基于 EOSTM的青少年特发性脊柱侧凸椎体轴面旋转分析

秦乐 严福华 杜联军 师小凤

基于 EOSTM的青少年特发性脊柱侧凸椎体轴面旋转分析

秦乐 严福华 杜联军 师小凤

目的 利用 EOS 影像系统分析青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者的椎体轴面旋转角度与冠状面、矢状面和骨盆畸形间的关系。方法 选择 2015 年 9 月至 2016 年 2 月，在我院拍摄的 EOS 脊柱全长 X 线片的 AIS 患者，共有 49 例纳入研究，使用 sterEOS 软件对脊柱全长 X 线片进行三维模型重建。根据主弯所在位置，获得冠状面 Cobb’s 角，轴面顶点椎体旋转、上椎旋转、末椎旋转、上椎椎体间轴面旋转和末椎椎体间轴面旋转角度，矢状面 T4～12后凸角和骨盆参数骨盆入射角、骨盆倾斜角。对各轴面旋转角度与冠状面 Cobb’s 角以及骨盆参数进行 Pearson 相关性分析。将胸主弯、胸腰段主弯和腰主弯的顶点椎体旋转角度分别与胸椎矢状面后凸角进行相关性分析。结果 顶点椎体轴面旋转与 Cobb’s 角有较好的相关性（r=0.792，P＜0.001），上椎旋转、末椎旋转、上椎椎体间轴面旋转和末椎椎体间轴面旋转分别与Cobb’s 角有轻、中度的相关性（r=0.419，P=0.003；r=0.320，P=0.025；r=0.366，P＜0.01；r=0.345，P= 0.015）。除顶点椎体轴面旋转与骨盆倾斜角有轻度相关性外（r=0.330，P＜0.021），其余脊柱轴面与骨盆参数均无明显相关性。主胸椎侧凸组、胸腰段侧凸组和腰椎侧凸组顶点椎体旋转角度与 T4～12后凸角均无明显相关性。结论 椎体轴面旋转角度与脊柱冠状面 Cobb’s 角之间存在密切的联系，但可能与胸椎后凸角和骨盆畸形并无明显关系。

放射摄影影像解释，计算机辅助；青少年；脊柱侧凸；旋转

在过去的 10～20 年间，脊柱侧凸作为三维畸形病变的概念被广泛接受。特别是对于轴面上椎体位置和旋转异常，近来已有众多学者对其进行了研究。目前已提出了多种方法对椎体的轴面旋转进行评价，其中以 Nash-Moe 和 Perdriolle 法最为常用［1］。但其准确性和可靠性依旧不高。尚有学者通过复杂的数学计算公式得出 X 线片上的椎体轴面旋转数值［2-3］。因此，笔者认为传统正侧位 X 线片很难做到对脊柱进行三维定量评价，特别是轴面的旋转［4］。而 CT 虽为诊断脊柱侧凸的金标准，但其受制于患者必须在仰卧位成像，无法反映站立位时的脊柱功能位置改变［5］。

随着影像技术的飞速发展，目前通过 EOS 摄片系统拍摄站立位脊柱全长正侧位 X 线片，并在其sterEOS 后处理平台经过约 20 min 的建模后，即可快速获得脊柱和骨盆的各项三维变化参数。此外，这些参数能够自动修正由于骨盆旋转导致的测量误差。2015 年 9 月至 2016 年 2 月，我科对 49 例青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）患者进行 EOS 摄片和建模，获得其椎体轴面旋转角度，并将其与椎体冠状面、矢状面和骨盆畸形间的关系进行研究。现对其总结如下。

资料与方法

一、纳入与排除标准

1. 纳入标准：（1）年龄 6～18 岁；（2）在 2 D图像上手工测量 Cobb’s 角＞10°；（3）成像清晰，无运动伪影及异物或内固定等遮挡。

2. 排除标准：（1）先天性椎体畸形变异、骶椎腰化、代谢性骨病或骨折后改变；（2）椎体肿瘤；（3）手术后改变，如脊柱内固定植入、椎体内植入骨水泥和椎体切除等。

二、摄片与建模

患者于站立位在 EOS 影像摄片机上同时拍摄正侧位脊柱全长 X 线片后，可以得到 2 张解剖位置相互对应的正位和侧位 X 线片。然后在 sterEOS 后处理软件选择脊柱项目内的 full 3 D 模式进行三维建模。重建过程中先根据系统提示确定骶骨倾斜面和骨盆位置，然后勾画出冠状面和矢状面脊柱弯曲情况，最后仔细调整各椎体解剖标志的位置，特别是双侧椎弓根、棘突和椎体边缘的位置（图 1、2）。

三、测量指标

重建完成后，系统能够自动提供轴面、冠状面和矢状面的脊柱及骨盆测量参数，本研究评价分析的侧凸均为主侧凸，并选择下列参数应用于研究：Cobb’s 角、顶椎轴面旋转角度（apical vertebrae rotation，AVR）、上端末椎轴面旋转、下端末椎轴面旋转、上端末椎与其上一椎体的椎体间轴面旋转、下端末椎与其下一椎体的椎体间轴面旋转、T4～12后凸角、L1～S1前凸角、骨盆入射角（pelvic incidence，PI）和骨盆倾斜角（pelvic tilt，PT）。此外根据顶椎的位置，分为胸椎主侧凸（T2～11）、胸腰段主侧凸（T12～L1）和腰椎主侧凸（L2～4），分别与胸椎 T4～12后凸角进行相关性分析。同时系统会给出各椎体轴面旋转的条形图和矢量图，使数据显示更为直观（图 3）。测量由 1 名放射科骨关节影像专业的住院医师和 1 名副主任医师各自独立完成，2 人均经过 1 个月的 EOS 影像技术培训。取其平均值进行分析。

四、统计学处理

采用 SPSS 22.0 软件进行统计学分析。所有参数以± s 表示。相关性分析采用 Pearson 相关分析法。P＜0.05 为差异有统计学意义。

图1　绿色椎体为正在重建的椎体，该步骤用于调整椎体旋转方向。正侧位 X 线片相互对应，因此蓝线能在两张图像上同时位于该椎体下缘Fig.1 Green vertebra represented the vertebra being constructed. This step was used to adjust vertebral rotation orientation. Due to the simultaneously recorded anterior and lateral X-ray images， blue line could be located at the inferior level of a same vertebra on both images

图2　与图1为同一患者。进一步调整椎体边界、棘突和椎弓根位置，使绿色模型与椎体相吻合Fig.2 Same patient in figure 1. Vertebral borders， spinal process and pedicles were further adjusted to match the green model with vertebra

图3　SterEOS 软件提供的条形图（a）和矢量图（b）能更直观显示椎体轴面旋转角度和方向Fig.3 Bar graph（a）and vector graph（b）created by SterEOS software provide more direct view of axial vertebral rotation and orientation

结 果

本组 49 例，其中男 14 例，女 35 例，平均年龄 15.1（9～18）岁。脊柱冠状面参数 Cobb’s 角为（26.3±10）°（12.1°～56.1°），脊柱轴面参数 AVR 为（8.1±6.6）°（0.5°～28°）、上椎轴面旋转为（6.3± 5.3）°（0.1°～24°）、末椎轴面旋转为（6.4±4.8）°（0.8°～17.6°）、上椎椎体间轴面旋转（3.7±3.1）°（0.1°～15.4°）、下椎椎体间轴面旋转（2.8±2.3）°（0°～9.2°），脊柱矢状面参数 T4～12后凸角为（22.8± 10.9）°（1.9°～47.7°），骨盆参数 PI 为（40.0±15.6）°（14.5°～90.3°）、PT 为（8.9±7.6）°（0.2°～28.9°）。其中 27 例 Cobb’s 角为 10°～25°，18 例 Cobb’s 角为≤45°～＞25°，4 例 Cobb’s 角＞45°。

在脊柱轴面旋转角度与冠状面侧凸角度的相关性分析中，AVR 与 Cobb’s 角有较好的相关性，其它参数与 Cobb’s 角均有轻、中度的相关性（表 1）。而在轴面旋转角度与骨盆参数的相关研究中，除AVR 与 PT 有轻度相关性外，其余脊柱轴面与骨盆参数均无明显相关性（表 1）。在脊柱轴面参数与胸椎后凸角的相关分析中，主胸椎侧凸组、胸腰段侧凸组和腰椎侧凸组与 T4～12后凸角均无明显相关性（表 2）。

表1　轴面椎体旋转与脊柱冠状面 Cobb’s 角和骨盆参数间的相关性Tab.1 Correlations between axial vertebral rotation and spinal coronal Cobb’s angle as well as pelvic parameters

表2　各组顶椎轴面旋转与胸椎后凸角间相关性Tab.2 Correlations of 3 different groups of axial vertebral rotation and thoracic kyphosis

讨 论

本研究最大的发现是脊柱侧凸顶椎轴面旋转与冠状面 Cobb’s 角大小具有很好的正相关性，即顶椎轴面旋转角度越大，冠状面上脊柱侧凸程度越明显。而上椎轴面旋转、末椎轴面旋转、上端末椎与其上一椎体的椎体间轴面旋转和下端末椎与其下一椎体的椎体间轴面旋转与 Cobb’s 角之间有轻度相关性。

目前，国际上广泛采用 Lenke 脊柱侧凸分型法对 AIS 患者进行分型，并公认其为最实用可靠的方法［6］。但分型中没有纳入椎体轴面畸形旋转角度。这主要是由于过去 X 线片的影像技术手段的限制所致。即便过去作为金标准的 CT 扫描，也由于其放射剂量和体位而在 AIS 患者的临床实际诊断随访中应用十分有限［4］。因此，准确的椎体轴面旋转畸形与椎体冠、矢状面和骨盆之间的关系一直存在争议。笔者认为，阐明椎体轴面旋转与其它脊柱、骨盆三维畸形之间的关系不仅能够从一个新的角度来认识脊柱侧凸的病变严重程度，也能够进一步指导手术分型，帮助手术医生更好地纠正脊柱侧凸，改善患者预后。

近 10 年来，随着 EOS 系统在全球的不断推广应用，其建模获得的脊柱和骨盆三维畸形参数在AIS 患者中的准确性和可靠性已经被多次验证［7-8］。Humbert 等［7］将 EOS 与 CT 的脊柱测量值进行对比后发现，两者并无差异。Glaser 等［8］使用体外模型对 EOS 与 CT 的脊柱和骨盆测量准确性作了详细地研究比较。他们分别在模型各轴面旋转角度下进行了测量，结果显示椎体的形态准确度差异为（1.1± 0.2）mm，而骨盆入射角、Cobb’s 角和矢状面后凸角的准确度差异在平均 1° 以内。因此，他们认为 EOS影像所重建的模型能够代表脊柱的真实形态，且不受体位旋转的影响，能够用于临床诊疗。

过去已有学者使用不同的方法来揭示脊柱冠状面和矢状面曲度与椎体轴面旋转之间的关系。Courvoisier 等［9］使用 EOS 影像系统比较了两组Cobb’s 角平均值分别为 13° 和 16° 的 AIS 患者的AVR 后发现，两组患者间并无明显差异。因此，他们认为在轻度 AIS 患者中，AVR 是独立于 Cobb’s 角之外的脊柱侧凸特点。此外，AVR 还能较 Cobb’s 角更好地预测侧凸进展。笔者认为，这两组患者中的Cobb’s 角大小过于接近是导致两者 AVR 无明显差异的重要的原因。本研究中患者 Cobb’s 角大小范围为12.1°～56.1°，可以更好地反映轻度至重度脊柱侧凸的 AVR 变化情况，同时进一步证实脊柱侧凸是三维畸形，即冠状面的畸形侧凸改变必然伴随着椎体的轴面旋转。但笔者仅做了相关性研究，因此无法明确在脊柱侧凸发展过程中的起因和继发改变。

笔者的研究结果与 Easwar 等［10］相仿，他们利用 CT 对 75 例 AIS 患者的 AVR 和 Cobb’s 角进行相关性研究后发现，这两个测量值之间有较好的正相关性（r=0.478，P＜0.001）。Nault 等［11］利用 EOS影像对 133 例 AIS 患者进行平均 12.6 年的随访后发现，顶椎旋转是预测脊柱侧凸进展的良好指标，某些情况下角度增加会加大脊柱侧凸，而上下端末椎与相邻椎体间的旋转角度无法预测脊柱侧凸是否会进展。本研究中则显示末端轴面旋转、上端和末端椎体间旋转角度均与 Cobb’s 角有轻度的相关性，提示这些角度的增大可能也会伴随冠状面畸形侧凸的改变。因此，在 AIS 患者的保守治疗中，同样需要对椎体轴面旋转的恢复情况予以评价。如果随访过程中椎体轴面旋转角度并未减小或继续增大，则代表该患者仍然存在脊柱侧凸。而在手术治疗中，有效的椎体去旋转治疗是必要的，且需要纠正的角度与 Cobb’s 角大小相关。因此，轴面旋转的治疗与冠状面侧凸的治疗同样重要。

现有文献中对椎体轴面旋转与脊柱矢状面和骨盆间关系的研究较少。Ni 等［12］利用 Perdriolle 法测量脊柱三维参数后发现，AVR 与 T11～L2间矢状面和冠状面弯曲度均有明显正相关性，即顶椎旋转角度越大，T11～L2后凸角和 Cobb’s 角越大。笔者对脊柱侧凸轴面与矢状面关系的研究结果与其相反。根据Lenke 分型，胸椎的后凸角生理曲度在手术中是需要考虑的重要指标之一，故本研究将患者分为主胸组、主胸腰段 / 腰椎组和主腰段组侧凸 3 组，分别与胸椎矢状面排列情况进行相关性分析研究。结果显示在这 3 组中均未发现 AVR 与矢状面弯曲之间存在相关性。经分析认为可能的原因是矢状面排列为一复杂的全身因素相关性结构，并非简单地仅与某个值相关。其中骨盆是影响脊柱矢状面平衡的一项关键因素，骨盆形态的改变往往能引起腰椎前凸角异常。此外性别、脊柱侧凸进展程度和下肢病变情况等均会对脊柱矢状面产生影响。

由于骨盆入射角和骨盆倾斜角能较好地反映骨盆形态和后倾程度，因此笔者与将这两个参数与椎体轴面旋转角度进行了相关性分析。结果显示除 AVR 与 PT 有轻度的相关性外，其余椎体轴面旋转与骨盆参数间均无明显相关性。一般而言，骨盆入射角反映骨盆形态，而骨盆倾斜角反映其后倾程度。Pasha 等［13］研究后发现，84% 的主胸椎侧凸患者和 55% 的胸腰段侧凸患者顶椎的旋转方向与骨盆旋转方向一致，提示骨盆旋转是受椎体旋转影响的，但他们未就旋转角度大小进行过研究。而笔者的结果提示骨盆的形态与椎体旋转之间相关性较差，但其后倾程度可能受到了顶椎轴面旋转所引起的脊柱侧凸的影响。

本研究存在一些局限性：首先，患者样本量较小，特别是严重脊柱侧凸的患者；其次，笔者缺乏对 AIS 患者的随访研究，无法明确椎体的轴面旋转是否为侧凸进展的危险因素；最后，笔者是根据主弯大小来对患者进行分类的，未来可能需要严格按Lenke 分型对患者进行分类后做进一步的相关性分析研究。

综上所述，椎体轴面旋转角度与脊柱冠状面Cobb’s 角之间存在密切的联系，明确两者之间的关系有助于进一步研究 AIS 的发生发展机制，以及更好地指导治疗和随访观察疗效。

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（本文编辑：王萌）

An analysis of vertebral axial rotation in adolescent idiopathic scoliosis based on EOSTM

QIN Le， YAN Fu-hua，DU Lian-jun， SHI Xiao-feng. Department of Radiology， Ruijin Hospital， Shanghai Jiaotong University， Shanghai，200025， PRC

YAN Fu-hua， Email： ruijin665727@qq.com

Objective To evaluate the axial vertebral rotation for their relations with the coronal and sagittal spine as well as pelvic deformity by EOS imaging system. Methods From September 2015 to February 2016，49 patients with adolescent idiopathic scoliosis subjected to EOS X-ray examinations were enrolled in this study，followed by sterEOS 3 D reconstructions. According to the location of the major curve， coronal Cobb’s angle， axial rotation parameters including apical vertebral rotation， superior end vertebral rotation， inferior end vertebral rotation，superior end interverbral rotation， inferior end interverbral rotation， sagittal T4-12kyphosis and pelvic parameters involving pelvic incidence and sagittal pelvic tilt were taken. Relations between different axial rotation parameters and Cobb’s angle or pelvic parameters were evaluated by Pearson correlation analysis. The correlation was investigated between apical vertebral rotation of major thoracic， thoracolumbar and lumbar curve， and sagittal thoracic kyphosis，respectively. Results Strong and significant correlations were observed between apical vertebral rotation and Cobb’s angle（r = 0.792， P ＜ 0.001）. Slight and moderate correlations existed between axial rotation including superior end vertebral rotation， inferior end vertebral rotation， superior end interverbral rotation， inferior end interverbral rotation and Cobb’s angle， respectively（r = 0.419， P = 0.003； r = 0.320， P = 0.025； r = 0.366， P ＜ 0.01； r = 0.345， P = 0.015）. Except for the slight correlation between apical vertebral rotation and pelvic tilt（r = 0.330， P ＜ 0.021）， no significant correlations were found between axial vertebral rotation and pelvic parameters. There were also no significant correlations between apical vertebral rotation of different major curves and T4-12kyphosis. Conclusions Axial vertebral rotation is closely related to the spinal coronal Cobb’s angle. However， relations are failed to be found between theaxial vertebral rotation and thoracic kyphosis or pelvic deformity.

Radiographic image interpretation， computer-assisted； Adolescent； Scoliosis； Rotation

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.08.004 中图分类号：R682.3， R445

200025 上海交通大学医学院附属瑞金医院放射科

严福华，Email: ruijin665727@qq.com

（2016-06-07）