脊柱側凸是一種復雜的脊柱三維畸形。X 線成像是脊柱側凸診斷與評估的重要方法,能夠直接測量或間接反映冠狀面、水平面和矢狀面的脊柱三維畸形特征,預測側凸進展及治療效果。三維立體 X 線成像技術的應用,推動了脊柱側凸三維影像學評估的發展。該文對脊柱側凸 X 線成像的評估方法、測量信度與效度、三維立體 X 線成像技術進行綜述,總結 X 線成像評估脊柱側凸的規律,為脊柱側凸診斷與評估提供重要依據。
引用本文: 王謙, 黃文生, 何紅晨, 帥桃, 何成奇. 脊柱側凸 X 線成像評估的研究進展. 華西醫學, 2018, 33(10): 1321-1325. doi: 10.7507/1002-0179.201710087 復制
脊柱側凸是一種復雜的脊柱三維畸形,表現為脊柱在冠狀面和矢狀面上的側凸畸形,以及在水平面上的旋轉畸形[1]。目前,X 線成像仍是脊柱側凸診斷與評估的最重要方法,能夠實現全脊柱在站立位下成像、簡單高效的側凸畸形測量、脊柱側凸與旋轉的評估、病情進展及治療效果的預測。借助于計算機輔助成像及相關軟件開發,三維立體成像技術實現了脊柱側凸 X 線影像從二維平面發展到三維立體圖像,更加全面反映出脊柱側凸的畸形特征[2]。因此,本文對脊柱側凸 X 線成像評估方法、測量信度與效度、三維立體 X 線成像技術進行總結綜述,為脊柱側凸診斷與評估提供重要依據。
1 X 線成像評估方法
全脊柱正側位 X 線成像是脊柱側凸診斷與評估的最常用方法。在正位 X 線片上,評測者可確定脊柱側凸的關鍵椎及主凸部位,測量脊柱側凸與旋轉角度,評價脊柱柔韌性;在側位 X 線片上,評測者可觀察胸椎前凸及腰椎后凸畸形特征,評測骨盆傾斜和穩定性。此外,在骨盆正位 X 線片上,髂骨翼骨骺的骨化程度可預測脊柱側凸進展可能性的大小。
1.1 脊柱側凸角度測量
在正位 X 線片上,脊柱側凸角度的測量方法通常采用 Cobb 方法,即上端椎的上終板平行線和下端椎的下終板平行線之間的夾角為脊柱側凸角,稱為 Cobb 角。此外,Cobb 方法操作簡便,結果可重復性高,適用于測量較大角度的脊柱側凸。因此,國際脊柱側凸研究學會規定 Cobb 方法為測量脊柱側凸的標準:當 Cobb 角度≥10° 時,被認為是脊柱側凸;連續測量 Cobb 角之間差異<5°,被認為是測量本身誤差。但是,Cobb 方法是測量脊柱側凸角度的簡化方法,反映的是上、下端椎的傾斜程度。因此,學者們一直在探索和研究更加準確的測量方法,如 Ferguson 方法測量上、下端椎的中點分別與頂錐的中點連接所形成的夾角;Centroid 方法測量上、下 4 個椎體的連線所形成的夾角。另外,學者們通過研究 Cobb 方法測量信度與誤差,掌握其評估脊柱側凸的規律[3]。
表 1 和表 2 分別總結了 Cobb 方法評估脊柱側凸角度的信度與測量誤差。結果表明,Cobb 方法測量脊柱側凸角度的評測者內/間信度較高,其組內相關系數(intra-class correlation coefficient,ICC)值均>0.78(表 1)[4-9]。Cobb 方法的測量誤差較小:評測者內測量誤差的平均絕對差值 (mean absolute difference,MAD)為 2.2~3.0°,標準差(standard deviation,SD)為 2.2~4.1°,測量標準誤 (standard error of measurement,SEM)為 2.0°;評測者間測量誤差的 MAD 值為 3.6~3.9°,SD 值為 2.2~4.6°,SEM 值為 3.2°(表 2)[4, 7-9]。測量誤差主要來源于端椎選擇的差異、評測者經驗及患者不同體位等因素[10]。


目前,數字化圖像處理技術應用于臨床實踐。脊柱側凸 X 線成像后,評測者在計算機界面上選擇關鍵椎,相關軟件自動測量 Cobb 角的大小[11]。研究表明,對比評測者測量 Cobb 角大小,計算機輔助測量 Cobb 角的信度更高,其評測者內的 ICC 值>0.87,評測者間的 ICC 值>0.94 (表 3)[5, 7-9, 12-14]。評測者內測量的 MAD 值為 1.2~3.4°,SD 值為 1.2~6.5°,SEM 值為 0.7~3.2°;評測者間測量的 MAD 值為 1.2~3.7°,SD 值為 1.8~4.9°,SEM 值為 1.2~3.7° (表 4)[7-9, 12-14]。


1.2 脊柱旋轉角度
脊柱旋轉角度是脊柱側凸的另一項重要評估參數,能夠反映出肋骨隆起及胸廓畸形的程度,評價脊柱側凸的進展風險與治療效果[15]。在正位 X 線片上,根據棘突、椎弓根投射在椎體上的位置和比例粗略估算脊柱旋轉角度,如 Nash-Moe 方法,其測量信度 ICC 值為 0.56~0.73。在此基礎上,Perdriolle 方法采用精確度為 5° 的特制量角器評估脊柱旋轉角度的大小,該方法測量信度 ICC 值為 0.76,測量誤差 MAD 為 1°[16]。然而,X 線成像并不是評估脊柱旋轉角度的理想方法,其結果只能間接反映椎骨在水平面上的旋轉變化[17]。
1.3 脊柱柔韌性
脊柱柔韌性是判斷結構性和非結構性側凸的重要評估參數,用于預測康復運動、矯形器或手術治療的脊柱側凸矯正效果。脊柱柔韌性通過比較站立位與其他體位脊柱側凸角度的變化進行評估,如仰臥側屈位、俯臥加壓位、牽引位和支點側曲位 X 線成像[18-19]。其中,仰臥側屈位 X 線成像操作簡便,曾經被認為是評估脊柱柔韌性的標準。但是,隨著第 3 代脊柱內固定矯形器械(如椎弓根螺釘)的出現,此種體位預測的脊柱柔韌性遠低于手術矯形效果。俯臥加壓位 X 線成像需檢查者施加外力于側凸的脊柱,施加力量的大小將會影響脊柱柔韌性的預測值。牽引位 X 線成像包括患者自身重力牽引位 X 線成像、仰臥牽引位 X 線成像和全身麻醉下牽引位 X 線成像,但均操作技術復雜,干擾因素較多,評價效度不高[18]。目前,支點側屈位 X 線成像被認為是較準確反映脊柱柔韌性的評估方法。但是,支點裝置和患者體型方面的差異也會影響脊柱柔韌性評估的信度和效度,如何設計并改善個體化的支點裝置有待進一步研究[20]。
1.4 胸椎后凸/腰椎前凸角度
脊柱側凸患者通常伴有矢狀面上胸椎后凸/腰椎前凸角度的異常,影響脊柱在矢狀面上的平衡[21-22]。X 線成像采用 Cobb 方法測量脊柱側凸在矢狀面上的胸椎后凸/腰椎前凸角度(圖 1):矢狀面上第 3 胸椎(T3) 椎體的上終板平行線與第 12 胸椎(T12) 椎體的下終板平行線之間所形成的夾角為胸椎后凸角;第 1 腰椎(L1)椎體的上終板平行線與第 5 腰椎( L5 )椎體的下終板平行線之間所形成的夾角為腰椎前凸角。研究發現,Cobb 方法評估胸椎后凸/腰椎前凸角度的測量信度較高,組內相關系數 ICC 值為 0.83~0.92[3]。然而,Cobb 方法反映的是側凸脊柱前份-椎體的結構特征,其測量結果只能反映出 T3 和 T12 或者 L1 和 L5 兩個椎體的終板之間的傾斜程度。因此,Cobb 方法評估胸椎后凸/腰椎前凸角度的結果具有局限性。

a. 胸椎后凸角;b. 腰椎前凸角
1.5 骨成熟度
骨成熟度反映青少年生長發育程度,是選擇脊柱側凸手術治療或保守治療的重要依據[23]。在骨盆正位 X 線片上,根據髂骨翼的骨骺骨化范圍判斷骨成熟度,其結果表示為 Risser 征,共分為Ⅰ~Ⅴ級(圖 2)。髂骨骨骺從側方向中間生長,Risser 征Ⅰ~Ⅱ級表示生長發育高峰期,即髂骨的骨骺還處于開放階段,可以判定該患者脊柱側凸加重的風險較大,宜選擇積極的方法治療。而 Risser 征Ⅴ級表示髂骨骨骺全部出現,脊柱側凸進展緩慢,可根據側凸角度大小及癥狀選擇合適的方法。

1.6 優勢與劣勢
X 線成像評估脊柱側凸操作簡便,測量結果信度較高。然而,多次的 X 線檢查使患者暴露于 X 線輻射中,增加腫瘤等疾病的發生率。特別是女性的脊柱側凸患者,正處于青春發育期,胸腺組織對 X 線輻射更加敏感[24]。此外,X 線成像評估局限于在冠狀面和矢狀面上評估脊柱側凸,不能在水平面上顯示椎骨旋轉程度,即 X 線圖像將三維的脊柱結構投射在二維的膠片上,不能真實地反映出脊柱側凸三維空間的畸形特征[25]。近年來,隨著脊柱側凸三維矯形技術的開展,以及減少患者 X 線輻射量的基本要求,更加安全、可靠和準確的三維 X 線成像技術成為脊柱側凸評估的研究熱點。
2 三維立體 X 線成像評估方法
2.1 測量參數
三維立體 X 線成像是通過雙平面 X 線成像系統,同時進行正位和側位 X 線成像;在特定計算機程序輔助下,進行脊柱和軀干的三維 X 線圖像重建[26]。在重建的脊柱三維圖像上,通過特定軟件程序完成自動或半自動的脊柱側凸、脊柱旋轉、胸椎后凸、腰椎前凸以及胸椎扭轉等參數的評估[27-28]。此外,三維立體 X 線成像實現了脊柱柔韌性在冠狀面、水平面和矢狀面上的評估[29];且能夠更加立體地反映出脊柱側凸患者胸廓與骨盆的畸形特征[30]。
2.2 信度與效度
研究結果表明,三維立體 X 線成像評估脊柱側凸的方法信度和效度均較高。對于輕中度脊柱側凸,Gille 等[31]研究報道,三維立體 X 線成像評估脊柱側凸、脊柱旋轉、胸椎后凸/腰椎前凸的評測者內 MAD 值依次為 1.9、1.4、3.6、2.5°,評測者間 MAD 值依次為 1.6、0.9、3.7、2.8°,評測者內和評測者間組內相關系數 ICC 值均>0.87;而對于重度脊柱側凸,Ilharreborde 等[32]研究報道其評估脊柱側凸、脊柱旋轉、胸椎后凸/腰椎前凸的評測者內 MAD 值為 4.8、5.3、5.9、5.7°,評測者間 MAD 值為 6.2、6.1、7.0、6.7°。而且,對于脊柱側凸術后的患者,三維立體 X 線成像的測量信度不易受術中置入器材的影響。此外,Glaser 等[33]通過與 CT 成像的測量結果比較,驗證了三維立體 X 線成像評估脊柱側凸的效度。
2.3 優勢與劣勢
近年來,三維立體 X 線成像評估方法在脊柱側凸的臨床實踐中逐步開展,其主要優勢在于脊柱側凸的三維 X 線重建圖像,且 X 線的輻射劑量減少[34]。然而,三維立體 X 線成像仍然不能直接顯示脊柱側凸在水平面上的畸形特征,其三維評估結果來源于三維重建 X 線圖像上的測量數據。因此,探索三維立體 X 線成像的圖像重建與測量技術,更真實反映出脊柱側凸的三維畸形特征,同時進一步減少 X 線成像的輻射,將是今后的研究趨勢。
3 小結與展望
X 線成像是脊柱側凸臨床診斷與評估的最基本方法,具有較高的信度與效度。計算機輔助測量 Cobb 角度可有效減少人為誤差因素,提高脊柱側凸與旋轉角度測量的信度與效度。為克服 X 線成像本身二維平面的局限性,三維立體 X 線成像技術推動了脊柱側凸三維影像學評估的發展,可更真實地反映出脊柱側凸本身的三維畸形特征。在今后的研究中,探索脊柱側凸三維及自動化的影像學成像技術仍為該領域的研究熱點,也為脊柱側凸的精準診斷與評估提供研究基礎。
脊柱側凸是一種復雜的脊柱三維畸形,表現為脊柱在冠狀面和矢狀面上的側凸畸形,以及在水平面上的旋轉畸形[1]。目前,X 線成像仍是脊柱側凸診斷與評估的最重要方法,能夠實現全脊柱在站立位下成像、簡單高效的側凸畸形測量、脊柱側凸與旋轉的評估、病情進展及治療效果的預測。借助于計算機輔助成像及相關軟件開發,三維立體成像技術實現了脊柱側凸 X 線影像從二維平面發展到三維立體圖像,更加全面反映出脊柱側凸的畸形特征[2]。因此,本文對脊柱側凸 X 線成像評估方法、測量信度與效度、三維立體 X 線成像技術進行總結綜述,為脊柱側凸診斷與評估提供重要依據。
1 X 線成像評估方法
全脊柱正側位 X 線成像是脊柱側凸診斷與評估的最常用方法。在正位 X 線片上,評測者可確定脊柱側凸的關鍵椎及主凸部位,測量脊柱側凸與旋轉角度,評價脊柱柔韌性;在側位 X 線片上,評測者可觀察胸椎前凸及腰椎后凸畸形特征,評測骨盆傾斜和穩定性。此外,在骨盆正位 X 線片上,髂骨翼骨骺的骨化程度可預測脊柱側凸進展可能性的大小。
1.1 脊柱側凸角度測量
在正位 X 線片上,脊柱側凸角度的測量方法通常采用 Cobb 方法,即上端椎的上終板平行線和下端椎的下終板平行線之間的夾角為脊柱側凸角,稱為 Cobb 角。此外,Cobb 方法操作簡便,結果可重復性高,適用于測量較大角度的脊柱側凸。因此,國際脊柱側凸研究學會規定 Cobb 方法為測量脊柱側凸的標準:當 Cobb 角度≥10° 時,被認為是脊柱側凸;連續測量 Cobb 角之間差異<5°,被認為是測量本身誤差。但是,Cobb 方法是測量脊柱側凸角度的簡化方法,反映的是上、下端椎的傾斜程度。因此,學者們一直在探索和研究更加準確的測量方法,如 Ferguson 方法測量上、下端椎的中點分別與頂錐的中點連接所形成的夾角;Centroid 方法測量上、下 4 個椎體的連線所形成的夾角。另外,學者們通過研究 Cobb 方法測量信度與誤差,掌握其評估脊柱側凸的規律[3]。
表 1 和表 2 分別總結了 Cobb 方法評估脊柱側凸角度的信度與測量誤差。結果表明,Cobb 方法測量脊柱側凸角度的評測者內/間信度較高,其組內相關系數(intra-class correlation coefficient,ICC)值均>0.78(表 1)[4-9]。Cobb 方法的測量誤差較小:評測者內測量誤差的平均絕對差值 (mean absolute difference,MAD)為 2.2~3.0°,標準差(standard deviation,SD)為 2.2~4.1°,測量標準誤 (standard error of measurement,SEM)為 2.0°;評測者間測量誤差的 MAD 值為 3.6~3.9°,SD 值為 2.2~4.6°,SEM 值為 3.2°(表 2)[4, 7-9]。測量誤差主要來源于端椎選擇的差異、評測者經驗及患者不同體位等因素[10]。


目前,數字化圖像處理技術應用于臨床實踐。脊柱側凸 X 線成像后,評測者在計算機界面上選擇關鍵椎,相關軟件自動測量 Cobb 角的大小[11]。研究表明,對比評測者測量 Cobb 角大小,計算機輔助測量 Cobb 角的信度更高,其評測者內的 ICC 值>0.87,評測者間的 ICC 值>0.94 (表 3)[5, 7-9, 12-14]。評測者內測量的 MAD 值為 1.2~3.4°,SD 值為 1.2~6.5°,SEM 值為 0.7~3.2°;評測者間測量的 MAD 值為 1.2~3.7°,SD 值為 1.8~4.9°,SEM 值為 1.2~3.7° (表 4)[7-9, 12-14]。


1.2 脊柱旋轉角度
脊柱旋轉角度是脊柱側凸的另一項重要評估參數,能夠反映出肋骨隆起及胸廓畸形的程度,評價脊柱側凸的進展風險與治療效果[15]。在正位 X 線片上,根據棘突、椎弓根投射在椎體上的位置和比例粗略估算脊柱旋轉角度,如 Nash-Moe 方法,其測量信度 ICC 值為 0.56~0.73。在此基礎上,Perdriolle 方法采用精確度為 5° 的特制量角器評估脊柱旋轉角度的大小,該方法測量信度 ICC 值為 0.76,測量誤差 MAD 為 1°[16]。然而,X 線成像并不是評估脊柱旋轉角度的理想方法,其結果只能間接反映椎骨在水平面上的旋轉變化[17]。
1.3 脊柱柔韌性
脊柱柔韌性是判斷結構性和非結構性側凸的重要評估參數,用于預測康復運動、矯形器或手術治療的脊柱側凸矯正效果。脊柱柔韌性通過比較站立位與其他體位脊柱側凸角度的變化進行評估,如仰臥側屈位、俯臥加壓位、牽引位和支點側曲位 X 線成像[18-19]。其中,仰臥側屈位 X 線成像操作簡便,曾經被認為是評估脊柱柔韌性的標準。但是,隨著第 3 代脊柱內固定矯形器械(如椎弓根螺釘)的出現,此種體位預測的脊柱柔韌性遠低于手術矯形效果。俯臥加壓位 X 線成像需檢查者施加外力于側凸的脊柱,施加力量的大小將會影響脊柱柔韌性的預測值。牽引位 X 線成像包括患者自身重力牽引位 X 線成像、仰臥牽引位 X 線成像和全身麻醉下牽引位 X 線成像,但均操作技術復雜,干擾因素較多,評價效度不高[18]。目前,支點側屈位 X 線成像被認為是較準確反映脊柱柔韌性的評估方法。但是,支點裝置和患者體型方面的差異也會影響脊柱柔韌性評估的信度和效度,如何設計并改善個體化的支點裝置有待進一步研究[20]。
1.4 胸椎后凸/腰椎前凸角度
脊柱側凸患者通常伴有矢狀面上胸椎后凸/腰椎前凸角度的異常,影響脊柱在矢狀面上的平衡[21-22]。X 線成像采用 Cobb 方法測量脊柱側凸在矢狀面上的胸椎后凸/腰椎前凸角度(圖 1):矢狀面上第 3 胸椎(T3) 椎體的上終板平行線與第 12 胸椎(T12) 椎體的下終板平行線之間所形成的夾角為胸椎后凸角;第 1 腰椎(L1)椎體的上終板平行線與第 5 腰椎( L5 )椎體的下終板平行線之間所形成的夾角為腰椎前凸角。研究發現,Cobb 方法評估胸椎后凸/腰椎前凸角度的測量信度較高,組內相關系數 ICC 值為 0.83~0.92[3]。然而,Cobb 方法反映的是側凸脊柱前份-椎體的結構特征,其測量結果只能反映出 T3 和 T12 或者 L1 和 L5 兩個椎體的終板之間的傾斜程度。因此,Cobb 方法評估胸椎后凸/腰椎前凸角度的結果具有局限性。

a. 胸椎后凸角;b. 腰椎前凸角
1.5 骨成熟度
骨成熟度反映青少年生長發育程度,是選擇脊柱側凸手術治療或保守治療的重要依據[23]。在骨盆正位 X 線片上,根據髂骨翼的骨骺骨化范圍判斷骨成熟度,其結果表示為 Risser 征,共分為Ⅰ~Ⅴ級(圖 2)。髂骨骨骺從側方向中間生長,Risser 征Ⅰ~Ⅱ級表示生長發育高峰期,即髂骨的骨骺還處于開放階段,可以判定該患者脊柱側凸加重的風險較大,宜選擇積極的方法治療。而 Risser 征Ⅴ級表示髂骨骨骺全部出現,脊柱側凸進展緩慢,可根據側凸角度大小及癥狀選擇合適的方法。

1.6 優勢與劣勢
X 線成像評估脊柱側凸操作簡便,測量結果信度較高。然而,多次的 X 線檢查使患者暴露于 X 線輻射中,增加腫瘤等疾病的發生率。特別是女性的脊柱側凸患者,正處于青春發育期,胸腺組織對 X 線輻射更加敏感[24]。此外,X 線成像評估局限于在冠狀面和矢狀面上評估脊柱側凸,不能在水平面上顯示椎骨旋轉程度,即 X 線圖像將三維的脊柱結構投射在二維的膠片上,不能真實地反映出脊柱側凸三維空間的畸形特征[25]。近年來,隨著脊柱側凸三維矯形技術的開展,以及減少患者 X 線輻射量的基本要求,更加安全、可靠和準確的三維 X 線成像技術成為脊柱側凸評估的研究熱點。
2 三維立體 X 線成像評估方法
2.1 測量參數
三維立體 X 線成像是通過雙平面 X 線成像系統,同時進行正位和側位 X 線成像;在特定計算機程序輔助下,進行脊柱和軀干的三維 X 線圖像重建[26]。在重建的脊柱三維圖像上,通過特定軟件程序完成自動或半自動的脊柱側凸、脊柱旋轉、胸椎后凸、腰椎前凸以及胸椎扭轉等參數的評估[27-28]。此外,三維立體 X 線成像實現了脊柱柔韌性在冠狀面、水平面和矢狀面上的評估[29];且能夠更加立體地反映出脊柱側凸患者胸廓與骨盆的畸形特征[30]。
2.2 信度與效度
研究結果表明,三維立體 X 線成像評估脊柱側凸的方法信度和效度均較高。對于輕中度脊柱側凸,Gille 等[31]研究報道,三維立體 X 線成像評估脊柱側凸、脊柱旋轉、胸椎后凸/腰椎前凸的評測者內 MAD 值依次為 1.9、1.4、3.6、2.5°,評測者間 MAD 值依次為 1.6、0.9、3.7、2.8°,評測者內和評測者間組內相關系數 ICC 值均>0.87;而對于重度脊柱側凸,Ilharreborde 等[32]研究報道其評估脊柱側凸、脊柱旋轉、胸椎后凸/腰椎前凸的評測者內 MAD 值為 4.8、5.3、5.9、5.7°,評測者間 MAD 值為 6.2、6.1、7.0、6.7°。而且,對于脊柱側凸術后的患者,三維立體 X 線成像的測量信度不易受術中置入器材的影響。此外,Glaser 等[33]通過與 CT 成像的測量結果比較,驗證了三維立體 X 線成像評估脊柱側凸的效度。
2.3 優勢與劣勢
近年來,三維立體 X 線成像評估方法在脊柱側凸的臨床實踐中逐步開展,其主要優勢在于脊柱側凸的三維 X 線重建圖像,且 X 線的輻射劑量減少[34]。然而,三維立體 X 線成像仍然不能直接顯示脊柱側凸在水平面上的畸形特征,其三維評估結果來源于三維重建 X 線圖像上的測量數據。因此,探索三維立體 X 線成像的圖像重建與測量技術,更真實反映出脊柱側凸的三維畸形特征,同時進一步減少 X 線成像的輻射,將是今后的研究趨勢。
3 小結與展望
X 線成像是脊柱側凸臨床診斷與評估的最基本方法,具有較高的信度與效度。計算機輔助測量 Cobb 角度可有效減少人為誤差因素,提高脊柱側凸與旋轉角度測量的信度與效度。為克服 X 線成像本身二維平面的局限性,三維立體 X 線成像技術推動了脊柱側凸三維影像學評估的發展,可更真實地反映出脊柱側凸本身的三維畸形特征。在今后的研究中,探索脊柱側凸三維及自動化的影像學成像技術仍為該領域的研究熱點,也為脊柱側凸的精準診斷與評估提供研究基礎。