吳研飛， 馬劍雄， 盧斌， 王穎， 柏豪豪， 靳洪震， 馬信龍*

1.天津醫(yī)院, 天津 300211； 2.天津醫(yī)科大學(xué)，天津 300203

椎間融合器下沉是脊柱融合術(shù)中常見的并發(fā)癥，通常由于骨性終板的強度不足所致[1,2]。許多學(xué)者通過力學(xué)測試研究腰椎終板的機械強度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)終板中央?yún)^(qū)域強度較弱，周圍區(qū)域強度較高[3]。然而，這種研究方法的準(zhǔn)確性受限于標(biāo)本質(zhì)量，且無法作為術(shù)前評估終板強度的手段。因此研究人員試圖通過影像學(xué)技術(shù)來評估終板強度。骨密度被認(rèn)為與骨強度有強相關(guān)性，其中雙能X 射線吸收測定法是目前評估BMD 最常用的的技術(shù)。QCT 可以測量終板的體積骨密度[4]，但需要特殊體模和配套軟件，且受試者要承受高劑量放射線的輻射?？紤]到腰椎CT 已經(jīng)包含了腰椎的骨密度信息，可以直接獲取CT 圖像組織的CT 值，并可能成為QCT 的一種替代方式[5]。然而，CT 重建終板CT 值的方法及其對生物力學(xué)特性的影響尚未報道。本次研究利用CT 后處理技術(shù)重建終板CT 值，并進(jìn)行生物力學(xué)測試，探討CT 后處理技術(shù)重建的終板CT 值與終板的生物力學(xué)強度之間的相關(guān)性，以期為臨床脊柱融合手術(shù)評估終板強度提供有用的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗原理

多平面重建（Multi-Planar Reconstruction, MPR）是CT 后處理技術(shù)中的一種，能夠?qū)⑷S數(shù)據(jù)集中的任意一個平面重建成二維圖像，可以選擇性地測量目標(biāo)區(qū)域的CT 值[6]。最大密度投影(maximum intensity projection, MIP) 技術(shù)利用了CT 掃描中的射線投影原理，將一系列CT 圖像中的最大像素值投影到一個平面上，以顯示具有相對較高密度的組織結(jié)構(gòu)[7]。如圖1 所示。我們根據(jù)骨性終板密度值明顯高于上下組織的特點，利用MPR 技術(shù)定位終板區(qū)域，結(jié)合MIP 技術(shù)的原理，使包括終板在內(nèi)一定層厚的組織最大CT值，投影在一個平面上，這樣就相當(dāng)于間接測量終板的密度值。

圖1 CT 后處理技術(shù)示意圖A：MIP 技術(shù)的原理示意圖B：椎體下終板的MIP 投影Fig.1 The schematic diagram of CT post-processing technology. A: Schematic diagram of the principle of the MIP technique; B: MIP projection of the inferior endplate of the vertebral body.

1.2 標(biāo)本制備

收集來自同一屠宰場當(dāng)日宰殺的5 具新鮮小牛腰椎標(biāo)本（L1～L6），當(dāng)天完成所有標(biāo)本的CT 平掃，結(jié)合肉眼檢查，排除明顯畸形，骨質(zhì)破壞的標(biāo)本。然后剔出所有軟組織，如肌肉、椎間盤、韌帶、軟骨終板，分離所有腰椎節(jié)段，共30 個椎體，如圖2。標(biāo)本用保鮮膜包裹完全后放置-20 ℃冰箱冷凍保存，實驗前于室溫下解凍。

圖2 小牛腰椎椎體的標(biāo)本Fig.2 Specimens of lumbar vertebrae of calves.

1.3 實驗方法

終板重建CT 值測量：采用64 排CT（美國GE 公司，Light Speed VCT），掃描條件：管電壓120 kV，管電流260 mA，層厚1 mm，層間距1 mm，骨窗窗寬2000 HU，窗位350 HU），將小牛腰椎CT 平掃的數(shù)據(jù)以DICOM 格式導(dǎo)出，使用RadiAnt DICOM Viewer 軟件進(jìn)行MPR 重建，冠狀面和矢狀面上調(diào)整至中立位，選擇一終板平面，切換MIP 模式，在冠狀位和矢狀位窗口上，調(diào)整MIP 投射徑線厚度（1～4 mm），使之上下界限與終板最高處和最低處重合，從而使整個完整的終板投影在軸位視圖上，如圖3 ，在軸位圖的MIP 模式下進(jìn)行CT 值測量，為了使不同的終板具有可比性，本次研究在終板表面創(chuàng)建了坐標(biāo)系，將終板的矢狀位正中線視為縱軸，橫軸繪制在縱軸的中點，坐標(biāo)系的原點是縱軸和橫軸的交點，分別于橫軸和縱軸外四分位點繪制垂線，如圖4 所示，取各垂直線交點A、B、C、D、E 為標(biāo)準(zhǔn)化測試位點，測量直徑5 mm 感興趣區(qū)域的平均CT 值。

圖3 牛椎體終板的MIP+MPR 重建A：腰椎矢狀位圖B：腰椎冠狀位圖C：MPR 重建終板D：MPR+MIP 重建終板效果圖Fig.3 MIP+MPR reconstruction of the endplate of the vertebrae. A: Sagittal view of the lumbar spine; B:Coronal view of the lumbar spine; C: MPR reconstruction of the endplate; D: MPR+MIP reconstruction of the endplate.

圖4 測試點定位圖 A: CT 圖像的感興趣區(qū)域（ROI）B: 標(biāo)本上的壓縮測試位點Fig. 4 Test site localization map. A: Region of interest (ROI) of the CT image; B: Compression test site on the specimen.

終板生物力學(xué)測試：CT 掃描完成后第2 天室溫下解凍所有標(biāo)本，進(jìn)行造模處理：從椎弓根處切除椎體后部，椎體前部進(jìn)行包埋處理，凹型的終板接近人體，作為壓縮測試面，同CT 標(biāo)記一樣，在標(biāo)本終板表面建立坐標(biāo)系，按照相同的方法，用馬克筆畫出坐標(biāo)系，確定標(biāo)準(zhǔn)化測試位點，然后選取直徑5 mm 的平底金屬棒作為壓模，使用Bose Electroforce 動態(tài)力學(xué)測試系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(圖5)，按照Hou[8]等的測試方法，夾具固定椎體下端，以12 mm/min 的速度垂直測試點進(jìn)行連續(xù)壓縮，記錄載荷位移曲線，觀察椎體終板，出現(xiàn)椎體塌陷時停止壓縮，由于終板皮質(zhì)強度遠(yuǎn)高于骨小梁，終板皮質(zhì)突破后，載荷值會突然下降，并出現(xiàn)載荷峰值，此時的載荷峰值即為失效載荷。根據(jù)抗壓強度公式P（MPa）=F/A,F表示試驗最大壓力（N），A表示作用力截面面積（mm2），由相應(yīng)的測試分析軟件計算測試區(qū)域的抗壓強度。

圖5 力學(xué)測試系統(tǒng)下對2 號標(biāo)本A、B、C、D、E 區(qū)進(jìn)行單軸壓縮試驗Fig.5 Uniaxial compression tests on specimen 2, areas A, B, C, D and E under the force test system.

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

2 名觀察者（1 名脊柱外科醫(yī)師和1 名放射科醫(yī)師）進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)后，先后2 次（間隔1 周）對CT 值和抗壓強度進(jìn)行測量，使用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）來評估ROI 的CT 值及抗壓強度值的觀察者間和觀察者內(nèi)部可靠性（ICC≥0.8 被認(rèn)為表示可靠度極佳）。使用GraphPad prism 9.0 進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。不同測試區(qū)域之間結(jié)果的比較采用完全隨機設(shè)計資料的方差分析(One-way ANOVA) 和組內(nèi)組間兩兩比較的Turkey 檢驗法進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理。終板不同測試位點的重建CT值與終板抗壓強度的相關(guān)性分析若呈正態(tài)分布則采用Pearson 檢驗，否則采用Spearman 檢驗。當(dāng)P＜0.05被認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。如果具有線性相關(guān)性，建立回歸方程，并使用GraphPad prism 軟件繪制散點及線性擬合圖。

2 結(jié)果

2.1 重建CT 值測量

觀察者內(nèi)和觀察者間測量HU 值的可靠性非常好，ICC 分別為0.984 和0.962。單因素方差分析后顯示終板不同區(qū)域的平均CT 值均存在顯著性差異（P＜0.05），進(jìn)行事后多重比較，如表1 所示，椎體左右對稱的ROI 區(qū)（B 和C，D 和E）CT 值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），前后不同區(qū)域（B 和D，C 和E）差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），A 區(qū)與B、C、D、E 差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表1 終板不同測試位點重建CT 值的平均值及其組間比較Tab.1 Average CT reconstruction values of different test points of endplates and their inter-group comparison

2.2 終板抗壓強度

觀察者內(nèi)和觀察者間測量值的可靠性非常好，ICC 分別為0.993 和0.964。單因素方差分析后顯示終板不同區(qū)域的抗壓強度均存在顯著性差異（P＜0.05），進(jìn)行事后多重比較，如表2 所示，椎體左右對稱的測試區(qū)（B 和C，D 和E）差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），前后不同區(qū)域（B 和D，C 和E）差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），A 區(qū)與B、C、D、E 差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。結(jié)果如圖6 所示。

表2 終板不同測試位點抗壓強度的平均值及其組間比較Tab.2 Average compressive strength of different test points of endplates and their inter-group comparison

表3 終板重建CT 值與抗壓強度的Spearman相關(guān)性分析Tab. 3 Spearman correlation analysis of CT values of endplate reconstruction and compressive strength

圖6 2 號標(biāo)本A、B、C、D、E 區(qū)的載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of specimens A, B, C, D and E of specimen 2.

2.3 重建CT 值與抗壓強度的相關(guān)性分析

測試區(qū)的CT 值和抗壓強度呈非正態(tài)分布，采用Spearman 相關(guān)性檢驗，結(jié)果表明終板的5 個測試區(qū)域測得重建CT 值與抗壓強度均具有強相關(guān)性（r＞0.8,P＜0.01），散點圖呈明顯的線性分布，使用GraphPad prism 擬合簡單的線性回歸方程，見圖7，測試區(qū)域的重建CT 值均與抗壓強度呈明顯的正性相關(guān)性，R2均大于0.7，擬合程度較好。

圖7 小牛終板各個測試區(qū)的重建CT 值與抗壓強度的相關(guān)性圖Fig.7 Correlation diagram between reconstructed CT values and compressive strength for each test zone of calf endplate.

3 討論

最近的研究表明，終板區(qū)域的BMD 是預(yù)測椎體骨折和植入物沉降的可靠指標(biāo)[9]。此外，現(xiàn)有的研究也證實了CT 圖像的CT 值與BMD 之間存在顯著的正相關(guān)性[10]。因此，利用CT 值預(yù)測骨強度已經(jīng)成為臨床骨質(zhì)疏松評估的重要手段之一[11]，該方法具有非侵入性、簡便易行、可重復(fù)性好、非破壞性、直觀易懂等優(yōu)點。常規(guī)CT 與QCT 的主要區(qū)別是沒有體模校正，準(zhǔn)確性弱于QCT，但有相關(guān)研究顯示，無體模校正的骨密度與有體模校正的骨密度值高度相關(guān)，例如Budoff 等學(xué)者進(jìn)行的一項大規(guī)模的研究，結(jié)果顯示無體模校正的骨密度與有體模校正的骨密度值高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.987[12]。隨后，Weaver 等學(xué)者也在其研究中得到類似的結(jié)論，無體模校正的骨密度與有體模校正的骨密度值的相關(guān)系數(shù)為0.87[13]。常規(guī)CT 已經(jīng)具備骨密度計算所需要的信息，并且在CT 值計算公式中已經(jīng)使用水的衰減系數(shù)進(jìn)行了校正，由于水的密度通常是恒定的，故常規(guī)CT 的CT 值已經(jīng)是一個經(jīng)過校準(zhǔn)的相對值[14]，理論上可以反映出骨密度的變化。因此，本次研究利用MIP 技術(shù)將終板CT 值投影在一個層面，探討其CT 值與終板骨強度的關(guān)系，具有一定的理論基礎(chǔ)。

術(shù)前評估終板強度有利于醫(yī)生在術(shù)中判斷融合器放置的最佳位置，以期減少融合器沉降的風(fēng)險。然而，由于其不規(guī)則的穹頂型形狀，很難確定感興趣區(qū)域的CT 值。無論是常規(guī)CT 還是QCT ，在選取感興趣區(qū)域時，難以自動分割出完整的終板，測得的CT 值總會受椎間盤組織或椎體松質(zhì)的影響，使得結(jié)果存在較大的偏差，現(xiàn)有的Mimics、3Dslicer 等醫(yī)學(xué)影像處理軟件雖然可以通過閾值分割實現(xiàn)終板的HU 值測量，甚至進(jìn)行強度分析，但是存在操作復(fù)雜，花費時間長的問題，難以在臨床上實現(xiàn)常規(guī)應(yīng)用。常見的DICOM 數(shù)據(jù)處理軟件基本包含了MIP和MPR的功能，方便易行的操作可以幫助外科醫(yī)生快速了解手術(shù)終板的強度分布情況，從而制定更加個性化的治療方案。

本次研究創(chuàng)新性地設(shè)計四分位定點的方案，利用標(biāo)準(zhǔn)化測試位點確定測量部位，以消除終板尺寸和形狀差異對實驗結(jié)果的影響，同時也提高了影像學(xué)和標(biāo)本之間的測試部位的匹配度，一致性檢驗結(jié)果表明，觀察者內(nèi)和觀察者間的ICC 值均高于0.9，說明該方法具有極佳的可重復(fù)性和一致性，可以有效提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。與以往文獻(xiàn)報道的壓痕試驗采集較密集的測試位點不同，本次試驗只取了5 個測試位點，并且各測試位點之間相距較遠(yuǎn)，以盡可能降低測試點之間的相互作用導(dǎo)致的誤差。本次研究選擇了5mm 直徑的平底壓模，與CT 的ROI 直徑相對應(yīng)，由于臨床現(xiàn)有的融合器接觸面多經(jīng)過圓角和倒角處理，接觸面并不尖銳，直徑5 mm 的受力面比較接近終板與融合器實際接觸情況。通過選擇速率12 mm/min, 不僅可以防止骨接觸面被過快的速度沖擊損傷，也可以避免以較慢的速度引起椎骨的蠕變。通過相關(guān)性分析，我們發(fā)現(xiàn)椎體不同區(qū)域的重建CT 值與其抗壓強度有著顯著的線性正相關(guān)性，說明通過CT 后處理技術(shù)重建CT 值具有預(yù)測終板骨強度的價值，可以作為術(shù)前評估的手段之一。小牛椎體的左、右對稱區(qū)域的CT 值和抗壓強度沒有差異性，這一特點類似于人類的椎體。不同之處在于，牛脊椎的抗壓強度從后到前逐漸增加，而人類的椎體抗壓強度后外側(cè)最強，且周圍區(qū)域強于中央?yún)^(qū)域。這種差異可能與人類進(jìn)化的直立行走功能有關(guān)[15]。

雖然本次研究在創(chuàng)新性方面有所突破，并且取得了令人滿意的可靠性和可重復(fù)性數(shù)據(jù)，但仍然存在一些局限性。第一，樣本量相對較小，這可能會影響到數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可靠性。第二，沒有比較不同測量方法的優(yōu)劣，需要進(jìn)一步研究。我們的研究結(jié)果表明CT 后處理重建CT 值預(yù)測終板骨強度的可靠性，這為未來的研究工作提供了重要的啟示。在未來的研究中，將進(jìn)一步探討CT 后處理技術(shù)重建CT 值在人體終板骨密度研究中的應(yīng)用，以改善患者椎間融合術(shù)后的治療效果。