背景:脊柱侧凸是一种三维畸形,导致胸廓畸形,以及严重的外观问题,严重时将会导致心肺功能不全。胸椎畸形生长会影响到肋骨、胸骨和肺的生长发育,导致肋椎关节和肋骨的扭曲,这些使肋骨-椎体-胸骨复合体发生了扭转,产生“凸侧”和“凹侧”的半胸。胸廓容量发生了变化,肺功能发生损害,对患儿胸廓和肺发育造成极大的影响,常常伴有胸廓功能不全综合征(Thoracic insufficiency syndrome,TIS),最终将会导致呼吸衰竭和早期死亡率增加。并且临床中发现,脊柱侧凸发病越早以及越严重,对肺功能和肺发育的影响越大。我们的研究基于青少年特发性脊柱侧凸(Adolescent idiopathic scoliosis,AIS)的规律性和普遍性,来研究脊柱侧凸严重程度与肺功能的关系。并研究脊柱侧凸手术矫形后,胸廓的变化和肺功能的变化,探讨脊柱与胸廓畸形的复杂关系及与肺功能的变化,有助于提高脊柱侧凸治疗的临床干预水平。人类和兔子肺泡化的开始时间相似,所以兔是了解人类出生后肺发育的有用模型。使用基于设计的体视学方法来研究兔脊柱侧凸肺发育情况,为评估脊柱畸形对肺发育的影响和潜在的治疗方法奠定了基础。目的:1.本研究旨在评估AIS放射学参数与肺功能测试(Pulmonary function test,PFT)参数之间的关系,根据不同脊柱侧凸的放射学参数的特征来推断肺功能的损伤的情况。找出肺功能损伤最相关的放射学参数的预测指标。2.对经过后路脊柱融合术(Posterior spinal fusion,PSF)治疗脊柱侧凸患者进行2年的随访,来研究手术后脊柱侧凸的矫正和胸廓自发矫正的关系,以及肺功能的变化。3.通过对4周龄雌性新西兰白兔进行单侧肋骨栓系术,模拟脊柱胸廓畸形,建立一种具有显著早发性脊柱侧凸(Early onset scoliosis,EOS)的兔模型,在生长成熟期,评估活体和体外肺容积的变化,使用基于设计的体视学方法来评估24周龄时的肺结构的定量评估。方法:1.72例伴有右主胸弯的AIS患者接受了PFT和脊柱及胸廓畸形的放射学评估。其中放射学参数选择主胸弯Cobb角(MT-Cobb)、主胸弯柔韧指数(MT-FI)、主胸弯顶椎到肋骨距离的比率(MT-ABV-R)、主胸弯顶椎偏距(MT-AVT)、主胸弯肋骨隆起(MT-RH)、胸椎后凸(TK)和主胸弯胸廓深度(MT-TD)。PFT参数选择用力肺活量(FVC)%预测值和1秒用力呼气量(FEV1)%预测值。使用简单和多元线性回归方法说明放射学参数和PFT参数之间的相关性。根据2005年美国胸科学会(ATS)/欧洲呼吸学会(ERS)的PFTs解释策略,我们将整个队列进行分组,平均数比较采用双样本t检验或单因素方差分析和Tukey多重比较法。2.对44例有右主胸弯的AIS患者行PSF,分别于术前、术后即刻及2年随访时对其脊柱和胸廓影像学参数及术前和术后2年随访时PFT参数进行评价。其中放射学参数包括:MT-Cobb、TK、胸椎1-12高度(T1-T12高度)、肋椎角度差(RVAD)、MT-AVB-R、MT-RH、MT-TD、左右胸高高度、肺可用空间(SAL)、胸廓前后径和胸廓矢状径。PFT参数选择FVC%预测值和FEV1%预测值。采用配对t检验和秩和检验,评价术前、术后及2年随访的差异,p<0.05有显著性。使用皮尔逊相关系数来评估矫正率之间的相关性。3.将4周龄的新西兰白兔随机分为2组,早发性脊柱侧凸组(EOS组)(8只),对照组(7只)。在4周龄时,在麻醉下通过右侧肋骨栓系术制作脊柱侧凸的模型。在4、10、16和24周龄时,进行CT的检查和体重的测量。在24周龄麻醉后采静脉血检测血常规。对24周龄的新西兰白兔麻醉下进行CT扫描和三维重建,通过MINICS软件对胸廓和肺进行重建,并测量活体肺容积。深度麻醉后,所有的肺在20cm H_2O的固定充气压力下,通过下腔静脉在30cm H_2O的流体静压下进行血管灌注原位保存。通过卡瓦列里(Cavalieri)原理的进行肺和肺叶体积的估计。使用系统均匀随机抽样(SURS)方法进行标本取样,石蜡包埋后,进行甲苯胺蓝染色和地衣红染色。显微镜镜检,图像采集分析,肺结构形态的测量和计算,对肺实质,肺非实质,以及肺泡,肺泡管,肺泡隔的体积,对肺泡隔的厚度和表面积,以及肺泡数量和平均肺泡体积进行比较。对于血管腔、血管和血管周围体积变化、血管直径、血管壁厚度、血管周围组织厚度以及血管内皮的表面积变化,也进行了比较,以评估EOS组肺结构形态的变化。结果:1.FVC%预测值与MT-Cobb有显著性的负性相关(R~2=0.648,p<0.001);与MT-RH有显著性的负性相关(R~2=0.522,p<0.001);与MT-ABV-R有显著性的负性相关(R~2=0.536,p<0.001);与MT-AVT有显著性的负性相关(R~2=0.383,p<0.001)。以FVC%预测值为因变量,以MT-Cobb、MT-RH、MT-AVB-R和MT-AVT为自变量进行多元回归分析。MT-Cobb、MT-RH、MT-AVB-R和MT-AVT对FVC%预测值有显著影响(p<0.001)。术前有FVC损伤组的45例患者中MT-Cobb平均值为76.71°。术前FVC正常组27例患者中的MT-Cobb平均值为52.03°(p<0.001)。在其它放射学参数中,FVC损伤组的MT-AVT为52.29mm,而FVC正常组为38.06mm(p<0.001)。FVC损伤组MT-AVB-R平均值为2.91,FVC正常组MT-AVB-R平均值为1.78(p<0.001)。FVC损伤组MT-RH平均值28.79mm,FVC正常组平均值16.22mm(p<0.001)。根据FEV1的测量值,对FEV1异常的严重程度进行分类,将FEV1分为正常组、轻中度肺损伤组和严重肺损伤组,三组间的MT-CobEpimedium koreanumb、MT-RH、MT-AVB-R和MT-AVT也各有显著性差异(p<0.001)。2.对于脊柱的矫正,在术前、术后即刻和2年随访时MT-Cobb平均值分别为58.70±1.86°,21.76±1.74°(矫正率64%)和20.56±1.62°(矫正率66%)。术前TK平均32.72±2.66°和术后即刻20.55±1.60°(矫正率13%)和2年随访19.77±1.36°(矫正率19%)。T1-T12高度术前平均234.16±3.85mm,术后即刻257.07±4.33mm(校正率10%)和2年随访260.86±4.17mm(校正率12%)。对于胸廓的矫正,RVAD由术前的33.70±2.76°下降到术后即刻14.61±1.95°(矫正率59%),到2年随访时下降到为18.43%±2.17°(矫正率52%)。MT-RH术前平均为22.04±1.34mm,减低至术后即刻的9.66±1.02mm(矫正率为58%),到2年随访时降低到6.09±1.14mm(矫正率76%)。MT-AVB-R从术前的2.09±0.11降低到术后即刻的1.61±0.09(矫正率23%)和2年随访时为1.52±0.55(校正率为25%)。以上结果显示了术后即刻及2年的随访的影像学参数与术前比较有显著性差异(p<0.001)。并且在这些放射学参数有显著的相关性,MT-Cobb与T1-T12高度(R~2=0.524,p<0.001),MT-Cobb与RVAD(R~2=0.320,p<0.001),MT-Cobb与MT-RH(R~2=0.497,p<0.001),MT-Cobb与MT-AVB-R(R~2=0.356,p<0.001)。将肺损伤组20例(FVC%预测值<80%)进行术后2年肺功能随访和术前肺功能相比,发现术后2年随访肺功能明显好转。FVC%预测值术前平均值为61.32±17.42,术后2年随访平均值为77.87±9.93(矫正率为40%),p<0.001。FEV1%预测值术前平均值为65.22±20.53,术后2年随访平均值为78.68±10.32(矫正率为34%),p<0.05。3.在新西兰白兔造模后,平均Cobb角随着生长也逐渐增加。半胸对称比、躯干旋转角度和脊柱旋转角度的大小与Cobb的成正相关。体重归一化的EOS组总肺体积(TLV)与Cobb的变化存在负性相关。EOS组总肺体积和右肺体积(RLV)明显减小。EOS组右上肺叶(RUL)体积、右中肺叶(RML)体积,右下肺叶(RLL)体积明显减小。对肺体视学定量分析中,EOS组各肺叶中肺实质和非实质的体积明显降低;对于EOS组肺泡体积,各肺叶显著下降;对于EOS组肺泡管体积,左下肺叶(LLL)、RUL、RML、RLL显著减少;对于EOS组肺泡隔体积,RUL、RML,RLL中显著减小。对于EOS组肺泡隔面积,各肺叶明显变小;对于EOS组平均肺泡隔厚度,各肺叶明显增厚;对于selleck NMREOS组肺泡数量,LLL,RUL,RML,RLL中明显减小;对于EOS组平均肺泡体积,LLL和RML有显著增加,而左上肺叶(LUL)是显著的减小;EOS组各肺叶中平均线性截距长度(Lm)没有显著差异;在EOS组肺非实质中血管腔体积只有RML和RLL显著减小。对于EOS组血管和血管周围组织的体积,右肺各叶中明显减小。对于EOS组平均血管直径,RML和RLL明显减小,而LUL、LLL是增加的;对于EOS组血管内皮表面积,LLL、RML和RLL均显著减小;对于EOS组平均血管厚度和平均血管周围组织厚度,LUL和LLL明显变厚,而RLL、RUL和IDN-6556体内实验剂量RML明显变薄。结论:1.AIS的进展可导致胸廓畸形程度增加,从而增加了患者肺功能损伤的风险。此外,可以根据脊柱侧凸的放射学参数,很好的预测肺功能的变化。2.PSF对脊柱侧凸矫正同时,对胸廓畸形也得到了一定程度的矫正。在Cobb角矫正率越高,MT-RH、T1-T12高度、MT-AVB-R和RVAD的矫正率也越高,且二者呈正相关。对于肺功能的变化,脊柱畸形的矫正可以改善肺功能,但是部分患者无法恢复到正常肺功能状态(FVC%预测值≤80%)。3.EOS兔模型成年后的肺部特征是肺的体积明显减小,肺泡化过程减弱,肺泡间隔增厚,血管进一步重构,并且脊柱侧凸对整个胸廓和肺的发育都产生了影响,但是对凹侧(右侧)肺的影响明显比凸侧(左侧)肺的影响大。