腰椎椎间融合影像学评价方法的研究进展

任博文，韩振川，吴剑慧，刘建恒，刘庆祖，毛克亚

1 解放军医学院，北京 100853；
2 解放军总医院第四医学中心 骨科医学部，北京 100853；
3 火箭军特色医学中心 骨科，北京 100032；
4 首都医科大学附属北京潞河医院 肿瘤科，北京 101149

随着科学技术的发展，椎间融合技术不断完善，腰椎椎间植骨融合术目前已是最为常见的脊柱外科手术，广泛应用于治疗腰椎间盘突出症、腰椎滑脱症、腰椎管狭窄症等各类退行性疾病[1-2]。尽管这项技术取得了令人满意的疗效，但仍会出现假关节形成、内固定失败、融合器下沉等融合失败相关并发症，正确评估术后腰椎椎间融合情况对判断预后尤为重要[3-4]。最早，脊柱外科医生通过手术暴露明确腰椎椎间实质性的融合，受限于其创伤性较大，该方式很快被弃用。非侵入性影像学检查具有方便、快捷、无创等优点，逐渐应用于评价腰椎术后融合情况[5]。融合率是评价腰椎融合预后时常用的指标，目前文献中对腰椎椎间融合的定义并不一致，对术后融合情况的判断一直是临床的难题。此外，评价融合的方法众多，在评价指标、测量方法、临床应用效果等方面存在较大差异，在临床上尚无判断骨性融合的广泛共识[6-8]。因此，本文将对文献中报道较多的影像学评价方法进行综述，总结各评价方法的优劣和适用情况，为脊柱外科医生选取合理、正确的评价方式提供理论证据。

X线检查是脊柱外科影像学检查中最常用、最简便易行的方法。由于骨组织是体内X线衰减系数最大、密度最高的组织，与其他组织之间存在良好的对比，并且X线检查具有成本相对较低、对设备要求不高、方便快捷的特点，因此X线检查常是腰椎术后影像学检查的首选。X线片可以分为立位平片和动力位平片两类，腰椎正侧位(立位平片)和腰椎过屈过伸位(动力位平片)是目前临床判断腰椎融合最常用的影像学方法[9-10]。

1.1立位平片 腰椎正侧位X线片可以显示腰椎融合术后相邻椎体之间有无连续的骨桥、椎间融合器、内固定的位置和状态以及椎间隙高度变化。最初，腰椎正侧位片评估椎间融合的标准依据患者疼痛水平、职业状态、活动水平和药物使用情况，将术后效果分为大致分为优秀、良好、一般和差4个等级[11-12]。随后，融合器周围透明度被纳入衡量融合情况的依据，融合器边缘存在透明带提示椎间存在骨不连。BS融合标准(Brantigan and Steffee Criteria)对先前的标准进行了归纳总结，将融合情况分为5个等级，4级提示椎间部分融合，5级提示椎间达到坚固融合[13-14]。而腰椎融合放射学评分分级(the radiographic score classification)将术后融合情况分为3个等级，评分达到2级才提示融合牢固[15]。此外，融合器周围缺乏透明度并不一定意味着融合成功。BSF融合标 准(Brantigan，Steffee，Fraser Classification)首次引入了“锁定性假关节”的描述[16]。“锁定性假关节”的特征之一为融合器边缘与上下终板连接处透光度降低，而融合器中部仍存在透明环，随着时间的推移可能发展为骨不连。综合目前评价融合的各类标准(表1)，多数研究认为坚固融合应在融合器前、后、侧方或融合器之间有连续性骨桥连接上下终板(哨兵征)，同时不存在终板与移植骨或融合器之间的空隙，而融合界面出现移植骨周围硬化、移植骨下沉，孤立的哨兵征等则是融合延迟或失败的征象[17-18]。但腰椎正侧位片受限于成像能力不足，仅能提供正侧两个平面的图像，无法检测出假关节中的微小间隙的松动。此外，腰椎正侧位片评价标准大多为定性的主观判断，与阅片者的经验也有很大关系，存在一定误差。因此，单纯依靠腰椎正侧位X线片无法判断椎间是否存在假关节形成，易误认为椎间融合牢固，致使椎间融合的发生率被高估。

表1 三种常用的腰椎融合评价标准Tab. 1 Three commonly used evaluation criteria for lumbar fusion

1.2动力位平片 腰椎过曲过伸位片可以显示脊柱在最大程度弯曲和伸展时的排列状态，量化两个椎体之间的相对运动从而判断术后融合情况。腰椎过曲过伸位片评价融合的度量包括融合椎体间的位移和成角，成角角度测量方法有Cobb法、Hutter法和Simmon法，以Hutter法应用最广[19]。Hutter法是将屈位和伸位的腰椎X线片重叠，根据成角变化来判定融合与否。Simmon法需要测量经融合节段上下椎体前缘的两条直线的成角，根据成角变化来判断融合情况。Cobb法则需要经融合椎间隙上下终板分别作垂线，根据两垂线成角变化来判断。由于腰椎过曲过伸位片具有可量化的衡量指标，因此是目前临床上评价椎间融合状态最常用的方法。但众多研究者对于判断牢固融合的成角和位移的标准仍存在分歧[20]，美国食品药品监督管理局认为在屈伸位平片上椎间成角活动≤5°，椎体平移≤3 mm视为融合，然而有研究认为椎体成角＜3°才能视为融合，＞7°为不融合，3° ~ 7°时则需要其他方法判断。直到现在，椎体运动的程度与坚固融合的关系仍没有明确的规定。在实际临床应用中，融合的标准通常采取主观判断结合客观量化测量指标进行综合评价，提高了融合结果的可靠性。如Burkus分级认为在术后至少间隔6个月腰椎正侧位X线片显示融合器周围超过50%的部分不透光，并且在腰椎动力位平片上椎体平移≤3 m，成角活动＜5°，才能确定是完全融合[21]。然而，腰椎动力位平片不但受限于X线成像质量的影响，还受测量方法、衡量标准不一致、观察者经验等因素的影响。此外，椎体临近肌肉的保护、髋关节屈曲和融合器提供的稳定性会掩盖骨不融合引起的相对运动，造成评估的假阴性。

迄今，CT技术被认为是判断椎间骨性融合和诊断内置物并发症(融合器移位、椎弓根螺钉、棒断裂)的影像学“金标准”[22]。CT对骨组织具有良好分辨率，能清楚显示融合椎间骨性结构的变化及是否有桥接骨骨小梁形成。多平面重建技术使CT对椎间融合界面的显示更为清楚，还可三维、高清晰度地显示椎间融合中的各个层面和融合器内的骨小梁[23-24]。腰椎矢状位和冠状位CT重建图像显示连续骨小梁连接相邻椎体，提示达到骨性融合。有文献报道根据术后时间长短，植骨部位会发生不同程度的骨桥接。无论是椎体间植骨还是后外侧植骨，术后6个月在CT上应该可以看到骨小梁桥接，术后1年椎间隙和后外侧植骨部位应出现成熟的骨小梁和坚固的骨皮质桥接[25]。但大多数外科医生较少或根本不考虑拍摄术后腰椎CT，除非临床怀疑假关节，仅使用X线片来判断植骨融合情况。一般认为植骨和椎体边缘交界处存在横跨融合节段的骨小梁，并且缺乏骨性透光性是融合的象征，而融合器下沉、终板上囊性改变和融合器周围的透明光环是骨不连的重要标志[26]。自行开发和未经验证的融合分级层出不穷并且对融合的描述较为模糊，这些融合分级的可信度较低，在不同观察者之间存在较大误差，导致术后融合率在70% ~ 100%这个较大的范围内[27-29]。有研究将先前概述的融合评估参数进行了汇总，提出了一套更为详尽的融合分级标准，以降低观察者之间的判断误差[30]，在临床工作中应用较广，见表2。此外，腰椎CT反映患者静态时的脊柱排列和状态，因此立位平片的定性融合标准在CT中同样适用，如Brantigan标准、Steffee标准和BSF法。尽管CT在显示椎间具体细节上具有得天独厚的优势，但仍需要观察者主观判断椎间是否融合，易受观察者的经验影响，从而犯Ⅰ类和Ⅱ类错误。因此，有研究引入了评估融合的定量指标-椎间隙骨体积，通过CT层切计算融合节段椎间的骨体积，发现融合术后2 ~ 5年内骨体积与时间成正比。但遗憾的是，该文献并未阐述骨体积增加与骨融合强度的潜在关系，未提出与骨体积相关的融合标准[31]。Okano等[32]提出利用定量CT测量出终板部位骨密度体积(endplate volumetric bone mineral density，EvBMD)来评估融合器下沉的风险，组间相关系数为0.95，EvBMD可作为可重复测量的定量指标用于评估椎间融合情况。近年来，还有研究报道了融合术后1年椎间上终板的有效融合面积是一种潜在定量评价指标，可有效判断椎间融合情况，但同样缺乏具体的评价标准[33]。目前基于CT评价融合的标准仍缺乏准确可行的定量指标，未来需引入更多可靠的指标以判断椎间融合状态。相较于平片，CT的检查费用更高，此外其带来的辐射同样不可忽视。研究表明拍摄一次腰椎CT的平均放射量(6 mSv)相当于约300次胸部X线检查的放射量(0.02 mSv)[34]。不可否认，CT扫描目前仍是评估腰椎椎间融合的“金标准”，但需要综合考虑其优势和潜在风险后再进行选择。

表2 临床常用的腰椎融合的CT评价标准[30]Tab. 2 Criteria for interbody fusion assessment on computer tomography commonly used in clinic

磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)评估腰椎融合状态的准确性远不如CT，但在评估软组织和椎管内容物方面准确性优于CT。由于金属置入物容易在图像产生伪影，并且骨组织在MRI上的分辨率不高，因此一般不用于评价术后融合[35]。大多数情况下，MRI用于判断腰椎术后融合节段的临近节段是否存在新发的狭窄或椎间盘突出，对腰椎骨性融合状态只能粗略评估。通过调整MRI的参数，如扩大采样带宽、采用压脂序列或多序列成像，可以最大程度地减少术后脊柱MRI的伪影[22]。在T2加权像上，相邻融合椎体软骨下骨髓的低信号改变和在T1加权像的高信号改变可以提示融合。相反，T2加权图像上的高信号强度变化和T1加权图像上的低信号强度变化则提示骨不连。总的来说，MRI并非腰椎融合评估的常规检查。

骨单光子发射计算机断层显像(bone singlephoton emission computed tomography/computed tomography，Bone-SPECT/CT)通过提供腰椎融合区域成骨组织代谢活动的强度，协助诊断术后假关节形成，对术后腰椎融合状态的评价具有一定临床价值[36]。一般而言，术后腰椎椎间存在假关节时将出现局部浓聚现象，融合区域的生物活性和血液供应增加导致更多的放射性标志物在融合区域被吸收[37-38]。然而，在术后1年内骨扫描结果很难判断腰椎椎间是否存在假关节形成，因为假关节在短期内并不会出现吸收浓聚的现象，只有腰椎术后满1年融合区域出现摄取增加才提示可能存在假关节形成。因此，骨显像技术在评价术后融合方面具有一定局限性，临床上应用较少。

立体摄影测量分析法(roentgen stereophotogrammetric analysis，RSA)提供脊柱运动的三维成像，有助于判断脊柱融合情况[39]。该技术将金属置入物放置在目标区域，通过动态X线和计算机辅助运动跟踪金属置入物运动轨迹从而精确测量椎体平移和旋转活动。RSA可以检测出椎间的细微运动，当旋转和平移运动的测量误差要求分别低于1°和1 mm时，RSA是最佳选择，可有效判断椎间稳定性。RSA技术属于有创操作且应用程序要求严格，操作疏忽会导致严重误差，限制了其广泛应用。尽管这种方法的准确性很高，并且在脊柱融合评估中具有巨大潜力，但大多用于学术研究，而非临床工作。

目前对腰椎融合缺乏统一的定义，不同腰椎影像学评估方法直接影响对腰椎融合情况的判断结果。腰椎X线，无论是短期或长期随访结果，始终显示较低的融合率[40]。腰椎动力位片评价腰椎融合的指标临界值不统一，常导致评估的融合结果不一致。最近，一篇纳入了15项临床研究的Meta分析对比各种影像学方法诊断融合术后假关节的准确性[37]。他们发现在使用X线、CT、骨显像技术评价腰椎融合的过程中，CT诊断腰椎融合的效应值最高，认为CT是腰椎融合术后假关节最准确的无创性影像学检查方法。Kroeze等[41]对3种放射学脊柱融合评价标准(BS标准，Burkus分级，RS分级)的可靠性进行了检测， 研究要求4名医生使用上述评分系统对50名融合术后患者逐一打分。结果发现Burkus分级在 4 名观察者中的一致性最高(k=0.56，0.68 ~ 0.85)，BS标准和RS分级仅显示较好的一致性，k值分别为0.38和0.39。目前众多临床研究高估了术后融合率，更加详尽的主、客观相结合的评价标准可以降低各融合率之间的异质性，增加其可靠性[42]。有趣的是，骨科医生与放射科医生评价腰椎融合的结果存在显著差异，但尚无临床研究报道对这一差异做出解释[40]。理想的融合分级系统应易于解释和理解才能更好地应用于临床，而复杂分级系统不但限制其应用还会加剧评估之间的误差。因此，未来需引入更多客观测量指标将融合等级量化，方便进一步评估。尽管各种融合评价系统层出不穷，但目前仍没有一致的标准化分级系统，未来需要更多的临床研究对不同融合分级系统的准确性进行检验，总结出更为精确可靠的椎间融合评价方法。

综上所述，影像学评价方法是评估腰椎融合术后融合情况的主要方式。没有任何一种单一的影像学评价方式能够完全精确地判断椎间融合情况，均有其优势与弊端，因此正确选取合适的影像学评价方法对于脊柱外科医生至关重要。X线检查具有便宜快捷的优势，立位平片可以对腰椎融合情况进行初步的判断，但准确性较差，无法明确椎间融合的具体情况，而动力位平片在判断脊柱稳定性方面具有绝对优势，但存在测量误差和判断标准不一的缺点。CT仍是目前判断腰椎椎间融合情况的“金标准”，评价结果更加准确客观。CT和三维重建提供了更多椎间融合器周围骨的具体细节，多角度显示椎间的各个层面，大大提升了假关节的检出率。目前CT判断标准大多仍是主观的定性指标，缺乏定量指标判断的标准，未来需要更多定量指标协助预测假关节的诊断。骨扫描和MRI在评价椎间融合方面虽有应用，但效果有限，不推荐常规用于判断融合情况。RSA在判断融合情况方面具有巨大潜能，精确度高，但操作复杂，对测量要求严格，临床不建议使用。综上，我们推测采取动力位平片结合CT三维重建作为一种互补的影像学评价方法，将会显著提高术后椎间不融合的诊断率，后期需要更多临床研究进行验证。