L5/S1椎间盘突出重吸收的腰骶矢状面参数改变

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
文章与已有腰骶矢状面参数与椎间盘重吸收文章的差异：以往对具体某一椎间盘突出节段发生重吸收的腰骶椎矢状面参数研究较少，也并未见椎间盘重吸收中变化最显著的腰骶椎矢状面参数研究。本研究则选取了已发生重吸收的L5/S1椎间盘突出患者的腰骶矢状面参数，以期探究椎间盘重吸收过程中变化最显著的腰骶矢状面参数，并分析其影响L5/S1椎间盘突出重吸收的机制。
腰椎间盘突出重吸收：是指腰椎间盘突出症患者在接受非手术治疗下，突出的椎间盘自发消失或缩小的现象。血管化、各种炎症介质、组织降解反应、脱水以及细胞凋亡等机制都与椎间盘重吸收有关。

背景：以往有研究表明了腰骶矢状面参数与腰椎间盘突出重吸收现象的相关性，但腰骶矢状面参数包括了腰椎前凸角、腰骶关节角、骶骨倾斜角等众多参数，且各参数对椎间盘重吸收的影响具有差异性；另外，目前对具体某一节段椎间盘突出重吸收的研究尚少，测量数据也多从DR或CT中获取，而从MRI中测量的腰骶矢状面参数与L5/S1椎间盘突出后发生重吸收的相关性报道则较少见。
目的：研究L5/S1椎间盘突出重吸收后的腰椎矢状面参数相应的改变以及筛选出椎间盘重吸收过程中的变化最显著的腰骶矢状面参数。
方法：本研究选取2011年2月-2019年6月具有完整MRI影像资料的患者，符合腰椎间盘突出症诊断标准，且单纯接受非手术治疗的L5/S1突出节段发生重吸收现象的57例腰椎间盘突出症患者。MRI测量冠状面上的最大突出层面的突出面积、腰骶矢状面参数[腰椎曲度指数(LCI)、腰椎Cobb角(α)、L5/S1椎间盘角(β)、椎间隙高度测量(D)、腰骶关节角(LSA)、骶骨平台角(STA)、骶骨倾斜角(SS)、下腰椎前凸角(Lower LL)]，将腰骶矢状面参数在Ｒ软件中采用随机森林模型进行变量重要性排序，再将显著的变量进行多元线性回归拟合，并通过配对样本t检验分析比较治疗前后各参数之间的变化。
结果与结论：共计57例L5/S1腰椎间盘突出症患者纳入本研究，患者症状及影像学特征都很大程度上较前明显缓解。初始的MSU分型1级4例、2级29例、3级24例经治疗后变为1级48例，2级9例；随机森林模型提示椎间隙高度、腰椎曲线指数、骶骨倾斜角、下腰椎前凸角在L5/S1椎间盘突出重吸收中变化显著，而其变化显著性排序为腰椎曲线指数>椎间隙高度>骶骨倾斜角>下腰椎前凸角。治疗前后的腰椎曲线指数、腰椎Cobb角、骶骨平台角增大，差异均有统计学意义(P < 0.05)。椎间盘角、椎间隙高度、下腰椎前凸角、骶骨倾斜角、腰骶关节角比较差异无统计学意义(P > 0.05)。腰椎曲线指数是突出椎间盘重吸收中变化最显著的腰骶矢状面参数，而腰椎曲线指数、骶骨倾斜角、下腰椎前凸角是临床常用的描述腰椎曲度变化的参数，说明L5/S1椎间盘突出重吸收与腰椎曲度变化存在相关性，提示在腰椎间盘突出症治疗中可通过改善或恢复紊乱的腰椎曲度进而达到临床治愈的目的。

关键词: 随机森林算法, 腰椎间盘突出症, 重吸收, 腰骶矢状面参数

Abstract: BACKGROUND: Previous studies have shown the correlation between lumbosacral sagittal plane parameters and natural absorption of lumbar disc herniation. However, the lumbosacral sagittal plane parameters included lumbar lordosis Angle, lumbosacral joint Angle, sacral inclination Angle and many other parameters, and the effects of each parameter on the natural absorption of herniated disc were different. In addition, there are few studies on reabsorption of a specific segment of intervertebral disc herniation at present, and most of the measured data are obtained from DR Or CT, while the correlation between lumbosacral sagittal plane parameters measured from MRI and reabsorption after L5/S1 intervertebral disc herniation is rarely reported.
OBJECTIVE: To study the corresponding changes of lumbar sagittal plane parameters after L5/S1 intervertebral disc herniation reabsorption and to screen out the lumbosacral sagittal plane parameters with the most significant changes during intervertebral disc reabsorption.
METHODS: In this study, 57 patients with lumbar disc herniation who had complete MRI image data from February 2011 to June 2019 were selected and met the diagnostic criteria for lumbar disc herniation and only received non-surgical treatment for reabsorption of L5/S1 protrusion segments. MRI measured the protrusion area of the maximum protrusion plane in the coronal plane, lumbosacral sagittal plane parameters [lumbar curvature index (LCI), lumbar Cobb Angle (α), L5/S1 disc Angle (β), intervertebral height measurement (D), lumbosacral joint Angle (LSA), sacral platform Angle (STA), sacral inclination Angle (SS), and lower lumbar lordosis Angle (Lowe LL))]. Besides, lumbosacral sagittal plane parameters were ranked in importance of variables by random forest model in R software, and then significant variables were fitted with multiple linear regression, and the changes between parameters before and after treatment were analyzed and compared by paired sample T test.
RESULTS AND CONCLUSION: A total of 57 patients with L5/S1 lumbar disc herniation were included in this study, and the symptoms and imaging features of the patients were significantly relieved to a large extent. Before treatment, there were 4 cases of grade 1, 29 cases of grade 2 and 24 cases of grade 3. After treatment, there were 48 cases of grade 1 and 9 cases of grade 2. The random forest model suggested that intervertebral height, lumbar curve index, sacral inclination Angle, and lower lumbar lordosis Angle changed significantly in L5/S1 disc herniation reabsorption, and the order of their change significance was lumbar curve index > intervertebral space height > sacral inclination Angle > lower lumbar lordosis Angle. Lumbar curve index, lumbar Cobb Angle and sacral platform Angle increased, with statistical significance (P<0.05). There were no significant differences in disc Angle, intervertebral height, lower lumbar lordosis Angle, sacral inclination Angle and lumbosacral joint Angle (P>0.05). Lumbar curvature index was the most significant parameter of lumbosacral sagittal plane in herniated disc reabsorption. In addition, lumbar curve index, sacral inclination Angle, and lower lumbar lordosis Angle are commonly used clinically to describe the change of lumbar curvature, suggesting that L5/S1 disc herniation reabsorption is correlated with the change of lumbar curvature.

Key words: Random forest model, Lumbar disc herniation, Reabsorption, Lumbosacral sagittal plane parameters

中图分类号:

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图/表（结果） 7

2.1 参与者数量分共计57例符合要求的L5/S1腰椎间盘突出重吸收患者纳入本回顾性研究，男32例，女25例，年龄20～54岁，平均36.7岁，随访2～104个月(平均随访时间为22个月)。全部进入结果分析，无脱落。
2.2 试验流程图见图1。

2.3 L5/S1椎间盘突出重吸收后患者的MSU分型情况在随访结束时，57例L5/S1椎间盘突出后重吸收患者突出物从初始的MSU分型1级4例、2级29例、3级24例变为1级48例，2级9例，具体见图2。

2.4 随机森林模型的特征重要性排序为了探究L5/S1椎间盘突出后重吸收中具有显著变化的腰骶矢状面参数，对腰骶矢状面数据构建了随机森林模型。见图3。其中模型的方差解释量为37.21%，P值小于0.05，表示模型具有显著意义。结果显示，D、LCI、SS、Lower LL变量在L5/S1椎间盘突出后重吸收过程中变化最显著。

2.5 多元线性回归我们根据随机森林结果对变量进行了筛选，将显著的变量纳入了多元线性回归。结果如表所示：其中，LCI、D变量对L5/S1椎间盘突出后重吸收显著，其估计系数为58.322，65.142。SS对椎间盘突出后重吸收具有一定的负效应，系数为-43.216；Lower LL对椎间盘突出后重吸收具有一定的正效应，系数为2.524，但变量不显著。见表1。为了进一步评估多元线性回归变量对L5/S1椎间盘突出后重吸收的相对影响。我们将数据进行标准化以去除量纲带来的误差，再次进行了多元线性拟合。标准化后模型的系数如表1所示，而变量对L5/S1椎间盘突出后重吸收的相对解释量则如堆叠柱状图所示。结果显示，LCI解释了41.84%的影响椎间盘突出后重吸收的变异; 而D则解释了28.52%； SS解释了28.30%，lower LL解释了1.34%。三者在L5/S1椎间盘突出后重吸收过程中的变化显著性排序为LCI>D>SS>lower LL。见图4。

2.6 L5/S1椎间盘突出症患者治疗前和治疗后发生重吸收的腰骶矢状面参数比较非手术治疗的L5/S1椎间盘突出症患者发生了重吸收后的腰椎曲线指数、腰椎Cobb角、骶骨平台角增大，差异均有统计学意义(P<0.05)。椎间盘角、椎间隙高度、下腰椎前凸角、骶骨倾斜角、腰骶关节角比较差异无统计学意义。见表2及图5。

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性调查分析，机器学习模型构建。
1.2 时间及地点收集广西中医药大学第一附属医院骨伤科、苏州市中医医院骨伤科2011年2月至2019年6月的门诊电子资料。
1.3 对象本研究选取2011年2月-2019年6月具有完整MRI影像资料的患者，符合腰椎间盘突出症诊断标准，且单纯接受非手术治疗后的L5/S1突出节段发生重吸收现象的57例腰椎间盘突出症患者进行回顾性分析。
纳入标准：①符合腰椎间盘突出症临床诊断标准，突出节段为L5/S1，且有完整的MRI影像资料；②经非手术治疗有效使脱出的腰椎间盘重吸收，其中非手术治疗方式包括适当的卧床休息、非甾体类消炎镇痛药、中药、推拿等，所有治疗均按治疗标准操作规范进行；③治疗后进行临床疗效及MRI随访，MRI复查需在治疗后2-24个月进行，最后取初末次的MRI影像资料进行观察比较。
排除标准：①已接受过腰椎其他节段手术治疗的患者；②有腰椎占位、感染性疾病、严重的内科疾病及出血性疾病等；③有腰椎骨折、滑脱或峡部裂以及腰骶椎先天性畸形(腰椎骶化或骶椎腰化)或脊柱畸形侧凸等影响矢状面参数测量的患者。④治疗期间出现不良反应事件(药物治疗时出现的消化道反应或过敏反应等)以及不能很好配合本研究随访者。
1.4 方法
1.4.1 MRI测量方法 MRI检查行矢状位、横轴位 T1WI 和T2WI 扫描，从医学影像存储和传输系统(picture archivingand communication systems，PACS)获得图像数据，观察经治疗后MRI上突出物的大小变化。选取L5/S1突出节段进行研究，测量治疗前后突出节段矢状位与横轴位的相关参数，具体操作由两名临床医师分别使用PACS影像诊断系统中测量工具直接测算，最终获取数据为2名医师测算的平均值。
1.4.2观察项目与方法
(1)突出椎间盘区域定位方法：根据美国密歇根州立大学(Michigan State University,MSU)提出的腰椎间盘突出区域定位分型法进行椎间盘突出区域定位，将突出物分为1-A到3-B共10个区域[10]。根据突出椎间盘在横截面上的程度分为1-3级，级数越大，突出越大；再根据突出物侵入的区域分为A区、AB区、B区、C区。(2)矢状位参数测量方法[11]：①腰椎曲线指数(Lumbar curvature index ，LCI)：自T12后下缘至S1，后上缘依次打点，软件利用插值与曲线拟合自动将各椎体后缘连接成一弧线，同时将T12后下缘与S1后上缘间连一直线，弓顶点至直线的垂直距离即为腰椎曲线指数。②腰椎Cobb角(Cobb angle，α角)：T12下缘连线的延长线与S1上缘连线的延长线相交所形成的角。③L5/S1椎间盘角(Disc space angle，β角)：突出节段上一椎体下缘连线的延长线与下一椎体上缘连线的延长线相交所形成的角。④椎间隙高度(Intervertebral space height，D)：分别作突出节段上一椎体前下缘点与下一椎体前上缘点连线、突出节段上一椎体下缘中点与下一椎体上缘中点连线、突出节段上一椎体后下缘点与下一椎体后上缘点连线取3条连线值的平均值作为椎间隙高度值；⑤骶骨倾斜角(Sacral slope ，SS)：S1上终板和水平线的夹角；⑥下腰椎前凸角(Lower lumbar lordosis，Lower LL)：L4上终板和S1上终板椎体终板线向后延长线的夹角；⑦腰骶关节角(Lumbosacral angle，LSA)：L5上终板切线与S1后皮质切线夹角；⑧骶骨平台角(Sacral table angle，STA)：为S1上终板与S1椎体后切线间的夹角。
1.5 主要观察指标 MRI成像下的PACS系统自带测量软件测量冠状面上的最大突出层面的突出面积、腰骶矢状面参数[腰椎曲度指数(LCI)、腰椎Cobb角(α)、L5/S1椎间盘角(β)、椎间隙高度(D)、腰骶关节角(LSA)、骶骨平台角(STA)、骶骨倾斜角(SS)、下腰椎前凸角(Lower LL)]，分别记录每位患者的样本数据并汇总统计。
1.6 统计学分析采用IBM SPSS Statistics 22.0和R语言的random forest，数据分析采用配对样本t检验，P＜0.05提示差异有统计学意义。对变量的重要性和最佳自变量个数在R语言的random forest包构建随机森林模型进行排序，在根据随机森林模型结果对变量进行筛选，将显著的变量纳入多元线性回归。所有检验均为双侧检验，检验水准α=0.05，以P＜0.05为差异有统计学意义。随机森林模型和多元线性回归能有效处理复杂数据变量交互和共线问题，避免模型过拟合，并计算各变量对模型的贡献以判断变量对L5/S1椎间盘突出重吸收的影响程度。文章统计学方法已经广西中医药大学生物统计学专家审核。

讨论

腰椎间盘突出物自然重吸收自1984年Guinto首次提出后[12]，国内外在非手术疗法治疗腰椎间盘突出后重吸收研究也随之增多，其发生重吸收机制已在相关文献中报道，然而之前的试验大多集中在病理组织学、动物实验等[13-16]。而腰骶矢状面参数变化是脊柱骨性结构改变的较为直接的表现之一，同时也是脊柱相关疾病进行诊疗评估的参数，但目前临床上对于突出率最高的L5/S1腰椎间盘突出症与腰骶矢状面参数的研究以及椎间盘突出重吸收过程中变化显著的腰骶矢状面参数报道则较少见。以往的研究报道大多集中于腰骶矢状面参数与腰椎间盘突出症的相关性。Rajnics等[17]对腰骶椎矢状面参数与腰椎间盘突出症的相关性进行了研究，但在X线下测量的50名腰椎间盘突出症患者的骨盆和脊柱参数，未涉及腰椎曲度指数、骶骨平台角、腰骶关节角等相关数据。袁海波等[18]对高位腰椎间盘突出症患者的脊柱-骨盆矢状位参数等X线测量数据进行研究，发现胸腰椎后凸角、楔形椎骨角度是高位腰椎间盘突出症发病的独立危险因素。腰骶椎矢状面参数在腰椎间盘突出症发展过程中的变化为其病理机制和治疗方案的选择提供了部分力学数据的参考。近年来，也有学者开展了腰骶矢状面参数与突出椎间盘重吸收关系的研究，发现腰椎矢状面平衡指标变化是影响腰椎间盘突出的自然吸收的重要因素，腰椎曲线指数及腰椎前凸角与腰椎间盘突出症组织自然吸收程度呈正相关[11, 19, 20]。但以上研究并未区分椎间盘突出的节段和筛选出突出椎间盘重吸收过程中变化最大的腰骶矢状面参数。站立位X线检查是目前临床上常用的脊柱影像学检查技术，MRI 成像技术对软组织显像的高敏感性可对椎间盘的重吸收情况进行定量分析[21]，站立位X线和MRI是脊柱骨与软组织检查的最佳选择，但考虑患者的经济负担、DR对人体的危害及目前还未具备立位MRI条件等因素，因此本研究所有的数据均在仰卧位MRI成像下进行测量。此外，在国内外研究报道中发现在仰卧位MRI测量的腰骶矢状面参数较直立位DR测得的数据也具有可比性和可靠性[22, 23]，因此本研究选取非手术治疗下的L5/S1椎间盘突出重吸收后患者作为研究对象，采用对软组织分辨率较高的MRI作为观察工具，以获得治疗前后突出髓核重吸收的直观图像。
机器学习算法模型已在多个领域的研究中体现出较好的预测价值与临床意义[24]。本研究借助随机森林算法，对L5/S1椎间盘突出后重吸收患者的腰骶矢状面数据进行分类树建立与迭代评分，根据重要性大小进行排序，筛选出了L5/S1椎间盘突出后重吸收过程中变化最大的腰骶矢状面参数是腰椎曲线指数、椎间隙高度、骶骨倾斜角、下腰椎前凸角，其中腰椎曲线指数是L5/S1椎间盘突出重吸收过程中变化最显著的腰骶矢状面参数。腰椎曲线指数是临床上描述腰椎曲度变化的参数之一，用来评估重力线在椎体上的位置[25]。腰椎间盘突出后人体的重力线后移，加重椎间盘后半部分的负荷。在非手术治疗过程中，人体重力线回复在正常位置上，减小了小关节受到的剪切应力和椎弓峡部压力，重新分布了椎间盘受到的压缩应力，降低了白细胞介素(Interleukin，IL)-1α、IL-1β、IL-6、IL-17 和肿瘤坏死因子 -α(Tumor Necrosis Factor，TNF-α)等炎症因子表达水平，诱导p38 MAPK等信号通路的激活以调节细胞凋亡而参与到突出椎间盘自发再吸收的过程[26-29]。在本研究中椎间隙高度是突出椎间盘重吸收过程中另一变化显著的参数，而椎间隙高度又与腰椎曲度密切相关[11]。前宽后窄的腰椎间隙是使腰椎保持向前生理前凸的重要结构基础，以维持脊柱正常的生理曲线和整体平衡。在腰椎曲度减小的情况下，腰椎间隙随之变成前后等宽或前窄后宽，人体重力线整体向后移导致椎间盘负荷增加，在轴向压力或旋转力作用下加速使髓核向后方移动，椎间隙高度丢失又会引起椎间孔面积减小，走行其中的脊神经根、血管受到压迫、刺激，从而引起临床症状。而经过非手术治疗后腰椎曲度得到调整，椎间隙高度下降减缓，降低了上位椎体对病损椎间盘的压缩应力，使椎间盘内的的营养物质、代谢产物和生物活性因子浓度处于相对恒定的状态[30, 31]，通过改善压力载荷对椎间盘内细胞代谢、基质内稳态的影响来提升髓核的黏弹性和纤维环的张力，恢复其对应力分布的力学性能，进而影响突出椎间盘的回纳吸收。骶骨倾斜角与椎间隙高度的变量重要系数相差不大，但同样是L5/S1椎间盘突出和重吸收过程中的显著因素。由于骶骨倾斜角是反映骶骨形态的重要参数，当骶骨倾斜角发生相应变化时，椎间盘所承受的来自人体重力也随之改变。在承受的压力加大时，纤维环可出现部分或全部破裂的情况，引起髓核向外突出。另外，有研究认为腰椎前凸角也是影响腰椎稳定的重要因素[32]。骶骨倾斜角与腰椎前凸角均与腰椎曲度有密切联系，且骶骨倾斜角又与腰椎前凸角存在显著正相关关系[33]。通过牵引、推拿、功能锻炼等非手术疗法解除了肌肉痉挛，降低了脊旁组织的张力，腰部肌肉及韧带的力学功能得到修复，腰骶倾斜角和腰椎前凸角逐渐恢复正常角度，降低第5腰椎与骶椎相对平移的趋势，L5/S1椎间盘位移应力减小，促进了突出椎间盘的回纳。但在本研究进行随机森林模型变量重要性排序中较腰椎曲度、椎间隙高度、骶骨倾斜角不显著，可能与纳入的样本量相对较少相关。本研究中腰椎曲线指数、椎间隙高度、骶骨倾斜角、下腰椎前凸角作为突出椎间盘重吸收过程中变化最显著的腰骶矢状面参数，同时也是临床常用的描述腰椎曲度变化的参数[34]，因此试验结果可认为L5/S1椎间盘突出重吸收与腰椎曲度变化存在相关性，与以往学者的研究结果相一致。腰椎正常的生理曲度是腰椎正常生物力学的重要组成部分，能增加脊柱的缓冲震荡能力和维持脊柱稳定[35]。无论是手术治疗还是非手术治疗，腰椎曲度都可作为评价腰椎力学整体失衡的一个力学指标和疗效影像学评价的重要观察指标[36, 37]。同时既往的研究也表明了腰椎间盘突出不同程度的自然吸收与腰椎曲度变化间存在相关性[21]。因此，纠正异常腰椎曲度是非手术疗法治疗和预防腰椎间盘突出症复发的关键，也是促进突出椎间盘重吸收的重要因素。而腰骶矢状面参数对L5/S1椎间盘突出发生重吸收的影响机制可能在于非手术疗法中的手法、牵引等治疗方式通过纠正异常关节突关节关系，使病损椎间隙和关节突关节对合面增大，促进椎间盘韧带和关节囊水肿的消退，达到纠正腰椎生理曲度失常的目的，重建脊柱力学平衡和增强稳定性，降低了椎间盘进一步突出的风险，并使突出椎间盘在长期压应力受到削减的情况下激发对突出组织的自身消融机制(血管化、自身免疫、炎性反应、脱水以及细胞凋亡等)而发生吸收[38]。
综上所述，本次研究存在一定的局限性。如纳入研究的样本量相对较少。此次研究用MRI作为研究工具，但由于缺少患者腰椎-骨盆直立位平片，某些矢状面参数如骨盆倾斜角、骨盆投射角并没有收录进来。运用多因素、多中心、大数据等前瞻性研究方法明确突出椎间盘重吸收发生的确切机制以及选择何种非手术疗法促进椎间盘的吸收仍是今后研究的重点方向。但本研究借助随机森林模型筛选出在L5/S1椎间盘突出重吸收过程中变化最显著的参数是腰椎曲线指数、椎间高度、骶骨倾斜角、下腰椎前凸角，表明了L5/S1椎间盘突出重吸收与腰椎曲度变化存在相关性，提示在腰椎间盘突出症治疗中可通过改善或恢复紊乱的腰椎曲度进而达到临床治愈的目的。