人工诱导突出椎间盘自然回缩后椎间盘的高度测量及强度分析

doi:10.12307/2025.834

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (27): 5785-5794.doi: 10.12307/2025.834

• 骨与关节生物力学Bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

人工诱导突出椎间盘自然回缩后椎间盘的高度测量及强度分析

白亮，付苏，严旭，张春霖，李莹

郑州大学第一附属医院骨科，河南省郑州市 450000

收稿日期:2024-03-20 接受日期:2024-06-15 出版日期:2025-09-28 发布日期:2025-03-05
通讯作者: 张春霖，博士，主任医师，教授，硕士生导师，郑州大学第一附属医院骨科，河南省郑州市 450000 李莹，主任护师，郑州大学第一附属医院骨科，河南省郑州市 450000
作者简介:白亮，男，1998年生，郑州大学在读硕士，主要从事脊柱微创外科的研究。
基金资助:
河南省教育厅河南省高等学校重点科研项目(24A320041)，课题名称：微创人工诱导突出椎间盘自然吸收技术治疗突出椎间盘及快速康复”，项目负责人：李莹

Measurement of intervertebral disc height and analysis of strength after induced resorption of herniated nucleus pulpous

Bai Liang, Fu Su, Yan Xu, Zhang Chunlin, Li Ying

Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, Henan Province, China

Received:2024-03-20 Accepted:2024-06-15 Online:2025-09-28 Published:2025-03-05
Contact: Zhang Chunlin, MD, Chief physician, Professor, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, Henan Province, China Li Ying, Chief nurse, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, Henan Province, China
About author:Bai Liang, Master candidate, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, Henan Province, China
Supported by:
intervertebral disc| lumbar disc herniation| cervical disc herniation| centroid| magnetic resonance image| artificial intelligence| biomechanics

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

人工诱导突出椎间盘自然回缩技术：是由张春霖团队率先发现并应用于临床治疗颈、腰椎间盘突出的一种脊柱微无创新技术，具有脊柱后路椎管对称均匀扩大减压、不直接侵扰突出颈/腰椎间盘、双侧减压槽愈合可重建脊柱生理解剖结构的特点。
相邻椎体形心高度：是指于任意一椎间盘上下两端相邻椎体正中矢状面取点，该点位于由椎体轮廓(仅指由上下两终板、前纵韧带以及后纵韧带所围绕而成的近四方形结构，不包含椎体的其他附属结构)而取得的形状中心，即形心；将相邻上下两椎体按照该法所取的形心用直线连接，所得的线段长度定义为相邻椎体形心高度。此次研究中，以相邻椎体形心高度作为椎间盘的高度测量指标。

摘要
背景：人工诱导突出椎间盘自然回缩技术是一种治疗颈、腰椎间盘突出症微创、对突出椎间盘而言无创的创新性有效方法，但回缩术后突出颈、腰椎间盘能否保持原有的高度及生物力学强度，目前尚未见相关研究报道。
目的：测量人工诱导突出椎间盘自然回缩手术前后突出颈、腰椎间盘相邻椎体形心高度，以分析回缩术后椎间盘生物力学强度的变化，为人工诱导突出椎间盘自然回缩技术治疗颈、腰椎间盘突出症提供新的依据。
方法：回顾性分析2013年1月至2023年1月在郑州大学第一附属医院接受人工诱导突出椎间盘自然回缩手术治疗的颈/腰椎间盘突出患者140例。应用相关软件在人工智能辅助标定下，于MRI T1图像中测量患者人工诱导突出椎间盘自然回缩术前及术后各随访时间节点的颈椎、腰椎相邻椎体形心高度。以未手术的T1/T2和T12/L1节段分别作为颈椎、腰椎对照组，若术前颈/腰椎间盘突出患者的相邻椎体形心高度值小于其自身T1/T2或T12/L1对照节段相邻椎体形心高度值超过8%者为“高度降低组”(以下简称A组)，其余为“高度不变组”(以下简称B组)。统计学分析A组和B组人工诱导突出椎间盘自然回缩手术前后相邻椎体形心高度的差异，同时根据人工智能辅助测量所得颈、腰椎突出椎间盘的体积，分析其与相邻椎体形心高度变化的相关性。
结果与结论：①共纳入140例患者，其中颈椎组60例、腰椎组80例，术后随访 7 d-12个月；②颈椎组共281个椎间盘，其中对照组60个颈椎间盘，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别约为20.46 mm和20.17 mm，差异无显著性意义(P > 0.05)；A组 162个颈椎间盘，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度均值分别为 16.65 mm和15.92 mm，差异无显著性意义(P > 0.05)；术前与术后颈椎突出椎间盘体积均值分别是510.28 mm³和364.76 mm³，与相邻椎体形心高度改变无显著相关性(P > 0.05)；B组64个颈椎间盘，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为20.15 mm和19.09 mm，差异无显著性意义(P > 0.05)；术前与术后颈椎突出椎间盘体积平均值分别是515.32 mm³
和361.98 mm³，与相邻椎体形心高度改变无显著相关性(P > 0.05)；③腰椎组共258个椎间盘，其中对照组80个腰椎间盘，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别约为33.03 mm和32.40 mm，差异无显著性意义；A组59个腰椎间盘，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为30.08 mm和31.67 mm，差异无显著性意义；术前与术后腰椎突出椎间盘体积均值分别是690.51 mm³和496.58 mm³，与相邻椎体形心高度改变无显著相关性(P > 0.05)；B组119个腰椎间盘，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为 35.91 mm和34.12 mm，差异无显著性意义；术前与术后腰椎突出椎间盘体积均值分别是698.70 mm³和535.99 mm³，与相邻椎体形心高度改变无显著相关性；④提示无论颈、腰椎突出椎间盘高度是否下降，人工诱导突出椎间盘自然回缩术后其高度都可以维持与术前一致的水平，可见突出椎间盘回缩并不影响其生物力学强度，提示人工诱导突出椎间盘自然回缩技术宜在突出节段椎间隙高度下降前实施，这样对维持自然回缩椎间盘生物力学强度更具价值。

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

关键词:

椎间盘, 腰椎间盘突出, 颈椎间盘突出, 形心, 核磁共振, 人工智能, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Induced resorption of herniated nucleus pulpous is a minimally invasive, non-invasive and innovative method for the treatment of cervical/lumbar intervertebral disc herniation. After induced resorption of herniated nucleus pulpous, the research about whether cervical/lumbar intervertebral disc can maintain the original biomechanical strength has not been reported.
OBJECTIVE: To measure the height of adjacent vertebral centroid of cervical/lumbar intervertebral disc before and after induced resorption of herniated nucleus pulpous operation to analyze the changes of the biomechanical strength of the intervertebral disc after reclining and to provide a new basis for induced resorption of herniated nucleus pulpous treatment of cervical and lumbar intervertebral disc herniation.
METHODS: A retrospective analysis was performed on 140 patients with cervical/lumbar intervertebral disc herniation who received induced resorption of herniated nucleus pulpous surgery in the First Affiliated Hospital of Zhengzhou University from January 2013 to January 2023. Related software was used to measure the height of adjacent vertebral centroid of cervical/lumbar intervertebral disc of patients at each follow-up time point before and after induced resorption of herniated nucleus pulpous surgery in Magnetic Resonance Imaging image data under Artificial Intelligence-assisted calibration. Unoperated T1/T2 and T12/L1 segments were taken respectively as controls. Those with preoperative height of adjacent vertebral centroid less than 8% of the corresponding T1/T2 or T12/L1 control segment were in the “height reduction group” (hereafter referred to as group A) and the rest were in the “height unchanged group” (hereafter referred to as group B). The difference of height of adjacent vertebral centroid before and after operation between the group A and the group B was statistically analyzed. Simultaneously, the correlation between the volume of cervical and lumbar herniated discs and the changes of height of adjacent vertebral centroid was analyzed according to the result measured by artificial intelligence.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The study maintained a total of 140 patients, including 60 cases of cervical disc herniation and 80 cases of lumbar disc herniation. The postoperative follow-up period was 7 days to 12 months. (2) A total of 281 discs were measured in the cervical vertebra group, including 60 intervertebral discs in the control group. The mean value of height of adjacent vertebral centroid before and at the last postoperative follow-up was about 20.46 mm and 20.17 mm, respectively, with no statistical difference (P > 0.05). There were 162 cervical discs in group A. The average height of adjacent vertebral centroid before and after operation was 16.65 mm and 15.92 mm, respectively, with no statistically significant difference (P > 0.05). The mean cervical disc herniation volume before and after surgery was 510.28 mm³ and 364.76 mm³, respectively, which was not significantly correlated with height of adjacent vertebral centroid change (P > 0.05). There were 64 discs in the group B, with average of 20.15 mm before operation and 19.09 mm at the last follow-up, and there was no significant difference (P > 0.05). The mean volume of cervical disc herniation before and after surgery was 515.32 mm³ and 361.98 mm³, respectively, and there was no significant correlation with the change of height of adjacent vertebral centroid (P > 0.05). (3) A total of 258 discs were measured in the lumbar spine group, of which 80 intervertebral discs in the control group, the average height of adjacent vertebral centroid was 33.03 mm before operation and 32.40 mm at the last follow-up, and there was no significant difference. There were 59 discs in the group A, and the average height of adjacent vertebral centroid before and after operation was 30.08 mm and 31.67 mm, respectively, with no statistically significant difference. The mean volume of lumbar disc herniation before and after operation was 690.51 mm³ and 496.58 mm³, respectively, and there was no significant correlation with the change of height of adjacent vertebral centroid (P > 0.05). There were 119 discs in the group B, with an average height of adjacent vertebral centroid of 35.91 mm before surgery and 34.12 mm at the last follow-up. The mean volume of lumbar disc herniation before and after operation was 698.70 mm³ and 535.99 mm³, respectively, and there was no significant correlation with the change of height of adjacent vertebral centroid. (4) It is concluded that patients with cervical/lumbar intervertebral disc herniation can maintain the same intervertebral height level after induced resorption of herniated nucleus pulpous regardless of whether the intervertebral height has decreased before operation. It can be inferred that the resorption of the herniated disc does not affect its biomechanical strength. It suggests that induced resorption of herniated nucleus pulpous surgery should be performed before the intervertebral height of the degenerate segment has decreased. The induced resorption of herniated nucleus pulpous is more valuable to maintain the biomechanical strength of the resorptive disc.

Key words:

intervertebral disc, lumbar disc herniation, cervical disc herniation, centroid, magnetic resonance image, artificial intelligence, biomechanics

中图分类号:

R459.9|R318|R687.3

白亮, 付苏, 严旭, 张春霖, 李莹. 人工诱导突出椎间盘自然回缩后椎间盘的高度测量及强度分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(27): 5785-5794.

Bai Liang, Fu Su, Yan Xu, Zhang Chunlin, Li Ying . Measurement of intervertebral disc height and analysis of strength after induced resorption of herniated nucleus pulpous[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(27): 5785-5794.

图/表（结果） 6

2.1 参与者数量分析 随访期为 7 d-12个月，颈椎患者平均末次随访时间7.6个月，腰椎患者平均末次随访时间8.9个月，共有140例颈、腰椎间盘突出患者得到了随访，其中颈椎组60例，281个颈椎间盘；腰椎组80例，258个腰椎间盘。所有数据全部进入结果分析，无脱落。
2.2 试验流程图 见图1。

2.3 颈椎结果
2.3.1 相邻椎体形心高度变化情况共观察颈椎间盘281个：①对照组60个，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为20.46 mm[标准误为0.28，四分位水平为20.26(18.99，21.69)]及20.17 mm[标准误为0.71，四分位水平为19.60(18.72，20.78)]，差异无显著性意义(P > 0.05)；②A组162个，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为 16.65 mm[标准误为0.28，四分位水平为16.50(15.34，18.05) mm]及15.92 mm[标准误为0.71，四分位水平为15.46(14.09，17.19) mm]，各时间点相邻椎体形心高度变化差异无显著性意义(P > 0.05)；③B组59个，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为20.15 mm[标准误为0.33，四分位水平为19.89(18.34，21.50) mm]及19.09 mm[标准误为0.41，四分位水平为19.11(17.91，19.97) mm]，各时间点相邻椎体形心高度变化差异无显著性意义(P > 0.05)，见图2及表3。

2.3.2 颈椎突出椎间盘体积 60例患者221个手术节段中 186个发生iRHNP，吸收比为84.2%(186/221)，最大吸收率为91.67%，其中吸收率分级为轻度、中度、显著、完全吸收的节段在发生iRHNP现象节段中的占比分别为41.40%，37.63%，15.59%及5.38%(图3)。A组术前与术后颈椎突出椎间盘体积平均值分别是510.28 mm3和364.76 mm3，较术前平均缩小28.52%；B组术前与术后颈椎突出椎间盘体积平均值分别是466.16 mm3和307.33 mm3，较术前平均缩小34.07%。将其中iRHNP患者术前与术后末次随访的变化差值，与对应时间节点的突出椎间盘体积变化差值进行spearman相关性分析，根据检验结果可知(表4)，二者之间无相关性(P > 0.05)。

2.4 腰椎结果
2.4.1 相邻椎体形心高度变化情况观察腰椎间盘共258个，其中：①对照组80个，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值约为33.03 mm[标准误为0.46，四分位水平为32.56(30.55，34.95)]和32.40 mm[标准误为0.57，四分位水平为31.38(30.41，33.50)]，差异无显著性意义(P > 0.05)；②A组59个，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为30.08 mm[标准误为0.52，四分位水平为30.87(27.14，32.43) mm]和31.67 mm[标准误为0.61，四分位水平为32.02(27.39，34.89) mm]，各时间点相邻椎体形心高度变化差异无显著性意义(P > 0.05)；③B组119个，术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别为35.91 mm[标准误为0.41，四分位水平为35.26(33.32，37.42) mm]和34.12 mm[标准误为0.69，四分位水平为33.86(32.10，36.58) mm]，各时间点相邻椎体形心高度变化差异无显著性意义(P > 0.05)，见图4及表5。

2.4.2 腰椎突出椎间盘体积 80例腰椎间盘突出患者178个手术节段中有157个发生iRHNP，吸收比为88.20%(157/178)。最大吸收率为86.55%，其中吸收率分级为轻度、中度、显著、完全吸收的节段在全部研究节段中的占比分别为45.60%，36.00%及9.60% (图5)。A组术前与术后腰椎突出椎间盘体积平均值分别是690.51 mm3和496.58 mm3，较术前平均缩小28.09%；B组术前与术后腰椎突出椎间盘体积平均值分别是698.70 mm3和535.99 mm3，较术前平均缩小23.29%。
与颈椎组处理相同，将其中iRHNP患者术前与术后末次随访的变化差值，与对应时间节点的突出椎间盘体积变化差值进行spearman相关性分析，根据表6检验结果可知，二者之间无相关性(P > 0.05)。

2.5 典型病例
2.5.1 典型病例1 如图6所示，女性患者，56岁，诉双手麻木、双足行走踩棉花感1年，双侧Hoffmann征阳性，双下肢肌张力增高，双下肢肌力Ⅳ级，经3个月保守治疗后疗效欠佳，症状有加重趋势，强烈要求予以手术治疗。行多节段(C3-7)iRHNP术后，突出颈椎间盘C3/4，C4/5，C6/7的体积于分别由术前274，104，96 mm3减至术后的197，66，67 mm3，吸收率分别为28.10%，36.54%，30.21%。图6A-D分别为颈椎术前及术后1周、3个月和6个月以上的T1序列MRI影像学截图，其中对照节段(T1/2)在上述4个时间节点的相邻椎体形心高度测量值分别为18.59，17.72，18.01，18.27 mm；C3/4为13.32，13.67，13.29，13.59 mm；C4/5为13.91，14.93，14.52，14.27 mm；C5/6为13.77，14.91，13.27，14.08 mm。
2.5.2 典型病例2 如图7所示，男性患者，74岁，诉腰部疼痛40余年，双侧下肢疼痛、麻木，行走时症状有加重3年，手术治疗意愿强烈。行L2-5节段iRHNP术后， L2/3、L3/4、L4/5、L5/S1椎间盘突出的体积分别由术前435，870，870，940 mm3减至术后末次随访体积的390，720，465，490 mm3，吸收率分别为10.34%，17.24%，46.55%，47.87%。图7A-D分别为术前及术后1周、3个月和6个月以上T1序列MRI图片，其中对照节段(T12/L1)在4个时间节点的相邻椎体形心高度测量值分别是29.05，28.63，28.84，28.97 mm；L2/3为31.62，32.21，31.22，32.46 mm；L3/4为30.85，30.42，30.69，30.47 mm；L4/5为30.74，31.89，31.89，31.82 mm；L5/S1为28.47，28.60，28.72，29.18 mm。

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引言

椎间盘突出症多见于颈椎及腰椎，是一种严重影响患者日常生活和工作质量的常见病、多发病，其特点是椎间盘退变、含水量降低，进而导致结构及强度改变，发生纤维环破裂髓核突出、椎间隙高度下降、节段失稳、椎管狭窄压迫神经，出现感觉运动障碍等一系列临床症候群。椎间盘突出症目前有多种治疗方法，但总体上可以分为保守治疗和手术治疗两大类。百余年来，手术治疗对突出髓核的认识，就是其破碎无用且压迫神经造成痛苦，只能手术予以切除，这样形成了开放及微创的各类髓核摘除以及脊柱融合等术式[1-2]，如全椎板切除减压术、开窗减压术、内镜下髓核摘除术等[3]，这些手术方式存在神经损伤、椎间隙感染、邻椎病等并发症及风险[4-5]。
2021年作者首次报告内镜下微创颈椎管成形术后发生了突出颈椎间盘自然吸收现象[6]，2022年，作者的前瞻性研究成功实现了诱导颈椎少节段脊髓型颈椎病突出椎间盘广泛高效自然回缩，即人工诱导突出椎间盘自然回缩技术(induced resorption of herniated nucleus pulpous，iRHNP)[7]。结合以往文献报道的保守治疗偶尔发生的椎间盘自然回缩现象[8]，目前对椎间盘的认知发生了改变：突出髓核并非“破碎无用”必须切除的组织，跟骨组织一样，它是可以“自我修复的组织”。人工诱导突出椎间盘回缩后，椎间盘能否保持或是恢复原有的生物力学强度？这是一个十分值得关注的问题。以往的研究证实，椎间盘的力学强度与椎间隙高度密切相关[9-10]。椎间盘退行性变会导致椎间隙高度的丧失[11-12]，椎间盘承载力减弱直观表现为椎间隙高度降低[13-15]。换言之，椎间盘高度不变，可以认为其承载力也保持不变[16-17]。但目前尚未见有关于iRHNP术后椎间盘高度及力学强度变化的相关报道。
鉴于活体直接测试椎间盘的生物力学强度存在创伤巨大[18]、不可重复测量等诸多困难，以及既有椎间隙高度测量方法有测量端点难以确认的不足，此次研究拟通过人工智能辅助，于正中矢状位MRI图像中测量相邻椎体形心高度，它包含椎间隙高度，在人体椎体没有严重变形的情况下，相邻椎体形心高度能准确反映iRHNP手术前后椎间隙高度的变化，据此可反映iRHNP后椎间盘的生物强度，从而为iRHNP治疗颈、腰椎间盘突出症提供新的依据。

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

材料方法

1.1 设计 回顾性分析，使用One-way ANOVA检验对术后相邻椎体形心高度与术前相邻椎体形心高度进行差异显著性分析；相邻椎体形心高度与体积变化相关性采用spearman相关性检验。
1.2 时间及地点 试验于2013年1月至2023年1月在郑州大学第一附属医院骨科完成。
1.3 材料 植入物介绍见表1。

1.4 对象 回顾性收集从2013年1月至2023年1月就诊于郑州大学第一附属医院的患颈椎间盘突出症、腰椎间盘突出症、接受内镜下微创颈/腰椎管成形手术治疗、出现iRHNP现象且符合纳入标准的患者。因此次研究目的为客观衡量椎间盘的物理学及生物学参数，不涉及被研究对象的主观治疗效果，故未对患者术后功能恢复、感觉改善等进行统计分析。
选择2013年1月至2023年1月就诊于郑州大学第一附属医院的患颈椎间盘突出症(或腰椎间盘突出症)、接受内镜下微创iRHNP手术治疗、接受规范随访并且符合此次研究所设置的纳入标准的患者，收集其术前、术后7-15 d(以下简称术后7 d)、术后3个月左右(以下简称术后3个月)以及术后6-12个月随访所得(以下简称术后6个月)的颈/腰椎间盘MRI影像资料。
纳入标准：①脊髓型颈椎病、腰椎/颈椎椎管狭窄症、腰椎/颈椎椎间盘突出症患者；②相邻2次MRI时间间隔< 12个月且2次MRI资料完整；③MRI诊断结果包含颈椎/腰椎间盘突出；④所有患者的研究部位于随访期内均未接受手术等损伤性治疗。
排除标准：①随访期间接受手术等损伤性治疗；②MRI诊断结果不包含颈椎/腰椎间盘突出；③合并骨折、肿瘤或其他影响椎体完整性情况的诊断；④MRI数据不完整。
共有符合纳入标准的患者140例，其中颈椎患者60例，男35例，女25例；年龄30-79岁；共计281个颈椎间盘(对照组60个，手术颈椎间盘221个)；腰椎80例，男45例，女35例；年龄17-81岁；共计258个腰椎间盘(对照组80个，手术腰椎间盘178个)纳入研究。经统计学样本量分析后，此次数据量符合在检验水准为0.05、检验效能为0.80条件下的最低样本量要求。
该临床研究的实施符合《赫尔辛基宣言》和郑州大学第一附属医院的相关伦理要求 ( 批准号：2022-KY-0357-002，批准日期： 2022-09-17)。患者均已签署知情同意书。
1.5 方法
1.5.1 分组收集各个纳入研究患者的一个未手术节段作为对照(后文简称“对照组”)，其标准为：颈椎间盘突出症患者选取未行手术的T1/T2节段，腰椎间盘突出症患者选取未行手术的T12/L1节段。既往的研究已经证明，活动度越大的节段，其退变概率越高，一项在有颈椎症状人群中的研究表明，C5/6是最常见的退变节段，其次是C4/5和C6/7，C7/T1和C2/3在多节段退变中最不可能退变[19]。而在腰椎患者中，从 L1/2到 L5/S1，椎间盘退变程度逐渐加重[20]。为了降低手术操作本身以及椎间盘自然退变的影响，并且综合随访资料的获取难易程度，故此次研究选取了T1/T2以及T12/L1作为对照节段纳入对照组，排除研究过程中非目标混杂因素的影响。
为了分组研究相邻椎体形心高度变化与iRHNP后椎间盘突出体积变化之间的关系，将术前手术节段相邻椎体形心高度小于其对应对照节段相邻椎体形心高度超过8% [即：(对照节段相邻椎体形心高度-手术节段相邻椎体形心高度)/对照节段相邻椎体形心高度×100% > 8%]定义为“术前高度下降”，然后进行分组，将发生术前高度下降的节段归入“A组”(“高度降低组”)，其余归入“B组”(“高度不变组”)。同时对于对应节段的术前术后椎间盘突出体积进行测量，对同一椎间盘节段的相邻椎体形心高度变化与突出体积变化进行相关性分析，判断二者是否存在显著相关性。
1.5.2 手术方法以颈部手术为例，采用C型臂X射线机透视并进行体表定位，取颈后部皮肤正中长约20 mm的小切口，沿棘突两侧切开皮下组织及筋膜，在需减压的椎骨棘突上钻一直径约1 mm的小孔，将粗丝线从中穿过，以备提拉悬吊棘突-韧带复合体。内镜下清除椎板表面软组织，去除椎板和侧块连接处骨质至椎板残余骨质菲薄，再完全咬除椎板残余骨质，开一宽2.0-3.0 mm的减压骨槽。去除压迫硬膜囊的黄韧带和纤维束等软组织，可观察到良好的硬脊膜搏动。于棘突根部钻一直径约1.5 mm的小孔，用直径2.5 mm、长6 mm的小螺钉将微型钛板近端固定于棘突根部。向背侧拉紧上述粗丝线，在其悬吊保护下，于对侧椎板重复上述开减压骨槽过程，双侧骨槽均完成后，将棘突韧带复合体在粗丝线提拉下沿矢状轴方向后移1-3 mm。以小螺钉固定对侧微型钛板于棘突端后，用直径2.5 mm、长8 mm的螺钉分别固定双侧微型钛板的另一端于侧块上。最后放置引流，确认无明显活动出血后逐层关闭切口。腰部手术采取与颈部相同的手术方法，具体手术操作详细流程以及示意图，可参照作者团队的既往研究成果及发表文章[21]。
1.5.3 成像参数
颈椎/腰椎中立位MRI T1WI成像参数：品牌Prisma (3.0T)，序列TSE，TR 600，TE 9.8，ST 3.0 mm，IG 1.0 mm，Matrix 320×320。
颈椎/腰椎中立位MRI T2WI成像参数：品牌Prisma (3.0T)，序列DIXON，TR 3 000-3 200，TE 80-85，ST 3.0 mm，IG 1.0 mm，Matrix 320×320。
1.6 主要观察指标
1.6.1 相邻椎体形心高度测量使用RadiAnt DICOM Viewer 2021(Medixant，PL)和Image J 1.53t(NIH，US)进行颈、腰椎MRI图像处理和高度测量。所有患者均采用人工智能图像处理过后的T1加权序列正中矢状位MRI图像，即使用人工智能将所需图像转化为可计算的像素坐标数据，在人工智能辅助下，标定所测量椎间盘的上下两椎体四周的精准轮廓，并由此得到相邻两椎体的准确形心，进而测量每一入组椎间盘相邻两椎体的形心距离，将该距离定义为“相邻椎体形心高度”。
1.6.2 椎间盘突出体积测量方法[22] 在手术前后MRI矢状位T2图像上测量行iRHNP治疗患者突出椎间盘的体积。以上位椎体后下缘及下位椎体后上缘连线为内边界，椎间盘后方突出物边缘作为外边界，利用PACS的影像处理功能中的测量模块，得到当前层面突出椎间盘的面积，逐一测量每个层面的面积，计算突出椎间盘体积。最终得出：突出颈椎间盘体积=(层高度+层厚)×∑每一层突出椎间盘面积。变化率=(手术前突出椎间盘体积-手术后突出椎间盘体积)/手术前突出椎间盘体积×100%，吸收比=术后椎间盘吸收个数/突出椎间盘总数。变化率为正值表示突出间盘缩小，正值变化率亦称吸收率；变化率为负值表示突出间盘增大，负值变化率亦称增大率，并且按变化率大小进行分级[6]，见表2。

1.7 统计学分析 所有统计分析均使用SPSS 25.0 (IBM，USA)进行。统计学检验方法：将对照组数据检验总体数据方差齐性和组间方差齐性，在确定其总体同质后，使用One-way ANOVA检验对分组后的节段相邻椎体形心高度数据，按照时间的不同，将术后相邻椎体形心高度与术前相邻椎体形心高度进行差异显著性分析，采用中位数(四分位数间距)和平均数表述；相邻椎体形心高度与体积变化相关性使用spearman相关性检验，使用平均数表述。当P < 0.05 (双侧)时，则认为差异有显著性意义。文章统计学方法已经郑州大学第一附属医院生物统计学专家审核。

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讨论

3.1 iRHNP术后相邻椎体形心高度变化特点及自然回缩椎间盘与相邻椎体形心高度的关系 人类脊柱的椎间盘由2个相邻椎体的软骨终板、纤维环及髓核组成[23]，不同个体、同一个体不同位置的椎间盘高度是不同的[24]。文献报道正常颈、腰椎间盘不同节段之间的高度差异为15%-25%[25-26]，部分突出椎间盘会因退变进展，发生椎间隙高度降低，其强度也随之下降。但目前尚无判断椎间盘高度下降统一标准。此次研究借助相邻椎体形心高度反映椎间盘高度的变化，由于相邻椎体形心高度值远大于狭义的椎间盘高度，因而会缩小上述高度差异范围 [举例说明如下：例如测量所得某正常L3/4椎间盘高度为9.09 mm，选取的对照节段T12/L1椎间盘高度为7.49 mm，这样高度差约为 21.36%。由于测量相邻椎体形心高度时包含椎间盘高度及上下2个椎体各1/2的椎体高度，这样测量得出的L4/5 节段相邻椎体形心高度为26.41 mm，T12/L1对照节段相邻椎体形心高度为24.59 mm，高度差为(26.41-24.59)/24.59=0.074，即7.4%，考虑到测量误差、差异范围等可能造成偏差的因素，该限值应当适当增加约10%的修正量，即7.4%×(1+10%)≈8%左右]，因而，此次研究将依据相邻椎体形心高度的椎间盘高度差异范围设定为8%，若术前相邻椎体形心高度相较对照组降低大于8%为椎间盘高度下降，小于8%为椎间盘高度不变。并且，在根据该标准分组后，将A组(高度降低组)与B组(高度不变组)相邻椎体形心高度数据进行组间差异性分析， P=0.001，表现出了良好的区分度，作者认为其作为判断椎间盘高度下降的标准是合适的，可以确保椎间盘“高度下降”的定义是准确的。
此次研究发现，对照组颈椎和腰椎术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别约为20.46，20.17 mm及33.03，32.40 mm，变化均无统计学意义(P > 0.05)，提示无突出也未经手术的颈/腰椎对照组相邻椎体形心高度在观察过程中保持不变。颈椎和腰椎的A组(高度降低组)术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别约为16.65，15.92 mm及30.08，31.67 mm；颈椎和腰椎的B组
(高度不变组)术前与术后末次随访相邻椎体形心高度平均值分别约为20.15，19.09 mm及35.91，34.12 mm，变化均无统计学意义(P > 0.05)。经过前期试验排除年龄相关影响因素后，作者发现颈椎、腰椎iRHNP术后相邻椎体形心高度变化呈现以下特点： ①无论颈椎突出椎间盘术前椎间盘高度是否下降， iRHNP术后其高度均与术前保持一致。颈椎对照组与A、B两组的相邻椎体形心高度于术后1周、3个月、6个月均呈现一定范围内的波动，但术前及术后各时间节点的改变之间均无统计学意义(P > 0.05)。②同样，无论腰椎突出椎间盘术前高度是否下降，iRHNP术后其高度也与术前保持一致。腰椎虽然“承载多活动度大”，对照组在各时间节点相邻椎体形心高度与术前相比，术后1周、3个月和6个月以上均无显著改变(P > 0.05)。③iRHNP后颈椎突出椎间盘与腰椎突出椎间盘自然回缩与相邻椎体形心高度变化无显著相关性。此次研究发现，iRHNP术后颈、腰椎椎间盘体积发生自然回缩的同时，相邻椎体形心高度并不会产生有统计学意义的改变，可见iRHNP术后可以维持椎间盘与术前一致的高度。既往研究已经证实，椎间盘的高度不变，其生物力学强度亦可保持相应的生物力学强度。因此，iRHNP手术更具有优势，它保留了人体的椎间盘，不影响脊柱的承载三角结构，突出椎间盘自然回缩的同时椎间盘的高度及强度也得以保持，能更好地维持脊柱稳定性[27]，从而也为良好的远期疗效创造了必要条件。
3.2 iRHNP与椎间盘力学强度的关系和机制分析 椎间盘力学支撑结构来自于纤维环的胶原纤维和髓核的蛋白多糖等[24]。纤维环为多层富含胶原纤维的同心片层叠合而来，髓核为一富含蛋白多糖的胶质状垫片[23]。正常椎间盘在纤维环和髓核两部分的共同影响下，发挥着“减震器”的作用。目前认为，椎间隙高度(亦称椎间盘高度)是反映椎间盘强度及载荷的重要指标[28]，即椎间隙高度下降与椎间盘强度降低呈正相关。TANAKA等[29]通过对不同退变等级(pfirrmann分级)椎间盘正中矢状位冷冻显微切片和MR正中矢状位T1、T2序列影像的对比，清晰且直观地观察到，随着退变加重，退变等级提高，椎间盘高度不断下降。TEICHTAHL等[9]在一项关于腰椎退变程度和椎间盘高度下降的定量关系研究中发现，L1/2-L5/S1中任一椎间盘的退变等级提高，该椎间盘的高度便会发生有统计学意义的下降。根据椎间盘的位置不同，每级退变后高度下降的范围为0.98-1.60 mm。O’CONNELL等[30]研究发现，在轴向上，椎间盘的高度对于应力的响应是非线性的[31]，纤维非线性变化能力随着退变的发生而降低[23]，因此椎间盘高度下降与椎间盘的力学强度存在非线性黏弹性关系[32]，而退变导致的力学特性减弱是椎间盘高度损失的根本原因[33-34]。目前，关于突出椎间盘重吸收的机制众多，但此类研究数据往往来自于保守治疗患者[35]，结论也仅适用于保守治疗情况。此次研究结果表明，iRHNP术后自然回缩的椎间盘能够保持同术前一致的生物力学强度，其机制尚不明确，作者认为可能与以下因素有关：①iRHNP术式能保持脊柱承载结构不被破坏。KIRKALDY-WILLIS等[36]指出，椎体两侧的关节突关节与前方椎间盘构成了三关节复合体，其在脊柱的稳定性中起着重要作用。累及该复合体的任何损伤，均会影响脊柱稳定性，例如过多切除椎间盘或是清理一侧关节突关节，都能使得椎间盘加速退变。一项关于椎间盘刚度和强度的实验研究发现，髓核摘除后，椎间盘的刚度、强度与正常相比较均有显著性下
降[37]。iRHNP手术局限于椎板区域，棘突韧带复合体后移未干扰关节突关节、椎间盘及纤维环等结构，这对保护三关节复合体、维持脊柱的稳定性起着重要作用。②iRHNP手术改善局部微环境，有利于提高椎间盘组织代谢活性。总所周知，椎间盘的营养物质以及代谢产物的交换主要通过终板的渗透作用。椎间盘退变时压迫挤占椎管内空间，局部渗透压微循环受阻，发生局部缺氧和乳酸堆积等病例反应，有时可伴随软骨终板炎性钙化/骨化导致营养物质运输障碍，以上过程可加速椎间盘髓核细胞衰老和凋亡。iRHNP术后，椎管扩大减压可使局部静脉丛的血流恢复，改善局部缺氧环境，双侧椎板减压槽处形成骨痂组织可富含大量新生血管，促进供应营养物质及交换代谢产物，以及增加局部ATP浓度等，提高髓核细胞的合成代谢活性，提高椎间盘的纤维环胶原纤维和髓核的蛋白多糖含量，使得由多层胶原纤维包裹蛋白多糖构成的椎间盘更好地维持力学强度。③iRHNP的分子生物学机制，有利于椎间盘组织修复，维持力学强度。以往的研究表明，在椎间盘退变过程中，挤占椎管空间的椎间盘突出物会导致硬膜囊局部受压，而诸多金属蛋白酶如基质金属蛋白酶3和Ⅰ型胶原蛋白a等基因于髓核细胞呈现力学参数依赖性表达，会产生降解细胞外基质的效果[38]。而在诱导手术后，由于椎管内局部压力的降低，导致呈力学依赖的细胞通路受阻，形成对于细胞外基质的保护。外基质的纤维结构增强，从而保证了椎间盘结构在经历“退变-突出-回缩”的过程后，维持回缩椎间盘的高度和强度同术前水平。
综上所述，iRHNP手术由于能够保留椎间盘及三关节复合体完整性等多种因素，自然回缩椎间盘在一定时间内能保持和术前一致高度及生物力学强度。提示iRHNP手术应于椎间隙高度下降以前完成，对维持椎间盘生物力学强度、减缓椎间盘退变进而提高手术疗效更具价值。
3.3 相邻椎体形心高度的测量方法及评价 此次研究采用人工智能辅助测量相邻椎体形心高度数据法相较于传统方式更具优势：①降低或避免以往传统测量方式的误差：人工智能辅助于患者的MRI正中矢状位T1图像上，将图像二值化处理[39]，即让图像上的像素点的灰度值设置为0或255，并且在二值化的过程中应用全局阈值和自适应阈值技术，将每一个像素点单独计算阈值，使得人肉眼中的“条带”数值化成可对比的单个像素点数据，加之局部的相邻区块高斯加权计算和边缘双边滤波，可以无限逼近对应椎体的准确线性自然边缘，故而可以借助人工智能辅助，精准标定椎体的完整形状(如图8所示)并获取每一椎体的形状中心点坐标，即形心位置，这样可以降低或避免以往传统测量方式的人为误差[40]。此外，人工智能辅助采用参考边缘是二值化处理后的图像所得轮廓，由椎体本身形状所决定，并不会随着体位变动等因素发生明显改变，可将取点过程看作于一近似圆柱体的垂直切面取形心(图9)，由形心的坐标(X，Y)计算公式[41]：[ X=[∫a(ρxdA)]/ρA=[∫a(xdA)]/A=Sy/A；Y=[∫a(ρydA)]/ρA=[∫a(ydA)]/A=Sx/A ]。可知每一个椎体轴心切面上的形心都是一个在空间中相对稳定的测量点，也可以避免因为图像分割的细小偏差带来的测量误差。②可避免X射线将三维图像投影为二维图像带来的畸变，以获取相较传统方式更高精度的数据[42]。③iRHNP术式不改变椎体结构，椎体形状在术前术后保持一致，选用形心作为测量选点，也可保持前后数据的一致性，从而使测量更加稳定、直观。

此次研究iRHNP诱导突出椎间盘自然回缩后椎间盘的生物强度尚有待更为长期(> 5年及以上)的随访观察。

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人工诱导突出椎间盘自然回缩后椎间盘的高度测量及强度分析

Measurement of intervertebral disc height and analysis of strength after induced resorption of herniated nucleus pulpous

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摘要/Abstract

intervertebral disc, lumbar disc herniation, cervical disc herniation, centroid, magnetic resonance image, artificial intelligence, biomechanics

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