研究背景:脊髓栓系综合征（tethered cord syndrome,TCS）是以神经功能障碍和下肢畸形为主要症状的临床综合征。其发病原因是先天或后天因素导致脊髓尾侧非弹性组织被牵拉固定,由于生长发育或外伤等情况导致脊髓及周围神经发生牵拉性功能损伤。因此,通过手术治疗使脊髓和周围神经得到减压是治疗TCS的主要方法,而传统的终丝切断手术并未取得满意的疗效。本研究团队在充分研究TCS病理机制的情况下提出脊柱均匀短缩脊髓轴性减压（Homogeneous Spinal-Shortening Axial Decompression,HSAD）手术,此技术结合多节段椎间盘切除术、多节段截骨术等技术,使受到拴系的神经组织得到均匀减压,获得良好的疗效。HSAD手术治疗TCS患者安全性和有效性有待进一步评估。排尿功能障碍在TCS患者中所占比例很高,主要表现为尿失禁症状,其原因是脊髓损伤。核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是目前研究脊髓等软组织形态学的最佳成像方式,可以对脊髓损伤的程度进行初步判断。常规MRI可了解脊髓形态学改变（脊髓受压变形或脊髓变性坏死等情况）。但TCS一般仅表现为脊髓圆锥低位,并不存在其他形态学改变,其神经损伤来源于轴向高张力,因此TCS腰段脊髓的牵拉性功能损伤难以通过常规MRI显示,近年来,弥散加权成像技术的发展为TCS的临床评估提供了新的途径。由于脊髓解剖形态细长且小,以及脊髓周围脑脊液搏动效应,常规弥散加权成像技术容易导致容积效应的产生,表观扩散系数（Apparent Diffusion Coefficient,ADC）测量值产生较大偏差,甚至由于磁场不够均匀,导致磁化伪影的产生。多次激发弥散加权成像（Multi-shot Diffusion weighted imaging,ms-DWI）是在普通弥散加权成像基础上通过多次激发实现高清成像的新技术。尚未有报道将该成像技术用于TCS尿失禁患者评估。尿失禁患者如果长期不能给予有效治疗,膀胱顺应性与协调性将持续恶化,膀胱残余尿过多,膀胱内压增高,进一步会导致肾内压力过高,尿液返流,严重影响肾功能,甚至造成肾脏功能损伤直至衰竭。正常情况下,膀胱和尿道传入部分接收中脑水管周灰质（periaqueductal gray,PAG）来自脑岛叶,前扣带皮质（anterior cingulate cortex,ACC）和前额皮质的信息。在憋尿阶段,这些高位中枢神经控制脑桥的排尿中枢抑制排尿,提供保护防止尿失禁。神经体统对排尿的控制是分层结构的,脊髓的排尿憋尿机制受到来自大脑的复杂网络控制。正常人排尿神经控制由膀胱-脊髓-脑干的基本的概念已经比较成熟。但TCS伴尿失禁患者参与排尿功能的脑功能控制区域并不清楚。研究目的:1、证实HSAD手术治疗TCS患者的安全性和有效性,并对比不同年龄组手术后安全性和疗效差异;2、对ms-DWI用于评估HSAD手术治疗TCS伴尿失禁患者的内在一致性和可靠性进行验证,并探讨表观扩散系数（Apparent Diffusion Coefficient,ADC）其与临床表现严重程度和术后疗效的相关性;3、通过对正常志愿者、伴有尿失禁症状的TCS患者和经过HSAD手术治疗后的尿失禁TCS患者进行任务态脑功能MRI研究,探讨不同人群在排尿和憋尿过程中涉及高位中枢脑区的激活区域,分析其发生可能的原因以及手术后大脑排尿控制网络重建问题。研究方法:1、回顾性分析上海长征医院2017年1月至2019年1月收治并行HSAD手术的43例TCS患者的临床及影像学资料,其中儿童组23例,成人组20例,采用日本骨科协会（JOA）评分和视觉模拟量表（VAS）评价术前、术后神经功能和疼痛程度。排尿功能评定采用国际尿失禁咨询委员会尿失禁问卷表简表评分（International Consultation on Incontinence Questionnairee Short Form score,ICI-Q-SF）及尿动力学检查,大便功能评价使用Rintala评分。观察并对比两组手术前后情况。2、ms-DWI用于上海长征医院2017年8月至2019年6月收治并行HSAD手术的31例TCS伴尿失禁患者,其中男性14例,女性17例,由2名脊柱外科医师分别独立测量每个患者l ADC值,r ADC值,采用内相关系数（ICC）、Bland和Altman图和Spearman系数对测试的重复性信度和评分者间信度进行分析。Pearson相关性分析用于比较l ADC,r ADC与临床疗效。3、于2018年6月至2019年12月选择本研究合适实验对象,均为右利手成年女性,其中正常对照组9人为健康女性志愿者,术前TCS尿失禁患者病例组10人,经HSAD手术治疗的TCS术后病例组8人,扫描过程中实验对象按照要求完成设计的任务指令,“灌水”、“憋尿”、“排尿”、“休息”4个指令为一个任务组块,在一次脑功能MRI扫描中,要重复4次任务组块。所有图像数据处理使用FEAT软件,通过运动校正,切片定时校正,功能图像配准,标准空间配准,空间平滑,高通时间滤波,广义线性模型对平滑后的图像进行统计学分析,得到的映射数据被转换为单位正态分布数据,转换为Z值统计。显示不同组排尿期和憋尿期脑功能激活区域。结果1、43例TCS患者经HSAD手术后,平均VAS评分和平均腰椎JOA评分均有明显的改善,根据腰椎JOA的平均RR（55.1%±12.6%）,整体神经功能恢复在良好范围内,有72.0%的患者得到了良好以上的恢复,23.3%患者的恢复率一般,而恢复较差的患者为4.7%。此外,在43例病例中,有38例存在排尿功能障碍（均表现为尿失禁症状）,占全部TCS患者的88.4%。通过HSAD手术后,ICI-Q-SF评分由术前的16.0±1.9下降至4.9±1.4（P<0.001）。尿动力学评估患者膀胱功能,膀胱顺应性改善明显,由术前7.3±11.8ml/cm H₂O提高至术后的14.1±13.4 mlcm H₂O（P<0.001）,残余尿由术前102.7±85.8 ml减少至术后59.5±75.2 ml（P=0.041）,最大尿流率由术前5.7±3.9 ml/min增加至术后的9.0±5.8 ml/min（P<0.001）,代表括约肌协调性的客观指标TL值由术前0.23±0.37至术后的0.27±0.30（P<0.001）。此外此组病例中有10例患者术前有肠道功能障碍,通过Rintala评分评估发现术后有8例（80%）患者得到了改善,同时有2例患者Rintala评分手术前后并无变化。2、HSAD手术治疗TCS儿童患者和成人患者,在手术时间上,儿童组耗时192.3±23.4分钟,略高于成人组的184.3±18.3分钟,但两者的差异无统计学意义,同时儿童组的手术出血量443.1±91.3 ml,略少于成人组456.3±90.2 ml,但差异仍然没有统计学意义。3、在HSAD手术有效性方面,儿童组与成人组术前术后的VAS评分并无明显差异,术前腰椎JOA评分无明显差异,而末次随访时儿童组腰椎JOA评分为22.5±1.3,明显高于成人组腰椎JOA评分为21.3±2.3。在神经功能改善率RR方面,尽管儿童组和成人组均达到了良好程度（50%-75%）,但儿童组为58.9%±8.0%明显高于成人组的50.8%±15.4%（P=0.031）。儿童组术前ICI-Q-SF评分16.0±1.9与成人组评分16.0±2相当,末次随访时儿童组ICI-Q-SF评分4.2±1.0,明显好于成人组的5.6±1.4。4、课题第二部分功能磁共振成像评估脊髓损伤状态,研究中对重复性与评分者间信度的分析,T12/L1位置ADC值的ICC值为0.997,l ADC值的ICC值为0.997,r ADC的ICC值为0.994;在Bland and Altman plot图中显示T12/L1位置ADC值的偏倚为0.5806（-16.85-18.0,95%CI）,l ADC值的偏倚为4.548,95%的可信区间为-21.46-30.56,r ADC的偏倚为0.005806,95%的可信区间为-0.02611-0.03772,三个指标测量在Bland and Altman plot图的散点在95%可信区间的上下范围内均匀分布,并且均值线接近0值,说明两测量结果较为接近,具有很好的一致性;T12/L1位置ADC值的spearman系数为0.991（P<0.0001）,l ADC值的spearman系数为0.997（P<0.0001）,r ADC的spearman系数为0.987（P<0.0001）,系数均大于0.90表示具有优秀的不同观察者信度。因此,ms-DWI具有很好的可重复性和观察者间信度。5、通过相关性分析,T12/L1位置ADC值与临床症状和术后6月的疗效并无相关性,l ADC值与术前腰椎JOA评分有显著相关性（r=0.5178,P=0.0028）,与术后6月腰椎JOA评分有显著相关性（r=0.4864,P=0.0055）,与RR有显著相关性（r=0.3773,P=0.0364）具有相关性,但r ADC比l ADC具有更强的相关性,其中r ADC与术前腰椎JOA评分有显著相关性（r=0.7110,P<0.0001）,与术后6月腰椎JOA评分有显著相关性（r=0.7271,P<0.0001）,与RR有显著相关性（r=0.6233,P=0.0002）。此外,l ADC值与术前、术后6月排尿相关评分和定量指标（ICI-Q-SF评分,TL值,膀胱残余尿,最大尿流率）均无显著相关性,而r ADC与术前ICI-Q-SF评分有显著相关性（r=0.5829,P=0.0006）,与术后6月ICI-Q-SF评分有显著相关性（r=0.7034,P<0.0001）,与术前顺应性有显著相关性（r=-0.7833,P<0.0001）,与术后6月顺应性有显著相关性（r=0.7164,P<0.0001）,术后6月最大尿流率有显著相关性（r=0.4265,P=0.0167）。6、课题第三部分脑功能磁共振评估大脑激活区域的变化,志愿者排尿期脑激活的区域包括顶叶、额叶、小脑、颞叶、扣带回、脑桥、辅助运动区和基底神经节（尾状核）。憋尿期的脑激活区域有与排尿期相同的顶叶、额叶、小脑、颞叶,同时有其独有的激活区域包括杏仁核、脑岛、丘脑和枕叶,而脑桥、扣带回和辅助运动区在憋尿期并无明显激活。7、TCS患者排尿期脑激活的区域包括顶叶、额叶、颞叶、扣带回、杏仁核、丘脑、枕叶,基底神经节（壳核）。在这些激活区中顶叶、额叶、颞叶、扣带回是在志愿者排尿期同样激活的,而杏仁核、丘脑、枕叶在志愿者排尿期未出现激活。TCS患者憋尿期的脑激活区域有顶叶、额叶、颞叶、脑岛、基底神经节（尾状核）、丘脑、辅助运动区。在这些激活区中顶叶、额叶、脑岛、丘脑、颞叶是在志愿者憋尿期同样激活的,在志愿者憋尿期被激活的小脑、枕叶和杏仁核未在TCS患者憋尿期的脑激活区域出现,而辅助运动区则是唯一TCS患者憋尿期的脑激活区域出现而志愿者憋尿期未出现激活。TCS患者排尿期与憋尿期相比,顶叶、额叶、颞叶、丘脑和基底神经节是两个时期都会出现激活的,而扣带回、杏仁核和枕叶在TCS患者排尿期脑激活,脑岛和辅助运动区则是在TCS患者憋尿期脑激活。8、TCS患者经HSAD术后排尿期脑激活的区域包括顶叶、额叶、颞叶、枕叶、脑桥和小脑,与TCS患者术前相比,存在共同的激活区域如顶叶、额叶、颞叶、枕叶,但扣带回、杏仁核、丘脑和基底神经节并未在术后激活,脑桥和小脑则是在术后额外增加的激活区。TCS患者经HSAD术后憋尿期脑激活的区域包括额叶、颞叶、枕叶、脑桥、小脑和尾状核,与TCS患者术前相比额叶、颞叶、尾状核为共同激活区,而顶叶、脑岛、丘脑和辅助运动区为TCS患者术前激活,而脑桥和小脑为术后出现的新激活区。结论1、儿童和成人TCS患者经过HSAD手术治疗均取得了较好的疗效,其中72.0%的患者获得了良好及以上的神经功能恢复率,手术安全性方面并无明显差异,且并无严重并发症发生,该手术方式的应用为TCS患者提供了新的选择,同时为广大医疗人员提出了新的思考。2、儿童组TCS患者与成人组TCS手术后疼痛缓解的程度相似,但神经功能恢复情况和排尿功能评分明显高于成人TCS患者,提示儿童TCS患者通过HSAD手术获得比成人TCS患者更好的神经功能恢复疗效。3、儿童组TCS患者在末次随访时,尿动力学检查中膀胱顺应性和残余尿的量化数值改善明显优于成人组,而在最大尿流率和膀胱协调性方面两组病例差异并无统计学意义。4、本研究证实ms-DWI应用于TCS尿失禁患者腰骶段脊髓的扫描具有很好的可重复性和不同观察者间信度,结果稳定可靠。5、TCS尿失禁患者腰骶段脊髓ADC值的升高（l ADC值）与临床症状严重程度和HSAD手术后疗效具有一定相关性。6、与l ADC值相比,新的指标（r ADC）与术前临床神经功能障碍严重程度、HSAD手术后神经功能改善情况疗效和膀胱功能改善情况相关性更强,为未来ms-DWI在脊柱脊髓疾病领域的应用提供了一定基础。7、本研究发现TCS患者经HSAD手术前后的排尿与憋尿时期脑部激活区域存在位置和强度差异,其中TCS患者术后脑桥和小脑部位在排尿与憋尿时期均发生明显重新激活现象,我们推测上述两个部位的重新激活可能与患者术后排尿功能恢复密切相关。8、本研究发现TCS患者经HSAD手术后与正常志愿者脑功能激活区域不同,该现象提示患者术后可能形成新的大脑控制网络,手术后排尿功能的恢复可能与患者术后的新的大脑控制网络相关,即排尿时期由脑桥接收来自顶叶、额叶、颞叶、枕叶和小脑的大脑皮层信号控制,憋尿时期由脑桥接收额叶、颞叶、枕叶、小脑和尾状核的大脑皮层信号控制。9、本研究结果证明排尿和憋尿的生理活动受到大脑多个部位的关键控制,参与控制的脑功能网络较为复杂,通过HSAD手术完成对脊髓部位的均匀减压,患者脊髓功能恢复的同时出现大脑控制网络的改变,我们推测可能是下位神经对高位中枢的逆向反馈作用所致。