经椎间孔腰椎椎间融合术术后融合器沉降预测模型的建立与验证

李 根 李 鑫 杨 硕 经 历 潘 彬 程 琳 袁 峰

经椎间孔腰椎椎间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)目前已广泛应用于临床各种腰椎退行性疾病的治疗中,与传统的后路腰椎椎间融合术(posteriol lumbar interbody fusion,PLIF)比较,TLIF方法保留了椎体后方韧带结构,这有助于恢复脊柱的生物力学稳定性[1]。然而,术后椎间融合器沉降可能导致撑开的椎间隙及椎间孔的高度再次降低,使拉伸的韧带松弛褶皱,进而压迫神经根导致根性神经症状的复发[2]。目前,大部分的研究者采用了量化标准对椎间融合器沉降进行了定义,认为术后椎间隙高度降低超过2mm即可定义为椎间融合器的沉降。流行病学研究显示,TLIF术后融合器沉降的概率为 15.43%～32.12%, TLIF术后融合器沉降成为骨科医生亟待解决的重要问题[3]。既往的回顾性研究报道了几种可能导致椎间融合器沉降的危险因素,包括年龄、体重指数(body mass index,BMI)、椎间隙的形态、骨密度、术中终板处理操作等[4]。列线图作为一种可视化的预测模型,近年来逐渐成为临床医生评估疾病预后、量化风险、指导治疗的重要工具[5]。然而,目前尚未有基于众多危险因素构建的TLIF术后融合器沉降的预测模型。因此,笔者探讨TLIF术后融合器沉降的危险因素,建立并验证了一个预测模型,以期在早期识别融合器沉降的高危人群,为后续的临床治疗提供科学指导。

资料与方法

1.研究对象:选取2017年1月1日～2021年1月1日因腰椎退行性疾病于徐州医科大学附属医院接受TLIF手术治疗的389例患者的临床资料。纳入标准:①以腰椎间盘突出症、腰椎滑脱症等腰椎退行性病变行单节段TLIF手术的患者;②既往无腰椎手术史;③经保守治疗3个月症状未见改善;④术后随访时间大于1年;⑤有完整的影像学资料,包括术前腰椎X线、CT和MRI,术后1天、3个月、6个月、12个月以及末次的腰椎X线以及CT。排除标准:①责任椎间隙压缩超过50%或存在严重后凸畸形;②多节段病变;③合并脊柱肿瘤、结核;④临床资料不全或在随访期间失联的患者。本研究获得笔者医院医学伦理学委员会批准(伦理学审批号:XYFY2022-KL470-01)。

2.主要观察指标:回顾性分析患者术后1天、3个月、6个月、12个月以及末次复查的影像学资料,观察比较术后椎间隙高度变化情况,将术后手术节段椎间隙高度丢失≥2mm患者归为沉降组(n=83),其余患者归为非沉降组(n=306)。徐州医科大学附属医院脊柱外科常规采用聚醚醚酮材质的子弹头融合器(融合器来自威高医疗器械有限公司、大博医疗器械有限公司,长度为22～32mm,高度为10～14mm),只有极少数患者使用了肾型融合器及Z型融合器,因应用量较小,本研究暂不将融合器形态纳入危险因素分析。因此,本研究最终收集了两组患者的性别、年龄、BMI、Modic改变、椎间隙的形态、椎弓根螺钉的位置、术中终板损伤情况、HU(Hounsfield units)值、高血压病史、糖尿病病史、吸烟史、手术节段、椎间隙高度矫正值和手术时间等临床数据。

3.影像学参数的测量方法:在患者术前CT、MRI矢状面观察椎间隙的形态。将上下终板后半部分有凸面,而前半部分有凹面的椎间隙定义为梨形椎间隙,如图1所示。术后1天拍摄腰椎X线检查术中终板损伤情况,将终板损伤定义为术后X线上的融合器进入终板的皮质(图2)。将每一个椎体HU值记为该椎体冠状位、矢状位、轴位3个切面最佳拟合圆的HU值的平均值,最后将L1～L55个椎体的HU值的平均值定为腰椎HU值(图3)。术前MRI影像资料观察融合节段Modic改变,如图4所示,Ⅰ型T1序列呈低信号,T2序列呈高信号;Ⅱ型T1序列呈高信号,T2序列呈较高信号或等信号;Ⅲ型T1、T2序列均呈低信号。根据术后1天腰椎侧位X线确定椎弓根螺钉的位置,笔者在腰椎侧位片上将椎体平均分为4个区域,椎弓根螺钉尖端所在区域代表椎弓根螺钉所在的位置(图5)。

图1 梨形椎间隙A.梨形椎间隙示意图;B.CT扫描下的梨形椎间隙;C.MRI扫描下的梨形椎间隙

图2 术后终板损伤A.侧位片;B.正位片。术后腰椎X线可见融合器进入终板

图3 椎体HU值测量A.轴位;B.矢状位;C.冠状位。以L3椎体为例,使用PACS系统分别在L3椎体的轴位(A)、矢状位(B)、冠状位(C)划选3个最佳拟合圆,L3椎体的HU值则为3个拟合圆的HU值的平均值

图4 融合节段的Modic改变A.Modic Ⅰ型改变;B.Modic Ⅱ型改变;C.Modic Ⅲ型改变

图5 椎弓根螺钉的位置1～4.椎体平均分为4个区域

结 果

1.患者的临床基本特征:本研究最终共纳入389例因腰椎退行性疾病在徐州医科大学附属医院接受TLIF手术患者。所有患者平均随访时间为17个月(14～26个月)。共有83例患者出现融合器的沉降,发生率为21.34%。沉降组与非沉降组的BMI、Modic改变、椎间隙的形态、HU值、手术节段比较,差异有统计学意义(P<0.05),详见表1。

表1 两组患者的基本资料与相关风险因素分析

2.数据的降维与数据的筛选:使用LASSO回归分析,选择LASSO回归模型中系数非零的变量作为潜在的预测因子。12个变量最终削减为BMI、Modic改变、椎间隙的形态、HU值、手术节段这5个变量(图6),即可以通过BMI、Modic改变、椎间隙形态、HU值、手术节段来预测TLIF术后患者发生融合器沉降的概率。

图6 使用LASSO回归筛选TLIF术后出现融合器沉降的预测因子

3.个性化预测模型的建立:对LASSO 回归中筛选的变量进行多因素Logistic回归分析 (表2)。BMI、Modic改变、椎间隙形态、HU值和手术节段均为TLIF术后患者发生融合器沉降的独立预测因素。随后这5个变量作为潜在的预测因子被纳入到预测模型中绘制列线图构建可视化的临床预测模型,详见图7。

表2 多因素Logistic回归分析

图7 预测TLIF术后出现融合器沉降的列线图根据患者资料上信息在得分轴上获得每个预测因子相对应的数值,并将每一个预测因子的数值相加。在总得分轴上标出总数值,并画一条垂直于融合器沉降风险轴的垂直线。垂直线对应的数值就是预测的概率

4.融合器沉降预测模型的表观性能:借助1000次自举重复抽样的方法对模型进行了内部验证并绘制了预测模型的校准曲线,如图8A所示,该模型的表观曲线与偏差校正曲线彼此接近,具有高度一致性,表明该预测模型具有较好的预测性能。该模型的C指数为0.82515,AUC为0.8485,95% CI:0.8034～0.8935,表明该预测模型具有较好的鉴别能力,详见图8B。

图8 临床预测模型的校准图与临床预测模型的ROC曲线

5.预测模型的临床效能评估:如临床决策曲线分析所示,该模型在阈值0.05～0.79具有最高的临床获益率,详见图9。

图9 预测模型的临床决策分析曲All.假设所有患者术后均出现融合器沉降;None.假设所有患者术后均不出现融合器沉降

讨 论

关于融合器沉降的临床意义现存在两种主要的观点,部分研究者认为,融合器沉降是融合器与椎体终板之间生物力学载荷重塑的一个过程,此过程一直延续至骨融合完成,并不会对术后临床症状的改善产生不利的影响[6,7]。然而大部分研究者认为,融合器的过度沉降可能会导致椎间隙与椎间孔高度丢失,前柱支持减弱,使拉伸变薄的韧带再次褶曲变厚,削弱手术的间接减压效果,进而影响患者术后临床症状的转归[8,9]。因此笔者通过LASSO回归筛选出BMI、Modic改变、椎间隙的形态、HU值以及手术节段作为预测因子,建立风险预警模型,并通过列线图来预测TLIF术后融合器沉降的概率,这有助于及早识别融合器沉降的高危人群,优化患者的治疗效果。

本研究构建的预测模型中,BMI是TLIF术后融合器沉降的潜在的预测因子,其中,肥胖是TLIF术后融合器沉降的危险因素。研究表明,肥胖会对腰椎产生异常应力,成为影响肥胖患者腰椎融合术后中远期并发症的重要因素[10,11]。Yao等[12]在研究微创经椎间孔腰椎间融合术(minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion,MI-TLIF)术后融合器沉降的危险因素中发现,融合器沉降组的BMI显著高于未沉降组。Behrbalk等[13]也得到了同样的结论。这与笔者预测模型得到的结果是一致的,提示该预测模型具有良好的科学性与可行性。

椎间盘退行性改变会使终板承受过多的轴向载荷与应力,引起终板及终板下骨质在MRI上出现异常的信号改变,即Modic改变[14,15]。Modic改变中的终板损伤会弱化终板强度,降低终板载荷能力,同时Modic改变带来的微环境变化会使损伤的终板难以得到充足的营养供给,损伤无法及时修复[16]。本研究发现,Modic改变Ⅰ型与Ⅱ型患者术后融合器沉降的发生率明显高于无Modic改变患者,这与王牧一等[17]研究结果一致,但Modic改变Ⅲ型的患者出现融合器沉降发生率却低于无Modic改变的患者,笔者认为这可能与软骨终板的硬化有关。

该预测模型将椎间隙的形态作为TLIF术后融合器沉降的预测因子,这与之前的研究结果相一致,Park等[18]在探究TLIF术后融合器沉降危险因素时发现,手术节段为梨形椎间隙的患者更容易出现TLIF术后融合器沉降。笔者认为当融合器斜行植入椎间隙时,梨形椎间隙与融合器接触面积较非梨形椎间隙小,接触面压强大,应力集中进而诱发融合器沉降。

椎体的骨质量被认为是影响腰椎融合术后融合器下沉的重要影响因素[19]。Park等[18]在对TLIF术后并发症研究中发现,骨质疏松出现融合器沉降的概率是无骨质疏松患者的5.77倍。Hou等[20]对不同骨密度的腰椎终板进行力学实验,认为BMD与腰椎终板的失效载荷呈正相关,即BMD值越高,腰椎终板硬度越强,其发生腰椎术后融合器沉降的概率越低。双能 X 线吸收测定法(dual- energy X-ray absorptiometry,DXA)作为目前测量骨密度 T 值的金标准,广泛应用于临床中,然而其额外的辐射及花费使得该项检查难以成为术前的常规检查[21]。近年来,大量研究证实了计算机断层扫描的HU值可作为DXA测量骨密度的替代方法,不仅可以有效避免基于 DXA 测量椎体骨密度T值的误差,同时有选择性局部测量椎体骨密度,提供椎体骨密度HU值,当椎体HU值<110,即可诊断为骨质疏松[22,23]。与既往研究类似,本研究发现,HU值≥110的患者术后出现融合器沉降的风险远低于HU值<110患者,其OR值为0.11。因此对于术前测量HU值<110的患者常规给予术前与术后的抗骨质疏松治疗,减少术后融合器沉降风险。

目前,关于手术节段对TLIF术后出现融合器沉降的影响尚未得出统一的结论,有研究者认为,TLIF术中L4～L5单节段融合较其他单节段融合有着更高的沉降率[12]。然而本研究发现,手术节段L5～S1是TLIF术后出现融合器沉降的独立危险因素,这可能与该节段有较大的灵活性以及重量载荷有关,术中操作者在处理该节段椎间隙时会倾向对该节段进行更多的终板处理[24]。适当的终板处理不仅能够提高植骨融合率,并且能够减少融合器脱出等相关并发症的发生。研究表明,TLIF术中的终板损伤在增加融合器脱出率的同时也提高融合器沉降的风险[19]。因此本研究收集了患者术后1天腰椎X线并依此判断术中终板损伤的情况。结果分析表明,沉降组与非沉降组终板损伤情况无明显的差异(P>0.05),尽管这项研究并不支持术中终板的损伤会增加融合器沉降的风险假设,但由于此次研究中病例量较小,且终板损伤情况仅是通过腰椎X线来评估,因此需要纳入更多的样本量及CT扫描的影像学资料才能得到更具说服力的结论。

本研究中笔者通过绘制列线图构建了TLIF术后融合器沉降的预测模型,为预测融合器沉降发生及高风险人群早期干预处理提供了依据。本研究通过将LASSO回归分析筛选出来的变量纳入预测因子中构建模型,并通过ROC曲线及C指数对模型的准确度进行评估,ROC曲线下面积为0.8485,C指数为0.82515,表明该模型具有良好的临床可靠性。在校准度评估中,校准曲线始终围绕参考线波动,未出现显著的偏离,表明该预测模型预测TLIF术后出现融合器沉降的概率与术后实际发生融合器沉降的概率具有高度一致性。决策曲线分析表明,该预测模型具有较好的临床获益率,使用该模型进行预测风险的患者能从中获益。

然而,本研究也存在一定的局限性:(1)临床资料仅来自于单个中心,缺乏多中心的对比,并且患者的平均随访时间相对较短,未来仍需要多中心的临床资料进行外部验证以及更长时间随访的研究。(2)本研究并没有结合融合器的形态纳入危险因素分析,这是今后的研究方向。

综上所述,该研究的LASSO回归分析及多因素Logistic回归分析表明,BMI、Modic改变、椎间隙的形态、HU值,手术节段L5～S1是TLIF术后出现融合器沉降的独立危险因素。笔者基于这些危险因素构建的预测模型能够客观准确为临床医生及患者提供个性化的风险评估,以便于早期干预处理。