Explorando las características micromorfológicas de las vértebras cervicales inferiores adultas basadas en micro

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12400 (2023) Citar este artículo

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Usaremos tomografía microcomputarizada para escanear 31 conjuntos de vértebras cervicales inferiores de adultos (155 vértebras) para observar las características morfológicas y la dirección de las trabéculas en las vértebras cervicales inferiores delineando y reconstruyendo las regiones de interés y para calcular las leyes de variación de la microestructura en las regiones de interés para revelar sus características estructurales y áreas débiles. Como resultado, las imágenes mostraron que las trabéculas en el pedículo cervical inferior cerca de las cortezas medial y lateral eran relativamente densas y sus placas óseas eran laminares. Había cavidades entre las apófisis articulares superior e inferior donde los centros de osificación no habían sido absorbidos después de la osificación. Las trabéculas laminares en las placas vertebrales cerca de los huesos corticales tenían solo 1 o 2 capas, extendidas y transformadas en trabéculas en forma de varilla en forma radial hacia el espacio medular. Las trabéculas laminares de la placa vertebral se extienden sobre la apófisis espinosa cerca del hueso cortical. Los resultados estadísticos de los parámetros morfológicos de las trabéculas mostraron diferencias significativas en los valores de la fracción de volumen óseo entre las cuatro partes (P <0,05). Hubo diferencias sustanciales en BS/BV, excepto que no hubo diferencias entre el pedículo y la placa vertebral (P <0,05). Hubo una diferencia significativa en los valores del factor de patrón trabecular entre la apófisis articular, la apófisis espinosa y la placa vertebral (P <0,05) y una diferencia significativa entre el pedículo, la apófisis espinosa y la placa vertebral (P <0,05). No hubo diferencias significativas en el espesor del hueso trabecular y los valores del espacio trabecular entre las cuatro partes (P <0,05). La perspectiva anatómica microestructural confirma que la elección óptima es la fijación interna mediante el pedículo. Si se utilizan tornillos pediculares, el tramo ungueal debe colocarse en la apófisis espinosa para aumentar su poder de sujeción y resistencia a la extracción.

Como estructura esencial para soportar el peso de la cabeza, la vértebra cervical inferior es el principal segmento de la columna que hace que el cuello sobresalga hacia adelante y forme una curvatura fisiológica. La curvatura cervical favorece la elevación de la cabeza y aumenta la elasticidad de la columna. Es de gran importancia para mantener la estabilidad del centro de gravedad del cuerpo y reducir las conmociones cerebrales. Debido a los cambios en el trabajo y el estilo de vida de las personas, la incidencia de trastornos de la columna cervical está aumentando y gradualmente se hace más joven1,2,3. Cuando la lesión comprime la médula cervical o los nervios periféricos, el tratamiento clínico suele realizarse mediante fijación interna mediante tornillos para restablecer la estabilidad, incluida la fijación interna mediante el pedículo, la apófisis articular o la placa vertebral4,5,6. Actualmente, la mayoría de estudios sobre fijación interna cervical inferior se han centrado en su estabilidad desde el punto de vista biomecánico pero menos desde el punto de vista anatómico de las propias vértebras7,8,9.

La tomografía computarizada convencional puede detectar lesiones tempranas en la columna cervical inferior, pero no puede observar la microestructura debido a su baja resolución. La tomografía microcomputarizada (Micro-CT) es un método de obtención de imágenes de alta resolución no destructivo desarrollado recientemente, con una resolución de hasta el nivel de micras. La micro-CT se ha utilizado ampliamente en osteología. Además, académicos nacionales y extranjeros lo han aplicado para analizar la microestructura ósea con osteoporosis y otras enfermedades10,11,12,13. Sin embargo, pocos estudios han utilizado Micro-CT para observar la microarquitectura ósea y guiar la selección del procedimiento clínico.

En este estudio pretendemos adoptar la perspectiva de la microestructura anatómica de las vértebras. Después de seleccionar la región de interés (ROI) de la columna cervical inferior, utilizamos Micro-CT para investigar sus características estructurales trabeculares y patrones de alineación. Luego, observando sus características morfológicas para evaluar su estructura tridimensional general y analizando sus parámetros trabeculares para describir con precisión las características óseas de cada parte de la columna cervical inferior. Proporcionará una base anatómica para seleccionar procedimientos clínicos de fijación interna y una base teórica para futuras investigaciones sobre las características biomecánicas de la columna cervical inferior y las estrategias de tratamiento clínico y quirúrgico.

Se seleccionaron como ROI el pedículo cervical inferior, la apófisis articular, la placa vertebral y la apófisis espinosa. Luego, utilice Micro-CT para observar la alineación trabecular y los patrones de distribución y medir los parámetros estructurales óseos.

El experimento se completó en el Centro de Medicina Digital de la Universidad Médica de Mongolia Interior de marzo a junio de 2022.

El Laboratorio de Anatomía Humana de la Universidad Médica de Mongolia Interior proporcionó las muestras de huesos secos de adultos chinos utilizadas en este estudio. Todos cumplieron con los requisitos de estudio experimental del estándar de identificación de antropología ósea. Excluyendo las muestras de hueso con destrucción y defectos óseos, se seleccionaron treinta y un conjuntos de muestras esqueléticas cervicales inferiores estándar, incluidos 31 de cada uno de C3, C4, C5, C6 y C7, para un total de 155 vértebras (310 pedículos, apófisis articulares, y placas, y 155 apófisis espinosas). Exploraciones con micro-CT para observar la microestructura y los parámetros morfométricos de las trabéculas dentro de los arcos vertebrales, apófisis articulares, láminas y apófisis espinosas. El estudio fue aprobado por el Comité de Ética Médica de la Universidad Médica de Mongolia Interior. La declaración confirma que todos los métodos se realizaron según las directrices y regulaciones pertinentes.

Escaneo Micro-CT: extracción del modelo LBF basado en Micro-CT y análisis de características de las trabéculas cervicales inferiores Hiscan XM Micro CT (Suzhou Hesfid Information Technology Co., Ltd., Hiscan XM Micro CT) y su propio software de análisis y medición (Hiscan Analyzer software) fueron analizados. Los parámetros de escaneo fueron: espesor de capa 0,05 mm, espacio entre capas 0,05 mm, tiempo de exposición única 50 ms, voltaje de la bombilla 60 kV, corriente 134 µA, imágenes de matriz de 2000 × 1600, campo de visión de imágenes de escaneo 10 cm × 8 cm, tamaño de píxel 0,05 × 0,05, y las imágenes Dicom fueron adquiridas y almacenadas por la estación de trabajo Lenovo P320 completada y almacenada, proporcionada por Suzhou Hesfed Information Technology Co.

Después de importar los datos a la interfaz principal de Inveon Research Workplace, las regiones de interés se dibujaron manualmente en las imágenes 2D horizontales, incluidos pedículo, apófisis articulares, lámina y apófisis espinosas. Además, todas las regiones de interés se dibujaron con diferentes contornos (rectángulos, círculos, elipses, polígonos irregulares) según la morfología de las estructuras presentadas en las imágenes procesadas. Observamos las características morfológicas de las trabéculas en los planos coronal, transversal y sagital presentados por el software y en las imágenes reconstruidas en 3D, centrándonos en la descripción y análisis de la morfología microscópica del ROI. Al utilizar el programa autónomo para calcular los parámetros de las trabéculas en las ROI, los parámetros de la región de interés calculada se pueden ver en la Tabla 1.

Los datos obtenidos se ingresaron en EXCEL (Microsoft Corp., Redmond, WA, EE. UU.) y se analizaron mediante el software estadístico IBMSPSS21.0 (IBM Corp., Armonk, NY, EE. UU.). Los datos de medición se expresaron como promedio ± desviación estándar (x ± s), se utilizaron pruebas t pareadas para comparaciones entre los lados derecho e izquierdo del arco vertebral, la eminencia articular y la placa vertebral, y se utilizó ANOVA unidireccional para comparaciones entre los grupos C3-C7 para el arco vertebral, la eminencia articular, la placa vertebral y la apófisis espinosa. El nivel de la prueba se estableció como a = 0,05 y la diferencia significativa se consideró en P <0,05.

Las imágenes mostraron que las trabéculas cerca de la corteza medial y lateral del pedículo eran laminares y la estructura era relativamente densa. Las trabéculas en el hueso cortical medial eran significativamente mayores que en el hueso cortical lateral. Las trabéculas laminares se extendían hasta la parte piramidal anterior y la lámina posterior. Luego formó una estructura reticular sólida con trabéculas oblicuas en forma de varilla en el espacio medular. Dentro del cavum medular, distribución trabecular escasa en forma de varilla y estructura trabecular celular compleja en forma de red (ver Fig. 1).

Características de la disposición trabecular dentro del pedículo (A Sección transversal: ① apófisis articular ② pedículo ③ cuerpo vertebral. B Plano sagital: ① apófisis articular ② pedículo ③ cuerpo vertebral; C Sección coronal: ① hueso cortical ② trabecular).

El centro de osificación abierto entre las apófisis articulares superior e inferior forma una cavidad trabecular. En la cavidad, su estructura se diferencia de las típicas trabéculas. Las trabéculas celulares de la apófisis articular también eran complejas y reticulares. La placa ósea del trabecular, que está cerca del hueso cortical, es laminar y compacta. Se extiende y se transforma en una estructura reticular y luego en una trabécula en forma de bastón. Las trabéculas en forma de varilla convergen con solo 1 a 2 capas de trabéculas laminares alrededor de las cavidades trabeculares (ver Fig. 2).

Características de la disposición trabecular dentro de la apófisis articular (A Sección transversal: ① apófisis articular ②pedículo. B Plano sagital: ① apófisis articular superior ② apófisis articular inferior ③ cavidad trabecular).

Sólo hay 1 o 2 capas de trabéculas laminares en la placa vertebral cerca del hueso cortical. Luego se extendió hasta el espacio medular y se transformó en trabéculas en forma de varilla de forma radial. Las trabéculas en forma de varilla están conectadas con trabéculas oblicuas u horizontales, formando una estructura reticular sólida. Hay más trabéculas de varillas oblicuas y transversales paralelas al eje de la lámina (ver Fig. 3).

Características de la disposición trabecular dentro de la placa vertebral (A Sección transversal: ① placa vertebral ② apófisis espinosa ③ apófisis articular. B Plano sagital: ① placa vertebral. C Sección coronal: ① trabéculas laminares ② trabéculas en forma de varilla).

Las trabéculas laminares de la placa vertebral se extendían hacia la apófisis espinosa cerca de la región del hueso cortical. Eran solo 1 o 2 capas, que luego se transformaban en trabéculas en forma de varilla en el espacio medular. Las trabéculas eran discontinuas desde ventral a dorsal y formaban una estructura reticular.

Había estructuras de agujeros nutritivos en el pedículo, la placa vertebral y la apófisis espinosa de la columna cervical inferior, que se extiende desde la superficie del hueso cortical hasta el interior del espacio medular (ver Fig. 4).

Características de la disposición trabecular dentro de la apófisis espinosa (A Sección transversal ① apófisis espinosa ② placa vertebral. B Plano sagital: ① trabéculas laminares ② estructura reticular; C Sección coronal ①trabéculas laminares ② estructura reticular).

Analizamos estadísticamente ocho indicadores microestructurales en los ROI C3-C7. La comparación entre el lado izquierdo y derecho mostró diferencias significativas en la Tb del pedículo. N, Tb. Sp y Tb. Pf (P < 0,05). Las diferencias en BS/BV, BS/TB y Tb. Los Pf en la lámina también fueron notables (P <0,05) y no hubo diferencias significativas en el resto (P <0,05) (ver Fig. 5).

Mediciones del pedículo C3-C7, la apófisis articular y los lados izquierdo y derecho de la placa vertebral.

En las ROI, el BV/TV mínimo estaba en la placa vertebral y el máximo estaba en la apófisis articular. Hubo una diferencia significativa en BV/TV entre el pedículo, la apófisis espinosa, la placa vertebral y la apófisis articular (P <0,05). La fracción de volumen trabecular se correlacionó positivamente con la dureza del hueso, lo que indica que el hueso de la apófisis articular era relativamente denso.

La relación BS/BV mínima fue en la apófisis articular y el valor máximo en la placa vertebral. Excepto por ninguna diferencia estadística entre el pedículo y la placa vertebral, se encontraron diferencias significativas entre los grupos (P <0,05). Cuando el área de la superficie ósea era constante, cuanto mayor era el volumen trabecular, menor era la relación del volumen del hueso trabecular. Fue consistente con la ley de cambio de los parámetros microestructurales en este experimento.

Hubo diferencias significativas en BS/TB entre la apófisis articular, el pedículo y la placa vertebral, así como entre la apófisis espinosa y el pedículo (P < 0,05). Excepto que no hubo diferencias estadísticas entre el pedículo y la placa vertebral, hubo diferencias significativas en la DA entre el resto (P <0,05). En tuberculosis. Pf, hubo diferencias significativas entre el pedículo, la placa vertebral y las apófisis espinosas, similares a la comparación entre las apófisis articulares, la placa vertebral y las apófisis espinosas (P <0,05). No hubo diferencias significativas en la tuberculosis. Th, Tb. N y Tb. Sp entre pedículo, placa vertebral, apófisis espinosa y apófisis articular (P <0,05) (ver Tabla 2 y Fig. 6).

Comparación de los resultados de las mediciones de cada índice del pedículo C3-C7, apófisis articular, placa vertebral y apófisis espinosa.

La columna cervical inferior es propensa a la pérdida de estabilidad de la columna y a lesiones del nervio espinal en diversas condiciones, como traumatismos, deformidades y tumores. El tratamiento suele consistir en una fijación interna transoperatoria para restablecer su estabilidad. Los procedimientos comúnmente utilizados incluyen atornillar a través del pedículo, la apófisis articular o la placa vertebral y la apófisis espinosa14,15,16,17,18. La mayoría de los estudios sobre fijación interna se han centrado en su estabilidad desde una perspectiva biomecánica. Sin embargo, la mayoría de ellos han ignorado investigar la microestructura anatómica de las propias vértebras. En este estudio, utilizamos micro-CT para observar las estructuras 2D y 3D del hueso cortical, las trabéculas y la cavidad de la médula ósea a nivel micrométrico. Hicimos los estudios desde la perspectiva de la estructura anatómica de las vértebras, investigando las características trabeculares y los patrones de alineación en la columna cervical inferior y calculando con precisión los parámetros de volumen óseo. Proporcionará una base para futuros estudios de las características biomecánicas de la columna cervical inferior y el tratamiento quirúrgico en la clínica.

Durante el desarrollo de las vértebras, existen tres centros de osificación primarios. El centro de osificación, ubicado en la raíz de la apófisis transversa, subió y bajó para osificarse, formando las apófisis articulares superior e inferior. Avanzó hasta osificarse, formando el pedículo y la parte posterolateral del cuerpo vertebral. Además, retrocedió la osificación para formar lámina y apófisis espinosa. Las imágenes de Micro-CT mostraron claramente las características de distribución de las trabéculas de las vértebras cervicales inferiores. Las trabéculas laminares que soplaban el hueso cortical del pedículo eran densas y gruesas. La distribución de trabéculas en forma de bastón en el espacio medular era escasa. Ambas trabéculas formaron una estructura de malla sólida en la cavidad medular. La característica de la estructura trabecular del pedículo está adaptada al estrés en todas las direcciones. Como núcleo mecánico de la vértebra cervical, el pedículo se centra en la tensión longitudinal de la cabeza y el cuello y en la tensión y rotación de los ligamentos circundantes para formar una trabécula ósea laminar densa. La tensión se distribuye uniformemente a través de las trabéculas radiales en forma de varilla para adaptarse a la función de movimiento de la columna cervical. Nuestro estudio mostró que las cavidades trabeculares se formaron por el centro de osificación abierto entre las apófisis articulares superior e inferior. Las trabéculas laminares alrededor de las cavidades tenían solo una o dos capas de forma, que era el área débil de la estructura en esta región. Cuando la energía se reunió y transfirió aquí, fue fácil de romper. Por lo tanto, las trabéculas laminares alrededor de las cavidades eran las más propensas a romperse. Cuando la energía se transmite a lo largo de las trabéculas desgarradas, provoca fracturas, por lo que también es un mecanismo esencial de fractura de la apófisis articular. En nuestro experimento, observamos que las trabéculas laminares de la placa vertebral se extendían hacia la apófisis espinosa cerca de la región del hueso cortical, con solo 1 o 2 capas. Luego se convirtió en trabéculas en forma de varilla en estructuras sólidas y reticulares después de extenderse hasta el cavum medular. Además, hay más trabéculas oblicuas y transversales en forma de varilla paralelas al eje de la lámina, lo que es la razón para dispersar la tensión del lado ventral al lado dorsal.

En este estudio, se observaron mediante Micro-CT la microestructura y los parámetros morfológicos del pedículo, la apófisis articular, la placa vertebral y la apófisis espinosa de la vértebra cervical inferior para evaluar la esclerotina19,20,21,22. El sistema micro-CT puede calcular la densidad de los ROI tridimensionales seleccionados y el BV/TV se puede calcular basándose en la reconstrucción tridimensional de los vóxeles. Yamada et al23 han utilizado micro-TC 3D de alta resolución para estudiar la microestructura de las vértebras lumbares. El BV/TV estuvo estrechamente relacionado con la fuerza vertebral en su experimento de destrucción por compresión. Pero tenía una baja correlación con el espesor trabecular. El BV/TV en el ROI podría predecir la tensión máxima y final del hueso. Otros estudios sobre micro-CT espinal han demostrado que las ROI con un BV/TV más bajo también tienen un menor estrés estructural, que es el área débil de la estructura vertebral24.

Las diferencias microestructurales de los ROI en la columna cervical inferior medidas en este estudio mostraron que BV/TV difería significativamente entre ellos. El valor en la placa vertebral fue el más bajo y el más alto en la apófisis articular. Los resultados comparativos muestran que la placa vertebral es relativamente osteoporótica, lo que es un punto débil ante las tensiones. Al mismo tiempo, la esclerotina de la apófisis articular es densa, con mejores propiedades biomecánicas. La tendencia de cambio general de la relación BS/BV es opuesta a la de la fracción de volumen trabecular óseo. Entonces, cuando el área de la superficie trabecular es constante, cuanto mayor es el volumen del hueso trabecular, menor es la relación BS/BV. Es consistente con la ley de cambio de los parámetros de microestructura del experimento. Tuberculosis. Pf es el parámetro de la conectividad trabecular. Cuanto menor sea el valor, mejor será la conectividad trabecular. En este estudio, los valores de la apófisis articular y del pedículo son pequeños, y la apófisis articular es la más pequeña, lo que indica que tiene mejor capacidad de carga y que no es fácil que ocurra osteoporosis.

Este estudio utilizó Micro-CT para estudiar el pedículo cervical inferior, la apófisis articular, la placa vertebral y la apófisis espinosa. Mediante el análisis de los parámetros trabeculares, confirmamos que el hueso de la apófisis articular era más denso que otras partes y la capacidad de carga era la más fuerte, seguido por el pedículo. El proceso transarticular clínico o la fijación con tornillos transpediculares tiene una fuerte fuerza de sujeción. Al observar las características morfológicas de las trabéculas tridimensionales, encontramos que el centro de crecimiento óseo no cerrado entre las apófisis articulares superior e inferior es una región débil. Debido a la corta longitud del recorrido del clavo al colocar tornillos a través de la apófisis articular, existe una menor resistencia a la extracción y a la flexión lateral durante la fijación interna transarticular. Los resultados experimentales muestran que la placa vertebral es relativamente osteoporótica, por lo que el uso de tornillos pediculares requiere la colocación del tracto ungueal en la apófisis espinosa para aumentar su poder de sujeción y resistencia a la extracción. Los resultados de este ensayo validan la validez científica de los métodos clínicos de fijación interna utilizados actualmente. La colocación de tornillos transforaminales se ha convertido en un abordaje quirúrgico común debido a su significativa superioridad sobre otras técnicas de fijación interna en términos de resistencia a la fuerza de extracción, resistencia a la flexión lateral y buen poder de sujeción10,12,13,16,17. Este estudio proporciona un fuerte apoyo para explorar las características mecánicas de la microestructura de la columna cervical inferior y proporciona una base teórica para las estrategias de tratamiento clínico.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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La financiación fue proporcionada por la Fundación de Ciencias Naturales de Mongolia Interior (Números de subvención: 2022QN03002, 2020MS03061), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Números de subvención: 81860383, 81860382), el Programa para jóvenes talentos de ciencia y tecnología en universidades de la Región Autónoma de Mongolia Interior ( Número de subvención: NJYT22009), Proyecto del Plan de Ciencia y Tecnología Médica y de la Salud de la Comisión de Salud de la Región Autónoma de Mongolia Interior (Número de subvención: 202201217), Proyectos clave de investigación científica de la Universidad Médica de Mongolia Interior (Número de subvención: YKD2021ZD011).

Estos autores contribuyeron por igual: Kun Li, Yang Yang, Zhijun Li y Xing Wang.

Escuela de Medicina Tradicional China, Universidad de Medicina China de Beijing, Beijing, 100029, China

Kun Li y Zhijun Li

Sección de Investigación y Enseñanza de Anatomía Humana, Facultad de Medicina Básica, Universidad Médica de Mongolia Interior, Hohhot, 010059, Mongolia Interior, China

Kun Li, Shaojie Zhang, Zhijun Li y Xing Wang

Escuela de Graduados, Universidad Médica de Mongolia Interior, Hohhot, 010059, Mongolia Interior, China

yang yang

Facultad de Medicina Clínica, Universidad Médica de Mongolia Interior, Hohhot, 010059, Mongolia Interior, China

Peng Wang, Haoyu Song, Chunying Ma, Yansong Zhang y Xingye Dang

Sección de Investigación y Enseñanza de Fisiología, Facultad de Medicina Básica, Universidad Médica de Mongolia Interior, Hohhot, 010059, Mongolia Interior, China

Jun Shi

Centro de Medicina Digital, Facultad de Medicina Básica, Universidad Médica de Mongolia Interior, Hohhot, 010059, Mongolia Interior, China

Shaojie Zhang y Xing Wang

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KL realizó el análisis y escribió el borrador inicial. YY revisó, editó y escribió el manuscrito final. PW, HS, CM, YZ y XD realizaron la exploración por tomografía computarizada y recopilaron las imágenes. JS y SZ contribuyeron a la concepción del estudio y revisaron el manuscrito. ZL y XW proporcionaron apoyo financiero y supervisaron el proyecto. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Xing Wang.

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Li, K., Yang, Y., Wang, P. et al. Exploración de las características micromorfológicas de las vértebras cervicales inferiores de adultos basadas en tomografía microcomputarizada. Representante científico 13, 12400 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39703-4

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Recibido: 24 de febrero de 2023

Aceptado: 29 de julio de 2023

Publicado: 31 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39703-4

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