Ứng dụng phân tích cột sống kỹ thuật số trong phục hồi chức năng

Vật lý 134 N. T. Thường, , T. Q. Khang, “Ứng dụng phân tích cột sống trong phục hồi chức năng.” ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH CỘT SỐNG KỸ THUẬT SỐ TRONG PHỤC HỒI CHỨC NĂNG Nguyễn Thế Thường1*, Huỳnh Việt Dũng1, Nguyễn Quý Hoàng2, Trần Quang Khang3 Tóm tắt: Đo lường và đánh giá các dị tật cột sống là nhu cầu rất phổ biến hiện nay. Phương pháp thông dụng nhất là sử dụng X-quang. Tuy nhiên, do tia X là bức xạ ion hóa, nên phương pháp này rất dễ gây ra tác dụng phụ không mong muốn khi kiểm tra nhiều lần và đặc biệt không dùng thường xuyên được cho phụ nữ mang thai và trẻ nhỏ. Hệ thống phân tích cột sống kỹ thuật số sử dụng công nghệ quét địa hình bề mặt với ưu điểm là không dùng tia bức xạ nên phù hợp cho mọi lứa tuổi, có thể theo dõi và đánh giá liên tục, cho hình ảnh toàn bộ cột sống và sự bất đối xứng của các nhóm cơ cột sống. Kết hợp với kỹ thuật đo lực, kết quả nghiên cứu cho thấy, phương pháp này có thể đo lường, đánh giá được sự tương quan giữa hình thái và chức năng của cột sống, có thể áp dụng thường xuyên để theo dõi hiệu quả của các liệu pháp phục hồi chức năng. Từ khóa: Biến dạng cột sống; Quét địa hình bề mặt; Phân tích cột sống kỹ thuật số. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cong vẹo cột sống là tình trạng bất thường về đường cong cột sống, một bệnh lý rất phổ biến trong cuộc sống hiện nay, và ngày càng có xu hướng gia tăng ở trẻ nhỏ [1]. Có rất nhiều nguyên nhân gây nên tình trạng này trong đó có lối sống ít vận động, đặc biệt với những người làm việc trong văn phòng, ngồi lâu, sai tư thế dẫn tới các nhóm cơ ở hai bên cột sống thường xuyên bị co cứng, yếu và mất cân đối, tình trạng cột sống bị cong sang một bên hoặc xoay các đốt sống,... Nếu không phát hiện và điều trị kịp thời, bệnh không chỉ gây ảnh hưởng đến sinh hoạt hàng ngày, mà còn tác động tới các cơ quan khác như tim, phổi do biến dạng lồng ngực, và đặc biệt gây đau lưng mãn tính. Để chẩn đoán và đánh giá vẹo lệch cột sống, bên cạnh việc thăm khám lâm sàng thì phương pháp phổ biến nhất hiện nay mà các bác sĩ sử dụng là chẩn đoán X-quang. Tuy nhiên, hạn chế của X-quang là dùng bức xạ ion hóa (tia X) nên dễ gây tác dụng phụ và đặc biệt là không thể dùng thường xuyên cho trẻ nhỏ và phụ nữ mang thai. Quét địa hình bề mặt (rasterstereography) sử dụng nguyên lý thu nhận ánh sáng chiếu tới và phản xạ ở bề mặt lưng, từ đó, tính toán dựa trên mô hình xoay đốt sống theo hình dạng bề mặt lưng, tái tạo hình dạng của toàn bộ cột sống để phân tích, mang tới rất nhiều ưu điểm: không dùng tia bức xạ nên không có tác dụng phụ, cho kết quả trực quan, nhanh chóng và dễ dàng, và đặc biệt là độ tin cậy của phương pháp này khi so sánh với phương pháp X-quang cũng đã được minh chứng trong rất nhiều các nghiên cứu. Liljenqvist et al. [2] nghiên cứu trên 95 bệnh nhân bị vẹo cột sống và 18 bệnh nhân bị gù cột sống bằng việc đo góc Cobb, độ lệch cột sống theo mặt phẳng cắt dọc (sagittal plane) và xoay mỏm gai thân đốt sống cho thấy kết quả sự tin cậy của phương pháp này trong đánh giá, bổ sung cho X-quang trong chẩn đoán lâm sàng và cũng giảm số lần cần thiết phải chụp X-quang. Hackenberg et al. [3] cũng minh chứng tính chính xác của phương pháp này khi so sánh với X- quang kỹ thuật số trong kiểm tra 52 bệnh nhân bị vẹo cột sống nặng trước và sau phẫu thuật với góc Cobb trên 50 o. Đặc biệt trong nghiên cứu đa trung tâm thực hiện bởi Knot et al. [4] khi so sánh thiết bị phân tích cột sống kỹ thuật số sử dụng công nghệ quét địa hình bề mặt (DIERS international GmbH, CHLB Đức) và X-quang trong đánh giá vẹo lệch cột sống ở trẻ em thanh thiếu niên Mỹ từ 8-18 tuổi. Kết quả trên 170 đối tượng nghiên cứu cho thấy độ tin cậy và tiện lợi của thiết bị này trong nghiên cứu sự gù, vẹo, lệch cột sống ngực, cột sống thắt lưng. Ứng dụng phương pháp quét địa hình bề mặt để nghiên cứu sự thay đổi hình dạng của cột sống ảnh hưởng đến chức năng vận động, đặc biệt là sự mất cân đối của các nhóm cơ cột sống là vấn đề rất mới còn ít được nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, chúng tôi kết hợp ứng dụng thiết Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 135 bị Diers (DIERS international GmbH, CHLB Đức) và thiết bị đo lực cơ Tergumed 710 (Proxomed Medizintechnik GmbH, CHLB Đức) để đánh giá cấu trúc và chức năng của cột sống, hỗ trợ hiệu quả cho bác sĩ khi thăm khám chẩn đoán lâm sàng, và điều trị trong lĩnh vực phục hồi chức năng. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bệnh nhân đến phòng khám chuyên khoa phục hồi chức năng MTT RehaClinic, có dấu hiệu bệnh lý về đau lưng và vẹo lệch cột sống, được thăm khám kiểm tra lâm sàng và quét địa hình bề mặt lưng bằng thiết bị Diers Diers (DIERS international GmbH, CHLB Đức). Bệnh nhân đứng ở tư thế thẳng đứng, khoảng cách 2 mét trước máy quét. Máy quét chiếu các đường ánh sáng trắng lên lưng bệnh nhân và thu nhận ánh sáng phản xạ qua camera. Sau đó, hình dạng bề mặt lưng và cột sống được dựng lên bằng thuật toán máy tính (hình 1). Hình 1. Máy quét dựng hình cột sống Diers (Chicago, Mỹ) [4]. Hình 2a mô phỏng hình dạng bề mặt lưng được mã hóa theo các màu sắc và cường độ khác nhau tùy thuộc vào độ cao của địa hình bề mặt lưng, từ đó sự bất đối xứng của các nhóm cơ quanh cột sống được hiển thị (vòng tròn đen). Ngoài ra, theo nghiên cứu của Turner-Smith et al.,[5] dựa vào các điểm mốc giải phẫu trên bề mặt lưng (đốt C7, mấu gai đốt sống và điểm hõm ở hông xương chậu) mà vị trí của các đốt sống sẽ được xác định, từ đó, thuật toán máy tính mô phỏng hình ảnh của toàn bộ cột sống cũng như tính toán độ lệch cột sống (hình 2b) và xoay cột sống (hình 2c). a) b) c) Hình 2. Hình ảnh mô phỏng cột sống (a) và sự lệch trục cột sống (b) và xoay cột sống (c). Vật lý 136 N. T. Thường, , T. Q. Khang, “Ứng dụng phân tích cột sống trong phục hồi chức năng.” Hình 2b mô phỏng cột sống theo mặt phẳng cắt dọc đốt sống nhìn từ sau ra trước (frontal projection). Đường màu đỏ nét đứt (---) nối tâm của đốt sống C7 (ký hiệu là VP- Vertebra Prominens) đến điểm giữa của 2 điểm hõm ở hông xương chậu ở hai bên (ký hiệu là DM- Midpoint, tâm của đốt sống cụt) là trục của cột sống. Thông thường, khi cột sống không lệch sang hai bên thì đường (---) trùng với đường thẳng đứng tại mốc điểm 0, nhưng trên hình 2b cho thấy đường (---) lệch sang giá trị âm, cho thấy trục của cột sống đã lệch sang trái (ngược lại, giá trị dương khi trục cột sống lệch sang phải). Đường màu xanh đen nét liền là mô phỏng trục của cột sống của bệnh nhân, thể hiện sự lệch sang trái từ đốt C7 đến T7, và lệch sang phải từ T8 đến L1 (tương tự như kết quả mô phỏng trong hình 2a). Để đánh giá độ lệch trung bình của toàn bộ các đốt sống theo trục là nhiều hay ít, máy tính sử dụng thuật toán giá trị hiệu dụng (root mean square – rms), là giá trị trung bình bình phương của độ lệch mỗi tâm đốt sống theo đường (---). Giá trị này tính theo mm, và trị số càng cao thì độ lệch của cột sống càng lớn và ngược lại. Bên cạnh sự lệch cột sống sang hai bên, hình 2c mô phỏng sự xoay của các cột sống (đường màu đỏ nét liền) theo độ (o). Giá trị dương biểu thị đốt sống xoay sang phải và giá trị độ âm biểu thị đốt xoay sang trái. Kết quả trên hình 2c cho thấy, cột sống của bệnh nhân từ đốt C7 đến T7 bị xoay sang bên phải, với góc xoay lớn nhất là 20o ở đốt sống T4, từ đốt T8 đến L1, cột sống xoay sang trái, với góc xoay lớn nhất là 15o ở đốt sống T10-T11. Cũng tương tự, để đánh giá độ xoay trung bình của toàn bộ các đốt sống là nhiều hay ít, máy tính sử dụng giá trị hiệu dụng (root mean square – rms) theo độ, là giá trị trung bình bình phương của góc xoay của toàn bộ các đốt sống. Giá trị này càng cao thì độ xoay của cột sống càng lớn và ngược lại. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng đến chức năng vận động khi có sự biến dạng vẹo, lệch của cột sống đặc biệt là tỉ lệ mất cân đối về lực hai bên của cột sống, các bệnh nhân được đo lực co cơ đẳng trường khi thực hiện động tác nghiêng sang hai bên (trái và phải) trên thiết bị tập phục hồi chức năng Tergumed 710 (Proxomed Medizintechnik GmbH, CHLB Đức) (hình 3). Hình 3. Thiết bị đo lực nghiêng hai bên Tergumed 710. 3. KẾT QUẢ Kết quả nghiên cứu trên 14 bệnh nhân bằng thiết bị phân tích lực Tergumed 710 và Diers được thể hiện ở bảng 1. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 137 Bảng 1. Kết quả phân tích độ lệch cột sống và lực nghiêng hai bên trên bệnh nhân. Nhóm 1 Nhóm 2 Số lượng bệnh nhân 5 9 Lệch cột sống [4.8-18.2] mm [2-5] mm Độ lệch cột sống trung bình 9.5 mm 3.7 mm Xoay cột sống [2-11.7] (o) [1.3-6.3](o) Độ xoay cột sống trung bình 6.0 (o) 2.6 (o) Tỷ lệ lực nghiêng Trái/Phải [15-46 ] % [2-12] % Tỉ lệ lực nghiêng Trái/Phải trung bình 29% 7.7% Trong bảng này, chúng ta thấy rằng, trong nhóm 1 (5 bệnh nhân) có độ mất cân đối lớn về lực hai bên >15% (từ 15-46%), với giá trị mất cân đối lực hai bên trung bình của nhóm là 29%, và độ lệch và xoay cột sống trung bình lần lượt là 9.5 mm và 6o. Trong khi đó, nhóm 2 (9 bệnh nhân) có độ mất cân đối thấp về lực nghiêng trái phải <15% (từ 2-12%), trong nhóm này, độ lệch và xoay cột sống trung bình lần lượt là 3.7 mm và 2.6o. Kết quả so sánh hai nhóm cho thấy sự tương quan giữa mô phỏng độ lệch và xoay cột sống bằng thiết bị Diers và sự mất cân đối về lực nghiêng hai bên đo trên thiết bị Tergumed 710. Độ lệch cột sống càng lớn thì độ mất cân đối về lực hai bên càng lớn và ngược lại. Kết quả này cho thấy ảnh hưởng quan trọng của các cơ dựng sống (lớp cơ sâu) chạy dọc và song song cột sống trong sự vận động của cột sống. Khi xuất hiện tình trạng vẹo lệch cột sống, làm cho các cơ dựng sống bị co rút, mất đi độ đàn hồi, dẫn tới suy giảm và mất cân đối chức năng vận động cột sống. Vì vậy, để tăng cường khả năng vận động và giúp ổn định và cân bằng lại cột sống, Granacher et al. [6] cũng đã minh chứng sự cần thiết phải luyện tập cho các nhóm cơ này. 4. KẾT LUẬN Trong rất nhiều các nghiên cứu, thiết bị quét và dựng hình toàn bộ cột sống đã cho thấy độ tin cậy và tiện lợi khi đánh giá cấu trúc hình thái cột sống và các dị tật cột sống khi so sánh với phương pháp tiêu chuẩn là X-quang. Trong nghiên cứu này, mặc dù còn hạn chế về số lượng đối tượng nghiên cứu, nhưng sự hữu ích của thiết bị Diers khi kết hợp với thiết bị Tergumed 710 trong mô phỏng và đánh giá hình dạng và chức năng cột sống, đặc biệt là sự mất cân bằng về lực của các nhóm cơ cột sống, giúp bác sĩ đưa ra những chỉ định luyện tập hiệu quả trong phục hồi chức năng. Nghiên cứu này mở ra một hướng mới trong ứng dụng các thiết bị mô phỏng để chẩn đoán và theo dõi hiệu quả điều trị trong phục hồi chức năng, giảm thiểu chi phí vào việc phải thường xuyên theo dõi bằng X-quang. Công trình này đã được báo cáo tại Hội thảo Quốc gia “Ứng dụng Công nghệ cao vào thực tiễn – 60 năm phát triển Viện KH-CN quân sự”. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự giúp đỡ chân thành về ý tưởng khoa học của TSKH. Vũ Công Lập. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. T. Q. Dũng, “Luận án Tiến sĩ Y học: Nghiên cứu hiệu quả can thiệp cho trẻ vẹo cột sống không rõ nguyên nhân bằng áo nẹp chỉnh hình TLSO,” Đại học Y Hà Nội (2015), tr. 14-15. [2]. Liljenqvist et al, “3-dimensional surface measurement of spinal deformities with video rasterstereography,” Z Orthop Ihre Grenzgeb, Vol. 1, No. 136 (1998), pp. 57-64. [3]. Hackenberg et al, “Rasterstereographic back shape analysis in idiopathic scoliosis after anterior correction and fusion,” Clin Biomech Vol. 1, No. 18 (2003), pp. 1-8. [4]. Knott et al, “Multicenter Comparison of 3D Spinal Measurements Using Surface Topography With Those From Conventional Radiography,” Spine Deformity Vol. 2, No. 4 (2016), pp. 98-103. [5]. Turner-Smith et al, “A method for analysis of back shape in scoliosis,” Journal of Biomechanics Vol. 6, No. 21 (1988), pp. 497-509. [6]. Granacher et al, “Effects of core instability strength training on trunk muscle strength, spinal mobility, dynamic balance and functional mobility in older adults,” Gerontology Vol. 2, No. 59 (2013), pp. 105-13. Vật lý 138 N. T. Thường, , T. Q. Khang, “Ứng dụng phân tích cột sống trong phục hồi chức năng.” ABSTRACT APPLICATION OF DIGITAL SPINE ANALYSIS IN REHABILITATION Measuring and evaluating spinal defects is a very common need today. The most common method is to use the X-ray method. However, due to the use of ionizing radiation (X-rays), this method is very easy to cause undesirable side effects when tested many times and is not especially suitable for pregnant women and children. Digital spine analysis using rasterstereography method with the advantage of not using radiation, suitable for all ages, can be monitored and assessed continuously, giving images of the entire spine and asymmetry of the spinal muscle groups. Combined with force measurement techniques, research results show that this method can measure and evaluate the correlation between the morphology and function of the spine, in the diagnosis of rehabilitation, and can be applied regularly to monitor the effectiveness of rehabilitation. Keywords: Spine deformity; Rasterstereography; Digital spine analysis. Nhận bài ngày 30 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 21 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 02 năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Vật Lý Y Sinh học, 109A Pasteur, Quận 1, TP HCM; 2 PKCK Phục hồi chức năng MTT RehaClinic, 155 Hoàng Hoa Thám, Bình Thạnh, TP HCM; 3Bệnh viện Quân Y 175, 786 Nguyễn Kiệm, Gò Vấp, TP HCM. *Email: thethuong.nguyen@gmail.com.