1.3 统计学方法

2 结果

2.1 Micro CT二维图像观察

L1～L5双侧峡部骨皮质连续,骨小梁清晰,L1～L5双侧峡部厚度逐渐变大,腰5骨小梁间隙较腰1～4骨小梁间隙稍大,L2骨小梁较细(见图2)。

2.2 BMD比较分析

L1～L5双侧峡部BMD值(见表1、图3),L1与L2组间比较、L2与L3组间比较、L3与L4组间比较、L4与L5组间比较,差异均有统计学意义,各组P值均<0.05。

表1 腰椎峡部BMD值

2.3 骨体积分数(BV/TV)比较分析

L1～L5双侧峡部BV/TV值(见表2、图4),L1与L2组间比较、L2与L3组间比较、L3与L4组间比较、L4与L5组间比较,差异均有统计学意义,各组P值均<0.01。

表2 腰椎峡部BV/TV值

2.4 骨小梁分离度(Tb.Sp)、骨小梁厚度(Tb.Th)比较分析

L1～L5双侧峡部Tb.Sp值、Tb.Th值(见表3、图5),L1与L2组间比较、L2与L3组间比较、L3与L4组间比较、L4与L5组间比较,差异均有统计学意义,各组P值均<0.01。

表3 腰椎峡部Tb.Sp、Tb.Th值

图1 椎体峡部ROI选择范围 图2 腰椎峡部二维图像2a:腰1峡部横断面;2b:腰2峡部横断面;2c:腰3峡部横断面;2d:腰4峡部横断面;2e:腰5峡部横断面

图3 腰椎峡部BMD变化趋势a:腰椎左侧峡部;b:腰椎右侧峡部

图4 腰椎峡部BV/TV变化趋势a:腰椎左侧峡部;b:腰椎右侧峡部

图5 腰椎峡部Tb.Sp、Tb.Th变化趋势a:腰椎左侧峡部;b:腰椎右侧峡部

3 讨论

3.1 腰椎峡部的解剖价值

腰椎峡部(isthmus)是指腰椎上、下关节突相移行的部位,前方连接椎弓根,借椎弓根与椎体间接相连,峡部的外下方紧邻脊神经根穿出区域。上位腰椎的下关节突和下位腰椎的上关节突形成交锁式关系,上位腰椎的下关节突位于后方,下位腰椎的上关节突位于前方,这样的叠加方式可阻止腰椎向前移位。当人体向前屈曲时上下关节突将产生对峡部更大的剪切力,致峡部的骨质易发生损伤,如发生峡部裂,将继发脊柱失稳、滑脱、神经根压迫等改变。

目前,对腰椎峡部裂发生的病因学解释较多：一种是化骨核分离学说,认为每侧椎弓各有两个骨化中心,一个形成上关节突和椎弓根,另一个形成下关节突、椎板及棘突。如果这两个骨化中心后期不能在峡部形成骨性愈合,就会导致峡部裂。但随着研究的增多,有些学者并不支持这个观点[2],如刘润田等[3]解剖509例婴儿尸体解剖材料,未发现1例峡部裂发生,Wiltse[4]发现峡部裂在5.5～7岁儿童开始出现,发病率随年龄的增加而增加,但在40岁以后有趋平稳。现在最多学者认同的病因为应力或疲劳骨折学说,多位学者[5,11]对从事高强度运动的运动员进行调查时发现,一些运动项目具有较高的峡部裂发生率,如投掷运动(26．67%),艺术体操(16.96%)。Standaert等[6,16]研究发现腰椎峡部裂大部分发生在L5,其发生率为85%～95%,其次是L4,发生率为5%～15%。有研究认为L5承受的躯体重力最大,L5椎体向前倾斜的角度最大,L5发生峡部裂的概率最大,L4椎体的倾斜度和所受的应力仅次于L5,L4的峡部裂发生率仅次于L5。Hutton、Grobler等[7-10,12]研究了脊柱椎小关节的排列发现L4、L5椎小关节成矢状方向排列,脊柱反复旋转、后伸产生的剪切力易造成峡部骨质不连。但查阅文献鲜少见到有对腰椎峡部骨微细结构进行的研究。本研究运用Micro CT检测了L1～L5双侧峡部的骨矿物含量、骨小梁结构等指标,分析腰椎峡部骨质的微细结构,探讨腰椎峡部的骨质特性及其与峡部裂发生的潜在关系。

3.2 Micro CT在骨质量研究中的应用

Micro CT是在微米级的水平上观察骨皮质、骨小梁、骨髓腔的2D、3D立体结构,并能精确计算整体骨量参数,有学者[13-15]对Micro CT影像和计算的骨量参数与常规病理切片进行了比较,显示结果具有一致性。本研究运用Micro CT对腰椎峡部进行了形态学观察和骨量参数的分析,其中骨量参数分析主要研究了骨矿物质密度(BMD)、腰椎骨体积分数(BV/TV)、腰椎骨小梁分离度(Tb.Sp)、骨小梁厚度(Tb.Th)。

3.3 腰椎峡部BMD特性

骨矿物质密度(BMD)反映骨骼中骨矿含量的多少,骨矿物质含量与骨骼强度密切相关。本研究发现L4峡部的BMD最高,L5峡部的BMD最低,提示L4峡部骨质强度最大,L5峡部骨质强度最小。

3.4 腰椎骨体积分数(BV/TV)特性

骨体积分数又称骨容积比,是指单位体积内骨容量占整个测量块的体积的比重,是反映骨量的多少。本研究发现L4峡部的BV/TV最高,L2、L5峡部的BV/TV最低,提示L4峡部骨量最多,L2、L5峡部骨量最少。

3.5 腰椎骨小梁分离度(Tb.Sp)、骨小梁厚度(Tb.Th)特性

骨小梁厚度测量的是填充骨小梁结构的最大球体直径的平均值,骨小梁厚度反映骨小梁的粗细程度。骨小梁分离度的测量方法是和骨小梁厚度类似的计算方法,将填充髓腔的最大球体直径的平均值作为骨小梁的平均间隙, 表示骨髓腔厚度,其反应骨小梁间距或骨髓腔的大小。本研究发现L1、L4峡部骨小梁最粗、骨小梁间隙最小,L2、L5峡部骨小梁最细、骨小梁间隙最大。

通过对骨矿物质密度、骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁分离度的分析发现L1～L5峡部中,L4峡部的骨矿物质密度、骨体积分数、骨小梁厚度最高,骨小梁分离度最小,说明L4峡部的骨质在各腰椎峡部中最坚硬,骨小梁最集中。L5峡部的骨矿物质密度、骨体积分数、骨小梁厚度最小,骨小梁分离度最大,说明L5峡部的骨质在各腰椎峡部中最脆弱,骨小梁最分散,骨髓腔的体积最大。这样的骨细微结构导致L5峡部在受到应力时,最易发生骨质损伤。在Micro CT的二维图像中也观察到腰5骨小梁间隙较腰1～4骨小梁间隙稍大,L2骨小梁较细。结合其他学者对腰椎的研究：L5椎体前倾角最大,承受重力最大,L5峡部发生断裂的概率最大。

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读者·编者·作者

论文“引言”的撰写要求

论文“引言”又称前言、导言、绪言、导语等，是论文的开场白，要求开门见山，简要说明正文主要内容，回答“为什么研究”这个问题，说明本研究要解决什么问题及其重要意义，以表明本研究的科学性、先进性及应用价值，给读者以引导、启迪。引言文字要求以150～300个汉字为宜。引言的主要内容：①介绍背景材料，并引用文献，说明相关领域前人的工作及缺陷或空白，阐明本研究的理论基础；②交待本研究的目的、意义，并作恰当的自我评价；③简介本研究的设计、选题依据、研究方法、主要收获、预期结果和意义等；④注释性资料应加以定义说明，但切忌空话大话、长篇大论，引用文献不宜过多，应略去详尽的文献综述段落。

Bone Microstructure Study of the Lumbar Isthmus by Micro CT

TANGXi1，LIUHong2，LiXin3，WUShao-ping1，HUANGLi1，FENGJun-bang1，YONGLiu-jun4，LIUWei-hua1*

(1.TheFirstAffiliatedHospitalofChengduMedicalCollege，Chengdu610500,China；2.InternalMedicineofHospital，ChengduMedicalCollege，Chengdu610500,China；3.AdministrativeOfficeofChengduMedicalCollege，Chengdu610500,China；4.DepartmentofAnatomyandHisto-Embryology,ChengduMedicalCollege，Chengdu610500,China)

Objective To detect lumbar isthmus bone microstructure and to explore the change tendency among them through Micro CT and its post-bone analysis processing function. Methods The L1-L5 lumbar isthmus on both sides of 30 adult specimens, total 300 dry lumbar isthmus, were scanned to detect the isthmus bone microstructure parameters, and to analyze and compare the microstructure differences among L1-L5 isthmus bones. Results The bone mineral density (BMD) of L5 lumbar isthmus was the lowest, followed by that of L2 lumbar isthmus. The BMD of L4 lumbar isthmus was the highest. The BV/TV of L2 and L5 lumbar isthmus were low, but that of L4 lumbar isthmus was high. The Tb. Th of L2 and L5 lumbar isthmus were low, and that of L4 lumbar isthmus was the highest. The Tb. Sp of L5 lumbar isthmus was the highest, and those of L1 and L4 lumbar isthmus were low. Conclusion The isthmic bones of L2 and L4 lumbar isthmus bone are dense, while their trabecular bones are thicker; the isthmic bones of L1 and L5 lumbar isthmus bone are sparse, while their trabecular bones are fine; the bone microstructure parameters of L3 lumbar isthmus are on the average values.

Lumbar Isthmus；Micro CT；Analysis of Bone；Bone Microstructure

四川省卫生厅科研基金(NO：120472)

刘卫华,E-mail:872485363@qq.com

10.3969/j.issn.1674-2257.2014.02.007

R814.42

A