《npj Biomedical Innovations》：Advances in mechanical assessments of in vivo human lumbar spine tissues with noninvasive imaging techniques
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本综述聚焦于非侵入性成像技术在评估腰椎间盘和椎旁肌力学功能方面的最新进展，旨在弥补当前临床仅依赖解剖成像诊断下背痛（LBP）的不足。综述系统阐述了X线摄影（Radiography）、超声成像（USI）、超声弹性成像（USE）、磁共振成像（MRI）及磁共振弹性成像（MRE）等技术如何超越静态形态学，捕捉脊柱运动学、负荷依赖性变形及组织材料特性。这些基于力学的成像方法通过与计算建模和机器学习等技术结合，有望为LBP的客观诊断、患者分层及靶向治疗提供新路径。
下背痛（Low Back Pain， LBP）是全球范围内致残的主要原因，但其临床诊断长期以来面临巨大挑战。大多数病例属于特发性机械性下背痛，这意味着常规的解剖成像（如X光、CT、MRI）虽能清晰显示骨骼结构和组织的静态形态，却难以捕捉驱动疼痛和功能障碍的机械功能异常。这催生了一个前沿的研究方向：利用无创成像技术对人体腰椎组织进行活体机械评估，以期为下背痛提供更客观、更具洞察力的诊断工具。
脊柱组织：一个精密的力学系统
脊柱作为人体运动和稳定的核心结构，其机械功能依赖于多种组织的协同作用。这包括提供主要支撑和神经保护的椎骨，以及实现稳定运动的被动和主动约束组织。椎间盘作为主要的被动约束，由中央的髓核（Nucleus Pulposus， NP）、周围的纤维环（Annulus Fibrosus， AF）和软骨终板构成。髓核像水凝胶一样产生渗透膨胀压，将轴向负荷向外传递；纤维环的同心胶原板层则抵抗多向载荷，提供高拉伸刚度。椎旁肌，特别是竖脊肌（Erector Spinae）、多裂肌（Multifidus）和腰大肌（Psoas），是关键的主动约束系统，负责控制姿势、提供节段稳定性和产生运动。然而，量化这些组织在活体内的力学响应极具挑战性，因为它们位置深、被骨骼包围、个体差异大，且其功能在生理负载下才能充分体现。
超越解剖：捕捉力学功能的成像技术
传统的解剖学成像能识别组织结构的改变，但无法直接测量其力学功能。力学功能的量化需要在受控加载下评估组织的响应（如刚度），这本质上关乎力/应力变化与位移/应变变化之间的关系。本综述重点介绍了五种能够评估脊柱组织力学的无创成像技术，每种都有其独特的优势和应用场景。
X线摄影：捕捉骨骼运动学的基石
X线摄影是最早用于评估脊柱形态和病理学的技术之一，尤其擅长评估骨骼异常。通过比较不同姿势（如屈曲和伸展）下的X光片，可以间接评估椎间盘功能，测量椎体间的平移和旋转。例如，屈曲通常会导致楔形角变化（可达<10°）和前向平移（1-3 mm）。这些运动学参数有助于区分健康人群和病理人群，并在评估脊柱侧弯（Scoliosis）和椎体滑脱（Spondylolisthesis）中发挥关键作用。其优点是快速、易得，但局限性在于辐射暴露风险、对软组织分辨率差，难以直接评估椎间盘和肌肉的材料属性。
超声成像：便携、动态的评估窗口
超声成像（Ultrasound Imaging， USI）利用高频声波成像，具有无辐射、便携、成本低和可动态成像的优点。在脊柱领域，USI最初用于引导注射，后来扩展到功能评估。通过测量棘突间的位移，USI可以评估脊柱节段的运动学。在肌肉力学方面，USI通过测量肌肉厚度在收缩时的变化（例如多裂肌），可作为肌肉激活的替代指标，并与肌电图（EMG）有良好相关性。然而，USI的信号衰减限制了其对深部结构（如下腰椎间盘、腰大肌）的清晰显示，且图像质量和解释高度依赖操作者，不同研究间协议差异大，影响了结果的重复性和可比性。
超声弹性成像：量化组织硬度的利器
超声弹性成像（Ultrasound Elastography， USE）是USI的功能延伸，通过测量组织在机械扰动下的变形或剪切波速度来量化组织硬度，从而提供功能信息。剪切波弹性成像（Shear Wave Elastography， SWE）是主要方法，剪切波传播速度越快，表明组织硬度越高。在椎间盘方面，SWE主要应用于青少年特发性脊柱侧弯的研究，能够检测到纤维环硬度的病理性增加。在肌肉方面，USE应用更为广泛，可以可靠地评估浅层（竖脊肌）和深层（多裂肌）腰椎肌肉的硬度，且硬度与肌肉力量产生相关。临床研究表明，慢性下背痛患者的椎旁肌在静息时硬度更高，而在活动时收缩比（激活能力）降低。USE还被用于评估干针疗法、射频神经切断术等治疗后的肌肉硬度变化。尽管如此，USE的测量值受方法学差异影响大，对深部肌肉（如腰大肌）的评估可靠性仍需提高。
磁共振成像：高软组织对比度的黄金标准
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging， MRI）凭借其卓越的软组织对比度，是评估脊柱解剖和退行性改变的金标准。为了评估力学功能，研究人员开发了负荷依赖性MRI范式。例如，在屈曲、伸展或轴向加载（如使用专用设备模拟体重）前后进行MRI扫描，通过图像配准可以精确计算椎间盘的应变场（即变形分布）。研究显示，健康椎间盘在屈曲时表现出特征性的应变模式，而退变椎间盘的应变模式会发生改变，且与疼痛相关。对于肌肉，MRI可通过测量运动前后肌肉横截面积或信号强度的变化来评估激活和疲劳情况。MRI的局限性在于成本高、扫描时间长，且传统的闭孔式扫描仪限制了在直立、负重等生理姿势下的成像。
磁共振弹性成像：探测深部组织机械特性的尖端技术
磁共振弹性成像（Magnetic Resonance Elastography， MRE）是MRI的一种特殊形式，通过向组织施加外部振动并利用特殊的相位对比序列来捕捉由此产生的剪切波，从而计算出组织的剪切模量（即硬度）。MRE的优势在于能够评估身体深部、被骨骼包围的组织的机械特性，如椎间盘的髓核和纤维环。初步研究表明，MRE可以区分健康和退变的椎间盘，并检测到与下背痛相关的硬度变化。在肌肉方面，MRE能够评估多裂肌等深部肌肉的硬度及其在收缩时的变化。尽管前景广阔，但MRE技术复杂、成本高昂，且需要专用的硬件和序列，目前主要用于科研探索。
挑战与未来展望
尽管这些成像技术在量化活体脊柱组织力学方面取得了实质性进展，但其临床转化仍面临诸多挑战。首先，个体间的高度变异性、症状性队列规模有限，以及难以区分与年龄相关的正常变化和病理性改变，都阻碍了其广泛应用。其次，许多研究仍处于可行性验证阶段，缺乏大规模的、针对特定病理人群的规范性力学数据集。此外，不同成像技术和研究协议之间的差异使得结果难以直接比较。
未来的机遇在于多学科的深度融合：通过开发规范性的力学数据库、建立动态和负荷依赖性的成像范式，并将成像衍生的力学生物标志物与计算建模（如有限元分析）和机器学习相结合。计算模型可以利用成像提供的几何和材料属性输入，预测组织水平的应力和应变；而机器学习则能从复杂的成像数据中提取隐藏的模式，辅助诊断和预后判断。最终，这些基于力学的创新成像方法有望实现对下背痛的客观诊断、改进患者分层，并推动基于疾病机制的靶向治疗，从而改善全球数百万下背痛患者的生活质量。
