通过骨骼分析研究南非人群中轴椎上关节面的角度特征

《Translational Research in Anatomy》：Superior Articular Facet Angulation of the Axis Vertebra in a South African Population Sample using an Osteological Analysis

　　沙赫德·纳拉（Shahed Nalla）、伊莎贝尔·哈姆斯（Isabel Harmse）、胡安·A·桑奇斯-希梅诺（Juan A. Sanchis-Gimeno）、胡安·何塞·瓦伦苏埃拉-富恩萨利达（Juan José Valenzuela-Fuenzalida）和格伦·J·帕顿（Glen J. Paton）
南非约翰内斯堡大学健康科学学院人类解剖学与生理学系，邮政信箱524，奥克兰公园，2006，豪登省

**摘要**
寰椎（C2）的上关节面（SAFs）对寰枢关节的稳定性和颈椎的生物力学至关重要。SAFs角度的差异可能影响关节的贴合度、负载分布以及手术路径的方向，这对影像学解释和手术计划具有直接影响。来自南非骨骼样本的人群特异性形态学数据仍然有限，这限制了其转化应用的可能性。

**方法**
本研究通过对南非雷蒙德·A·达特收藏馆（Raymond A. Dart Collection）中的200个成人寰椎进行了横断面骨骼学分析。使用标准化的数字图像分析方法量化了双侧SAFs的角度。样本按年龄组、生物性别和人群类别进行分层。统计分析评估了双侧不对称性和组间差异（显著性水平p < 0.05）。

**结果**
右侧SAFs的平均角度为26.13°，左侧为25.98°，显示出最小的双侧不对称性（p = 0.679）。在不同年龄组（右侧：p = 0.675；左侧：p = 0.239）或生物性别（右侧：p = 0.400；左侧：p = 0.154）之间未观察到显著差异。发现与人群类别存在总体相关性（p = 0.027；p = 0.008）；然而，特定侧的比较并无显著差异（右侧：p = 0.468；左侧：p = 0.298）。亚组内的变异较低。

**结论**
在这组南非样本中，SAFs的角度在不同人群亚组间表现出相对的形态一致性。尽管存在总体相关性，但在特定侧的比较中并未始终观察到这种一致性。这些发现提供了具有临床意义的、针对特定人群的参考值，有助于术前计划、植入物路径的确定以及放射学评估。需要进一步结合3D成像和生物力学建模的工作来增强其转化应用的可行性。

**1. 引言**
颅椎关节是人体脊柱中最复杂且生物力学上最关键的区域之一。它由枕骨、寰椎（C1）和寰椎（C2）组成，形成了一个既能保证活动度又能维持稳定性的复杂关节。该区域经过独特适应，能够在保护脑干、脊髓和椎动脉的同时允许广泛的运动。在此区域内，寰椎通过其齿状突和上关节面（SAFs）在颈椎旋转中起着关键作用。齿状突和SAFs对颈椎生物力学至关重要，约占颈椎旋转能力的50%。这种旋转运动是由寰椎下关节面与寰椎SAFs之间的关节连接实现的，其定位允许滑动和旋转运动，同时限制了平移位移。因此，精确的SAFs角度至关重要，因为微小偏差可能影响运动学、负载传递和受伤的风险。

**2. 背景**
寰椎的上关节面（SAFs）对寰枢关节的稳定性和颈椎的生物力学至关重要。SAFs角度的差异可能影响关节的契合度、负载分配以及手术路径的方向，这对影像学解释和手术计划具有直接影响。来自南非骨骼样本的人群特异性形态学数据仍然有限，这限制了其转化应用的可能性。

**3. 方法**
本研究对南非雷蒙德·A·达特收藏馆中的200个成人寰椎进行了横断面骨骼学分析。使用标准化数字图像分析方法量化了双侧SAFs的角度。样本按年龄组、生物性别和人群类别进行分层。统计分析评估了双侧不对称性和组间差异（显著性水平p < 0.05）。

**4. 结果**
右侧SAFs的平均角度为26.13°，左侧为25.98°，显示出最小的双侧不对称性（p = 0.679）。在不同年龄组（右侧：p = 0.675；左侧：p = 0.239）或生物性别（右侧：p = 0.400；左侧：p = 0.154）之间未观察到显著差异。发现与人群类别存在总体相关性（p = 0.027；p = 0.008）；然而，特定侧的比较并无显著差异（右侧：p = 0.468；左侧：p = 0.298）。亚组内的变异较低。

**5. 结论**
本研究结果表明，在这组南非样本中，SAFs的角度在不同人群亚组间表现出相对的形态一致性。尽管存在总体相关性，但在特定侧的比较中并未始终观察到这种一致性。这些发现提供了具有临床意义的、针对特定人群的参考值，有助于术前计划、植入物路径的确定以及放射学评估。需要进一步结合3D成像和生物力学建模的工作来增强其转化应用的可行性。对于右侧的SAF（上关节面），40岁以下个体的平均角度为26.35°，40-54岁年龄段的个体为25.84°，55岁及以上的参与者为26.32°。对于左侧的SAF，40岁以下个体的平均角度为26.70°，40-54岁年龄段的个体为25.48°，55岁及以上的参与者为26.02°。下载：下载高分辨率图像（144KB）下载：下载全尺寸图像

图2. 年龄分布的箱线图

在不同年龄组之间，右侧SAF的角度没有统计学意义上的差异（p = 0.675），左侧SAF的角度也没有统计学意义上的差异（p = 0.239）。同样，不同年龄组的整体平均值也没有显著差异（p = 0.763）。

**生物性别**
比较男性和女性SAF角度的描述性统计数据见表2和图3。男性的平均右侧SAF角度为26.35°，女性为25.88°；男性的平均左侧SAF角度为26.38°，女性为25.55°。下载：下载高分辨率图像（124KB）下载：下载全尺寸图像

图3. 性别分布的箱线图

在男性与女性之间，右侧SAF的角度没有统计学上的差异（p = 0.400），左侧SAF的角度也没有统计学上的差异（p = 0.154）。整体平均值也没有显著的性别差异（p = 0.358）。

**人群归属**
不同人群归属群体的SAF角度描述性统计数据见表2和图4。对于右侧SAF，黑人非洲个体的平均角度为26.18°，白人为25.64°，有色人种为26.49°；对于左侧SAF，黑人非洲人为25.71°，白人为25.59°，有色人种为26.61°。下载：下载高分辨率图像（142KB）下载：下载全尺寸图像

图4. 人群归属分布的箱线图

在不同人群群体之间，右侧SAF的角度没有统计学上的差异（p = 0.468），左侧SAF的角度也没有统计学上的差异（p = 0.298）。在整体平均值方面，不同人群群体之间存在统计学上的差异（p = 0.027），白人参与者的整体平均值显著高于黑人非洲参与者（p = 0.008）。

**双侧SAF比较**
右侧SAF的平均角度为26.13°，左侧SAF的平均角度为25.98°。右侧和左侧SAF角度之间没有统计学上的差异（p = 0.679）。

表2展示了比较不同年龄组、生物性别和人群归属的SAF及整体平均值的所有相关数据。

4. **讨论**
在这项针对200块南非骨骼样本中的成年轴向脊椎的研究中，右侧上关节面（SAF）的平均角度为26.13° ± 3.89°，左侧为25.98° ± 4.11°。这些数值处于之前形态测量研究中报道的20°至27°的范围内，表明与全球文献中的解剖模式基本一致。某些人群的平均值略高，可能反映了地区或人群特定的变异。
比较性研究表明，印度和欧洲人群的SAF平均角度较低。这些差异可能反映了人群、发育或方法学上的差异。测量技术尤为重要，因为SAF的方向可以通过干骨分析、二维放射摄影或三维计算机断层扫描（CT）重建来量化。参考平面和标志点的选择可能会影响角度测量结果。这些方法学考虑强调了在形态测量研究中采用标准化测量协议的重要性，以提高研究间的可比性。

性别之间没有统计学上的差异，这表明在该样本中SAF角度没有明显的性别差异。这与先前的研究结果一致，即虽然脊椎大小可能存在性别差异，但关节面的方向相对稳定。尽管基于性别的生物力学负荷模式可能有所不同，但关节面角度在狭窄的形态范围内保持相对一致。
年龄与SAF角度之间也没有显著关联。尽管已知退行性变化会影响关节软骨和软骨下骨，但关节面的几何方向在整个成年期可能保持相对稳定。该骨骼样本中未检测到与年龄相关的差异，这表明关节面方向主要在骨骼发育期间确立，并且在典型的生理条件下后期生活中不会发生显著的角度改变。不同人群归属群体之间也没有统计学上的差异。尽管不同人群的骨骼尺寸可能存在差异，但目前样本中的关节面方向变异有限。这些发现表明，在这个队列中，尽管存在广泛的形态多样性，SAF角度仍维持在相对稳定的解剖范围内。

双侧比较显示，右侧与左侧的平均角度差异为0.15°，但无统计学意义。这种微小的角度差异与先前关于颈椎椎骨总体双侧对齐的形态测量观察结果一致。虽然轻微的不对称性可能是正常生物变异的一部分，但大幅偏离对称对齐可能会带来功能影响。这里观察到的微小双侧差异支持了SAF角度在该样本中大体对称的结论。

从转化研究的角度来看，这些形态测量数据提供了特定人群的参考值，有助于放射学评估、手术规划和解剖学教育。对SAF方向的定量理解可能有助于更好地评估颅椎关节处的创伤性损伤、先天性变异或结构错位。然而，功能和生物力学的影响需要进一步研究，因为当前研究仅限于骨骼测量。

总体而言，这些发现为解剖学文献提供了特定人群的形态测量数据。在该南非骨骼样本中，SAF角度在性别、年龄和人群归属类别上的变异有限。这些结果支持这样一个观点：关节面方向在受限的解剖范围内保持稳定，同时也强调了未来形态测量研究中方法学一致性的重要性。

尽管这些发现为SAF角度提供了规范参考数据，但在解释这些结果时必须考虑几个限制因素。此外，下面概述的临床意义说明了这些形态测量值如何转化为外科、放射学和教育实践中的应用。

**局限性与优势**
优势包括大规模样本（n = 200）和标准化的骨骼测量方法，确保了精确性和可重复性。通过观察者内部和之间的评估以及包含多个南非人群归属群体，进一步增强了研究的可靠性。全面的统计分析和严格的伦理及数据管理协议也加强了研究的合理性。

然而，也应承认几个局限性。首先，使用预先筛选的“理想”轴向脊椎（排除病理、创伤或先天性异常）提高了可靠性，但可能限制了普遍性，因为参考值可能反映的是最佳而非典型解剖结构。其次，虽然包括了三个人群归属群体，但其他南非群体（如印度裔）未被包括在内，历史分类可能无法反映当前的遗传多样性。第三，极端年龄组（18-25岁和≥70岁）的样本量不足，限制了对早期成熟期或非常晚年的年龄相关变化的检测。第四，在黑人非洲亚组的左侧SAF角度以及几个亚组的整体平均值中出现了轻微的异常；尽管使用了非参数检验，但结果需要谨慎解释。第五，横断面设计排除了纵向或功能生物力学的评估，仅捕获了静态解剖结构。第六，二维测量可能无法像三维CT驱动的形态测量那样全面捕捉关节面的曲率、多平面方向或微妙不对称性。第七，这些发现仅适用于该骨骼样本，不应在没有进一步验证的情况下推广到活体人群或其他地区，因为可能存在保存偏差以及无法评估软组织的影响。最后，尽管总样本量充足（N = 200），但亚组大小不等（例如，白人亚组n = 59，黑人非洲亚组n = 73），这可能影响了检测人群差异的统计能力。

这些发现具有几个临床意义：首先，规范的SAF角度值（右侧：26.13° ± 3.89°；左侧：25.98° ± 4.11°）为寰枢椎固定的外科规划和关节螺钉 placement 提供了特定人群的参考，有助于确定安全的螺钉轨迹并避免并发症。其次，确定的规范范围（大约22°–34°）有助于放射学解读，超出此范围的值可能需要调查先天性异常、创伤性错位或退行性不稳定。第三，性别间无差异（整体平均值的p = 0.358）简化了临床应用，因为无需制定特定性别的规范表格。第四，缺乏与年龄相关的差异（p = 0.763）表明，来自18-70岁成人的参考值在典型生理条件下适用于整个成年期。第五，微小的双侧不对称性（平均差异0.15°，p = 0.679）支持了一般对称性的假设，允许在单侧影像不满意时进行对侧手术规划；显著的不对称性（≥5°）可能表明存在病理情况。第六，这些数据可以用于颅椎关节手术的解剖学教育和培训。第七，这些发现可作为计算生物力学模型的输入参数，模拟颈椎运动、负荷分布或器械效应。

5. **结论**
在这项对200块南非轴向脊椎的骨骼研究中，右侧上关节面（SAF）的平均角度为26.13°，左侧为25.98°，与先前的形态测量范围（20°–27°）一致。在不同年龄、性别和人群归属群体之间没有统计学上的差异，双侧比较显示角度变异很小。这些发现表明SAF方向是一致的。这些形态测量值提供了特定人群的参考数据，有助于颅椎关节的放射学解读、解剖学教育和手术规划。然而，功能和生物力学的影响尚未直接评估，需要进一步研究。未来的多人群和影像学研究可以进一步完善这些参数，并探索其临床意义。

**作者贡献声明**
Isabel Harmse：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。Shahed Nalla：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、验证、项目管理、方法学、调查、正式分析、概念化。Glen James Paton：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、验证、项目管理、方法学、调查、正式分析、概念化。Juan Sanchis-Gimeno：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。Juan Jose Valenzuela Fuenzalida：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。

**伦理审查**
该研究已获得约翰内斯堡大学健康科学学院研究伦理委员会的伦理审查批准（审批编号：REC 3668-2025）。Witwatersrand大学医学院解剖科学系的Access委员会批准使用了Raymond A Dart Collection（许可编号：W-CBP-220504-01）。