生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.013

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (17): 2526-2532.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.013

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生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点

魏冬^1，2，夏群²，苗军²，白剑强²，刘佳男²，李宏达²

1天津中医药大学研究生院，天津市 300193；2天津医院脊柱外科二病区，天津市 300162

收稿日期:2016-02-06 出版日期:2016-04-22 发布日期:2016-04-22
通讯作者: 夏群，教授，主任医师，天津市天津医院脊柱外科二病区，天津市 300162
作者简介:魏冬，男，1988年生，吉林省九台市人，汉族，天津中医药大学在读硕士，医师，主要从事脊柱的生物力学研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81472140，8157090604)

Three-dimensional transient motion characteristics of atlanto-axial joint in healthy adults under physiological load

Wei Dong^{1, 2}, Xia Qun², Miao Jun², Bai Jian-qiang², Liu Jia-nan², Li Hong-da²

1Graduate School, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China; 2Second Ward, Department of Spinal Surgery, Tianjin Hospital, Tianjin 300162, China

Received:2016-02-06 Online:2016-04-22 Published:2016-04-22
Contact: Xia Qun, Professor, Chief physician, Second Ward, Department of Spinal Surgery, Tianjin Hospital, Tianjin 300162, China
About author:Wei Dong, Studying for master’s degree, Physician, Graduate School, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China; Second Ward, Department of Spinal Surgery, Tianjin Hospital, Tianjin 300162, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81472140, 8157090604

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

双荧光透视影像系统：双荧光透视影像系统和CT检查相结合的非侵袭技术是人体生物力学在体研究的新理念，最早由哈佛大学麻省总医院骨科生物工程实验室Guoan Li教授提出，通过在计算机软件计算受试者脊柱椎体CT获取的每一节段三维模型，匹配到双荧光透视影像系统采集的不同活动体位的双斜位X射线透视图像上，实现二维-三维图像空间匹配，从而实现在生理载荷下人体脊柱的真实运动状态。本研究拟通过该技术建立寰枢椎在体运动学测试平台，并获得健康成人上颈椎三维运动学数据。

六自由度：在实验中，受试者分别行最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧弯位、最大左旋转位及最大右旋转位活动，采集受试者最大程度前屈-后伸、最大程度左旋-右旋和最大程度左侧弯-右侧弯时的上颈椎图像，通过以上6个活动度来全面了解上颈椎的三维在体运动学特性。

背景：人体的颈椎是承载头颅和连接脊柱的重要结构，虽然是脊柱中体积最小，但是灵活性最大，活动频率最高的节段，同时也是人体几何形体和运动特性最为复杂的的骨性结构之一，承受了头部的生理负荷，还肩负着屈伸、侧弯、旋转等运动功能。因此，颈椎成为了人体脊柱最容易受到伤害和出现退行性病变的结构之一。而对颈椎特别是上颈椎生物力学的分析，认识和理解其正常的功能和力学机制，也将为更好的治疗上颈椎疾患提供理论基础。

目的：通过双荧光透视影像系统联合螺旋CT观察测定健康成年人生理载荷下寰枢椎在体三维瞬时运动特点。

方法：招募17名健康志愿者，采用双X射线透视影像系统和螺旋CT检查相结合技术，利用相关处理软件建模，并与双荧光透视影像系统捕获的X射线透视图像匹配，重现上颈椎三维瞬时运动状态，通过建立椎体几何中心坐标并进行测量，从而获得健康成人生理载荷下上颈椎在体三维瞬时运动学数据。

结果与结论：①前屈后伸时，C₁_-₂节段与C₂_-₃节段在冠状轴位移、矢状轴位移和旋转角度差异有显著性意义；②左右侧屈时，C₁_-₂节段旋转角度明显大于C₂_-₃节段。左右旋转时，C₁_-₂节段与C₂_-₃节段在冠状轴位移、垂直轴位移，侧屈角度和旋转角度均有明显差异且有显著性意义；③说明双荧光透视影像系统联合螺旋CT测量能够获得健康成人寰枢椎在体三维瞬时运动六自由度数据，并发现寰枢椎活动以旋转运动为主，以及上颈椎在体生理活动范围及特点，为上颈椎疾病非固定手术方案提供了量化参考。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-7249-1553(魏冬)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 生理载荷, 寰枢椎, 运动学, 透视, 三维模型, 瞬时运动, 在体试验, 健康成人, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The cervical spine of the human body is an important structure carrying the head and connecting the spine. Its volume is small, but its flexibility was great. Activity frequency was highest. Simultaneously, cervical spine is the most complicated bony structure of geometric and kinematic characteristics of human body, bears the physiological load of the head, has functions of flexion and extension, lateral bending and rotation. Therefore, the cervical spine has become one of the most vulnerable structures with degenerative diseases of the spine. Analysis of upper cervical spine biomechanics, recognition and understanding of its normal function and mechanical mechanism will provide a theoretical basis for better treatment of upper cervical spine disorders.

OBJECTIVE: To observe the in vivo three-dimensional kinematics of the upper cervical spine in healthy human beings under physiological load with dual fluorescence X-ray imaging system and spiral CT.

METHODS: Seventeen healthy volunteers were recruited for this study. The vertebral segment motion of each subject was reconstructed with three-dimensional computed tomography and solid modeling software. In vivo cervical vertebral motion during functional postures was observed with dual fluoroscopic imaging. Coordinate systems were established at the vertebral center to obtain the intervertebral range of motion.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) During the flexion-extension motion, significant differences in the distance in coronal axis, sagittal axis and angle of rotation were detected in C₁_-₂ and C₂_-₃segments. (2) During the left-right bending motion, the angle of rotation was obviously greater at C_1-2 segment than that at C₂_-₃segment. During the left-right twisting motion, significant differences in distance of the vertical axis and the coronal axis, lateral flexion angle and rotation angle were detectable between C₁_-₂and C₂_-₃segments. (3) These findings confirmed that dual fluorescence X-ray imaging system combined with CT scan can obtain atlanto-axial three-dimensional instantaneous motion of six-DOF data of healthy adults, and found that the main motion of the C₁_-₂ vertebrae is rotating. These data may provide us with some new information about the in vivo kinematics of the upper cervical spine and the non-fixed surgical operation.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Atlanto-Axial Joint, Dissection, Tissue Engineering

魏冬，夏群，苗军，白剑强，刘佳男，李宏达. 生理载荷下健康成人寰枢椎三维瞬时运动的特点[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(17): 2526-2532.

Wei Dong, Xia Qun, Miao Jun, Bai Jian-qiang, Liu Jia-nan, Li Hong-da. Three-dimensional transient motion characteristics of atlanto-axial joint in healthy adults under physiological load[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(17): 2526-2532.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计三维建模试验。

1.2 时间及地点试验于2015年1至11月在天津医院脊柱外科二病区完成。

1.3 对象通过在天津医院张贴公告自主报名获得试验的健康志愿者。

纳入标准：①无颈肩部急性疼痛，且目前未使用止痛药治疗。②无颈椎病等诊断史。③无颈肩部受伤史或手术史。④无其他重大疾病。

排除标准：①既往有颈部不适或颈椎手术病史。②影像学显示有颈椎畸形或颈椎退行性变及脊髓病变。③有精神病史、骨质疏松或肥胖及其他严重疾病患者。

共获得17名健康志愿者，其中男8人，女9人，年龄23-41岁，平均年龄25.8岁，受试者既往无任何颈椎疾患及其他影响颈椎活动的疾病。研究对象符合医学伦理学要求并签署知情同意书。该试验得到医学伦理学委员会的批准。

1.4 方法

1.4.1 人体颈椎CT的摄取受试者取仰卧位，对17名受试者分别进行颈椎CT(Siemens，德国)薄层扫描获得C₁_-₇椎体横断面图像(层厚为0.625 mm，分辨率为512×512像素)，试验主要观察C₁_-₃节段，受试者于扫描前4 h不进行任何剧烈活动，30 min内平卧于检查床上休息。

1.4.2 重建三维上颈椎解剖模型将CT扫描所获得的图像导入Rhinoceros三维建模软件(Robert McNeel Associates 公司，美国)，逐层勾画出CT图像各层面颈椎的骨性轮廓，得到C₁_-₃每个椎体的三维模型(图1)。

1.4.3 双荧光透视获得上颈椎不同活动体位图像 2台相同型号的“C”型臂X射线透视机(Siemens ARCADIS Orbic，德国)组成双荧光透视系统。将2台“C”型臂按照投射夹角45°设置，受试者双髋固定，取坐位，穿铅围裙以保护下体不受放射线照射；根据受试者身高调整管球高度，受试者采用坐位同轴躯干旋转代替头颅旋转来实现颈椎旋转动作，采集受试者最大程度前屈-后伸、最大程度左旋-右旋和最大程度左侧弯-右侧弯时的上颈椎图像(图2)^[8]。

1.4.4 重现生理载荷下上颈椎运动将透视图像矫正后导入造模软件，在计算机内模拟透视场景，将每一节段椎体三维模型导入模拟场景，调整受试者每一节段上颈椎三维重建模型的空间位置，按照颈椎解剖结构特点使其投射影像同时与两个平面上颈椎X射线透视影像完全匹配，即实现二维-三维图像的匹配，从而再现生理载荷条件下人体各种运动体位时上颈椎的真实运动状态(图3A)。

在C₁_-₃各椎体几何中心分别建立三维坐标系，定义X轴位于冠状面并指向左侧，Y轴位于矢状面并指向后侧，Z轴垂直于X-Y平面指向头侧；沿X轴，Y轴及Z轴旋转的角度分别为α，β和γ(图3B)。

1.4.5 上颈椎活动体位的三维数据测量操作者可以通过Rhinoceros软件在模拟三维空间内最小以0.01°的旋转角度和0.01 mm的位移来移动三维模型，期望获得最精确的三维数据。通过椎体的空间位移和角度的变化完成人体自然站立位、最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧屈位、最大左旋转位及最大右旋转位每个相邻椎体的6-DOF数据的计算。本试验的6-DOF数据是指以平卧位椎体三维模型为基本，计算从最大前屈位到最大后伸位之间的、从最大左侧屈位到最大右侧屈位之间、从最大左侧弯位到最大右侧弯位的6-DOF数据范围，使用“Measure Axes”工具计算出前屈时C₂椎体相对于C1椎体中心点空间位移和旋转的6-DOF数据。应用相同的方法得出C₃椎体相对于C₂椎体中心点(L_4/5失稳椎体)间的相对位移和旋转角度6-DOF活动数据。

1.5 主要观察指标

(1)C₂椎体中心点相对于C₁椎体中心点在最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧屈位、最大左旋转位及最大右旋转位的相对位移与旋转角度。

(2)C₃椎体中心点相对于C₂椎体中心点在最大前屈位、最大后伸位、最大左侧弯位、最大右侧屈位、最大左旋转位及最大右旋转位的相对位移与旋转角度。

1.6 统计学分析采用SPSS 17.0统计软件(SPSS，美国)对两椎体间数据进行独立样本t 检验分析统计，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

由于寰枢椎部位较深，周围有许多血管组织和重要神经，故该部位一旦损伤，后果及其严重，损伤机制复杂、手术难度高、手术风险大。所以进一步了解寰枢椎损伤机制及其生理活动功能显得尤为重要。由于目前技术的限制，关于寰枢椎的在体三维运动学数据的研究鲜有报道。

Ishii等^[19-20]利用三维MRI结合3D-fast GRASS (gradient recalled acquisition in the steady state，稳态梯度回波序列)技术测量正常人枕骨到枢椎旋转时和侧弯时沿各轴的活动度，测得C₁_-₂由旋转到中立位的的旋转角度分别为(1.7±1.5)°和(36.2±4.5)°。在侧弯活动时，该学者发现C₁_-₂在侧弯活动时，沿垂直轴旋转角度明显大于C₂_-₃节段。Nagamoto等^[21]利用三维MRI技术对10例正常人和15例颈椎病患者进行颈椎活动度测量，受试者在头部中立位，左右旋转45°及头部最大旋转角度时进行测量，并对测量数据进行对比。该学着发现，和正常组相比，颈椎病患者C₅_-₆、C₆_-₇两个节段的旋转活动角度降低，而在C₂_-₃、C₃_-₄两个阶段的侧弯角度明显增加，且差异有显著性意义。Takasaki等^[22]利用MRI技术测量屈伸旋转时上颈椎活动度用来评测上颈椎功能，发现该体位变化角度可以用来评估上颈椎疾患。Salem等^[23]利用CT扫描与建模软件结合测量颈椎被动旋转至最大角度时各节段的活动度，发现颈椎旋转活动以上颈椎为主，旋转时C₁_-₂节段占整个颈椎的60%。Zhao等^[24]应用相似技术同样成功测得颈椎旋转时的活动度数据。以上技术应用虽然成像清晰，但大都不能真实反映受试者生理载荷下上颈椎瞬时运动状态，并且只是测得上颈椎单一活动时的运动数据。

近年来，二维-三维匹配技术利用计算机软件与医学成像技术相结合，模拟再现脊柱生理载荷下各种运动体位的的真实运动状态。该技术最早见于麻省总医院骨科生物工程实验室Li等^[25]对膝关节在体运动学进行的研究，此后学者相继应用此技术对腰椎旋转中心、腰椎间盘形变、腰椎退行性滑脱、椎体间活动度等进行报道^[26-36]。以上研究说明该技术在腰椎生物力学的探索应用已趋于成熟。

试验成功将该理念应用于颈椎在体运动学的研究，成功测得正常人生理载荷下C₁_-₃节段六自由活动度数据，发现由于寰椎特殊的解剖结构与位置，寰枢椎活动与C₂_-₃活动有很大区别。在左右旋转位时，C₁_-₂节段较C₂_-₃节段在冠状轴上位移及沿矢状轴活动角度明显大于C₂_-₃节段。说明在旋转活动时以寰枢椎旋转为主，Ishii等^[19]利用三维MRI所测数据及Dugailly等^[3]利用体外尸体解剖所测数据支持本试验结果。在左右侧弯时，寰枢椎沿垂直轴活动角度明显大于C₂_-₃节段，说明在侧弯活动时，寰枢椎活动由部分旋转代替侧弯活动。Salem等^[23]利用CT扫描与建模软件结合测量颈椎被动旋转至最大角度时各节段的活动度，此次试验在旋转主活动及屈伸角度结果与其相似，但侧弯活动角度有偏差，究其原因可能是该研究颈椎活动是被动扭转到最大角度，并且是平卧位测量，无法模拟测得受试者生理载荷下颈椎活动的真实数据。在屈伸活动时，虽部分活动差异有显著性意义，但位移与角度差别不大，Anderst等^[37]也利用相似技术对颈椎进行研究，其测得数据支持作者试验结果，但其只是测得屈伸活动时上颈椎沿各轴的运动数据。

作者首次应用双荧光透视影像系统系统进行生理载荷下寰枢椎在体运动6-DOF的测量，并且与C₂_-₃节段各活动进行对比，在试验进行及试验设计上存在一定的局限性。首先，如能建立枕骨模型并测量枕骨与寰椎之间6-DOF数据，试验将更有意义。其次，试验人工图像匹配、图形比对等过程工程量较大，操作复杂，样本例数偏少，以上因素可能导致某些统计学上的误差。今后将继续改进试验设备与相应技术，扩大样本量，为进一步了解上颈椎活动功能及为临床治疗上颈椎疾病提供理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Three-dimensional transient motion characteristics of atlanto-axial joint in healthy adults under physiological load

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