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        青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸影像學(xué)新技術(shù)研究進(jìn)展

        2022-11-24 06:12:31張書豪李富麗綜述王連成審校
        臨床骨科雜志 2022年4期
        關(guān)鍵詞:線片脊柱攝影

        張書豪,李富麗綜述,王 帥,王連成審校

        目前我國臨床診斷青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(AIS)的常用標(biāo)準(zhǔn)以脊柱全長正、側(cè)位X線片為主。對于不同類型的AIS患者,臨床工作者往往需要對初次測量的數(shù)據(jù)、佩戴支具前后的數(shù)據(jù)、康復(fù)干預(yù)前后的數(shù)據(jù)以及每隔3個月或半年之后測得的數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析比較,以判斷患者是否存在進(jìn)一步惡化的風(fēng)險和評估康復(fù)干預(yù)前后的療效,這些數(shù)據(jù)往往需要通過頻繁的X線檢查才能獲得,這意味著患者需要頻繁地曝露于放射線之中。相關(guān)研究[1]表明,選擇觀察治療的患者平均每年需要攝3.7張X線片,支具治療的患者平均每年需要攝5.7張X線片,而手術(shù)治療的患者平均每年需要攝12.2張X線片,頻繁的X線檢查可能會提高AIS患者癌癥的發(fā)病率和病死率[2],且女性患者輻射累積的癌癥風(fēng)險率明顯高于男性[3]。Simony et al[4]調(diào)查發(fā)現(xiàn),丹麥每例患者在整個治療過程中平均需要16張X線片,患者癌癥的發(fā)病率是同齡人口的5倍。各項研究已證實X線曝露對青少年的身心健康造成嚴(yán)重后果,這一現(xiàn)實問題不可忽視。本文就目前診斷AIS的低劑量放射方法與非電離輻射方法的影像學(xué)新技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述如下。

        1 AIS病理特點(diǎn)

        AIS是脊柱側(cè)凸的一種類型,青少年患者的脊柱、胸廓、軀干在冠狀面、矢狀面以及水平面出現(xiàn)三維畸形改變,主要特點(diǎn)表現(xiàn)為側(cè)彎的弧度將會隨著自身的生長發(fā)育進(jìn)一步惡化或呈現(xiàn)出進(jìn)展趨勢,AIS約占所有脊柱側(cè)凸的80%[5]。AIS患病率為2%~3%,年齡分布于11~17歲[6]。研究[7]表明,AIS患者早期的男女比例并不存在明顯差異,但隨著年齡的增長,女性患者所占的比例會越來越高。Weinstein et al[6]進(jìn)行了一項長達(dá)50年的跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn),未經(jīng)治療的AIS患者雖然能像正常成年人一樣生活,但對于胸椎側(cè)凸較大的患者,會引起背部疼痛和肺部癥狀增加,有的患者可能會發(fā)展成實質(zhì)性畸形,影響整體外觀。對于AIS患者來說,他們正處于生長發(fā)育和心理成熟的關(guān)鍵時期,脊柱畸形會導(dǎo)致患者整個軀干結(jié)構(gòu)存在明顯的不對稱,有可能遷延至全身,這些異常改變將會嚴(yán)重影響青少年的身心健康和生活質(zhì)量。

        脊柱畸形改變和姿勢異常的早期診斷一般都需要準(zhǔn)確、客觀的評估,目前影像學(xué)技術(shù)如X線、CT等已被廣泛應(yīng)用于臨床,但都存在各自的不足之處,如脊柱側(cè)凸是一種三維畸形的改變,而X線片只能夠提供脊柱的二維平面成像并且射線輻射的影響也無法避免;CT成像雖能立體地顯示出側(cè)凸處椎體的異常改變,但其成像方式易受重力因素影響,所測量的結(jié)果存在偏差。對于AIS患者而言,后續(xù)的X線檢查和監(jiān)測是必要的,也就意味著患者存在反復(fù)放射線曝露。本著醫(yī)學(xué)成像“輻射防護(hù)與安全最優(yōu)化”這一理念,在過去幾年間,診斷AIS的低劑量放射方法與非電離輻射方法的影像學(xué)新技術(shù)取得了發(fā)展,包括表面形貌學(xué)、三維超聲、EOS成像技術(shù)和攝影測量。這些技術(shù)有可能在減少輻射曝露的基礎(chǔ)上,兼顧成像的質(zhì)量與臨床實用價值。

        2 表面形貌學(xué)

        表面形貌學(xué)是一種非侵入式的檢查方法,開發(fā)該技術(shù)的最初目的是為了在臨床診斷與監(jiān)測AIS中減少對X線片的過度依賴。AIS患者背部的畸形改變通常最先被人們所注意到,發(fā)生側(cè)凸處的椎體一般會產(chǎn)生軸向旋轉(zhuǎn),從而造成受累胸廓處肋骨的隆突,背部的不對稱也由此形成。為了評估AIS患者的畸形程度,學(xué)者們在研究背部表面數(shù)據(jù)方面做了大量的工作,這些數(shù)據(jù)的采集在X線片中是無法完成的,但表面形貌學(xué)可以做到。

        2.1 光柵立體攝影(RAST)最早應(yīng)用于評估脊柱表面形貌學(xué)的方法為莫爾地形圖,該方法的優(yōu)點(diǎn)包括操作簡便和無輻射,但也存在著成本效益和精確度不可控等限制因素。因此,Drerup et al(1996年)開發(fā)了RAST成像技術(shù),可以對脊柱畸形進(jìn)行無輻射的三維重建。隨后,Hackenberg et al在2003年通過研究證實,對于Cobb角≤80°的AIS患者,RAST成像技術(shù)能夠?qū)Ψ鞘中g(shù)或手術(shù)治療患者的脊柱畸形進(jìn)行可靠的分析與重建。在過去幾年的時間里,學(xué)者們已經(jīng)開發(fā)出了許多測量脊柱畸形的RAST系統(tǒng),就目前而言,最為常見的包括Formetric system、Inspeck system、Integrated shape imaging system version 2(ISIS2)、Quantec system等成像系統(tǒng)[8]。

        2.2 RAST成像技術(shù)的相關(guān)研究這些成像系統(tǒng)都存在各自的特點(diǎn),但基本原則大致相同:依次或同時將光柵線投射至患者的背部,并用攝像機(jī)記錄患者背部發(fā)生形變的投射光線,結(jié)合校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù),再利用三角剖分法構(gòu)建被劃分曲面點(diǎn)的三維成像[9]。但是依次投射的方法可能由于攝影捕獲的時間較長,增加了因患者個人因素而導(dǎo)致圖像模糊的可能性,如在捕獲期間患者姿勢發(fā)生改變或處于不同的呼吸階段。也有研究[10]認(rèn)為這一因素對該系統(tǒng)成像質(zhì)量并無顯著影響。此外,數(shù)據(jù)采集時間的長短可能與重建脊柱三維圖像的可靠性和準(zhǔn)確性相關(guān)。隨著目前計算能力及操作規(guī)范性的不斷提高,基于表面形貌學(xué)數(shù)學(xué)模型的精確度將會有進(jìn)一步提升的空間。

        Knott et al[11-12]對RAST成像技術(shù)與常規(guī)X線金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,研究其成像的可靠性和重復(fù)性,結(jié)果表明,使用RAST成像技術(shù)所測量的胸椎側(cè)凸角、腰椎側(cè)凸角和胸椎后凸角的重復(fù)性很強(qiáng),其測量值與X線片測量值比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。在臨床初次使用X線診斷為AIS之后,其后續(xù)的跟蹤和復(fù)查可在不連續(xù)使用X線片的情況下繼續(xù)進(jìn)行評估,實現(xiàn)RAST成像技術(shù)評估的臨床應(yīng)用。在另一項研究中,Tabard-fougère et al[13]為了評價使用RAST成像技術(shù)測量Cobb角的準(zhǔn)確性,與二維EOS成像技術(shù)所提供的Cobb角進(jìn)行比較,結(jié)果表明兩種方法所測結(jié)果呈強(qiáng)相關(guān),并無顯著性差異。以上研究結(jié)果證實了RAST成像技術(shù)作為一種非侵入式的測量方法,可用于監(jiān)測AIS患者脊柱側(cè)彎的進(jìn)展情況。2019年Tabard-fougère et al[14]又對51例AIS患者分別采用RAST成像技術(shù)與X線檢查進(jìn)行比較,研究顯示無論是胸椎后凸角還是腰椎前凸角,兩者測量結(jié)果呈顯著性相關(guān)。Tabard-fougère et al[13-14]兩次的研究結(jié)果表明,RAST成像技術(shù)可有效用于評估AIS,且自身具有高效、經(jīng)濟(jì)、無輻射和非接觸等優(yōu)點(diǎn),提示相較于常規(guī)影像診斷方法,RAST成像技術(shù)雖不能完全替代X線檢查,但可用于AIS患者后續(xù)的監(jiān)測和治療前后的評估,而且也可應(yīng)用于兒童青少年的篩查工作,這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用有可能大大減少AIS患者的輻射次數(shù)。

        2.3 RAST成像技術(shù)的局限性關(guān)于RAST成像技術(shù)的有效性以及在臨床中應(yīng)用的可靠性有很多爭議[15]。首先,不同RAST成像技術(shù)的具體操作模式存在差異,意味著患者及臨床工作者的準(zhǔn)備工作也有所不同,如背部骨性標(biāo)志物的處理原則。不同操作模式下,測量的準(zhǔn)確性可能會受限于操作人員的經(jīng)驗,以及是否與患者體表相接觸而引起測量誤差等。其次,RAST成像技術(shù)測量冠狀面和矢狀面參數(shù)的可靠性尚未得到廣泛性研究,而現(xiàn)有的諸多試驗設(shè)計也存在較多的局限性,如樣本量較小、受試者納入的Cobb角存在差異、后續(xù)隨訪或監(jiān)測周期較短等。到目前為止,RAST成像技術(shù)應(yīng)用于臨床的可行性仍存在質(zhì)疑,需要相關(guān)前瞻性研究進(jìn)一步加以驗證。

        3 超聲成像

        與表面形貌學(xué)相類似,脊柱超聲成像技術(shù)開發(fā)的初衷也是為了降低AIS患者所接受的輻射量。超聲檢查是一種非電離成像方式,能夠顯示出整個脊柱椎骨的骨性結(jié)構(gòu),如棘突、橫突等,通過借助椎骨的這些特殊結(jié)構(gòu),應(yīng)用超聲成像原理評估AIS患者三維畸形改變,檢查所需的費(fèi)用低,圖像易獲得,并且能夠提供實時圖像結(jié)果。很多研究者們對脊柱超聲成像進(jìn)行了廣泛的探索,提出了不同的測量方法,包括利用橫突、棘突以及椎板等作為標(biāo)記點(diǎn)測量AIS患者三維內(nèi)的相關(guān)參數(shù)。

        3.1 超聲成像的相關(guān)研究Young et al[16]證實了超聲椎板中心法測量AIS患者冠狀面參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性,并且驗證了應(yīng)用超聲監(jiān)測脊柱側(cè)凸進(jìn)展的可行性。但值得注意的是,該項研究是在對照患者之前的X線片作為輔助檢查的基礎(chǔ)上完成超聲成像,其測量結(jié)果準(zhǔn)確度更高,并且以X線片作為標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上,更有助于臨床應(yīng)用超聲技術(shù)選擇上下端椎。Zheng et al[17]又進(jìn)行了一項后續(xù)的研究,其結(jié)果進(jìn)一步證實了使用患者之前拍攝的X線片作為超聲測量輔助手段的可行性。此外,Brink et al[18]通過選取橫突和棘突作為標(biāo)記物來衡量超聲測量AIS患者冠狀面參數(shù)的可靠性和有效性,雖然其測量結(jié)果比常規(guī)測量的Cobb角偏小,但兩者在冠狀面參數(shù)值之間顯著相關(guān),這與Takács et al[19]研究結(jié)果一致。在一項關(guān)于系統(tǒng)評價應(yīng)用超聲成像評估脊柱側(cè)凸患者冠狀面參數(shù)的研究[20]中,超聲成像技術(shù)顯示出了較高的可靠性和有效性,但存在證據(jù)水平有限或前后測量不相一致等問題,其中高水平的證據(jù)更傾向于超聲椎板中心法成像。

        近年來,便攜式三維超聲系統(tǒng)的相關(guān)研究逐漸引起人們的關(guān)注[21-22],該系統(tǒng)與常規(guī)超聲檢查相比,除了能夠準(zhǔn)確地應(yīng)用于脊柱側(cè)凸的無輻射評估外,而且有攜帶方便、操作簡便等優(yōu)勢,大大降低了對檢查場地的需求,可廣泛應(yīng)用于AIS患者的篩查、診斷和監(jiān)測中,目前具有較高的臨床應(yīng)用價值及潛力,對未來臨床科學(xué)研究也具有較好的創(chuàng)新性。超聲技術(shù)雖不能完全取代X線檢查這一金標(biāo)準(zhǔn),但在后續(xù)的工作中可發(fā)揮不小的作用。

        3.2 超聲成像的局限性盡管超聲成像技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)X線片測量之間存在相關(guān)性和準(zhǔn)確性,但其并非沒有局限性。其一,脊柱超聲檢查的有效性和準(zhǔn)確性雖被大量研究證實,但測量結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)之間仍存在一定的差異,其所測量的Cobb角普遍偏小。其二,超聲成像技術(shù)的準(zhǔn)確性可能與操作者的經(jīng)驗、水平存在一定的關(guān)聯(lián),有研究[23]報道,與培訓(xùn)人員相比,有經(jīng)驗的操作者使用超聲檢查的測量值與X線片測量的相關(guān)性更大。其三,對于Cobb角≥45°、伴有相關(guān)椎體旋轉(zhuǎn)和體重指數(shù)>25.0 kg/m2的患者,超聲測量依然存在一定的局限性。但是在大量不同類型的AIS患者中,超聲成像技術(shù)在未來所發(fā)揮的作用不可小覷,尤其是其具備的臨床應(yīng)用價值和無輻射、低成本的實用價值。

        4 EOS成像技術(shù)

        EOS成像技術(shù)最早于2007年作為影像技術(shù)手段開始應(yīng)用于臨床,成像時不受患者體位的影響,其最大優(yōu)勢表現(xiàn)為能夠提供患者站立位下的脊柱三維參數(shù)。該技術(shù)輻射量較低,平均輻射量只有常規(guī)X線檢查的1/6[24],盡管低劑量EOS成像質(zhì)量可能會受到人們的懷疑,甚至質(zhì)疑EOS系統(tǒng)實現(xiàn)脊柱三維重建的可靠性,但很多研究[25-26]已經(jīng)充分證實了EOS成像技術(shù)在脊柱三維重建方面的可靠性與重復(fù)性。

        4.1 EOS成像的相關(guān)研究在最近幾年的研究中,Hui et al[27]提出了微劑量這一概念,使用該方案的EOS成像與常規(guī)X線檢查相比,AIS患者各器官接受X線輻射劑量只有常規(guī)X線檢查的1/34~1/16,EOS成像整體質(zhì)量與X線片無顯著性差異。為了進(jìn)一步驗證微劑量方案的重復(fù)性以及在臨床實踐中的應(yīng)用,很多學(xué)者也相繼展開了大量的研究進(jìn)行論證[28-29]。如Ilharreborde et al[28]隨訪了32例AIS患者,根據(jù)新的微劑量方案使用EOS成像系統(tǒng)獲得平面X線片,通過三維重建進(jìn)行測量,結(jié)果顯示臨床測量結(jié)果都一致,而且可以在不改變圖像質(zhì)量的情況下成功應(yīng)用于臨床,提示微劑量方案可用于臨床AIS患者的監(jiān)測工作。這種EOS成像微劑量方案,對AIS患者的輻射量更低[28],患者所受到的輻射量幾乎可以忽略不計。在2019年,Pedersen et al[30]驗證了一種新的減少微劑量方案在重建脊柱三維圖像方面的可重復(fù)性,這種新的微劑量方案理論上減少了約58%的輻射量,研究結(jié)果顯示這與之前基于脊柱三維重建可靠性和重復(fù)性的研究[31-32]相當(dāng)。但是這種新的微劑量方案[30]與之前的微劑量方案[27]在圖像質(zhì)量呈現(xiàn)方面,很多相關(guān)參數(shù)都要低于標(biāo)準(zhǔn)劑量,而實際上,標(biāo)準(zhǔn)劑量方案仍然是準(zhǔn)確評估和重建三維成像的首選方法。盡管如此,該項研究成果所提供的這一新方案可能會成為輕度AIS患者初步篩查和后續(xù)隨訪的手段之一。

        4.2 EOS成像的局限性盡管EOS成像技術(shù)能夠準(zhǔn)確地重建脊柱三維參數(shù),但是也存在著一系列問題。EOS系統(tǒng)整套設(shè)備的安裝和運(yùn)行都需要很高的花費(fèi),除了一些專門從事脊柱側(cè)凸工作的醫(yī)院外,EOS成像系統(tǒng)在未來實現(xiàn)臨床普及應(yīng)用的可能性較小。其次,整套設(shè)備的安裝還需要很大的空間,并且需要注意屏蔽輻射,設(shè)備的機(jī)動性較差,很難完成大規(guī)模的篩查工作。

        5 攝影測量方法

        攝影測量方法是一種非侵入式的測量技術(shù),其利用攝影測量方法的原理,通過專門的成像軟件對患者整個背部軀干進(jìn)行三維掃描,進(jìn)行有效的姿勢評估,這樣能夠定量化AIS患者的畸形改變情況且不受任何電離輻射的損害。其最大的優(yōu)勢是可以在不受到輻射的情況下完成對脊柱異常改變的評估,也可以作為定期監(jiān)測和評估治療的一種手段[31-32]。攝影測量是一種無創(chuàng)、操作簡便、低成本、精確的方法,該測量設(shè)備便于攜帶,可滿足日常的篩查工作需求。

        5.1 攝影測量的相關(guān)研究Aroeira et al[33]在16例AIS患者的C7~L5椎骨的棘突處放置標(biāo)記,并利用攝影測量方法拍攝患者的背部軀干,結(jié)果提示攝影測量與Cobb法測得的胸椎側(cè)凸角平均值比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。Leal et al[34]研究表明,與X線檢查相比,攝影測量對AIS患者的進(jìn)展有較好的監(jiān)測效果。同時,攝影測量也可應(yīng)用于患者的靜態(tài)姿勢評估,無論是在臨床實踐還是在相關(guān)研究中,攝影測量方法都具有良好的重復(fù)性與再現(xiàn)性[35]。此外,Alexandre et al[36]研究發(fā)現(xiàn)攝影測量法不僅能夠直觀地反映出AIS患者的胸壁改變,而且還可顯示Cobb角與肺功能的相關(guān)性,建議將其作為臨床評估的輔助工具,盡可能地減少患者的放射線曝露。

        5.2 攝影測量的局限性盡管攝影測量表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢,但在臨床實踐中依舊無法成為常規(guī)檢查的替代品。該項技術(shù)與表面形貌學(xué)存在相同的缺陷,即無法為臨床醫(yī)師提供AIS患者的脊柱內(nèi)部骨骼特征、軀干移位和平衡的具體細(xì)節(jié)等,這些特征對于臨床診斷AIS必不可少,而在X線片中基本都可以觀察到。其次,攝影測量方法的具體操作需要得到規(guī)范化要求,以減少不必要的誤差和測量失真。

        6 小結(jié)

        影像學(xué)新技術(shù)的出現(xiàn)能否替代常規(guī)X線檢查?答案是否定的。不得不承認(rèn),X線檢查依舊是目前或?qū)砗荛L一段時間內(nèi)用于評估和監(jiān)測AIS的金標(biāo)準(zhǔn)。但AIS患者長期曝露于X線之中這一現(xiàn)實問題不可忽略。隨著各種影像學(xué)新技術(shù)的出現(xiàn),大量研究者們正在試圖打破這一局面。關(guān)于AIS患者未來影像學(xué)診斷的發(fā)展方向,我國臨床工作者首先應(yīng)普遍達(dá)成“輻射防護(hù)與安全最優(yōu)化”這一共識;其次,非電離輻射技術(shù)的改進(jìn)還需進(jìn)一步的研究,側(cè)重于開發(fā)規(guī)范化的操作要求,避免不必要的技術(shù)誤差和測量失真;最后,考慮到EOS成像系統(tǒng)的成本效益,國家應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的政策扶持,以普及應(yīng)用這項最為接近常規(guī)X線檢查的影像學(xué)技術(shù)。總之,AIS患者在接受臨床的診斷、隨訪以及制定相應(yīng)的康復(fù)措施時,都避免不了X線曝露所帶來的危害,這些影像學(xué)新技術(shù)及相關(guān)研究的出現(xiàn)或許將會解決這一現(xiàn)實問題,但能否真正應(yīng)用于臨床,是否能夠準(zhǔn)確地評估患者脊柱的三維異常改變,仍需要大量的相關(guān)研究進(jìn)一步證實。

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