第一部分先天性脊柱侧凸的临床系列研究第一章半椎体畸形致先天性脊柱侧凸的形态学研究——前方椎体、后方结构及椎管内异常研究背景:先天性脊柱侧凸（Congenitalscoliosis,CS）患者的椎体畸形复杂多变,从较为简单的半椎体（Hemivertebra,HV）到复杂的广泛混合型畸形不等。HV是CS中常见的椎体畸形,其所致CS的严重程度与进展速率变化较大,手术指征与时机尚存在争议。目前尚无研究探讨孤立（单发完全分节）HV形态学参数与侧凸严重程度的关系。现有HV相关研究均侧重于对前方椎体的描述,对后方结构异常的分析较为欠缺。既往研究报道单发HV患者中合并椎管内异常（Intraspinal anomalies,ISA）的情况并不罕见,但尚无研究分析合并ISA对单发HV致CS形态学的影响。研究目的:对孤立HV致CS患者的影像资料进行定量测量,探索HV形态学与CS畸形严重程度的联系,评估畸形进展的相关因素。通过CT三维重建影像对HV后方结构的形态学异常进行研究,尝试提出更为细化的前后方对应关系分型,并浅析后方结构与畸形进展的关系。在单发HV患者中,通过MRI对椎管内情况进行系统研究,分析单发HV合并ISA患者的临床特征。研究方法:回顾性纳入第一诊断为CS、主弯致畸因素为HV、在我中心接受手术治疗且临床与影像资料完整的患者。针对孤立HV制定三项影像学参数进行分组对照研究。在冠状面,根据HV横径是否跨越“中线”,即远端邻近椎体中垂线,将HV分为两组。对HV及其两侧邻近正常椎体（从HV-1至HV+1）的凸侧缘高度进行测量,并定义凸侧缘高度比值（Lateral height ratio,LHR）为HV凸侧缘高度乘以2再除以近端与远端邻近椎体凸侧缘高度之和,分组切点为0.9。根据HV在矢状面上的相对位置将其分为侧方与侧后方两组。通过CT对HV后方结构形态异常与分节不良的种类与数量做详细观察与记录,并对前方椎体与后方椎板的对应关系进行分析与归纳,构建细化分型。通过MRI对单发HV致CS患者的椎管内情况进行观察,记录椎管内异常的种类、数量及位置,对有ISA（ISA+组）与无ISA（ISA-组）患者的临床与影像学参数进行对比。必要时采用协方差分析校正患者年龄对统计学分析结果的影响。研究结果:共纳入215例HV致CS患者,从中选取符合相应纳入标准的病例进行各部分研究。经影像学二次筛选,共有132例孤立HV患者,平均年龄10.0±6.4岁,男性70例,女性62例。对年龄进行校正后,跨越中线组HV（n=64）较未跨越中线的HV（n=68）具有更大的侧凸Cobb角、后凸Cobb角以及顶椎偏距,差异均达到统计学显著水平（具体数值分别为59.1±20.7°对44.7±16.6°,p<0.001;46.4±32.6°对 31.2±27.0°,p=0.023;40.1±17.3mm 对 32.5±14.2 mm,p=0.033）。LHR≥0.9 组（n=83）的侧凸 Cobb 角显著大于 LHR<0.9 组（n=49）（56.8±20.6°对43.0±15.4°,p<0.001）。对年龄进行校正后,侧后方HV（n=73）的后凸Cobb角与顶椎偏距均显著大于侧方HV（n=59）（具体数值分别为52.9±31.8°对20.8±16.9°,p<0.001;40.0±16.7 mm 对 31.4 ± 14.3 mm,p=0.039）。共有 1 16 例患者具有符合研究要求的高质量CT三维重建影像资料,平均年龄10.9±7.0岁,男性61例,女性55例,单发HV患者85例,多发HV患者31例;对共计153个HV的后方结构进行研究。将HV前后方结构对应关系分为4型:1)0型（n=57）,完全一致型,前后方形态与分节方式均一致;2)1型（n=58）,轻度不一致型:前后方形态或分节方式不一致,无后方结构错配;3)2型（n=28）,中度不一致型,累及2个节段的后方结构错配;4)3型（n=10）,累及3个或以上节段的后方结构错配,后方结构可有广泛畸形。各型HV所致CS的脊柱畸形影像学参数未见统计学差异。共有129例单发HV致CS患者具有符合研究要求的完整全脊柱MRI影像资料,平均年龄12.2±6.4岁,男性61例,女性68例。经MRI检查确诊有37名患者（28.7%）合并ISA,其中最常见的三种畸形为脊髓纵裂21例（16.3%）、脊髓空洞19例（14.7%）及低位圆锥19例（14.7%）。ISA+组患者女性比例、主弯Cobb角及畸形椎体的数量均显著大于ISA-组（具体数值分别为67.6%对46.7%,p=0.032;63.0±26.8°对50.6±20.9°,p=0.006;6.3±3.3 对 3.2±2.8,p<0.001）。ISA+组合并肋骨畸形的比例与合并对侧未分节骨桥的比例均显著高于ISA-组（具体数值分别为67.6%对21.7%,p<0.001;45.9%对13.0%,p<0.001）。研究结论:在孤立HV致CS患者中,HV横径跨越远端邻近椎体中垂线、LHR≥0.9以及矢状位上HV处于侧后方这三项影像学指标与更加严重的畸形相关。根据HV后方结构与前方椎体的对应关系,可将HV分为4型:0型,完全一致型;1型,轻度不一致型;2型:中度不一致型;3型:重度不一致型;其中2型与3型存在后方结构错配现象。在单发HV致CS患者中,ISA发生率为28.7%,ISA更常见于女性患者。ISA+组患者的畸形椎体数量、合并肋骨畸形的比例及合并对侧未分节骨桥的比例均显著高于ISA-组;前者的畸形模式较后者更为复杂。第二章早发性先天性脊柱侧凸的手术干预研究——传统生长棒技术对正常椎体与分节不良节段生长的影响研究背景:应用生长棒技术（Growing rod,GR）治疗早发性先天性脊柱侧凸（Congenital scoliosis,CS）患者是安全有效的,可控制畸形进展并保留脊柱生长潜能。既往研究提示生长棒产生的撑开力可促进脊柱生长,但单个正常椎体在生长棒治疗下的生长情况尚不明确。对于伴有顶椎区域分节不良的混合型早发性CS患者,GR能否促进分节不良节段凹侧的生长,目前尚不清楚。研究目的:在接受双侧GR治疗的早发性CS患者中评估远端锚定点周围正常椎体的三维生长情况。在接受单侧GR治疗的混合型早发性CS患者中定量分析分节不良节段的生长情况研究方法:回顾性纳入确诊为CS、首诊年龄小于10岁、至少接受4次生长棒撑开术且具有完整影像学资料的患者。记录患者的基线资料、初次GR植入手术时间与末次随访时间。对患者初次植入术前与末次随访时的全脊柱正侧位X线进行定量测量。对于接受双侧GR的患者,测量远端锚定点（Distal instrumented vertebra,DIV）及其近端（DIV-）与远端（DIV+）各两个节段椎体的冠状面宽度、椎体高度及矢状面椎体前后径。对于接受单侧GR治疗的混合型早发性CS患者,通过手绘平滑曲线法测量分节不良节段凹侧与凸侧的长度,并测量胸廓参数。计算椎体生长的绝对值与百分比[（末次随访测量值-基线测量值）/基线测量值*100],并进行组间比较。研究结果:共纳入接受双侧GR治疗的患者21例,初次手术时的平均年龄为5.8±2.5岁,男性7例,女性14例。平均随访时间6.9±1.6年,每位患者平均接受7.7±2.5次撑开。所有患者远端锚定点均为全椎弓根螺钉技术。生长幅度方面,DIV-组（撑开节段,n=40）的椎体高度总百分比增长显著高于DIV（n=44）与DIV+（n=29）组（59.5±16.4%对 47.5±15.0%与 46.1±15.8%,p 值均为 0.003）。生长速率方面,DIV-组椎体高度年百分比增长同样显著高于DIV与DIV+组（8.9±2.7%对7.1±2.5%与6.9±2.2%,p=0.003与0.005）。随着生长发育,三组椎体均表现出“细长化”的形态学改变（椎体高度/宽度比值升高）。DIV-组椎体在DGR撑开力的作用下,“细长化”的幅度显著大于其他两组（p<0.001）。共纳入接受单侧GR治疗的患者14例,初次手术时的平均年龄为7.3±2.8岁,男性6例,女性8例,顶椎区域凹侧分节不良累及的范围为4-10个节段。平均随访时间4.9±1.2年,每位患者平均接受6.0±2.0次撑开。截至末次随访,分节不良节段凹侧椎体长度总增长率与年增长率均显著高于相应节段的凸侧（具体数值分别为40.0±13.5%对20.3±12.8%,p<0.001;8.5±3.1%对 4.3±2.5%,p<0.001）;主弯平均矫形率为 27.3 ±13.4%;T1-S1高度年增长量为16.5±6.3mm;坎贝尔空间供肺比值较基线有显著增长（从 74.9±11.1%增长至 89.6±7.0%,p<0.001）。研究结论:在早发性CS患者中,双侧GR技术可促进DIV近端2个节段的椎体纵向生长,并使椎体高度/宽度比值的上升幅度（“细长化”幅度）显著增加。单侧生长棒技术可促进混合型早发性CS患者分节不良节段凹侧的生长,且能够有效控制畸形进展,改善胸廓不对称。第二部分先天性脊柱侧凸计算机辅助形态学分析与聚类分型研究研究背景:在脊柱侧凸领域,青少年特发性脊柱侧凸与成人脊柱畸形的分型研究数量较多,更新速度较快。但在CS方面,分型的研究与应用相对滞后。目前临床上广泛采用的仍是50年前提出的Winter分型,该分型从胚胎发育的角度将椎体畸形分为形成不良、分节不良以及二者兼有的混合型。然而,该分型仅关注X线上局部椎体畸形的特征,未涉及侧凸的整体形态,也未包括CT及MRI结果,在临床诊疗中提供的信息不足。因此,有必要建立一个整合X线、CT及MRI信息的创新性CS临床分型系统,以指导临床诊疗。CS的形态学改变十分复杂,通过传统的人力阅片对CS患者的影像资料进行测量与分类,效率较为有限。利用计算机技术作为人力的延伸,分析CS患者的影像学资料,并通过聚类分析算法探索CS形态学规律,对建立新的疾病分型具有重要意义。研究目的:运用计算机技术对CS患者的影像学资料与测量数据进行分析,建立标准化CS影像组学数据库,研发影像参数聚类分析算法,探寻CS的形态学规律。综合聚类分析模型、文献调研与群体决策三方面研究结果,提出新的CS临床分型系统,并对其可靠性进行初步验证。研究方法:回顾性纳入第一诊断为CS的患者,根据影像资料进行筛选,要求影像学上可见明确的椎体和/或肋骨先天骨性结构异常,且该异常为导致侧凸的主要因素。收集患者的基线资料与影像学资料,建立标准化、结构化数据库。对分型相关研究进行系统回顾,提取各分型的逻辑框架与核心参数。经小组讨论与领域内专家咨询后确定分型架构及纳入分型的候选参数。对来源于X线的分型参数,在纳入患者的X线影像上进行定量测量,研发聚类分析算法对其进行分型。对来源于临床资料、CT与MRI的分型参数,结合既往文献报道、现有共识以及本研究中纳入患者的特征,分别提出分组或分级方案,用以构建临床分型系统。通过多观察者、多时间点对同一组患者进行分型的方法验证新分型系统的可靠性。研究结果:共纳入352例CS患者,平均年龄为13.2±6.1岁,其中男性149例,女性203例。对现有的13个应用较为广泛的脊柱侧凸分型系统进行研究,从中提取如下6方面分型核心要素:1)患者年龄与生长潜能;2)侧凸数量、形态与位置;3)脊柱的矢状位序列（后凸、平背、前凸等）;4)躯干冠状面与矢状面平衡;5)局部椎体畸形的种类与累及范围;6)椎管内异常与脊髓功能情况。针对第1方面要素,建立年龄与生长潜能综合分组模块,共分为5组:1)EO组,年龄<10岁;2)AA 组,10≤年龄<19,Risser=0,三角软骨开放;3)AB 组,10≤年龄<19,Risser=0或1,三角软骨部分或完全闭合;4)AC组,10≤年龄<19,Risser≥2;5)AD组,年龄≥19。针对第2至第4方面要素,建立基于X线影像学参数的计算机辅助聚类分型模块,将CS患者全脊柱形态学异常的模式分为3组:Ⅰ型,角状侧凸/侧后凸型（形成不良为主）;Ⅱ型,弧形侧凸型（分节不良为主）;Ⅲ型,重度侧后凸型（形成不良与分节不良均为主要致畸因素）。针对第5方面要素,建立基于CT三维重建的主弯区域脊柱两侧生长不对称性评分（简称评分）模块,共分为4组:1)S组,评分≤2;2)M组,2<评分≤6;3)L组,6<评分≤10;4)X组,评分>10。针对第6方面要素,建立基于MRI与体格检查的脊髓功能分级,共分为3组:1)N组,无ISA,无神经系统症状体征;2)+组,有ISA,无神经系统症状体征;3)++组:有神经系统阳性症状和/或体征,伴或不伴ISA。以上4个模块共同组成CS临床分型系统,该系统具有中等水平的观察者间一致性（Fleiss Kappa,0.526-0.709）与较好的观察者内一致性（Cohen Kappa,0.524-0.813）。研究结论:如下4个模块共同构成新的CS临床分型系统:1)前置模块,年龄与生长潜能综合分组;2)主要核心模块,基于X线的计算机辅助聚类分型;3)次要核心模块,基于CT的主弯区域脊柱两侧生长不对称性评分;4)附加模块,脊髓功能分级。该分型整合了 X线、CT、MRI与基线资料信息,覆盖了用于构建分型的核心要素,具有较好的可靠性,可用于临床实践,并为后续CS相关研究提供参考与标准。