脊柱胸腰段骨折椎體的三維形態學分析

蘇啟航 張錦飆 李聰 張巖 潘杰 李立鈞 譚軍，2

在脊柱骨折損傷中，位于移行處的胸腰段椎體（T11～L2）骨折發生率最高，約占脊柱骨折的90%［1，2］。胸腰段椎體骨折通常是高能量損傷的結果，其中大多數由機動車事故、跌倒或墜落造成［3］，并且存在一些潛在的嚴重并發癥，包括頑固性疼痛、癱瘓、脊柱后凸、椎體高度和功能的喪失。盡管在胸腰段椎體骨折中通常較少出現癱瘓，但不穩定的脊柱結構可能導致周圍組織的破壞，從而發生遲發性癱瘓［4］。因此，準確、全面的病情評估，正確的臨床決策以及早期的康復功能鍛煉，成為了影響病情預后的關鍵因素。

以往關于胸腰段椎體損傷研究多數是致力于建立一種可靠的、重復性好的損傷分型或評分，其中包括Denis 分型系統［5］，Magerl 等［6］的AO 分型系統，McCormack 等［7］提出的脊柱載荷分享評分（load sharing classification,LSC）系統，以及目前最具臨床指導價值的胸腰椎損傷分類及損傷程度評分系統（TLICS）［8］。然而并沒有一種系統能完全被臨床醫生所接受，各系統都存在一定程度的利弊。近些年，隨著骨科數字化、大數據分析的發展，三維（threedimensional,3D）技術、有限元生物力學分析技術及Mapping 技術，越來越受到臨床醫生及研究者的關注與應用。其中，在諸多骨科形態學分析的研究［9-12］中，3D Mapping 技術顯示出了其特有的優越性及價值。該技術實現了大數據的可視化，這對進一步研究胸腰段椎體骨折的生物力學和形態學特點起到了關鍵作用。

本研究的目的是根據一系列胸腰段椎體（T11～L2）的骨折線位置和頻率，通過3D Mapping 技術得到椎體3D 骨折線分布圖（3D maps）。我們假設3D maps將揭示胸腰段椎體骨折的好發模式以及骨折特征，這可以提高外科醫生在術前評估過程中對胸腰段骨折的認識和理解，以便作出最佳的臨床決策。

資料與方法

一、納入與排除標準

納入標準：①年齡為20～65 歲的病人；②T11～L2椎體的A 型骨折（Type A1.3 和Type A1.1 除外，Magerl 等［6］提出的AO 骨折分型系統）；③非骨質疏松性和非病理性椎體骨折；④病史小于1 周的新鮮椎體骨折；⑤具有完整高質量的胸腰椎CT影像學資料。

排除標準：①CT 影像學資料質量差，無法分辨椎體骨折線；②極其嚴重的粉碎性骨折或骨松質坍塌性骨折，無法復位和分辨骨折線；③既往已行胸、腰椎內固定手術或具有非正常解剖結構的病人。

二、一般資料

回顧性分析2017年1月至2019年3月于我科就診的胸腰段椎體骨折病人的臨床資料，并獲取胸腰椎CT 檢查數據。本研究的興趣區域為T11～L2的椎體部分。研究對象由本研究第一作者、一位資深脊柱外科臨床醫生及一位高年資影像科醫師，共同評估篩選。

根據納入與排除標準，納入257例研究對象，共266個骨折椎體。其中，男150例，女107例，平均年齡為46 歲。T11椎體骨折15 例（15/266，5.64%），T12椎體骨折69 例（69/266，25.94%），L1椎體骨折95 例（95/266，35.71%），L2椎 體 骨 折87 例（87/266，32.71%），T11椎體骨折例數所占比例不高，而L1和L2椎體在胸腰段骨折損傷所占比例相對較高。另外，根據病史資料，病人的受傷機制主要有墜落、摔倒及交通意外，墜落和摔倒181例（181/257，70.43%），交通事故76例（76/257，29.57%）。

三、3D骨折線分布圖

我們根據Xie 等［13］描述的方法繪制椎體（T11～L2）的3D 骨折線分布圖。首先，在圖片存檔和通信系統（picture archiving and communication system,PACS）數據庫里，篩選并導出研究對象的醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine, DICOM）格式原始CT 數據。且各研究對象所使用的CT檢查設備為64通道的高分辨率CT掃描儀（SOMATOM Sensation 64，西門子公司，德國），掃描參數如下：管電壓，120 kV；管電流，200 mA；切片厚度，1 mm；層間距，0.5 mm。然后，將各個研究對象的DICOM 數據導入Mimics V20.0 軟件（Materialise 公司，比利時）。通過閥值分割，確定胸椎和腰椎大致區域；然后通過區域增長，將骨折椎體的骨折塊分離重建出來；再通過數學形態學圖像處理中的閉運算和光滑化處理，使骨折椎體更進一步接近原始形貌；最終建立起完整的骨折椎節STL 格式的三角網格模型。在軸向、矢狀面和冠狀面上同時分析、分離骨折塊，使我們能夠更完整地重建骨折椎體三維模型。

然后將STL 模型數據輸出到3-matic V9.0 軟件（Materialise 公司，比利時）中，其中重建的骨折塊需進行適當地旋轉、水平翻轉、復位和標準化操作，使其能最佳地匹配正常椎體的3D 模板模型。調整骨折椎體模型的透明度，將復位好的骨折椎體模型與正常椎體模型相重疊，然后直接在正常椎體3D模型的表面臨摹骨折線。然后依次將各骨折椎體的骨折線臨摹到同一正常椎體模型上，最后就獲得了各個椎體節段的3D骨折線分布圖。

四、統計學方法

使用分類變量的頻率和百分比以及連續變量的算術平均值及標準差來總結病人的統計學特征。并對3D骨折線分布圖進行描述性分析。

結 果

從圖1我們可以看到，45～49歲為胸腰段骨折高發年齡段。表1展示了T11～L2椎體的AO骨折分型情況。A1 型壓縮性骨折（147/266，55.26%）和A3 型爆裂性骨折（109/266，40.98%）較A2 型分裂性骨折（10/266，3.76%）發生率高。而對于各亞型而言，A1.2.1上方楔形壓縮性骨折和A3.1.1上方不完全爆裂性骨折所占比例相對較高。

圖1 病人年齡段分布情況

圖2是T11、T12、L1和L2的3D骨折線分布圖，直觀地展示了四個節段的骨折線分布特點。從圖中我們可以看出，骨折線主要集中在椎體的上半部分以及椎體的外1/3 部分，并且沿著椎體的前方和側方呈環狀楔形分布，也就說這部分骨折線的密度更高。而且通過觀察，骨折線的分布似乎從集中部分向椎體的后方和下方部分逐漸分散、稀疏。另外，我們可以發現T12的骨折線分布比較集中和有序，其骨折線集中部分更加靠椎體上方。L1和L2（尤其L2）骨折線分布相對于T12更加分散和雜亂。

表1 266個椎體（T11～L2）骨折分型情況［個（%）］

圖2 T11～L2 3D骨折線分布圖 從左往右依次為正面觀、頂面觀、底面觀、右面觀及左面觀

討 論

本研究采用了一種循證大數據可視化方法——3D Mapping 技術，該技術近些年被廣泛用于肩胛骨骨折［9］、脛骨平臺骨折［10］及踝關節骨折［11］等骨科領域的形態學分析研究中，且取得了許多成績斐然的研究成果，其研究價值越來越受到研究者和臨床工作者的關注。此次研究，我們結合了流行病學及形態學的分析，對胸腰段椎體骨折的AO 分型和骨折損傷特點有了新的認識。

表1的AO分型結果揭示，T11、T12、L1和L2的分型特點似乎差別不大，都有A1 型壓縮性骨折和A3 型爆裂性骨折較A2 型分裂性骨折發生率高的共同特點。僅從AO 分型，很難發現這四個節段骨折特點的不同點，且所示的特點并不直觀。再加上AO 分型本身的復雜性［14］，因此AO 分型很難被廣泛應用于臨床決策中。然而，對于此次研究的結果，通過對T11～L2椎體的3D 骨折線分析圖的觀察分析，我們可以非常直觀地看到T11～L2的骨折特點和模式是略微不同的，且顯示出了AO 分型所不能展示的大數據形態學特點：骨折線分布主要集中在椎體的上半部分以及椎體的外1/3，尤以前1/3最為集中，并沿著椎體上緣呈環形分布。因此，從該結果來看，我們猜測這部分是椎體骨折時的主要受力區或者是相對脆弱區。并且我們發現椎弓根下緣以下的椎體部分相比上半部分的椎體更不易發生骨折。所以在骨折內固定手術治療時，我們需要更多地關注這部分骨折高發區的隱匿性骨折的存在，在優化置釘角度和深度以及骨折內固定器械設計方面亦是如此。

另外，相比T11和T12而言，L1和L2的骨折發生率更高，而且從更加散亂的骨折線分布特點來看，一般情況下，L1/2椎體的骨折粉碎程度相對T11/12更嚴重，對椎管的威脅程度也就不一樣。根據解剖特點［15，16］，T11～L2是脊柱生理彎曲的移行區域，T11和T12處于脊柱后凸的位置，L1和L2是處于脊柱前凸的位置，因此它們的受力重心是不同的。L1/2的受力重心比T11和T12更靠近椎體后部，因此L1/2椎體后部骨折發生率也相對更高，即中柱發生骨折的比例相對更高，對椎管和脊柱穩定性的威脅程度也就更高。而對于T11和T12，由于這種解剖差異所導致的受力重心的差異，在3D骨折線分析圖上體現得更加明顯：它們的骨折線大部分是集中分布于脊柱前柱的椎體邊緣，即“椎體邊緣性骨折”的占比率比較高。結合臨床經驗，單純的T11或T12椎體前柱的骨折，傾向于保守治療或椎體前路內固定術。而L1和L2椎體的骨折，由于中柱損傷的發生率較高，因此對于TLICS評分［8］在3～5分的病人，盡早采取后路內固定減壓術是必要的，以免發生進一步椎管神經的損傷和脊柱失穩。因此，我們可以看到3D Mapping 技術在形態學分析方面是優于AO 分型的，它可以非常直觀地為我們提供更加準確清晰的信息，這將對后續的研究提供更多的形態學分析依據。

其次，本研究引發了我們新的思考：椎管前方椎體后壁和椎弓根前方椎體后壁是否應該視為同一整體，對椎管的威脅程度是否相同？眾所周知，在Denis［5］和Ferguson 等［17］提出并改進的三柱理論中，椎體的后1/3 是被歸為中柱的，且中柱對脊柱的穩定性以及對椎管的威脅性是不可忽視的。根據臨床經驗，椎弓根前方的椎體后部發生骨折的比例是相對較低的，該部分的骨折很多是伴有椎體前部的骨折。而椎管前方的椎體后壁單獨發生骨折且不伴有椎體前部骨折的比例是相對更高的。我們猜測這可能是由于椎弓根的把持作用，致使椎管前方椎體后壁和椎弓根前方椎體后壁具有不同骨折特點和模式。從骨折線分布圖我們也可以看出，這兩部分的骨折線分布位置和密度也是不同的。因此，我們認為這兩部分具有不同的生理解剖特點和骨折特征，對椎管的威脅程度也不一樣，不應籠統地將兩者視為同一整體，是否應該被歸為同一柱也值得研究者和臨床工作者進一步討論。

目前很少有研究把3D Mapping 技術應用到胸腰段骨折分析的研究中。事實上，這種大數據可視化的技術將有利于未來胸腰段骨折研究的發展。但是本次研究仍然存在著一些不足：①本研究的興趣區域是T11～L2的椎體部分，未涉及胸腰椎后柱的相關結構。胸腰段脊柱后方的韌帶對脊柱的穩定性以及臨床決策是非常重要的［18，19］，因此僅僅從3D骨折線分布圖無法對病人進行全面的病情評估。②對于很多的椎體坍塌性骨折病例以及粉碎較為嚴重的病例并未納入本研究中，因為應用Mapping 技術是很難復位骨塊以及識別骨折線的，因此本技術存在一定的局限性。③本研究主要是通過形態學對骨折進行了分析，并未對胸腰段脊柱的生物力學進行進一步詳細的研究。未來，我們將結合其他更多的新技術和新方法，對胸腰段骨折進行進一步研究。④該技術非常耗時，因此對于極大病例群體的研究，存在一定局限性［20］。

雖然3D Mapping 技術有一定的局限性，但是我們也不能忽視它帶給我們的研究價值。該技術可以輔助我們從形態學以及流行病學方面，對胸腰段骨折有新的認識，使得我們能夠進一步優化手術方案，甚至是對優化骨折內固定器械的設計有所幫助。在提出一套完善的指導臨床決策的骨折分型系統方面，具有巨大的輔助潛力和價值。