腰椎间盘生物力学体内外研究的新进展(5)
(3) MRI:MRI具有无放射、无创伤、对软组织显影好等优点,并且不受体位限制对受试者任意方向直接断层成像,可更好追踪解剖结构。ZHONG等[50]根据矢状位腰椎核磁平片,计算腰椎各节段间盘髓核纤维环具体参数。MCGREGOR等[51]使用介入性开放式核磁技术,比较了腰椎滑脱患者与无腰痛病史受试者之间腰椎间盘移动性的差异,认为脊柱裂解缺陷不会导致腰椎可检测到的不稳定或过度活动。同时有研究人员利用动态MRI评估腰椎运动学特征。研究者在磁共振成像系统中,对受试者腰椎棘突处施加前向力,获得矢状面磁共振图像,从而量化椎间运动数据、椎间角的变化[52-53]。SABNIS等[54]通过矢状位T2加权扫描的信号强度和中心椎间盘高度的变化来量化椎间盘退变,T2加权轴向扫描确定小关节骨性关节炎存在与否。发现了与上腰椎运动节段相比,L5-S1运动节段表现出独特的退行性和运动学特征,椎间盘退变和小关节骨关节炎彼此独立发生,但其他腰椎水平两者之间却具有相关性。
近期许多研究考虑将MRI运用于腰椎间盘变性的生物标记研究。WALTER等[55]发现MRI弹性成像衍生的剪切刚度可以作为椎间盘退变过程的客观生物标记,并获得很好重复性。纤维环质韧水化程度低,MRI通常只能局限于髓核,BEAUCHEMIN等[56]采用高频磁共振针检测检测髓核和纤维环,摆脱了限制。SHELDRICK等[57]也已经顺利在兔体内进行类似实验。MRI已经成为量化椎间盘退变灵敏可靠的方法。
MRI可以获得精度极高的椎间盘体内形变数据,但检查过程要求长时间保持静息状态,同时狭窄的检查空间限制导致机器无法记录运动过程瞬时数据,只能将运动终末状态进行对比从而推测运动过程。
2.2.3 体内研究进展
(1)双平面荧光透视成像系统:双平面荧光成像系统结合CT/MRI三维立体定位技术是一种新型的人体生物力学研究技术,将动态荧光透视技术与CT/MRI结合,利用计算机真实地再现人体生理状态下脊柱三维运动状态。该技术由美国麻省总医院生物工程实验室发明,运用两个垂直相交的C臂捕捉目标关节在人体生理状态下的动态位置,通过CT/MRI数据获得腰椎三维模型,在计算机软件的辅助下完成精确数据匹配,这种椎体轮廓匹配方法能够准确地匹配三维模型和一对透视图像,再现目标关节运动状态,利用建立的脊柱运动模型完成一系列研究。为准确确定腰椎负重活动在三维空间中的六自由度运动位置提供了一种简单而强大的工具。
研究已经证实该图像匹配技术对脊柱运动的无创测量具有相当的准确性和可重复性[58-62]。BAI等[59]实验测试得到腰椎标本的平移位置平均精度小于0.35 mm,平均重复性为0.36 mm。该方法在体内人体脊柱六自由度运动中的可重复性平移时小于0.43 mm,旋转时小于0.65°。随着影像技术的不断进步,精度和可重复性在不断提高。
WU等[63]运用这一技术研究受试者在从腰部屈曲位置(45°)到最大伸展位置进行举重过程中,低节段L4,5和L5S1分别显示出比较高的节段更大的前后平移(2.)mm和近端平移(2.)mm,但旋转运动基本类似。LIU等[64]研究了在动态举重伸展过程中旋转中心的变化规律。发现以仰卧位为参考,L4,5和L5S1椎间的平均屈曲角度在身体的屈曲位置分别为6.6°和5.3°,在身体的伸展位置分别为-1.8°和-3.5°。下腰椎的旋转中心依赖于节段并随身体姿势而变化,当L4,5的旋转中心位于椎间盘后部的75%-92%时,L5-S1的旋转中心移至椎间盘的后边缘之外。
此技术适用于各种生理条件下椎体在体运动研究,在椎间盘生物力学研究中是一个有力手段,不受皮肤、软组织误差影响,对运动无干扰、精度高、重复性高。但仍存在一些问题,譬如技术操作过程复杂,研究人员执行这一技术的能力良莠不齐;通过CT系统获得的三维模型和实际成像椎体之间存在细微差异,手工匹配产生的结果差异也会导致误差。但研究随着不断深入和科技进步,相信这些问题会被不断解决,匹配过程朝自动化方向逐渐靠近,技术人员能力获得不断进步。
(2)高速动态立体射线照相系统:高速动态立体射线照相系统同样是一种新型动态放射成像技术[65-67]。该技术使用高速动态立体射线照相系统以及基于体积模型的骨骼跟踪程序。首先指导训练受试者进行标准统一的生理负重运动,在患者前后侧以及左右侧两个方向架设动态X射线图像框架,以30fps记录受试者腰椎过程运动图像,定制设计的辐射衰减器可减少辐射的白化效果并提高图像质量。另外根据腰椎CT图像在Mimics软件中获得单个腰椎椎体三维模型。建立一个与实验装置成比例且结构相同的虚拟高速动态立体射线照相系统,生成椎骨3D-CT衍生模型的数字重建X射线照片,三维椎体模型通过体积图像匹配算法匹配到每一帧图像上,这一过程基本靠自动完成,并进行人工优化。对每个椎体每帧图像重复这一过程,建立合适的三维坐标系,获得腰椎运动全过程完整的三维运动学参数(3个位移和3个旋转)。