脊柱长度的测量及其在特发性脊柱侧凸研究中的作用

刘 洋，史宁宁，张 勇，张 曦，卢虹冰(第四军医大学生物医学工程学院计算机应用教研室，西安7003;西安市儿童医院骨科;通讯作者，E-mail:orthzhangyong@aliyun.com)

青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)以脊柱在冠状面上的侧凸、矢状面上失去正常的生理弯曲和在水平面上的椎体旋转为特征的三维畸形。AIS对患者的生活质量和心理健康都会产生很大的影响，近年来引起了人们的广泛重视［1-5］。

相关研究表明，脊柱侧凸畸形与初诊Cobb角、侧弯方式、Risser指数、顶锥旋转度等参数关系很大。课题组最新的研究表明:脊柱长度的增长速度与畸形进展密切相关［4］。但目前国际上尚无脊柱长度测量的统一方法，大都采用医生手工测量。由于手工测量的主观因素较强，测量的可重复性和一致性较低。因此，如何准确、可重复地测量脊柱长度是评价畸形进展所亟待解决的问题。为了解决该问题，本研究提出了一个准确、可重复的脊柱测量方法，并将其应用于脊柱侧凸的研究中。

1 材料与方法

1.1 数据获取

X线平片是诊断脊柱侧凸的主要手段，可确定畸形的类型、部位、严重性等。为此，本研究选用站立位脊柱全长X线片，上端包括下颈椎、下端包括双侧腰骶关节和髂骨翼，从而获取畸形的真实情况和躯干的状态。

X线扫描后，将片子置入观片灯，用三脚架支起相机使相机镜头对准片子中心，关闭闪光灯，设图片色彩为黑白，拍摄X线平片。针对所有被试的平片，平片的中心、三脚架位置及镜头的焦距等指标和参数相同，从而保证所有数码图片的大小和分辨率相同。

1.2 脊柱长度测量

本研究针对X线平片的特点，提出了一种快速、准确的脊柱长度测量方法，并开发了针对性的程序，程序基于Matlab 6.5开发。

1.2.1 基于数码图片的脊柱长度测量 如图1所示，针对每个椎骨选择四个顶点，如点1-4。然后，程序会自动计算1和2及3和4连线的中点A和C，以及1和3连线与2和4连线的交点B。重复该过程，利用5-8点，可获得D、E、F三个中点，进而可获得每个椎骨的三个中点。但获得的系列中心点是离散的，用这些点直接计算脊柱长度势必会产生较大的误差。为此，我们基于这些点，进行样条插值，从而获取平滑的中心线，如图2所示。将插值后点之间的距离求和，便可获得基于体素大小的脊柱长度。

图1 脊柱中心点计算示意图Figure 1 Sketch of measurement of centre point of spine

图2 插值后曲线Figure 2 Interpolation curve

1.2.2 测量长度转换为真实值 基于数码图片的脊柱长度测量，可计算出脊柱长度。但这个长度是基于体素大小的，并不是真正的脊柱长度。为此，利用X线机扫描一件已知长度且可在X线下显影的物体，并使用上述方法对其长度进行测量，从而获得体素大小与真实长度的换算关系。利用这个换算关系，便可将基于数码图片获得的脊柱长度，转换为真实值。

1.3 脊柱长度测量测量的评价

为了评价本研究所提出脊柱测量方法的准确性和可重复性，将本研究所提出的测量方法与临床医生手工测量的结果进行比较。医生直接在X线平片上测量，测量范围为T1-L4。

本研究对三名被试的数据进行5次重复测量，并计算本文方法及两名医生测量结果的均值和标准差，从而评价本文方法的准确性和可重复性。测量准确性，主要通过将本文方法与医生测量方法的均值相除作为评价指标，结果接近1，说明测量结果准确。测量可重复性，主要比较多次测量结果的标准差，标准差越小，可重复性越高。

2 结果

为了评价本方法的准确性和可重复性，对三名被试进行5次重复测量，测量5次结果的均值和标准差见表1。

由表1可见，本研究所提出的方法测量得到的均值与医生测量结果的均值非常接近，将本文方法与医生测量方法的均值相除，可得到三名被试的结果分别为0.999 2，0.998 3，1.000 4，与 1 非常接近，由此可以说明本研究方法测量的准确性很高。同时，本研究方法测得结果的标准差较医生测量结果低得多，说明本研究方法的可重复性好。

3 讨论

AIS发生后，引起畸形加重的相关因素较多，但骨骼生长发育特点和发育成熟程度常被认为是畸形进展的重要因素，其中以身高增长速度、Risser指数、月经初潮时间、腕骨骨龄和实足年龄为代表。Sun等［6］对142例正规支具治疗的女性AIS患者回顾性研究发现，骨骼发育未成熟，初诊侧凸角度大于30°且胸弯的AIS患者，支具治疗期间畸形进展的危险性较高。提示我们脊柱的残余生长潜力是畸形进展的重要因素;张勇等［7］对46例轻、中度青少年特发性脊柱侧弯患儿进行观察分析，发现患儿的坐高与站高的比率和Cobb角之间存在明显的正相关关系(r=0.675，P ＜0.05)，提示坐高与站高的比率和畸形严重程度之间存在相关关系。Little等［8］对120例女性AIS患者和正常女性青少年进行了比较，研究发现两组身高增长速度均要经历一个高峰期和快速下降期，当身高增长速度达到峰值时，如果侧凸角度大于30°，则有83%的可能性侧凸加重到45°以上;而侧凸小于30°的，仅有4%的可能性畸形加重到45°以上。而且发现与患者的年龄、月经初潮时间及Risser征相比，身高增长速度具有时差短、预测更准确等优点。提示我们身高增长速度能有效预测骨骼发育程度，并为预测畸形加重提供有用的信息。张勇等［9］的另一项研究表明脊柱长度的增长速度与畸形进展密切相关，且20 mm/年的增长速度是导致侧凸进展的关键因素。本研究在测量中发现，微小的长度差异都会对畸形评价结果产生较大的影响。因此，对脊柱长度的准确和可重复测量，是评价畸形进展所亟待解决的问题。为此，本研究提出了利用X线平片的数码图片来测量脊柱长度的测量方法。本方法利用每个椎骨的四个顶点，确定三个中点，进而获取脊柱的中线，并利用中线上点的距离和作为脊柱长度。由于椎骨顶点，在X线平片中容易辨识，且重复扫描时，椎骨顶点的位置基本无变化。因此，选用椎骨顶点确定椎骨中点，进而确定脊柱中线的方法是合理的。

表1 本文方法与医生测量脊柱长度结果比较 (cm)Table 1 Com parison of spinal length measured by calculated method and doctor’s manual method (cm)

通过与医生手工测量的方法对比，发现本文提出的脊柱测量方法在准确性方面，与医生手工测量值非常接近，在可重复性方面，多次测量的结果的标准差很低，说明本文提出的测量方法的可重复性较好。这些结果都说明，本方法将在预测脊柱畸形的研究中具有重要的作用。

［1］Danielsson AJ，Hasserius R，Ohlin A，et al.Health-related quality of life in untreated versus brace-treated patients with adolescent idiopathic scoliosis:a long-term follow-up［J］.Spine(Phila Pa 1976)，2010，35(2):199-205.

［2］张勇，杨毅军，赵黎，等.支具治疗对女性青少年特发性脊柱侧凸心理的影响分析［J］.实用骨科杂志，2014，20(8):684-686.

［3］Deceuninck J，Bernard JC.Quality of life and bracetreated idiopathic scoliosis:a cross-sectional study performed at the Centre des Massues on a population of 120 children and adolescents［J］.Ann Phys Rehabil Med，2012，55(2):93-102.

［4］张勇，史宁宁，周南，等.青少年特发性脊柱侧凸对生活质量的影响［J］.中华物理医学与康复杂志，2011，33(3):234-236.

［5］Zhao L，Zhang Y，Sun X，et al.The Scoliosis Research Society-22 Questionnaire adapted for adolescent idiopathic scoliosis patients in China:reliability and validity Analysis［J］.J Child Orthop，2007，1(6):351-355.

［6］Sun X，Wang B，Qiu Y，et al.Outcomes and predictors of brace treatment for girls with adolescent idiopathic scoliosis［J］.Orthop Surg，2010，2(4):285-290.

［7］张勇，赵黎，王瑞，等.坐高与站高的比率和青少年特发性脊柱侧凸关系的分析［J］.中华小儿外科杂志，2006，27(11):581-584.

［8］Little DG，Song KM，Katz D，et al.Relationship of peak height velocity to other maturity indicators in idiopathic scoliosis in girls［J］.J Bone Joint Surg Am，2000，82(5):685-693.

［9］张勇，杨毅军，党晓谦，等.预测支具治疗女性青少年特发性脊柱侧凸畸形加重的相关参数分析［J］.山西医科大学学报，2014，45(5):410-413.