Ⅱa型腰骶部移行椎易发相邻节段椎间盘突出症的机制

喻 华，夏 群

1.洛阳市第三人民医院骨科，洛阳 471000

2.天津市第一中心医院骨科，天津 300000

腰骶部移行椎（LSTV）是一种临床上常见的脊柱发育畸形，表现为末节腰椎的一侧或两侧横突增大、与骶骨或髂骨形成完全或不完全骨性融合［1］。有研究［2-4］报道，LSTV患者腰椎椎间盘突出症（LDH）的发生率明显高于正常人群。一些研究发现，LSTV引起的LDH主要发生在LSTV的相邻节段，国外文献［5-7］报道的LSTV上位节段（L4/L5）LDH发生率为41.4% ~ 81.3% ；国内相关文献［2，8］报道的LSTV上位邻近节段LDH发生率为58.3% ~ 70.0%。Castellvi等［9］依据腰椎X线片将LSTV分为4型。Ⅰ型：横突肥大呈三角形，宽度>19 mm，单侧为Ⅰa型，双侧为Ⅰb型；Ⅱ型：横突与骶骨或髂骨形成假关节，单侧为Ⅱa型，双侧为Ⅱb型；Ⅲ型：横突与骶骨或髂骨骨性融合，单侧为Ⅲa型，双侧为Ⅲb型；Ⅳ型：一侧为横突与骶骨或髂骨形成假关节，另一侧骨性融合。杜心如等［10］的研究发现，Ⅰ型LSTV除L5横突明显大于正常横突外，其他结构与其他类型LSTV无显著差异，较难界定，所以单独分出Ⅰ型无特殊临床意义。相对于其他类型LSTV，Ⅱa型的发生率相对较高，故本研究选取Ⅱa型LSTV作为研究对象，试图阐述LSTV邻近节段易发生LDH的生物力学机制。

本研究采用双X线透视影像系统（DFIS）与CT技术相结合［11］，在计算机软件辅助下，经过二维-三维图像匹配，真实再现生理载荷下腰椎三维运动状态，通过测定椎体上三维坐标系的变化，获得生理载荷下腰椎三维运动学数据，分析Ⅱa型LSTV患者腰椎在体三维运动学特性，探讨其容易导致相邻节段发生LDH的机制。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选择在天津市第一中心医院就诊的L4/L5节段LDH伴Ⅱa型LSTV患者9例（移行椎组）作为研究对象。纳入标准：符合LDH临床表现，无腰部外伤史，通过影像学检查明确诊断为Ⅱa型LSTV，LDH发生节段为LSTV相邻节段（L4/L5）。排除标准：既往脊柱手术史，伴有脊柱侧凸、肿瘤、脊髓疾病、精神病史等。同时招募9名健康成年志愿者（无脊柱侧凸等畸形，无腰椎椎间盘退行性疾病如椎管狭窄、椎间失稳、腰椎滑脱等或其他脊柱疾病）为对照组。所有受试者均签署知情同意书，本研究符合医学伦理要求。移行椎组男4例、女5例，年龄为（38.0±8.9）岁，体质量指数为（23.5±5.8）kg/m2；假关节形成左侧5例、右侧4例，椎间盘向左突出6例、向右突出3例；对照组男6名、女3名，年龄为（35.2±8.8）岁，体质量指数为（22.7±6.4）kg/m2。2组受试者性别、年龄、体质量指数差异均无统计学意义（P> 0.05），具有可比性。

1.2 腰椎三维模型建立

受试者取仰卧位，采用Sensation 16 CT机（Siemens公司，德国）对L3~ S1节段进行CT薄层扫描（层厚为0.625 mm，分辨率为512×512）。把所得CT图像导入Rhinoceros 4.0软件（Robert MeNeel&Associ.ates，Seattle公司，美国），建立L3~ S1三维模型（图1）。

图1 三维模型创建Fig. 1 3D model creation

1.3 腰椎 DFIS透视

将2台相同型号的C形臂X线机（BV Pulsera，Philips公司，荷兰）组成正交X线透视系统，球管方向相互垂直。受试者双髋固定，穿戴铅颈围和铅围裙，保护甲状腺和生殖腺体不受放射线照射，腰椎活动时处于2台C形臂X线机交叉投射范围之内。首先采集X线校准设备图像，用以校正2台C形臂X线机的相对位置、角度及系统误差，保证系统精确性。然后分别采集受试者腰椎前屈-后伸、左右旋转位、左右侧曲时双侧腰椎斜位X线片（图2）。

图2 图像采集Fig. 2 Image acquisition

1.4 三维运动状态的重现

在Rhinoceros 4.0软件辅助下，用计算机模拟DFIS透视环境，将受试者每一节段腰椎三维CT重建模型按照腰椎解剖结构特点使其投射影像分别与2个平面腰椎X线透视影像完全匹配，实现二维-三维图像转换（图3），再现生理载荷条件下人体各种运动体位时腰椎在体的真实运动状态［12-13］。

图3 二维-三维图像转换Fig. 3 2D-3D image conversion

1.5 椎体间相对运动的测量

在MATLAB 7.01 软件（Math.Work 8，Natick公司，美国）辅助下，在L3~ S1椎体中心分别建立三维坐标系，定义x轴位于冠状面指向左侧，y轴位于矢状面指向后侧，z轴垂直于x-y所处平面指向头侧，沿x、y和z轴的旋转角度分别为α、β和γ角（图4）。通过测量椎体在三维坐标上的变化，即可获得生理载荷下L3/L4、L4/L5和L5/S1的相对位移和相对旋转角度。

图4 在椎体中心建立三维坐标系Fig. 4 A three-dimensional coordinate system established in center of vertebral body

1.6 统计学处理

采用SPSS 18.0软件对数据进行统计分析。符合正态分布的计量资料以表示，组间比较采用独立样本t检验；以P< 0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

在L5/S1节段，移行椎组左右侧曲时沿冠状轴的位移、沿矢状轴和垂直轴的旋转角度均明显小于对照组，差异有统计学意义（P< 0.05，表1）。在相邻节段（L4/L5），移行椎组前屈-后伸时沿冠状轴的旋转角度大于对照组，左右旋转和左右侧曲时沿冠状轴的位移小于对照组，差异均有统计学意义（P< 0.05，表2）。在非邻近节段（L3/L4），2组三维运动数据差异无统计学意义（P> 0.05，表3）。

表1 移行椎组与对照组L5/S1节段三维运动真实距离范围Tab. 1 True range of 3D movement of L5/S1 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表1 移行椎组与对照组L5/S1节段三维运动真实距离范围Tab. 1 True range of 3D movement of L5/S1 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

注 ：*与对照组比较，P < 0.05。Note ：* P < 0.05，compared with control group.

旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.77±1.40 1.71±1.14 1.26±1.26 3.72±2.27 4.70±3.52 2.78±1.66对照Control 2.59±1.91 2.35±1.65 2.96±4.61 3.53±3.13 3.53±3.13 5.02±4.78组别Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.99±1.44 1.15±0.77 1.15±0.77 3.82±3.16 2.76±0.98 4.26±2.39对照Control 2.93±1.90 2.28±2.04 1.22±0.96 3.71±4.36 3.88±2.00 3.69±2.76组别Group左右旋转Left-right rotation位移/mm Displacement/mm旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 0.90±1.32* 1.57±1.72 1.17±0.72 2.06±1.84 1.77±1.19* 1.42±1.23*对照Control 2.99±2.46 2.85±3.01 2.85±3.01 3.52±3.60 3.90±2.59 5.08±4.16组别Group左右侧曲Left-right bending位移/mm Displacement/mm

表2 移行椎组与对照组L4/L5节段三维运动真实距离范围Tab. 2 True range of 3D movement of L4/L5 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表2 移行椎组与对照组L4/L5节段三维运动真实距离范围Tab. 2 True range of 3D movement of L4/L5 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 2.61±2.09 1.84±1.26 1.27±0.78 5.22±2.45* 3.05±3.26 2.93±2.33对照Control 1.26±1.26 1.19±1.05 1.87±1.30 2.22±3.05 1.82±1.00 3.39±2.00组别Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.19±1.45* 1.72±1.32 0.68±0.53 2.86±2.41 2.79±1.79 2.81±2.51对照Control 3.00±1.50 1.49±1.32 1.04±0.97 2.82±2.95 1.80±1.79 5.51±3.80组别Group左右旋转Left-right rotation位移/mm Displacement/mm

表2（续）

表3 移行椎组与对照组L3/L4节段三维运动真实距离范围Tab. 3 True range of 3D movement of L3/L4 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

表3 移行椎组与对照组L3/L4节段三维运动真实距离范围Tab. 3 True range of 3D movement of L3/L4 segments between transitional vertebra group and control group n=9，

旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 2.22±1.23 1.49±1.10 0.52±0.44 2.31±2.48 4.52±2.24 2.36±2.10对照Control 2.97±1.35 1.77±1.31 0.68±0.73 3.36±2.24 4.37±3.24 5.83±5.99组别Group前屈-后伸Flexion-extension位移/mm Displacement/mm旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.85±1.27 2.29±0.85 0.62±0.59 3.51±2.50 4.28±1.63 2.53±1.51对照Control 1.76±0.91 2.30±1.81 1.09±0.90 4.06±3.48 2.63±2.68 1.28±1.16组别Group左右旋转Left-right rotation位移/mm Displacement/mm旋转角度/（°）Rotation angle/（°）x y z α β γ移行椎Transitional vertebrae 1.46±1.18 1.37±0.94 0.80±0.50 2.77±1.46 2.52±2.22 2.16±2.34对照Control 2.15±1.39 1.83±1.05 0.79±0.55 3.02±1.59 3.99±3.06 4.77±3.63组别Group左右侧曲Left-right bending位移/mm Displacement/mm

3 讨 论

近年来，腰椎在体运动学研究［14-20］已有相关报道，这种研究方法不仅能揭示腰椎三维运动的特点，而且能获得生理载荷下腰椎在体六自由度运动数据，为揭示腰椎退行性疾病的发生、发展变化和机制，并为指导治疗和康复提供一定的理论依据，本研究利用人体腰椎在体位变化时椎体几乎没有形变而形变集中发生在椎间盘、关节突关节及韧带的特点，采用DFIS与CT技术相结合，最终获得Ⅱa型LSTV患者LSTV节段（L5/S1）、邻近节段（L4/L5）及非邻近节段（L3/L4）的在体运动学数据。

本研究发现，在L5/S1节段，移行椎组左右侧曲时沿冠状轴的位移、沿矢状轴和垂直轴的旋转角度均明显小于对照组，表明由于移行椎一侧存在假关节限制了L5/S1节段的正常活动。究其原因可能是移行椎横突与骶骨/髂骨形成的假关节及移行椎与髂骨间的致密纤维组织或坚厚韧带使移行椎相对于S1较为固定，降低了该节段的活动度。这可能有助于降低该节段椎间盘所受压力，从而减轻该节段椎间盘退行性变［21］，与文献［2-8］报道移行节段LDH发生率较低相符合。

L5/S1节段运动模式的改变也可能会影响到L4/L5节段。本研究结果显示，在L4/L5节段，移行椎组前屈-后伸时沿冠状轴的旋转角度大于对照组，该结果提示LSTV的横突与骶骨/髂骨之间形成的假关节限制了L5/S1节段的活动，使应力发生转移，导致L4/L5节段活动相对增多，与宁尚龙等［17］的LDH患者腰椎在体运动特性研究结果一致。L4/L5节段所受应力和剪切力的增大可导致椎间盘负荷过多，进而加速椎间盘退行性变［7］。有研究［2］显示，在健康人群中髂嵴连线主要通过L4/L5椎间隙，通过L5上1/3者只占7.4% ~ 19.6%，而在Ⅱ型LSTV患者中髂嵴连线通过L5上1/3者占46.4%；也有研究［22］认为，LSTV上方的髂腰韧带明显较正常人体薄弱，可见Ⅱ型LSTV的上位椎体相对于骨盆位置较高，受到来自骨盆及韧带的支持较弱，因此，所受到的应力和剪切力较大，产生的不稳或长时间过度运动可能导致椎间盘早期发生退行性变。

本研究结果显示，非邻近节段（L3/L4）虽然在沿各轴的位移和旋转角度与对照组相比，有增大或减小的趋势，但差异并无统计学意义。该结果与Elster等［6］的研究结果一致，其报道在2 000例腰腿痛患者中，LSTV上位节段（L3/L4）发生膨出或突出的概率分别为41.4%和4.3%，说明LSTV非邻近节段（L3/L4）在生物力学上接近健康人群，较LSTV相邻节段（L4/L5）不易发生LDH。

综上所述，本研究获得LDH伴Ⅱa型LSTV患者生理载荷下椎体运动数据，尝试阐述Ⅱa型LSTV易导致相邻节段发生LDH的生物力学机制，并在一定程度上为临床治疗LSTV合并LDH的术式选择提供参考。本研究存在以下不足。①实验较为复杂，受试者的筛选，数据的采集、计算、匹配等花费时间较长，导致研究例数偏少，今后还须扩大样本量以深入研究。②本研究只纳入了Ⅱa型LSTV患者，对其他类型LSTV生理载荷下椎体间的三维运动特点还须继续研究。