腰椎横突参数测量及其与身高相关性研究

贺祖斌，黄筠洋，陆吉利，李伟剑，李伟，陆晓生，张美超

1.右江民族医学院，广西 百色 533000；2.百色市人民医院，广西 百色 533000；

3.百色市妇幼保健院，广西 百色 533000；4.南方医科大学解剖教研室，广州 510515

对于脊柱畸形[1]的矫正手术，椎弓根钉棒固定术是当前被广泛认可的“金标准”，但由于其刚性固定能产生的应力遮挡效应，导致固定节段的骨质疏松或局部应力过大而断钉等不足[2～5]，因而国内外专家提出了脊柱动态内固定的理念，即在保证脊柱固定的前提下使用动态内固定，减轻应力遮挡作用而增加椎体的应力刺激。改良矫正矫正系统[6,7]是通过对CAB[8～10](Corhet a'Appui Bilate'ral) 系统进行改良设计，以横突钩环抱横突，矫形棒连接固定单元而达到类似动态固定[11～13]并减轻应力遮挡的效果，从而弥补了椎弓根钉手术的不足。该系统生物力学实验[14]证明在冠状面和水平面上能达到类似椎弓根钉系统的固定效果，在矢状面上有减轻应力遮挡效应的优势。横突钩对横突的契合度是该系统固定成功的关键，但是由于横突形态多样性及其角度变化可影响横突钩对横突的握持作用，从而影响固定效果。基于这个问题，课题组对横突进行了深入研究，而本次实验主要是通过研究横突结构参数并分析其与个体身高的相关性，为新型脊柱矫正系统设计提供解剖学依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象

搜集60例成人腰椎CT 资料，身高在145～172 cm之间，平均身高（160.4±7.1）cm 包括男性30例,女性30例，无脊柱畸形、慢性疾病和肿瘤、结核等疾病，BMI(身体质量指数)均在18～24之间，平均BMI（21.3±1.6），年龄在21至70岁之间，平均年龄（45.3±12.6）岁。

1.2 方法

1.2.1 Mimics19.0测量精确度验证 以CT 测试水模为参照，进行CT 扫描后用Mimics（比利时Materialise公司的数字化三维交互式医学影像控制系统）三维成像，选水模表面最宽处测量距离，并分别在CT 图像和Mimics 三维图像对同一位置进行测量，比较各测量值的差异。

1.2.2 Minics 三维成像 将所收集的腰椎CT 资料（CT 扫描仪为美国GE 公司生产的Light Speed VCT型，扫描条件为120 kV、125 mA、层厚1 mm）用Mimics19.0进行三维重建，通过该软件测量腰椎横突宽度（横突上下缘距离）、横突厚度(前后缘距离)、长度(横突游离末端至根部的长度，横突根部定义以两侧椎弓根外侧缘的最短距离处作以与该椎体水平中轴线平行的切线，以横突长轴线与该切线相交点作为横突的根部标志见图1C)、水平面角度（横突长轴与水平面夹角）、冠状面角度（横突长轴与冠状面夹角图1B 左）。因本研究目的是使横突与新型脊柱矫正系统横突钩更好的匹配，因此宽度和厚度以横突长度外2/3区域最宽和最厚处作为测量值（图1B、C），因为此处与横突钩内缘接触最多，应力最大。数据记录：Excel 记录数据，精确度：长度0.1 mm，角度0.1°，其中水平面角向后记为正值，向前记为负值。横突冠状面角向下记为正值，方向朝上记为负值。

图1 腰椎Mimics 三维重建测量A：新型脊柱矫正系统有限元分析模型B、C、D：分别是横突的冠状面角度及宽度、长度及厚度、水平面角度横测量示意图E：L5横突短粗，厚度变化坡度大F：显示部分L1横突短小及副突位置向上移的改变Fig.1 Mimics 3D reconstruction measurement of lumbar spineA:New spinal correction system; B,C and D:The transverse measurement diagram of transverse plane angle and width,length and thickness of transverse process and horizontal plane angle respectively; E:L5 transverse process is short and thick,and the change of thickness and gradient is large; F: Shows that part of L1 transverse process is short and the position of accessory process moves upward

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 Mimics19.0测量精确度验证结果

实物测量值205.0 mm、CT 测量值204.0 mm、Mimics19.0测量值204.45 mm，Mimics 测量与实物测量有99.0%相似度，而CT 与Mimics 测量结果基本是一致，充分的说明Mimics 成像和CT 扫描与实物的高度相似性（见图2）。

图2 Mimics19.0测量精确度验证 A：实物测量结果B：CT 图像测量结果 C：Mimics 成像测量结果Fig.2 Verification of Mimics19.0 measurement accuracyA:Physical measurement result；B:CT image measurement result；C:Mimics imaging measurement result

2.2 测量参数与身高相关性

用SPSS22.0通过K-S 法对所有测量参数做正态性检验，正态性资料采用Pearson 相关分析,非正态性资料采用Spearson 相关分析，计算所得P 值及相关系数r值，对P＜0.05的各参数与身高相关性，L1～4的宽度和厚度与身高成正相关，根据其r值大小，L1、L3、L4宽度和L1厚度的r值在0.4～0.6之间呈中度相关性，L2宽度和L2、L3、L4厚度的r 值在0.6～0.8之间，呈强相关性，L2横突长度、L5横突长度和宽度的r 值在0.2～0.4之间，呈弱相关、而冠状面角度、水平面角度与身高无明显相关性P＞0.05（见表1）。L1形态多样，部分横突过于短小，而副突位置较其他椎体副突位置更高，甚至接近上关节突位置（见图1F）。而L5椎体横突粗大，冠状面角方向朝上的幅度是在五个腰椎是最大的，其厚度由外向内变化坡度大见图1E。对横突各测量参数分别与身高做相关性分析散点图观察，L1～4横突宽度和厚度与身高的散点图成正线性相关（见图3）。

表1 成人腰椎横突各参数与身高相关性数据Tab.1 Correlation between the parameters of adult lumbar transverse process and height

图3 腰椎L1～4横突宽度、厚度与身高的相关图Fig.3 Correlation between width,thickness of lumbar L1-L4 transverse process and height

3 讨论

关于横突形态学[15]的研究，李兵等通过CT 扫描测量腰椎横突参数发现L1长度最短,L2、L4、L5长度相似,L3最长,L1～4厚度节段性变化不明显，但在L5水平较L4增大约1倍。各节段横突宽度、厚度从内到外逐渐变窄、变薄。陈世忠等[16]对青少年腰椎X 线照片观察发现L3横突较长、L4横突向上翘起、L5横突扁状。Williams[17]研究发现L4～5变化较小，L5横突最粗壮，直接起自椎体及椎弓根。机械卡压理论[18]认为而L3为腰椎活动的轴心，处于腰曲的中点，其横突较其他横突长且周围附着的肌肉多，受到的各方向的应力最大。以上测量对于横突根部的定义均非常模糊，没有统一标准，也有以副突作为横突根部定位标志，横突厚度和宽度测量部位定位也不明确。同时如果不考虑身高因素影响，其参考价值也存在局限。

由于新型脊柱矫正系统是以横突钩环抱横突并以横突作为固定支点，通过连接棒连接固定单元达到固定目的（见图1A）。因此本次测量明确定义横突根部，而横突厚度和宽度均以横突外2/3处作为统一的测量部位（见图1C），因该部位是横突钩最常与横突接触的部位。明确横突根部定义以及宽度和厚度的测量部位，从而达到测量的同一性。横突的粗细、角度测量必须考虑脊柱生理弯曲及横突本身扭转角度，由于DR 测量值偏大，CT 测量不能兼顾三维角度，因此选择Mimics 三维测量。付裕、肖进等[19,20]用脊柱侧凸CT 影像Mimics 三维重建与脊柱实物的外形及测量参数极其吻合。课题组通过对实物测量、CT 和Mimics 三维重建测量（见图2）对比研究，验证了Mimics 测量的精确性。

本研究所收集病例资料是从近10年百色及周边地区的住院或门诊患者CT 影像。研究中发现，横突的长度、冠状面角度和水平面角度与身高无明显相关性，而L1～4横突宽度及厚度与身高均成正相关。L2～4形态稳定，宽度从内到外逐渐变窄，厚度从内到外逐渐变薄。测量发现副突的位置在L5主要在上关节突与横突根部交界处，从L4、L3、L2到L1副突逐渐远离根部而向上关节突靠近，L1副突甚至于平上关节突，横突长度测量如果以副突作为根部定位标志，则会影响测量结果的真实性，这也是我们不用副突定位根部的原因（见图1C、D、F）。另外L1横突长短变异较大，部分横突非常短小，如图1F 所示，由于横突的短小，势必影响横突钩对横突的握持作用而使固定效果受影响。而L5横突粗大，由外向内厚度变化幅度很大见（图1E），由于负重关系，其冠状面角度大多数使向上的，其横突厚度和宽度均明显大于其他椎体，与身高无相关性或者低相关性。由于其超大尺寸、角度、形态的特点，新型脊柱矫正系统的横突钩要固定L5横突，常规的横突钩设计势必难以固定。对于L1横突测短小、L5椎体的粗大等特点，为系统的改良设计提出了个性化设计的新思路。

通过Mimics 三维重建对横突形态学进行研究并对测量参数与身高作相关性分析，是课题组对横突形态学研究的进一步完善，对新型脊柱矫正系统的改进设计具有重要价值。由于样本量还不够大，没有对体重、年龄、性别差异及工作环境等相关因素作相关性研究，因此其研究价值有一定的局限性。另外，由于仅仅是对成人腰椎横突进行测量，而脊柱畸形主要累及胸椎和腰椎，胸椎横突结构与腰椎有明显差异，对胸椎横突的研究是不可缺少的一环；尤其必须重视的是对脊柱畸形患者的横突形态学研究，这些将是课题组下一步的研究工作重点。