引用本文： 李宏達, 夏群, 白劍強, 苗軍, 劉佳男, 魏冬. 健康成人下頸椎在體三維瞬時運動特點研究. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(12): 1494-1499. doi: 10.7507/1002-1892.20150320 復制
頸椎是人體脊椎的重要組成部分，相對于胸、腰椎來說，頸椎活動度最大。隨著社會的發展，人們伏案工作時間增加以及手機的廣泛應用，導致頸椎病發生率逐漸增高并呈年輕化趨勢。Alshami[1]的最新一項調查研究發現，在脊椎疾病患者中，頸椎病占27.1%，其中以疼痛（36.8%）、僵硬（31.3%）、椎間盤疾患（24.3%）為主；30歲以下人群中，頸椎病發病率接近30%，此類患者中頸部疼痛者達60.5%。許多學者利用不同方法對頸椎的運動學進行了研究[2-17]。本課題組在前期研究中利用雙X線透視影像系統（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）結合MRI或CT三維重建技術對腰椎在體運動學進行了觀察[18-20]，對該技術的精確性和可重復性進行了驗證[21]，同時也對該技術應用于頸椎在體運動學研究的方法進行了探索[22]。在前期研究基礎上，本次研究利用DFIS結合CT三維重建技術，觀察分析健康成人下頸椎在體三維瞬時運動的特點。
1 資料與方法
1.1 研究對象
健康志愿者17名，男8名，女9名；年齡23～41歲，平均26歲。納入標準：無頸肩痛癥狀，無頭暈、頭痛癥狀，無其他頸部不適。排除標準：頸椎病患者，既往有頸椎手術病史、頸椎外傷史，頸椎畸形以及其他可能影響試驗結果的疾病。本研究經天津市天津醫院醫學倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。
1.2 試驗方法
1.2.1 頸椎椎體三維模型建立
受試者取仰臥位，進行Sensation 16 CT （Siemens公司，德國） 薄層掃描，獲取C3～7椎體橫斷面圖像（層厚0.625 mm，分辨率512×512像素）。將獲得的CT圖像導入Rhinoceros 4.0造模軟件（Robert McNeel Associates公司，美國），建立C3～7椎體三維模型，該模型各椎體自成一體，并可自由拆分[21]。見圖 1。
圖1
C3～7椎體三維模型創建示意圖 ? 矢狀位CT ? 矢狀位數字化椎體骨性輪廓描記 ? C3～7椎體三維模型 ? ?1.2.2 雙平面X線透視
采用2臺相同型號的C臂X線機（Siemens公司，德國）組成DFIS（C臂投射夾角為45°）[22]。分別采集受試者頸椎最大前屈-后伸、最大左側彎-右側彎、最大左旋-右旋活動時的圖像（圖 2），每個位置停留約1 s，以獲得瞬時X線雙斜位透視圖像。
1.2.3 重現生理載荷下頸椎三維瞬時運動
將透視圖像矯正后導入Rhinoceros 4.0造模軟件，在計算機內模擬透視場景[21]。將每一節段頸椎三維模型導入模擬場景，調整受試者每一節段頸椎三維模型的空間位置，按照頸椎解剖結構特點使其投射影像分別與雙平面X線透視影像完全匹配，實現C3～7椎體二維-三維圖像轉換，再現生理載荷下頸椎的三維瞬時運動狀態（圖 3 a）。
1.2.4 建立頸椎椎體三維坐標系及數據測量
在C3～7各椎體幾何中心分別建立坐標系，定義X軸位于冠狀面并指向左側，Y軸位于矢狀面并指向后側，Z軸垂直于X-Y平面指向頭側。沿X、Y、Z軸的旋轉角度分別定義為屈-伸旋轉角度（α）、側彎旋轉角度（β）和左-右旋轉角度（γ），沿X、Y、Z軸的位移分別定義為左-右位移（x）、前-后位移（y）和上-下位移（z），從而獲得健康成人下頸椎相鄰節段間在前屈-后伸、左-右側彎、左-右旋轉活動時6自由度數據（圖 3 b）。由于有1位受試者C7透視時未能在視野內，所以C6、7統計樣本量為16個，其余節段為17個。
1.3 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 屈伸活動時下頸椎各節段間在體三維瞬時運動特點
除C6、7節段前-后位移顯著小于其余各節段，差異有統計學意義（P＜0.05）外，其余各節段間比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。各節段間左-右位移和上-下位移比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。C3、4及C6、7節段屈-伸旋轉角度顯著小于C4、5及C5、6節段，C6、7節段顯著小于C3、4節段，差異均有統計學意義（P＜0.05）；其余各節段間比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。C4、5節段左-右旋轉角度顯著大于C5、6及C6、7節段，差異有統計學意義（P＜0.05），其余各節段間比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。各節段間比較側彎旋轉角度，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
屈伸活動時下頸椎各節段間位移和旋轉角度比較（2.2 左-右側彎活動時下頸椎各節段間在體三維瞬時運動特點
除C3、4節段前-后位移顯著大于C4、5節段，C6、7節段上-下位移顯著小于C3、4和C4、5節段，比較差異有統計學意義（P＜0.05）外，其余各節段間各項位移間比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。除C3、4節段左-右旋轉角度顯著大于C5、6及C6、7節段，差異 有統計學意義（P＜0.05）外；其余各節段間各項旋轉角度比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 2。
表2
左-右側彎活動時下頸椎各節段間位移和旋轉角度比較（2.3 左-右旋轉活動時下頸椎各節段間在體三維瞬時運動特點
除C3、4節段左-右旋轉角度顯著大于C4、5和C6、7節段，差異有統計學意義（P＜0.05）外；其余各節段間各項位移及旋轉角度比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 3。
表3
左-右旋轉活動時下頸椎各節段間位移和旋轉角度比較（3 討論
目前，頸椎病在臨床上常見且有年輕化趨勢，有研究表明[23]椎間盤在20歲以后就可能開始退變。因此，獲得頸椎椎體間的在體運動量化數據，不僅有助于了解正常頸椎運動節段的運動方式和特點，而且有助于了解頸椎病的發生機制和改善頸椎病的臨床治療方法。Reitman等[3]利用普通X線片對140名無癥狀健康受試者屈伸活動時頸椎在體運動進行了觀察研究，發現C2、3、C3、4、C5、6節段前-后位移正常值接近3.5 mm，其中C4、5節段前-后位移最大，可達4.2 mm，C6、7節段最小。因此他們認為，如果按照既往報道的頸椎前-后位移＞3.5 mm即為失穩標準[24]，目前臨床中可能存在過度診斷的現象。本研究中，屈伸活動時下頸椎前-后位移結果與其相似，即C6、7節段最小，C4、5節段最大，而且最小值也超過2 mm，因此既往學者報道的頸椎前-后位移超過2～3 mm作為滑脫的診斷標準[25-27]值得商榷。關于頸椎滑脫或失穩的診斷標準,可能需要更大樣本和更精確方法去完善和驗證。
Salem等[4]利用CT掃描技術研究了20名健康志愿者頸椎在最大左-右旋轉時的三維運動特點，其所獲得的下頸椎運動數據較本研究數據小，分析原因可能是該研究中受試者行CT掃描時處于仰臥位，且各項活動是被動完成，而本研究中受試者處于坐位，并由受試者主動完成活動，能反映正常生理載荷下的狀態。為了解決Salem等[4]的方法中射線量問題，有學者利用三維MRI研究頸椎的在體運動。如Nagamoto等[7]利用MRI對10名健康志愿者頸椎旋轉活動時的在體運動進行了觀察，該研究中每名受試者需完成5個位置動作，每個位置檢查時間大約為5 min。與本研究結果相比，其測量的運動數據絕大多數偏小。Ishii等[9]的研究方法和Nagamoto等[7]相似，只是每名受試者需完成11個位置動作。Ishii等[8]還利用MRI技術對12名健康志愿者頸椎側彎活動時的在體運動進行了觀察，其所得數值也小于本研究結果。究其原因可能為以上研究受試者檢查體位為仰臥位，屬非正常生理載荷體位，而且檢查所需時間長，受試者需長時間保持固定動作位置不變，是非瞬時運動的觀測。
此外，一些學者通過使用三維運動分析系統對頸椎在體運動進行了分析[12-14]。該類系統是通過在受試者體表特定部位黏附標記器，然后利用擺放在空間不同位置的攝像機捕捉標記器的運動，進而計算相關運動學參數。該技術的主要局限在于，因皮膚和椎體之間存在相對運動，標記器不能準確反映椎體在體運動；而且獲得的主要是頸椎整體運動數據，很難得到不同節段椎體間的相對運動和相關位移運動學參數值。
二維-三維圖像匹配技術的出現為研究脊椎在體運動提供了一種新技術。Lin等[16]利用該方法分析了10名健康受試者坐位頸椎左-右旋轉和側彎活動時椎體在體運動特點，本研究所獲得的運動學數據與該研究結果相似。Anderst等[28]利用連續動態攝像技術對29名健康志愿者頸椎在體三維運動進行了研究報道，但所獲數據與本研究相比略大，可能是其采用連續動態攝像給受試者帶來更多射線量所致，而且研究缺少椎體間相對位移結果。
本研究對下頸椎不同節段間的旋轉和位移運動進行了比較分析，發現不同體位時各節段間的在體運動具有不同特點。屈伸活動時，C4、5和C5、6節段沿冠狀屈-伸軸旋轉角度大于C3、4和C6、7節段，提示此時的屈-伸旋轉主要發生在C4、5和C5、6節段，這也說明了臨床中頸椎間盤突出好發于C4、5和C5、6節段的現象，而且此時C6、7節段沿矢狀軸前-后位移明顯小于其他節段（P＜0.05）。左-右側彎活動時，C3、4和C4、5節段沿垂直軸上-下位移大于C6、7節段，且C3、4節段伴有明顯的左-右旋轉動作。左-右旋轉活動時，C3、4節段沿垂直軸左-右旋轉角度最大。以上結果提示，目前臨床中應用同一種人工椎間盤治療不同節段頸椎間盤突出存在一定弊端。
綜上述，本研究采用DIFS進行了健康成人下頸椎在體三維瞬時運動特點的觀察和分析，并獲取了下頸椎椎體間相對運動的6自由度數據，該方法具有無創性、精確度高的優點，獲得的數據能夠反映生理載荷下下頸椎的三維瞬時運動特點。但本研究也存在一定局限性：首先，納入受試者局限于中青年，只能代表這一年齡組的頸椎三維運動狀態；其次，本研究圖像采集和人工匹配過程相對復雜耗時，今后將改進試驗設備與技術，擴大樣本量，以期獲得更全面、更具有代表意義的下頸椎椎體在體運動特點數據，為指導頸椎病治療以及頸椎人工椎間盤假體設計提供參考。
頸椎是人體脊椎的重要組成部分，相對于胸、腰椎來說，頸椎活動度最大。隨著社會的發展，人們伏案工作時間增加以及手機的廣泛應用，導致頸椎病發生率逐漸增高并呈年輕化趨勢。Alshami[1]的最新一項調查研究發現，在脊椎疾病患者中，頸椎病占27.1%，其中以疼痛（36.8%）、僵硬（31.3%）、椎間盤疾患（24.3%）為主；30歲以下人群中，頸椎病發病率接近30%，此類患者中頸部疼痛者達60.5%。許多學者利用不同方法對頸椎的運動學進行了研究[2-17]。本課題組在前期研究中利用雙X線透視影像系統（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）結合MRI或CT三維重建技術對腰椎在體運動學進行了觀察[18-20]，對該技術的精確性和可重復性進行了驗證[21]，同時也對該技術應用于頸椎在體運動學研究的方法進行了探索[22]。在前期研究基礎上，本次研究利用DFIS結合CT三維重建技術，觀察分析健康成人下頸椎在體三維瞬時運動的特點。
1 資料與方法
1.1 研究對象
健康志愿者17名，男8名，女9名；年齡23～41歲，平均26歲。納入標準：無頸肩痛癥狀，無頭暈、頭痛癥狀，無其他頸部不適。排除標準：頸椎病患者，既往有頸椎手術病史、頸椎外傷史，頸椎畸形以及其他可能影響試驗結果的疾病。本研究經天津市天津醫院醫學倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。
1.2 試驗方法
1.2.1 頸椎椎體三維模型建立
受試者取仰臥位，進行Sensation 16 CT （Siemens公司，德國） 薄層掃描，獲取C3～7椎體橫斷面圖像（層厚0.625 mm，分辨率512×512像素）。將獲得的CT圖像導入Rhinoceros 4.0造模軟件（Robert McNeel Associates公司，美國），建立C3～7椎體三維模型，該模型各椎體自成一體，并可自由拆分[21]。見圖 1。
圖1
C3～7椎體三維模型創建示意圖 ? 矢狀位CT ? 矢狀位數字化椎體骨性輪廓描記 ? C3～7椎體三維模型 ? ?1.2.2 雙平面X線透視
采用2臺相同型號的C臂X線機（Siemens公司，德國）組成DFIS（C臂投射夾角為45°）[22]。分別采集受試者頸椎最大前屈-后伸、最大左側彎-右側彎、最大左旋-右旋活動時的圖像（圖 2），每個位置停留約1 s，以獲得瞬時X線雙斜位透視圖像。
1.2.3 重現生理載荷下頸椎三維瞬時運動
將透視圖像矯正后導入Rhinoceros 4.0造模軟件，在計算機內模擬透視場景[21]。將每一節段頸椎三維模型導入模擬場景，調整受試者每一節段頸椎三維模型的空間位置，按照頸椎解剖結構特點使其投射影像分別與雙平面X線透視影像完全匹配，實現C3～7椎體二維-三維圖像轉換，再現生理載荷下頸椎的三維瞬時運動狀態（圖 3 a）。
1.2.4 建立頸椎椎體三維坐標系及數據測量
在C3～7各椎體幾何中心分別建立坐標系，定義X軸位于冠狀面并指向左側，Y軸位于矢狀面并指向后側，Z軸垂直于X-Y平面指向頭側。沿X、Y、Z軸的旋轉角度分別定義為屈-伸旋轉角度（α）、側彎旋轉角度（β）和左-右旋轉角度（γ），沿X、Y、Z軸的位移分別定義為左-右位移（x）、前-后位移（y）和上-下位移（z），從而獲得健康成人下頸椎相鄰節段間在前屈-后伸、左-右側彎、左-右旋轉活動時6自由度數據（圖 3 b）。由于有1位受試者C7透視時未能在視野內，所以C6、7統計樣本量為16個，其余節段為17個。
1.3 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 屈伸活動時下頸椎各節段間在體三維瞬時運動特點
除C6、7節段前-后位移顯著小于其余各節段，差異有統計學意義（P＜0.05）外，其余各節段間比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。各節段間左-右位移和上-下位移比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。C3、4及C6、7節段屈-伸旋轉角度顯著小于C4、5及C5、6節段，C6、7節段顯著小于C3、4節段，差異均有統計學意義（P＜0.05）；其余各節段間比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。C4、5節段左-右旋轉角度顯著大于C5、6及C6、7節段，差異有統計學意義（P＜0.05），其余各節段間比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。各節段間比較側彎旋轉角度，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
屈伸活動時下頸椎各節段間位移和旋轉角度比較（2.2 左-右側彎活動時下頸椎各節段間在體三維瞬時運動特點
除C3、4節段前-后位移顯著大于C4、5節段，C6、7節段上-下位移顯著小于C3、4和C4、5節段，比較差異有統計學意義（P＜0.05）外，其余各節段間各項位移間比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。除C3、4節段左-右旋轉角度顯著大于C5、6及C6、7節段，差異 有統計學意義（P＜0.05）外；其余各節段間各項旋轉角度比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 2。
表2
左-右側彎活動時下頸椎各節段間位移和旋轉角度比較（2.3 左-右旋轉活動時下頸椎各節段間在體三維瞬時運動特點
除C3、4節段左-右旋轉角度顯著大于C4、5和C6、7節段，差異有統計學意義（P＜0.05）外；其余各節段間各項位移及旋轉角度比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表 3。
表3
左-右旋轉活動時下頸椎各節段間位移和旋轉角度比較（3 討論
目前，頸椎病在臨床上常見且有年輕化趨勢，有研究表明[23]椎間盤在20歲以后就可能開始退變。因此，獲得頸椎椎體間的在體運動量化數據，不僅有助于了解正常頸椎運動節段的運動方式和特點，而且有助于了解頸椎病的發生機制和改善頸椎病的臨床治療方法。Reitman等[3]利用普通X線片對140名無癥狀健康受試者屈伸活動時頸椎在體運動進行了觀察研究，發現C2、3、C3、4、C5、6節段前-后位移正常值接近3.5 mm，其中C4、5節段前-后位移最大，可達4.2 mm，C6、7節段最小。因此他們認為，如果按照既往報道的頸椎前-后位移＞3.5 mm即為失穩標準[24]，目前臨床中可能存在過度診斷的現象。本研究中，屈伸活動時下頸椎前-后位移結果與其相似，即C6、7節段最小，C4、5節段最大，而且最小值也超過2 mm，因此既往學者報道的頸椎前-后位移超過2～3 mm作為滑脫的診斷標準[25-27]值得商榷。關于頸椎滑脫或失穩的診斷標準,可能需要更大樣本和更精確方法去完善和驗證。
Salem等[4]利用CT掃描技術研究了20名健康志愿者頸椎在最大左-右旋轉時的三維運動特點，其所獲得的下頸椎運動數據較本研究數據小，分析原因可能是該研究中受試者行CT掃描時處于仰臥位，且各項活動是被動完成，而本研究中受試者處于坐位，并由受試者主動完成活動，能反映正常生理載荷下的狀態。為了解決Salem等[4]的方法中射線量問題，有學者利用三維MRI研究頸椎的在體運動。如Nagamoto等[7]利用MRI對10名健康志愿者頸椎旋轉活動時的在體運動進行了觀察，該研究中每名受試者需完成5個位置動作，每個位置檢查時間大約為5 min。與本研究結果相比，其測量的運動數據絕大多數偏小。Ishii等[9]的研究方法和Nagamoto等[7]相似，只是每名受試者需完成11個位置動作。Ishii等[8]還利用MRI技術對12名健康志愿者頸椎側彎活動時的在體運動進行了觀察，其所得數值也小于本研究結果。究其原因可能為以上研究受試者檢查體位為仰臥位，屬非正常生理載荷體位，而且檢查所需時間長，受試者需長時間保持固定動作位置不變，是非瞬時運動的觀測。
此外，一些學者通過使用三維運動分析系統對頸椎在體運動進行了分析[12-14]。該類系統是通過在受試者體表特定部位黏附標記器，然后利用擺放在空間不同位置的攝像機捕捉標記器的運動，進而計算相關運動學參數。該技術的主要局限在于，因皮膚和椎體之間存在相對運動，標記器不能準確反映椎體在體運動；而且獲得的主要是頸椎整體運動數據，很難得到不同節段椎體間的相對運動和相關位移運動學參數值。
二維-三維圖像匹配技術的出現為研究脊椎在體運動提供了一種新技術。Lin等[16]利用該方法分析了10名健康受試者坐位頸椎左-右旋轉和側彎活動時椎體在體運動特點，本研究所獲得的運動學數據與該研究結果相似。Anderst等[28]利用連續動態攝像技術對29名健康志愿者頸椎在體三維運動進行了研究報道，但所獲數據與本研究相比略大，可能是其采用連續動態攝像給受試者帶來更多射線量所致，而且研究缺少椎體間相對位移結果。
本研究對下頸椎不同節段間的旋轉和位移運動進行了比較分析，發現不同體位時各節段間的在體運動具有不同特點。屈伸活動時，C4、5和C5、6節段沿冠狀屈-伸軸旋轉角度大于C3、4和C6、7節段，提示此時的屈-伸旋轉主要發生在C4、5和C5、6節段，這也說明了臨床中頸椎間盤突出好發于C4、5和C5、6節段的現象，而且此時C6、7節段沿矢狀軸前-后位移明顯小于其他節段（P＜0.05）。左-右側彎活動時，C3、4和C4、5節段沿垂直軸上-下位移大于C6、7節段，且C3、4節段伴有明顯的左-右旋轉動作。左-右旋轉活動時，C3、4節段沿垂直軸左-右旋轉角度最大。以上結果提示，目前臨床中應用同一種人工椎間盤治療不同節段頸椎間盤突出存在一定弊端。
綜上述，本研究采用DIFS進行了健康成人下頸椎在體三維瞬時運動特點的觀察和分析，并獲取了下頸椎椎體間相對運動的6自由度數據，該方法具有無創性、精確度高的優點，獲得的數據能夠反映生理載荷下下頸椎的三維瞬時運動特點。但本研究也存在一定局限性：首先，納入受試者局限于中青年，只能代表這一年齡組的頸椎三維運動狀態；其次，本研究圖像采集和人工匹配過程相對復雜耗時，今后將改進試驗設備與技術，擴大樣本量，以期獲得更全面、更具有代表意義的下頸椎椎體在體運動特點數據，為指導頸椎病治療以及頸椎人工椎間盤假體設計提供參考。
