劉 洋，史寧寧，張 勇，張 曦，盧虹冰(第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室，西安7003;西安市兒童醫(yī)院骨科;通訊作者，E-mail:orthzhangyong@aliyun.com)

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)以脊柱在冠狀面上的側(cè)凸、矢狀面上失去正常的生理彎曲和在水平面上的椎體旋轉(zhuǎn)為特征的三維畸形。AIS對(duì)患者的生活質(zhì)量和心理健康都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，近年來(lái)引起了人們的廣泛重視［1-5］。

相關(guān)研究表明，脊柱側(cè)凸畸形與初診Cobb角、側(cè)彎方式、Risser指數(shù)、頂錐旋轉(zhuǎn)度等參數(shù)關(guān)系很大。課題組最新的研究表明:脊柱長(zhǎng)度的增長(zhǎng)速度與畸形進(jìn)展密切相關(guān)［4］。但目前國(guó)際上尚無(wú)脊柱長(zhǎng)度測(cè)量的統(tǒng)一方法，大都采用醫(yī)生手工測(cè)量。由于手工測(cè)量的主觀因素較強(qiáng)，測(cè)量的可重復(fù)性和一致性較低。因此，如何準(zhǔn)確、可重復(fù)地測(cè)量脊柱長(zhǎng)度是評(píng)價(jià)畸形進(jìn)展所亟待解決的問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，本研究提出了一個(gè)準(zhǔn)確、可重復(fù)的脊柱測(cè)量方法，并將其應(yīng)用于脊柱側(cè)凸的研究中。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

X線平片是診斷脊柱側(cè)凸的主要手段，可確定畸形的類型、部位、嚴(yán)重性等。為此，本研究選用站立位脊柱全長(zhǎng)X線片，上端包括下頸椎、下端包括雙側(cè)腰骶關(guān)節(jié)和髂骨翼，從而獲取畸形的真實(shí)情況和軀干的狀態(tài)。

X線掃描后，將片子置入觀片燈，用三腳架支起相機(jī)使相機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)片子中心，關(guān)閉閃光燈，設(shè)圖片色彩為黑白，拍攝X線平片。針對(duì)所有被試的平片，平片的中心、三腳架位置及鏡頭的焦距等指標(biāo)和參數(shù)相同，從而保證所有數(shù)碼圖片的大小和分辨率相同。

1.2 脊柱長(zhǎng)度測(cè)量

本研究針對(duì)X線平片的特點(diǎn)，提出了一種快速、準(zhǔn)確的脊柱長(zhǎng)度測(cè)量方法，并開發(fā)了針對(duì)性的程序，程序基于Matlab 6.5開發(fā)。

1.2.1 基于數(shù)碼圖片的脊柱長(zhǎng)度測(cè)量 如圖1所示，針對(duì)每個(gè)椎骨選擇四個(gè)頂點(diǎn)，如點(diǎn)1-4。然后，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算1和2及3和4連線的中點(diǎn)A和C，以及1和3連線與2和4連線的交點(diǎn)B。重復(fù)該過(guò)程，利用5-8點(diǎn)，可獲得D、E、F三個(gè)中點(diǎn)，進(jìn)而可獲得每個(gè)椎骨的三個(gè)中點(diǎn)。但獲得的系列中心點(diǎn)是離散的，用這些點(diǎn)直接計(jì)算脊柱長(zhǎng)度勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。為此，我們基于這些點(diǎn)，進(jìn)行樣條插值，從而獲取平滑的中心線，如圖2所示。將插值后點(diǎn)之間的距離求和，便可獲得基于體素大小的脊柱長(zhǎng)度。

圖1 脊柱中心點(diǎn)計(jì)算示意圖Figure 1 Sketch of measurement of centre point of spine

圖2 插值后曲線Figure 2 Interpolation curve

1.2.2 測(cè)量長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為真實(shí)值 基于數(shù)碼圖片的脊柱長(zhǎng)度測(cè)量，可計(jì)算出脊柱長(zhǎng)度。但這個(gè)長(zhǎng)度是基于體素大小的，并不是真正的脊柱長(zhǎng)度。為此，利用X線機(jī)掃描一件已知長(zhǎng)度且可在X線下顯影的物體，并使用上述方法對(duì)其長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，從而獲得體素大小與真實(shí)長(zhǎng)度的換算關(guān)系。利用這個(gè)換算關(guān)系，便可將基于數(shù)碼圖片獲得的脊柱長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)換為真實(shí)值。

1.3 脊柱長(zhǎng)度測(cè)量測(cè)量的評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)本研究所提出脊柱測(cè)量方法的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，將本研究所提出的測(cè)量方法與臨床醫(yī)生手工測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較。醫(yī)生直接在X線平片上測(cè)量，測(cè)量范圍為T1-L4。

本研究對(duì)三名被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)量，并計(jì)算本文方法及兩名醫(yī)生測(cè)量結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，從而評(píng)價(jià)本文方法的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。測(cè)量準(zhǔn)確性，主要通過(guò)將本文方法與醫(yī)生測(cè)量方法的均值相除作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果接近1，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。測(cè)量可重復(fù)性，主要比較多次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越小，可重復(fù)性越高。

2 結(jié)果

為了評(píng)價(jià)本方法的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，對(duì)三名被試進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量5次結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表1。

由表1可見，本研究所提出的方法測(cè)量得到的均值與醫(yī)生測(cè)量結(jié)果的均值非常接近，將本文方法與醫(yī)生測(cè)量方法的均值相除，可得到三名被試的結(jié)果分別為0.999 2，0.998 3，1.000 4，與 1 非常接近，由此可以說(shuō)明本研究方法測(cè)量的準(zhǔn)確性很高。同時(shí)，本研究方法測(cè)得結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差較醫(yī)生測(cè)量結(jié)果低得多，說(shuō)明本研究方法的可重復(fù)性好。

3 討論

AIS發(fā)生后，引起畸形加重的相關(guān)因素較多，但骨骼生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)和發(fā)育成熟程度常被認(rèn)為是畸形進(jìn)展的重要因素，其中以身高增長(zhǎng)速度、Risser指數(shù)、月經(jīng)初潮時(shí)間、腕骨骨齡和實(shí)足年齡為代表。Sun等［6］對(duì)142例正規(guī)支具治療的女性AIS患者回顧性研究發(fā)現(xiàn)，骨骼發(fā)育未成熟，初診側(cè)凸角度大于30°且胸彎的AIS患者，支具治療期間畸形進(jìn)展的危險(xiǎn)性較高。提示我們脊柱的殘余生長(zhǎng)潛力是畸形進(jìn)展的重要因素;張勇等［7］對(duì)46例輕、中度青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎患兒進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)患兒的坐高與站高的比率和Cobb角之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系(r=0.675，P ＜0.05)，提示坐高與站高的比率和畸形嚴(yán)重程度之間存在相關(guān)關(guān)系。Little等［8］對(duì)120例女性AIS患者和正常女性青少年進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)兩組身高增長(zhǎng)速度均要經(jīng)歷一個(gè)高峰期和快速下降期，當(dāng)身高增長(zhǎng)速度達(dá)到峰值時(shí)，如果側(cè)凸角度大于30°，則有83%的可能性側(cè)凸加重到45°以上;而側(cè)凸小于30°的，僅有4%的可能性畸形加重到45°以上。而且發(fā)現(xiàn)與患者的年齡、月經(jīng)初潮時(shí)間及Risser征相比，身高增長(zhǎng)速度具有時(shí)差短、預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。提示我們身高增長(zhǎng)速度能有效預(yù)測(cè)骨骼發(fā)育程度，并為預(yù)測(cè)畸形加重提供有用的信息。張勇等［9］的另一項(xiàng)研究表明脊柱長(zhǎng)度的增長(zhǎng)速度與畸形進(jìn)展密切相關(guān)，且20 mm/年的增長(zhǎng)速度是導(dǎo)致側(cè)凸進(jìn)展的關(guān)鍵因素。本研究在測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，微小的長(zhǎng)度差異都會(huì)對(duì)畸形評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此，對(duì)脊柱長(zhǎng)度的準(zhǔn)確和可重復(fù)測(cè)量，是評(píng)價(jià)畸形進(jìn)展所亟待解決的問(wèn)題。為此，本研究提出了利用X線平片的數(shù)碼圖片來(lái)測(cè)量脊柱長(zhǎng)度的測(cè)量方法。本方法利用每個(gè)椎骨的四個(gè)頂點(diǎn)，確定三個(gè)中點(diǎn)，進(jìn)而獲取脊柱的中線，并利用中線上點(diǎn)的距離和作為脊柱長(zhǎng)度。由于椎骨頂點(diǎn)，在X線平片中容易辨識(shí)，且重復(fù)掃描時(shí)，椎骨頂點(diǎn)的位置基本無(wú)變化。因此，選用椎骨頂點(diǎn)確定椎骨中點(diǎn)，進(jìn)而確定脊柱中線的方法是合理的。

表1 本文方法與醫(yī)生測(cè)量脊柱長(zhǎng)度結(jié)果比較 (cm)Table 1 Com parison of spinal length measured by calculated method and doctor’s manual method (cm)

通過(guò)與醫(yī)生手工測(cè)量的方法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文提出的脊柱測(cè)量方法在準(zhǔn)確性方面，與醫(yī)生手工測(cè)量值非常接近，在可重復(fù)性方面，多次測(cè)量的結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差很低，說(shuō)明本文提出的測(cè)量方法的可重復(fù)性較好。這些結(jié)果都說(shuō)明，本方法將在預(yù)測(cè)脊柱畸形的研究中具有重要的作用。

［1］Danielsson AJ，Hasserius R，Ohlin A，et al.Health-related quality of life in untreated versus brace-treated patients with adolescent idiopathic scoliosis:a long-term follow-up［J］.Spine(Phila Pa 1976)，2010，35(2):199-205.

［2］張勇，楊毅軍，趙黎，等.支具治療對(duì)女性青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸心理的影響分析［J］.實(shí)用骨科雜志，2014，20(8):684-686.

［3］Deceuninck J，Bernard JC.Quality of life and bracetreated idiopathic scoliosis:a cross-sectional study performed at the Centre des Massues on a population of 120 children and adolescents［J］.Ann Phys Rehabil Med，2012，55(2):93-102.

［4］張勇，史寧寧，周南，等.青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸對(duì)生活質(zhì)量的影響［J］.中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志，2011，33(3):234-236.

［5］Zhao L，Zhang Y，Sun X，et al.The Scoliosis Research Society-22 Questionnaire adapted for adolescent idiopathic scoliosis patients in China:reliability and validity Analysis［J］.J Child Orthop，2007，1(6):351-355.

［6］Sun X，Wang B，Qiu Y，et al.Outcomes and predictors of brace treatment for girls with adolescent idiopathic scoliosis［J］.Orthop Surg，2010，2(4):285-290.

［7］張勇，趙黎，王瑞，等.坐高與站高的比率和青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸關(guān)系的分析［J］.中華小兒外科雜志，2006，27(11):581-584.

［8］Little DG，Song KM，Katz D，et al.Relationship of peak height velocity to other maturity indicators in idiopathic scoliosis in girls［J］.J Bone Joint Surg Am，2000，82(5):685-693.

［9］張勇，楊毅軍，黨曉謙，等.預(yù)測(cè)支具治療女性青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸畸形加重的相關(guān)參數(shù)分析［J］.山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，45(5):410-413.