引用本文： 李宏达, 夏群, 白剑强, 苗军, 刘佳男, 魏冬. 健康成人下颈椎在体三维瞬时运动特点研究. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(12): 1494-1499. doi: 10.7507/1002-1892.20150320 复制
颈椎是人体脊椎的重要组成部分，相对于胸、腰椎来说，颈椎活动度最大。随着社会的发展，人们伏案工作时间增加以及手机的广泛应用，导致颈椎病发生率逐渐增高并呈年轻化趋势。Alshami[1]的最新一项调查研究发现，在脊椎疾病患者中，颈椎病占27.1%，其中以疼痛（36.8%）、僵硬（31.3%）、椎间盘疾患（24.3%）为主；30岁以下人群中，颈椎病发病率接近30%，此类患者中颈部疼痛者达60.5%。许多学者利用不同方法对颈椎的运动学进行了研究[2-17]。本课题组在前期研究中利用双X线透视影像系统（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）结合MRI或CT三维重建技术对腰椎在体运动学进行了观察[18-20]，对该技术的精确性和可重复性进行了验证[21]，同时也对该技术应用于颈椎在体运动学研究的方法进行了探索[22]。在前期研究基础上，本次研究利用DFIS结合CT三维重建技术，观察分析健康成人下颈椎在体三维瞬时运动的特点。
1 资料与方法
1.1 研究对象
健康志愿者17名，男8名，女9名；年龄23～41岁，平均26岁。纳入标准：无颈肩痛症状，无头晕、头痛症状，无其他颈部不适。排除标准：颈椎病患者，既往有颈椎手术病史、颈椎外伤史，颈椎畸形以及其他可能影响试验结果的疾病。本研究经天津市天津医院医学伦理委员会批准，受试者均签署知情同意书。
1.2 试验方法
1.2.1 颈椎椎体三维模型建立
受试者取仰卧位，进行Sensation 16 CT （Siemens公司，德国） 薄层扫描，获取C3～7椎体横断面图像（层厚0.625 mm，分辨率512×512像素）。将获得的CT图像导入Rhinoceros 4.0造模软件（Robert McNeel Associates公司，美国），建立C3～7椎体三维模型，该模型各椎体自成一体，并可自由拆分[21]。见图 1。
图1
C3～7椎体三维模型创建示意图 ⓐ 矢状位CT ⓑ 矢状位数字化椎体骨性轮廓描记 ⓒ C3～7椎体三维模型 1.2.2 双平面X线透视
采用2台相同型号的C臂X线机（Siemens公司，德国）组成DFIS（C臂投射夹角为45°）[22]。分别采集受试者颈椎最大前屈-后伸、最大左侧弯-右侧弯、最大左旋-右旋活动时的图像（图 2），每个位置停留约1 s，以获得瞬时X线双斜位透视图像。
1.2.3 重现生理载荷下颈椎三维瞬时运动
将透视图像矫正后导入Rhinoceros 4.0造模软件，在计算机内模拟透视场景[21]。将每一节段颈椎三维模型导入模拟场景，调整受试者每一节段颈椎三维模型的空间位置，按照颈椎解剖结构特点使其投射影像分别与双平面X线透视影像完全匹配，实现C3～7椎体二维-三维图像转换，再现生理载荷下颈椎的三维瞬时运动状态（图 3 a）。
1.2.4 建立颈椎椎体三维坐标系及数据测量
在C3～7各椎体几何中心分别建立坐标系，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、Y、Z轴的旋转角度分别定义为屈-伸旋转角度（α）、侧弯旋转角度（β）和左-右旋转角度（γ），沿X、Y、Z轴的位移分别定义为左-右位移（x）、前-后位移（y）和上-下位移（z），从而获得健康成人下颈椎相邻节段间在前屈-后伸、左-右侧弯、左-右旋转活动时6自由度数据（图 3 b）。由于有1位受试者C7透视时未能在视野内，所以C6、7统计样本量为16个，其余节段为17个。
1.3 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD检验；检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 屈伸活动时下颈椎各节段间在体三维瞬时运动特点
除C6、7节段前-后位移显著小于其余各节段，差异有统计学意义（P＜0.05）外，其余各节段间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。各节段间左-右位移和上-下位移比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。C3、4及C6、7节段屈-伸旋转角度显著小于C4、5及C5、6节段，C6、7节段显著小于C3、4节段，差异均有统计学意义（P＜0.05）；其余各节段间比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。C4、5节段左-右旋转角度显著大于C5、6及C6、7节段，差异有统计学意义（P＜0.05），其余各节段间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。各节段间比较侧弯旋转角度，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 1。
表1
屈伸活动时下颈椎各节段间位移和旋转角度比较（2.2 左-右侧弯活动时下颈椎各节段间在体三维瞬时运动特点
除C3、4节段前-后位移显著大于C4、5节段，C6、7节段上-下位移显著小于C3、4和C4、5节段，比较差异有统计学意义（P＜0.05）外，其余各节段间各项位移间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。除C3、4节段左-右旋转角度显著大于C5、6及C6、7节段，差异 有统计学意义（P＜0.05）外；其余各节段间各项旋转角度比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 2。
表2
左-右侧弯活动时下颈椎各节段间位移和旋转角度比较（2.3 左-右旋转活动时下颈椎各节段间在体三维瞬时运动特点
除C3、4节段左-右旋转角度显著大于C4、5和C6、7节段，差异有统计学意义（P＜0.05）外；其余各节段间各项位移及旋转角度比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 3。
表3
左-右旋转活动时下颈椎各节段间位移和旋转角度比较（3 讨论
目前，颈椎病在临床上常见且有年轻化趋势，有研究表明[23]椎间盘在20岁以后就可能开始退变。因此，获得颈椎椎体间的在体运动量化数据，不仅有助于了解正常颈椎运动节段的运动方式和特点，而且有助于了解颈椎病的发生机制和改善颈椎病的临床治疗方法。Reitman等[3]利用普通X线片对140名无症状健康受试者屈伸活动时颈椎在体运动进行了观察研究，发现C2、3、C3、4、C5、6节段前-后位移正常值接近3.5 mm，其中C4、5节段前-后位移最大，可达4.2 mm，C6、7节段最小。因此他们认为，如果按照既往报道的颈椎前-后位移＞3.5 mm即为失稳标准[24]，目前临床中可能存在过度诊断的现象。本研究中，屈伸活动时下颈椎前-后位移结果与其相似，即C6、7节段最小，C4、5节段最大，而且最小值也超过2 mm，因此既往学者报道的颈椎前-后位移超过2～3 mm作为滑脱的诊断标准[25-27]值得商榷。关于颈椎滑脱或失稳的诊断标准,可能需要更大样本和更精确方法去完善和验证。
Salem等[4]利用CT扫描技术研究了20名健康志愿者颈椎在最大左-右旋转时的三维运动特点，其所获得的下颈椎运动数据较本研究数据小，分析原因可能是该研究中受试者行CT扫描时处于仰卧位，且各项活动是被动完成，而本研究中受试者处于坐位，并由受试者主动完成活动，能反映正常生理载荷下的状态。为了解决Salem等[4]的方法中射线量问题，有学者利用三维MRI研究颈椎的在体运动。如Nagamoto等[7]利用MRI对10名健康志愿者颈椎旋转活动时的在体运动进行了观察，该研究中每名受试者需完成5个位置动作，每个位置检查时间大约为5 min。与本研究结果相比，其测量的运动数据绝大多数偏小。Ishii等[9]的研究方法和Nagamoto等[7]相似，只是每名受试者需完成11个位置动作。Ishii等[8]还利用MRI技术对12名健康志愿者颈椎侧弯活动时的在体运动进行了观察，其所得数值也小于本研究结果。究其原因可能为以上研究受试者检查体位为仰卧位，属非正常生理载荷体位，而且检查所需时间长，受试者需长时间保持固定动作位置不变，是非瞬时运动的观测。
此外，一些学者通过使用三维运动分析系统对颈椎在体运动进行了分析[12-14]。该类系统是通过在受试者体表特定部位黏附标记器，然后利用摆放在空间不同位置的摄像机捕捉标记器的运动，进而计算相关运动学参数。该技术的主要局限在于，因皮肤和椎体之间存在相对运动，标记器不能准确反映椎体在体运动；而且获得的主要是颈椎整体运动数据，很难得到不同节段椎体间的相对运动和相关位移运动学参数值。
二维-三维图像匹配技术的出现为研究脊椎在体运动提供了一种新技术。Lin等[16]利用该方法分析了10名健康受试者坐位颈椎左-右旋转和侧弯活动时椎体在体运动特点，本研究所获得的运动学数据与该研究结果相似。Anderst等[28]利用连续动态摄像技术对29名健康志愿者颈椎在体三维运动进行了研究报道，但所获数据与本研究相比略大，可能是其采用连续动态摄像给受试者带来更多射线量所致，而且研究缺少椎体间相对位移结果。
本研究对下颈椎不同节段间的旋转和位移运动进行了比较分析，发现不同体位时各节段间的在体运动具有不同特点。屈伸活动时，C4、5和C5、6节段沿冠状屈-伸轴旋转角度大于C3、4和C6、7节段，提示此时的屈-伸旋转主要发生在C4、5和C5、6节段，这也说明了临床中颈椎间盘突出好发于C4、5和C5、6节段的现象，而且此时C6、7节段沿矢状轴前-后位移明显小于其他节段（P＜0.05）。左-右侧弯活动时，C3、4和C4、5节段沿垂直轴上-下位移大于C6、7节段，且C3、4节段伴有明显的左-右旋转动作。左-右旋转活动时，C3、4节段沿垂直轴左-右旋转角度最大。以上结果提示，目前临床中应用同一种人工椎间盘治疗不同节段颈椎间盘突出存在一定弊端。
综上述，本研究采用DIFS进行了健康成人下颈椎在体三维瞬时运动特点的观察和分析，并获取了下颈椎椎体间相对运动的6自由度数据，该方法具有无创性、精确度高的优点，获得的数据能够反映生理载荷下下颈椎的三维瞬时运动特点。但本研究也存在一定局限性：首先，纳入受试者局限于中青年，只能代表这一年龄组的颈椎三维运动状态；其次，本研究图像采集和人工匹配过程相对复杂耗时，今后将改进试验设备与技术，扩大样本量，以期获得更全面、更具有代表意义的下颈椎椎体在体运动特点数据，为指导颈椎病治疗以及颈椎人工椎间盘假体设计提供参考。
颈椎是人体脊椎的重要组成部分，相对于胸、腰椎来说，颈椎活动度最大。随着社会的发展，人们伏案工作时间增加以及手机的广泛应用，导致颈椎病发生率逐渐增高并呈年轻化趋势。Alshami[1]的最新一项调查研究发现，在脊椎疾病患者中，颈椎病占27.1%，其中以疼痛（36.8%）、僵硬（31.3%）、椎间盘疾患（24.3%）为主；30岁以下人群中，颈椎病发病率接近30%，此类患者中颈部疼痛者达60.5%。许多学者利用不同方法对颈椎的运动学进行了研究[2-17]。本课题组在前期研究中利用双X线透视影像系统（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）结合MRI或CT三维重建技术对腰椎在体运动学进行了观察[18-20]，对该技术的精确性和可重复性进行了验证[21]，同时也对该技术应用于颈椎在体运动学研究的方法进行了探索[22]。在前期研究基础上，本次研究利用DFIS结合CT三维重建技术，观察分析健康成人下颈椎在体三维瞬时运动的特点。
1 资料与方法
1.1 研究对象
健康志愿者17名，男8名，女9名；年龄23～41岁，平均26岁。纳入标准：无颈肩痛症状，无头晕、头痛症状，无其他颈部不适。排除标准：颈椎病患者，既往有颈椎手术病史、颈椎外伤史，颈椎畸形以及其他可能影响试验结果的疾病。本研究经天津市天津医院医学伦理委员会批准，受试者均签署知情同意书。
1.2 试验方法
1.2.1 颈椎椎体三维模型建立
受试者取仰卧位，进行Sensation 16 CT （Siemens公司，德国） 薄层扫描，获取C3～7椎体横断面图像（层厚0.625 mm，分辨率512×512像素）。将获得的CT图像导入Rhinoceros 4.0造模软件（Robert McNeel Associates公司，美国），建立C3～7椎体三维模型，该模型各椎体自成一体，并可自由拆分[21]。见图 1。
图1
C3～7椎体三维模型创建示意图 ⓐ 矢状位CT ⓑ 矢状位数字化椎体骨性轮廓描记 ⓒ C3～7椎体三维模型 1.2.2 双平面X线透视
采用2台相同型号的C臂X线机（Siemens公司，德国）组成DFIS（C臂投射夹角为45°）[22]。分别采集受试者颈椎最大前屈-后伸、最大左侧弯-右侧弯、最大左旋-右旋活动时的图像（图 2），每个位置停留约1 s，以获得瞬时X线双斜位透视图像。
1.2.3 重现生理载荷下颈椎三维瞬时运动
将透视图像矫正后导入Rhinoceros 4.0造模软件，在计算机内模拟透视场景[21]。将每一节段颈椎三维模型导入模拟场景，调整受试者每一节段颈椎三维模型的空间位置，按照颈椎解剖结构特点使其投射影像分别与双平面X线透视影像完全匹配，实现C3～7椎体二维-三维图像转换，再现生理载荷下颈椎的三维瞬时运动状态（图 3 a）。
1.2.4 建立颈椎椎体三维坐标系及数据测量
在C3～7各椎体几何中心分别建立坐标系，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、Y、Z轴的旋转角度分别定义为屈-伸旋转角度（α）、侧弯旋转角度（β）和左-右旋转角度（γ），沿X、Y、Z轴的位移分别定义为左-右位移（x）、前-后位移（y）和上-下位移（z），从而获得健康成人下颈椎相邻节段间在前屈-后伸、左-右侧弯、左-右旋转活动时6自由度数据（图 3 b）。由于有1位受试者C7透视时未能在视野内，所以C6、7统计样本量为16个，其余节段为17个。
1.3 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD检验；检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 屈伸活动时下颈椎各节段间在体三维瞬时运动特点
除C6、7节段前-后位移显著小于其余各节段，差异有统计学意义（P＜0.05）外，其余各节段间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。各节段间左-右位移和上-下位移比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。C3、4及C6、7节段屈-伸旋转角度显著小于C4、5及C5、6节段，C6、7节段显著小于C3、4节段，差异均有统计学意义（P＜0.05）；其余各节段间比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。C4、5节段左-右旋转角度显著大于C5、6及C6、7节段，差异有统计学意义（P＜0.05），其余各节段间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。各节段间比较侧弯旋转角度，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 1。
表1
屈伸活动时下颈椎各节段间位移和旋转角度比较（2.2 左-右侧弯活动时下颈椎各节段间在体三维瞬时运动特点
除C3、4节段前-后位移显著大于C4、5节段，C6、7节段上-下位移显著小于C3、4和C4、5节段，比较差异有统计学意义（P＜0.05）外，其余各节段间各项位移间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。除C3、4节段左-右旋转角度显著大于C5、6及C6、7节段，差异 有统计学意义（P＜0.05）外；其余各节段间各项旋转角度比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 2。
表2
左-右侧弯活动时下颈椎各节段间位移和旋转角度比较（2.3 左-右旋转活动时下颈椎各节段间在体三维瞬时运动特点
除C3、4节段左-右旋转角度显著大于C4、5和C6、7节段，差异有统计学意义（P＜0.05）外；其余各节段间各项位移及旋转角度比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表 3。
表3
左-右旋转活动时下颈椎各节段间位移和旋转角度比较（3 讨论
目前，颈椎病在临床上常见且有年轻化趋势，有研究表明[23]椎间盘在20岁以后就可能开始退变。因此，获得颈椎椎体间的在体运动量化数据，不仅有助于了解正常颈椎运动节段的运动方式和特点，而且有助于了解颈椎病的发生机制和改善颈椎病的临床治疗方法。Reitman等[3]利用普通X线片对140名无症状健康受试者屈伸活动时颈椎在体运动进行了观察研究，发现C2、3、C3、4、C5、6节段前-后位移正常值接近3.5 mm，其中C4、5节段前-后位移最大，可达4.2 mm，C6、7节段最小。因此他们认为，如果按照既往报道的颈椎前-后位移＞3.5 mm即为失稳标准[24]，目前临床中可能存在过度诊断的现象。本研究中，屈伸活动时下颈椎前-后位移结果与其相似，即C6、7节段最小，C4、5节段最大，而且最小值也超过2 mm，因此既往学者报道的颈椎前-后位移超过2～3 mm作为滑脱的诊断标准[25-27]值得商榷。关于颈椎滑脱或失稳的诊断标准,可能需要更大样本和更精确方法去完善和验证。
Salem等[4]利用CT扫描技术研究了20名健康志愿者颈椎在最大左-右旋转时的三维运动特点，其所获得的下颈椎运动数据较本研究数据小，分析原因可能是该研究中受试者行CT扫描时处于仰卧位，且各项活动是被动完成，而本研究中受试者处于坐位，并由受试者主动完成活动，能反映正常生理载荷下的状态。为了解决Salem等[4]的方法中射线量问题，有学者利用三维MRI研究颈椎的在体运动。如Nagamoto等[7]利用MRI对10名健康志愿者颈椎旋转活动时的在体运动进行了观察，该研究中每名受试者需完成5个位置动作，每个位置检查时间大约为5 min。与本研究结果相比，其测量的运动数据绝大多数偏小。Ishii等[9]的研究方法和Nagamoto等[7]相似，只是每名受试者需完成11个位置动作。Ishii等[8]还利用MRI技术对12名健康志愿者颈椎侧弯活动时的在体运动进行了观察，其所得数值也小于本研究结果。究其原因可能为以上研究受试者检查体位为仰卧位，属非正常生理载荷体位，而且检查所需时间长，受试者需长时间保持固定动作位置不变，是非瞬时运动的观测。
此外，一些学者通过使用三维运动分析系统对颈椎在体运动进行了分析[12-14]。该类系统是通过在受试者体表特定部位黏附标记器，然后利用摆放在空间不同位置的摄像机捕捉标记器的运动，进而计算相关运动学参数。该技术的主要局限在于，因皮肤和椎体之间存在相对运动，标记器不能准确反映椎体在体运动；而且获得的主要是颈椎整体运动数据，很难得到不同节段椎体间的相对运动和相关位移运动学参数值。
二维-三维图像匹配技术的出现为研究脊椎在体运动提供了一种新技术。Lin等[16]利用该方法分析了10名健康受试者坐位颈椎左-右旋转和侧弯活动时椎体在体运动特点，本研究所获得的运动学数据与该研究结果相似。Anderst等[28]利用连续动态摄像技术对29名健康志愿者颈椎在体三维运动进行了研究报道，但所获数据与本研究相比略大，可能是其采用连续动态摄像给受试者带来更多射线量所致，而且研究缺少椎体间相对位移结果。
本研究对下颈椎不同节段间的旋转和位移运动进行了比较分析，发现不同体位时各节段间的在体运动具有不同特点。屈伸活动时，C4、5和C5、6节段沿冠状屈-伸轴旋转角度大于C3、4和C6、7节段，提示此时的屈-伸旋转主要发生在C4、5和C5、6节段，这也说明了临床中颈椎间盘突出好发于C4、5和C5、6节段的现象，而且此时C6、7节段沿矢状轴前-后位移明显小于其他节段（P＜0.05）。左-右侧弯活动时，C3、4和C4、5节段沿垂直轴上-下位移大于C6、7节段，且C3、4节段伴有明显的左-右旋转动作。左-右旋转活动时，C3、4节段沿垂直轴左-右旋转角度最大。以上结果提示，目前临床中应用同一种人工椎间盘治疗不同节段颈椎间盘突出存在一定弊端。
综上述，本研究采用DIFS进行了健康成人下颈椎在体三维瞬时运动特点的观察和分析，并获取了下颈椎椎体间相对运动的6自由度数据，该方法具有无创性、精确度高的优点，获得的数据能够反映生理载荷下下颈椎的三维瞬时运动特点。但本研究也存在一定局限性：首先，纳入受试者局限于中青年，只能代表这一年龄组的颈椎三维运动状态；其次，本研究图像采集和人工匹配过程相对复杂耗时，今后将改进试验设备与技术，扩大样本量，以期获得更全面、更具有代表意义的下颈椎椎体在体运动特点数据，为指导颈椎病治疗以及颈椎人工椎间盘假体设计提供参考。
