正常志愿者C4、C5椎体在颈椎屈伸运动过程中的相对位置特征

高雅鹏，陆庭斌

陕西省康复医院影像一科，陕西 西安 710065

颈椎退行性骨关节病为临床多见疾病，其发病率呈现出年轻化趋势。当前，采用影像学研究颈椎动态已成为临床研究重点，动态MRI检测在颈椎不同兴趣部位时能够看到黄韧带厚度与椎间盘突出改变情况，经过观察颈椎1/2、1/4伸屈和完全伸屈情况，能够及时发现常规中立位时隐匿黄韧带变厚或者椎间盘突出[1-3]。WU等[4]在采用动态X线透视描述颈椎屈伸运动过程的椎间角变化的研究中，提出了在颈椎连续运动中提取颈椎特征点进行分析的方法，并分析了椎间角的变化。因此，本研究应用动态X线技术分析了正常志愿者C4、C5椎体在颈椎屈伸运动过程中相对位置特征变化，以期为临床患者诊疗提供一些借鉴。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准 纳入标准：①查体平片无显著钩突肥大、椎体骨质增生、椎间隙变窄、曲度消失及侧弯等征象；②既往无上肢麻木、颈背部疼痛及明显头晕等颈椎病症状。排除标准：①拒接行动态X线采集者；②长期接触电子屏幕、长期伏案等工作导致颈部长时间位于紧张状态；③训练后其颈椎屈伸运动依然无法匀速进行者；④颈部既往曾受过外伤者；⑤查体平片显示发生阻滞椎、颈椎滑脱等征象；⑥既往颈部有过手术史者。

1.2 一般资料 选取2017年1月至2019年1月间在陕西省康复医院体检且符合以上纳入和排除标准的志愿者198例，由于年龄为发生颈椎病主要因素，故本研究依据志愿者年龄[5]将其分成两组，其中75例＞40岁者作为罹患颈椎病高风险组，123例＜40岁者作为低风险组。高风险组患者年龄40～67岁，平均(50.15±6.27)岁；男性28例，女性47例。低风险组患者年龄24～38岁，平均(31.01±5.39)岁；男性41例，女性82例。本研究经医院伦理委员会批准，志愿者个人或家属知情并签署同意书。

1.3 动态X线透视检测 采用西门子数字胃肠X线机(JPN)对志愿者颈椎从屈位到伸位运动过程进行逐帧录影。采集图像时，速率调节为6帧/s，管电压为60 kVp，管电流为2 mA；时间依据运动速率与范围不同大约为15 s。胶片和X线管球相距1.2 m，标准侧位像下将X线中线设定是C椎体中分。志愿者检测前，训练其颈椎均匀速完成。在检测中志愿者都需目视前方，肩部放松避免遮挡颈椎。详细记录颈椎椎体从屈位到伸位运动同时逐帧保存DICOM文件。志愿者颈椎运动能够保存80～110帧图像，志愿者全部图像依据其运动时间的顺序分成20部分。

1.4 测量方法 既往研究显示颈椎屈伸运动中C4、C5节段角度改变最大，出现颈椎退行性变化时容易受累。同时C3以上和C7椎体易被肩部和下颌骨所遮挡，本研究主要对C4、C5椎体相对位置改变进行观察。选取C4、C5椎体前缘与上缘交点当做兴趣点，对C4、C5椎体相对位置夹角进行计算。采用Matlab®2014B软件编程，使图像实现配准及自动获取椎体兴趣点。整幅图像左下角当做坐标原点，横轴x与纵轴y正方向分别为背侧与头侧，每个像素各占据一个坐标，读取兴趣点像素坐标，采用反正切函数，C4、C5相对位置角度是C6椎体基准点和C4椎体兴趣点及C6椎体基准点和C5椎体兴趣点连线间夹角，如图1所示。角度保留是正负值，可反映C4～6椎体部位改变。在全部图像经兴趣点角度以后，对每部门平均角度进行计算，统计分析。记录两组志愿者颈椎各阶段椎间活动度情况。

图1 颈椎运动示例图像，测量C4、C5位置夹角

1.5 图像后处理 为降低颈椎前方软组织干扰，突出骨皮质对比度，需调节图像对比度与亮度。DICOM文件采用Matlab®2014B软件读取后对每帧图像进行Canny边缘检测与高斯滤波，椎体边缘皮质轮廓需高亮显示，志愿者颈椎运动中图像行边缘检测与滤波时，手动设定过滤的程度与范围。第一幅图像为颈椎处的最大伸位，同时在此图像内沿着C4、C5与C6椎体前缘从下至上手动输入共60个点当做参考路径，并沿着此路径对C6椎体下缘与前缘交点、C4、C5椎体上缘与前缘交点自动识别，如图2、图3所示。

图2 男性志愿者图像后处理过程

图3 女性志愿者图像后处理过程

1.6 统计学方法 应用SPSS19.0统计软件进行数据分析，患者颈椎活动度等符合正态分布的计量资料以均数±标准差)表示，两两比较采用t检验。对受检者颈椎运动中每一部分相对位置角度平均值行统计描述，采用球形检验评价运动过程中相对位置角度变化是否具有相关性，若存在相关性，使用Greenhouse-Geisser校正统计结果，比较低风险组和高风险组颈椎运动过程中相邻椎体间相对位置角度的平均值。Matlab®2014B曲线拟合工具箱将颈椎屈伸运动过程的位置和颈椎椎体相对位置角度分别对低风险组、高风险组及全体受检者进行拟合并获得方程。检验水准为α=0.05。以P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组志愿者C4、C5椎体相对位置角度平均数 颈椎运动中，高风险组和低风险组志愿者的C4、C5椎体相对位置角度平均数值如图4所示。球形检验P＜0.05，说明志愿者不同部位C4、C5椎体的相对部位角度和Huynh-Feldt条件不相符，不同位置间角度改变有相关性。Greenhouse Geisser校正显示，P＜0.05，这说明不同位置角度的平均数值有一定差异。两组志愿者在运动中其C4、C5椎体相对部位角度差异有统计学意义(P＜0.05)，低风险组志愿者在运动中其C4、C5相对位置的改变较大。把颈椎位置与角度数值当做横纵坐标行曲线拟合，结果显示7次方曲线拟合度为最佳，P＞0.05，方程式为：f(x)=pl×x7+p2×x6+p3×x5+p4×x4+p5×x3+p6×x2+p7×x+p8(x自变量，表示颈椎曲伸任意位置，y因变量，表示颈椎运动至某部位C4和C5间夹角，p1至p8是各项式系数)。曲线拟合一元七次方程各系数如表1所示。两组志愿者C4和C5椎体位置夹角与颈椎的运动部位行曲线拟合。f（x）=pl×x7+p2×x6+p3×x5+p4×x4+p5×x3+p6×x2+p7×x+p8(e是10指数形式，括号内是最大、最小值，括号外平均数值，p1至p8是各项式系数)。

2.2 两组志愿者颈椎各阶段椎间活动度比较 低风险组颈椎C5～6、C6～7椎间活动明显高于高风险组，差异均有统计学意义(P＜0.05)，见表2。

图4 颈椎运动C4和C5椎体相对位置角度

表1 两组志愿者经曲线拟合一元七次方程的各项系数

表2 两组志愿者颈椎各阶段椎间活动度比较(，°)

表2 两组志愿者颈椎各阶段椎间活动度比较(，°)

images/BZ_90_206_812_2273_875.png低风险组高风险组t值P值123 75 12.25±3.67 11.92±3.36 0.357 0.469 9.13±2.50 8.89±2.25 0.492 0.352 13.14±3.19 12.96±3.20 0.430 0.286 17.14±3.39 16.76±3.46 0.338 0.197 20.08±3.93 13.93±3.28 9.037 0.001 17.65±3.80 10.34±3.22 12.055 0.001

3 讨论

伴随年龄不断增加，机体发生颈椎退行性骨关节病概率也逐渐增大。椎小关节与椎间盘发生退变时，颈椎则出现不同程度的不稳定情况，导致上肢麻木、功能减弱、头疼、头晕等临床表征[6-7]。目前，临床逐渐应用自动化检测软件，对于颈椎的动态运动可进行多参数客观检测，显示了对诊断有利的颈椎病动态征象[8-11]。有关专家采用位置相关磁共振(pMRI)或者动态MRI检测颈椎退行性骨关节病，他们一般分析颈椎运动内某些特殊位置，如完全伸位、完全屈位及1/2、1/4屈位等[12-14]。ZAPEI等[15]采用kMRI对于颈椎运动中相关兴趣位置内C2～7邻近椎体夹角、C2和C7椎体的垂直距离、颈椎倾角及T1椎倾斜率等成功测量。对于常规MRI，动态MRI需相关模具来维持颈椎静止的兴趣位置。

为分析连续运动中邻近椎体间位置改变，本研究分析颈椎屈伸运动时采用动态X线摄影，椎体间的位置指标以椎体间夹角进行描述[16]。后处理时，由于附件干扰了椎体后缘，所以选择C4和C5上缘与前缘交点当做兴趣点以表示全部椎体。肩部和上胸段骨骨质结构比较复杂，而C7椎体下部运动时会被周边骨质遮挡，本研究中选取C6椎体下缘与后缘交点当做旋转中心来配准。在经训练以后志愿者屈伸运动时均可维持匀速，但运动幅度依然存在差异，所以将屈伸运动百分化，运动范围共分成20部分，各部分表示颈椎运动5%活动范围，在依据检测角度对比。

本研究结果显示，邻近椎体角度伴随颈椎屈伸运动持续改变，运动中角度突变不会发生，这说明运动中C4和C5椎体维持稳定位置关系，表示钩椎关节稳定，结果和相关腰椎滑脱研究近似。对年龄不同志愿者研究显示，C4和C5椎体的相对位置特点有一定差异，其中高风险组患者的C4和C5椎体相对位置角度小，表示其活动度变小，志愿者常规X线和临床表征均没有患颈椎病的相关证据，由此可推断其差异的出现和年龄有联系，机体颈椎退化的主要危险因素为年龄。同时，本研究显示颈椎屈伸运动时其椎体相对位置改变有一定规律。在一元七次方程中，将颈椎屈伸运动分为20部分，x表示颈椎屈伸运动任意位置，表示所占颈椎屈伸百分比；y为伴随颈椎屈伸运动时邻近椎体相对位置夹角改变，和自变性x为对应关系，伴随x的改变而改变。此方程给出了健康人颈椎屈伸运动时C4和C5椎体所处对应位置。因此，若不符合该方程，则能够推断C4和C5相对位置发生改变，原因可能为颈椎退变导致颈椎屈伸运动椎间不稳定所造成的。

综上所述，颈椎屈伸运动时伴随颈椎的整体运动，C4和C5椎体间相对位置会出现规律性改变，随着年龄的增加机体颈椎活动度会下降。颈椎动态X线能够很好地评估颈椎各阶段运动情况，对临床颈椎病患者的诊疗有重要指导价值。