超声系统在青少年特发性脊柱侧弯筛查中的应用与研究进展

Application and Research Progress of Ultrasound Systems in Screening for Adolescent Idiopathic Scoliosis

摘要: 青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent Idiopathic Scoliosis, AIS)是一种常见的青少年脊柱畸形，其特征是脊柱侧凸角度超过10˚，且椎体发生不明原因的旋转，形成二维或三维畸形。AIS患者在接受定制支具治疗或手术干预时，都需要定期进行放射学检查。而且，X线片的放射性可能导致人们担忧电离辐射增加癌症风险。超声作为一种普遍且必要的医学诊断和治疗工具，具有无辐射的优点。三维超声成像系统(Scolioscan)推动了无辐射脊柱成像技术的发展，为青少年脊柱侧凸的检查提供了一个优秀的替代方案。

Abstract: Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is a common adolescent spinal deformity characterized by a scoliotic angle of more than 10˚ and unexplained rotation of the vertebral bodies, resulting in a two- or three-dimensional deformity. Patients with AIS undergoing customized bracing or surgical interventions require periodic radiologic examination. Moreover, the radioactivity of radiographs may lead to concerns about increased cancer risk from ionizing radiation. Ultrasound, a common and necessary medical diagnostic and therapeutic tool, has the advantage of being radiation-free. The three-dimensional ultrasound imaging system (Scolioscan) has advanced the development of radiation-free spinal imaging and provides an excellent alternative to screening for adolescent scoliosis.

1. 青少年脊柱侧弯的研究背景

青少年特发性脊柱侧凸(AIS)是一种复杂的三维脊柱和躯干畸形，其特征是冠状面上的脊柱侧弯，伴有椎体的横向旋转和矢状面上的异常弯曲。尽管AIS的病因还尚未明确，但研究表明，基因、雌激素、钙调素、褪黑素、维生素D和低骨密度等因素可能与其发展有[1] [2]。此外，研究指出，在青春期快速生长的个体中，AIS的进展率最高，这与生物力学理论，如神经骨非同步生长的作用有关。文献回顾了AIS的多种可能致病机制，包括遗传学、生物力学生长调节、背侧剪切力、轴向旋转不稳定、脊柱神经骨生长不耦合、姿势异常、后脑功能障碍、运动控制问题、全身褪黑素信号通路缺陷以及全身血小板钙调蛋白功能障碍[1]。青少年特发性脊柱侧凸(AIS)是最常见的脊柱侧凸类型，影响香港3%~4%的儿童，中国的发病率约为5%，与全球其他地区相似。在10至16岁的儿童中，大约3% 会受到AIS的影响，其中约10%需要某种治疗，而0.1%最终需要手术[3]。AIS通常在10至14岁，即青少年生长迅速的时期被诊断，往往出现在健康青少年生长突增的初期[1]。年轻的AIS患者通常骨骼发育未成熟，存在脊柱曲度进展的风险，因此需要定期监测其进展。早期发现进展性弯曲可为患者提供接受有效非手术治疗的机会，减少手术需求[4]。脊柱的旋转变形可导致肋骨移位和变形，进而引发胸部畸形。常规诊断性成像用于确定病因，评估生长期间的曲线严重程度和进展，并制定相应的治疗计划[5]。AIS患者通常每4至6个月接受一次X线检查，直至骨骼成熟。AIS患者引起的胸部变形可能严重影响患者的肋骨和肩胛骨以及外在形象，其影响程度取决于疾病的严重程度，主要的风险因素包括大的弯曲幅度、骨骼未成熟以及女性性别[6]。轻度脊柱侧凸通常无症状，但可能引起肌肉骨骼源性的背痛。因此，早期发现被认为是治疗过程中的关键[7]。定量评估脊柱曲度的严重程度对于规划手术、监测预后和评估治疗效果至关重要[8]。若脊柱侧凸进一步发展并引发并发症，一种可能的治疗选择是进行脊柱的永久性手术融合。手术融合旨在阻止曲线进展，防止晚期畸形的后遗症，如肺功能受损和心理困扰。然而，这类“确定性”治疗后的再次手术干预并不少见，且伴随着一定的风险。手术融合后可能发生的并发症包括手术部位感染、植入物失败、症状性植入物、假关节形成和曲线进展等。Jamnik等人的研究通过回顾性审查，比较了2013年至2019年与1988年至2012年同一家机构的患者，发现再次手术的总体并发症率从9.6%下降到4.1%，这主要归因于感染率和症状性植入物率的下降。然而，植入物失败和假关节形成的非显著增加值得关注，这些并发症与患者体重较重有关[9]。应尽可能避免手术治疗，因为它会永久性地限制患者的活动范围。避免手术的最有效策略是在早期及时发现脊柱侧凸，以及定期监测已经确诊脊柱侧凸患者的病情进展[10]。

青少年特发性脊柱侧凸(AIS)对年轻患者可能带来严重后果，如疼痛、潜在的心肺损伤、心理社会负担和自我形象问题。脊柱侧弯的进展和结果的不确定性可能在患者及其家庭中引起焦虑，并增加与支具治疗相关的心理社会压力[11]。因此，为了确保最佳治疗效果，骨科医生应定期监测患者的病情进展。

2. 传统的检查方法

AIS患者的传统诊断和监测通常依赖于频繁的直立前后位(Anteroposterior, AP)和侧位X线片，这些图像提供了评估脊柱侧凸所需的关键信息，包括脊柱曲度和椎体的轴向旋转[12]。站立位X线片是门诊病人的首选，因为仰卧位可能改变脊柱的平衡和弯曲程度。站立位X线片应完整覆盖脊柱和骨盆，并清晰显示髂嵴[13]。附加成像技术，如磁共振成像(MR)和计算机断层扫描(CT)，可用于手术规划，深入分析3D脊柱形态或识别脊柱异常。放射摄影和CT扫描的主要缺点在于它们使用电离辐射。MRI的优势在于无电离辐射，但其主要限制是通常在仰卧位进行，成本较高，耗时较长，且标准成像难以清晰显示皮质骨。特殊的MRI设备能够在患者站立时提供准确和可接受的脊柱曲线评估，尽管成本较高且不易获得[14]。低剂量双平面X线摄影(EOS成像，法国巴黎)是一种直立位技术，尽管使用电离辐射，但并不普遍应用[15]。然而，二维评估仍然是大多数AIS研究的主要方法[16]。

基于X线片的Cobb角测量法是评估青少年特发性脊柱侧凸(AIS)严重程度的金标准，Cobb角用于量化脊柱侧凸的曲率大小，并评估进展风险、指导治疗方案的选择及评价治疗效果[17]。AIS患者通常需要每四到六个月接受一次定期 X光检查，直至骨骼发育成熟。站立位前后位X线片测量的Cobb角是脊柱侧凸评估的标准方法，Cobb角变化5度或以上可视为曲度进展的指标，尽管X线片测量可能存在观察者间的变异和同一观察者的重复性差异。对于Cobb角不超过20度的AIS患者，建议进行临床观察。骨骼未成熟且Cobb角在20至40度之间的患者应接受支具治疗。Cobb角超过40度的未成熟骨骼患者或Cobb角超过50度的成熟骨骼患者，应考虑手术治疗[6]。然而，患有脊柱侧弯的儿童通常需要接受多年的定期随访，直至成年。这种长期随访引起了对电离辐射可能增加癌症风险的担忧，尽管已采取措施减少辐射暴露，但临床医生和患者家长仍在关注这一问题[18]。尽管X光片是脊柱侧凸评估的标准方法，但它伴随着辐射风险。先前研究显示，重复接受放射学评估的辐射可能增加脊柱侧凸女孩患乳腺癌的风险[19]。此外，儿童时期的放射学诊断可能显著增加患白血病和前列腺癌的风险，治疗和管理脊柱侧凸的决策通常需在辐射暴露剂量和疾病监测频率之间权衡。因此，即便脊柱侧凸进展迅速，也建议至少每六个月进行一次定期检查。由于辐射风险，患者不能接受频繁的放射学评估，这限制了对疾病进展和治疗效果的密切监测[20]。使用X射线跟踪脊柱侧凸进展主要存在两个不足之处，第一是X射线成像可能带来有害的辐射暴露，由于脊柱侧凸的进展速度可能很快，且变形可能显著，因此需要定期扫描以早期发现这些变化。第二，X射线图像仅能提供二维信息，脊柱侧凸的三维畸形需用三维参数描述，例如轴向旋转和冠状面旋转，这些参数很难从一张或两张二维图像中推导出来[12]。

3. 超声在青少年脊柱侧弯筛查中的应用

Girdler等人的研究是该领域的重要研究之一，他们回顾了有关儿童和青少年特发性脊柱侧凸新兴成像技术的文献。他们强调了超声作为一种非电离成像方式的潜力，它成本低、易于获得，并能提供实时成像结果。Girdler 等人强调，脊柱超声成像的原理是棘突和椎板是评估脊柱畸形的准确标志，椎体旋转可通过椎板相对于超声换能器倾斜度的旋转来确定[21]。超声成像的工作原理基于超声波通过骨皮质表面反射，从而获取清晰的图像与地形数据。超声系统的安装不受空间限制，同时具有较低的操作成本。一种名为Scolioscan (型号SCN801，由香港Telefield Medical Imaging Ltd.生产)的系统，专为评估脊柱弯曲设计，现已商业化。该三维超声成像系统包括带有特定线性探头的超声扫描仪、定制框架、电磁空间传感器和专业软件[20]。

Scolioscan三维超声成像系统开创了无辐射脊柱成像的先河。通过叠加每帧超声图像的空间与方向信息，可以实现三维脊柱体积的重建。为与标准的前后位站立X线片相比较，3D容积数据被投影至冠状面。这种技术称为体积投影成像，多年来持续稳定地得到改进。在我们先前的研究中，Scolioscan与X 射线相比，在测量冠状面脊柱曲度方面已证实其有效性和可靠性[22]。

超声成像系统主要由一个中心频率7.5 MHz、宽度7.5 cm的线性超声探头构成，探头上集成了电磁空间传感器，用以实时追踪探头的位置和方向。患者应以自然站立姿势进行超声扫描，双臂自然下垂于身体两侧。在保持患者自然站立姿势的同时，调整肩部和髋部的支撑装置以提供稳定支撑。扫描时，操作者需手动将探头从L5下方区域向上平移至T1椎体上方。扫描期间，允许受试者保持正常呼吸。我们的观察显示，呼吸不会影响脊柱在冠状面上的弯曲度。患者进行一次扫描的平均时间大约在30至40秒之间。3D超声成像系统的详细规格及人体受试者的测试方案已在先前研究中被报道。近期研究已识别出多种超声标志，并探讨了它们在评估冠状面脊柱曲度方面的潜在应用。扫描后，收集的图像需记录其方位和位置，以便进行三维超声体积重建。重建后的体积数据将导入定制软件进行后处理，以生成矢状面超声图像并测量其曲率[23]。

棘突角(Spinous Process Angle, SPA)是在超声图像中棘突阴影最倾斜部分所形成的角度。研究表明，在冠状面超声图像上评估AIS患者的脊柱病变时，SPA与X线片Cobb角的测量结果具有可靠性和有效性[23]。实验同样证实了AIS患者的超声成像结果与MRI成像结果在可靠性和有效性方面具有高度一致性，超声和MRI结果之间没有显著差异[24]。超声测量的有效性已与金标准放射学方法进行了比较。例如，Wang等人的一项研究表明，三维超声中的COL方法与MRI中的Aaro-Dahlborn方法相比没有显著差异，这表明超声可以准确测量AIS患者的椎体旋转情况。同样，Lee等人(2021年)发现，通过三维超声成像系统获得的超声曲线角(UCA)可为AIS患者提供可靠有效的冠状弯曲度评估，且无需辐射[25] [26]。

三维超声是一种可靠的非电离技术，能够为AIS患者提供直立、自然体位下的真实的矢状面和冠状面图像。尽管当前研究仅涉及AIS患者，但这项新技术有望应用于评估其他类型的脊柱侧凸，如先天性、早发性和成人脊柱侧凸。有证据显示，超声作为一种有前景的无创诊断方法，其在脊柱侧凸评估中的持续发展将有助于其在临床治疗中的实际应用[27]。

尽管全脊柱X线是特发性脊柱侧凸诊断的金标准，三维超声影像技术为哺乳期等特殊人群提供了一种获取全脊柱图像并测量SPA角的方法，从而实现疾病的管理和监控。三维超声影像技术为哺乳期和孕期妇女等特殊体质患者提供了一种可靠的技术，用于监测特发性脊柱侧凸的病情进展[28]。近年来，随着非侵入性和无害的设备越来越多地被用于评估治疗效果，患者可以随时进行相关检查[7]。最近，三维超声已被应用于3D骨骼建模。多项研究显示，超声图像重建的脊柱后部结构与CT扫描图像高度相似，且几乎不受后部脂肪垫的影响[5]。

Weiwei Jiang等提出了一种超声到X射线合成的生成注意力网络(UXGAN)，用于将超声图像合成为类似X射线的图像。这项技术结合了两种成像方式的优势，即超声的无辐射性和X射线的详细骨性结构信息。通过定量比较结果，UXGAN在合成图像质量上优于现有的CycleGAN方法，并且在测量Cobb角度值方面显示出与真实X射线图像良好的线性相关性(r = 0.95) [29]。Reuver等人对该领域的另一项重大贡献是开展了一项交叉验证研究，利用对AIS患者脊柱的超声波测量建立并验证了一个计算预期Cobb角的方程。他们的研究表明，通过超声测量得出的Cobb角方程是有效和准确的，支持在AIS诊所实施超声成像作为无辐射替代方法[15]。

1) 三维超声系统在临床应用的优点

近年来，三维超声技术和脊柱侧凸扫描仪已被应用于无创且实时的脊柱检查[7]。超声成像是一种经济、无辐射且便携的检查方式，适用于缺乏传统医学成像设备的地区进行脊柱监测。相较于MRI或X射线成像，超声系统更易于患者获取且成本更低。鉴于这些挑战，研究人员已经开发出其他无辐射的方法来获取脊柱直立位置的三维图像，例如超声成像[15]。超声技术已被证实能准确测量冠状面的Cobb角，尽管目前仍处于初步发展阶段[5]。超声已被应用于肌腱、肌肉、关节、血管和内脏的可视化，并展现出可接受的三维重建效果[30]。换能器向检测组织发射超声波脉冲，并接收由不同组织密度产生的反射信号。接着，这些回声数据被处理并显示出来，用于诊断。实时超声技术在三维图像重建中的应用是一个新兴且具有潜力的领域[31]。超声技术在青少年脊柱侧弯的诊断和治疗中的应用日益广泛，其无创、无辐射的特点为患者提供了更加安全和舒适的诊疗体验。随着技术的不断进步和研究的深入，未来超声在脊柱侧弯的评估和治疗中将发挥更大的作用[3] [10] [29] [32]-[34]。此外，有研究进一步验证了三维超声成像在监测AIS患者脊柱弯曲进展方面的应用。他们的研究表明，三维超声成像在检测脊柱侧弯进展方面的灵敏度和特异度分别为0.93和0.90，表明其诊断准确性很高，可与传统的放射摄影相媲美[35]。

2) 超声成像的局限性

尽管超声成像技术与标准X线测量相比显示出较高的相关性和准确性，它仍存在局限。例如，尽管众多研究证实了脊柱超声筛查的有效性和准确性，与金标准对比时，测量结果仍有差异。具体而言，超声检查得到的Cobb角普遍较小。此外，超声筛查的准确性可能与操作者的经验、水平存在一定关联，有经验的操作者检查的测量值与金标准测量值相关性更大。这是因为超声检查作为一项影像诊断技术，其结果解读和判断高度依赖于操作者的专业技能和临床经验。而且，对于Cobb角度大、BMI > 25.0 kg/m²以及伴有椎体旋转的患者，超声检查的结果仍有局限性。

4. 小结

超声成像在评估和监测AIS方面显示出巨大的潜力。它提供了一种无辐射的方法来替代传统的放射学方法，从而可以更安全、更频繁地监测青少年的脊柱畸形。随着技术和工艺的不断进步，超声在AIS的治疗中可能会发挥越来越重要的作用[23] [25] [36]-[39]。将超声技术整合到AIS的评估和管理中已取得了重大进展。近年来的研究共同促进了人们对如何在AIS的诊断、监测和治疗计划中有效利用超声的理解[40]。近年研究强调了超声成像作为一种安全、有效、可扩展的脊柱侧弯评估和监测工具的潜力。随着技术的进步和自动化方法的不断完善，超声有可能彻底改变脊柱侧凸的诊断和管理方式，尤其是在减少对电离辐射的依赖以及促进更频繁和更早期的干预方面[41]。

5. 展望

综上所述，许多学者已经提出了多种超声诊断流程和技术，用于青少年脊柱侧弯的筛查，为青少年脊柱侧弯的检测和治疗提供了新的思路和方法。未来，研究人员可以进一步完善超声筛查技术，提升其在青少年脊柱侧弯检测中的精确度和准确性。根据超声检查结果，可以制定个性化的治疗方案。可以对不同程度和类型的脊柱侧弯采取更有效的干预措施。随着技术发展和临床研究的深入，超声筛查预期将在未来获得更广泛的临床应用，有望成为脊柱侧弯检测的重要工具之一。

NOTES

^*通讯作者。