双能CT肌-水分离技术对健康人腰椎旁肌的定量研究

邓惠婷，李平，高辉，范春华，张堃

【关键字】 双能CT; 体层摄影术，X线计算机；腰椎；椎旁肌；基物质对；定量研究

椎旁肌退变作为一种衰老过程，引起肌肉萎缩、脂肪变性及肌间结缔组织增加等多种组织学变化，可增加椎体压缩性骨折、滑脱及腰椎间盘病变等疾病的发生风险，严重影响老年人的生活质量[1-3]。目前国内外针对椎旁肌退变的研究主要是运用B超、CT及MRI对下腰痛患者进行椎旁肌主观视觉评估或根据椎旁肌横截面积、脂肪浸润及微观结构等生物组织特性进行多参数定量分析[4-6]。尽管多数研究表明常规及功能MRI对椎旁肌成像具有分辨率高及多参数成像等优势，但由于MRI扫描时间长、费用高及使用禁忌症等因素在临床应用受限。双能 CT经过几代发展，具有辐射剂量低，扫描时间短，后处理便捷等优势，在未来辅助诊疗中具有独特潜力[7-9]。然而,目前运用双能CT对健康人椎旁肌进行定量研究少见。本研究运用双能CT肌-水分离技术定量研究健康人腰椎旁肌的肌/水含量变化规律，旨在为诊断和预防下腰痛疾病提供更多依据。

材料与方法

1.研究对象

搜集2018年7月-2019年3月于本院接受腰椎双能CT平扫体检的健康人125例，其中男61例，女64例，平均年龄(50.6±17.4)岁。按年龄将125例受检者分为三组[10]：青年组(20～39 岁)40例，其中男20例，女20例，平均年龄(30.4±5.0)岁；中年组(40～59岁)42例,其中男20例，女22例,平均年龄(50.1±5.1)岁；老年组(60～89岁)43例，其中男21例，女22例，平均年龄(70.1±8.6)岁。

病例纳入标准：年龄在20～89岁之间；既往无下腰痛病史；体重指数正常(18.5～23.9kg/m2)。病例排除标准：患有肌肉系统疾病、肾功能不全、心血管疾病、糖尿病、神经功能缺陷及其它系统性疾病；脊柱畸形、腰部感染性病变、腰部肿瘤及肿瘤样病变；影响肌肉代谢药物的使用史及酗酒史；腰部外伤及手术史；影像资料不全或图像质量不佳者。

2.检查方法

双能CT成像采用Revolution CT(GE Medical healthcare，Milwaukee，WI，USA)，在GSI扫描模式下行腰椎成像，受检者取常规仰卧位。扫描参数：管电压80～140 kV，管电流230 mA，准直宽度0.625 mm，螺距0.984：1，球管旋转时间0.8 s/r，CTDIvol 9.09 mGy。采用标准算法重建，自适应迭代重建(Adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASiR-V)权重取30%。

3.图像分析

在ADW 4.6后处理工作站(GE Medical health-care，Milwaukee，WI，USA)上进行肌-水物质分离。采用70 KeV单能量、5 mm层厚及层间隔的腰椎横轴面勾画感兴趣区，在物质分离图像上进行测量，测量内容包括L1/2-L4/5椎间隙水平双侧竖脊肌、L2/3-L5/S1椎间隙水平双侧多裂肌及腰大肌的肌含量和水含量(mg/cm3)，测量3次取平均值用于后续分析。感兴趣区设置：手工勾画每一块肌肉的轮廓，保持感兴趣区距离肌肉边缘以内2～3 mm以避开肌肉外缘的脂肪、肌肉表面的筋膜以及可视的血管(图1)。

表1 不同年龄组男女平均年龄比较

4.统计学分析

结 果

不同年龄组中男女平均年龄比较差异均无统计学意义(P>0.05，表1)。不同年龄组各椎间隙水平椎旁肌的肌和水含量见表2及图2。多裂肌肌含量：老年组于L3/4水平低于中年组(t=3.090,P=0.006),L4/5水平低于青年组(t=2.800,P=0.015)，老年组于L5/S1水平分别低于青年组(t=3.191,P=0.004)、中年组(t=3.239,P=0.004)。竖脊肌、腰大肌内肌含量不同年龄组各椎间隙水平差异无统计学意义(P>0.05)。多裂肌水含量：老年组于L2/3、L3/4水平分别高于青年组(t=-6.270,P=0.000；t=-6.021,P=0.000)、中年组(t=-5.701,P=0.000;t=-5.466,P=0.000)，各年龄组间于L4/5水平随年龄组增大而增加，差异有统计学意义(青-中年组：t=-3.291,P=0.003,青-老年组：t=-8.355,P=0.000;中-老年组：t=-5.108,P=0.000),各年龄组间于L5/S1水平随年龄组增大而增加，差异有统计学意义(青-中年组：t=-3.146,P=0.005,青-老年组：t=-8.525,P=0.000，中-老年组：t=-5.428,P=0.000)。竖脊肌水含量：于L1/2、L2/3、L3/4水平老年组分别高于青年组(t=-5.727,P=0.000;t=-6.357,P=0.000；t=-6.230,P=0.000)、中年组(t=-3.917,P=0.000;t=-4.336,P=0.000；t=-4.181,P=0.000)，各年龄组间于L4/5水平随年龄组增大而增加，差异有统计学意义(青-中年组：t=-3.514,P=0.001;青-老年组：t=-8.310,P=0.000；中-老年组：t=-4.835,P=0.000)。腰大肌水含量：老年组于L2/3-L5/S1水平分别高于青年组(t=-5.246,P=0.000；t=-4.785,P=0.000;t=-4.133,P=0.000；t=-4.277,P=0.000)、中年组(t=-4.786,P=0.000；t=-3.143,P=0.005;t=-3.897,P=0.000；t=-3.264,P=0.003)。多裂肌、竖脊肌、腰大肌水含量随年龄增长呈增加趋势(图3)。椎旁肌的水含量增多始于L5/S1或L4/5水平，随椎间隙水平向上水含量相对减低。

讨 论

肌少症作为一种增龄性疾病，日益影响老年人的生活质量，而世界上约84%的人有下腰痛的症状，且Serra-Prat等研究表明肌肉76%的成分是水，故以椎旁肌的肌和水含量改变影响肌肉功能为假设，进行相关研究探索具有潜在价值，可为后续识别下腰痛相关椎旁肌的早期和异常退化奠定基础[11-13]。双能CT GSI扫描根据感兴趣内物质分别在高、低能量X线下的衰减特性不同，并将其等效为两种衰减特性已知的基物质组合所产生的密度成像效应，从而计算出特定基物质含量[7,14,15]。相关研究表明合适地设定双能CT GSI扫描参数，双能CT较常规CT扫描辐射剂量更低[16-18]。本研究旨在运用双能 CT对健康人椎旁肌的肌和水含量进行物质分离，探讨健康人腰椎旁肌的肌和水含量随年龄的变化规律。

表2 健康成人不同年龄组各椎间隙水平椎旁肌的肌和水含量均值比较 (mg/cm3)

本研究结果表明多裂肌的肌含量随年龄增长而减少，而竖脊肌、腰大肌的肌含量无显著变化。在动物及人体研究中，Rowan等[19]及Spendiff等[20]发现随着年龄增长骨骼肌去神经支配可引起肌肉萎缩。多裂肌位于L1-L5水平棘突两侧，腰背伸肌群最内侧，脊柱运动及稳定时受应力影响较大。同时与竖脊肌、腰大肌相比，多裂肌受单节段单一神经支配，分支间无交通支代偿，进而更容易造成多裂肌去神经支配[3]。

本研究结果显示多裂肌、竖脊肌、腰大肌的水含量随年龄增长呈增加趋势。虽然既往研究已证实人体水总量随年龄的增长而减少，但衰老过程中总脂肪含量会增加5%～10%，相当于水总量减少程度，所以水含量主要是相对脂肪含量的减少[21]。而双能CT研究结果表明椎旁肌水含量增龄性增加是指水占肌肉组织单位体积内的比例上升。水总量约占成年人体重的55%～60%，主要包括细胞内水和细胞外水两部分，后者包括血浆和细胞间质。一方面，肌肉组织不仅含有肌细胞，还含有细胞外水、成纤维细胞和脂肪浸润的细胞外空间，当肌细胞的数量随着年龄的增长而减少，细胞外空间相对扩张，由于渗透作用细胞外水含量亦增加。另一方面，椎旁肌随年龄退变过程中，肌细胞内线粒体减少。当腰椎运动或直立时，细胞内糖酵解产物乳酸堆积，渗透性增大，可能导致细胞内水含量增加，但这有待病理证实[22]。

本研究结果表明椎旁肌的水含量增多始于L5/S1或L4/5水平，随着椎间隙水平向上水含量相对减低。这与以往研究椎旁肌于下位腰椎更易退变的结论一致[23,24]。由于L4/5及L5/S1椎间盘最易退变，推测与椎间盘退变造成相应水平的椎旁肌去神经分布以及神经根受压影响椎旁肌的运动功能有关，可能也是椎旁肌水含量增多最先发生在下腰椎椎间隙水平的因素之一。此外，椎旁肌L5/S1水平早期退变可能与悬臂梁机制有关。悬臂是一种杠杆，其中一边是固定的，当它越靠近固定的一边，就会承受更多的应力。人体脊柱可以看作是固定在骶盆腔复合体上的一种悬臂。L5/S1水平是最接近于定点的水平，应力高于上位腰椎间隙水平，继而造成下位腰椎间隙水平椎旁肌易退变。下位腰椎间隙椎旁肌退变可导致局部肌力下降和脊柱不稳，引起邻近腰椎间隙水平进一步不稳，进而导致椎旁肌上行性退变。

本研究的局限性：①本研究仅从肌肉成分方面进行分析，尚未将肌肉的功能改变纳入研究中，这也是我们的后续研究方向；②本研究缺乏相关体外模型研究；③本研究采用手动勾画椎旁肌轮廓，比较耗时且受观察者间异质性的影响，在未来研究中我们需要进行肌肉自动/半自动分割。

综上所述，双能CT肌-水分离技术有助于定量评估健康人腰椎旁肌随年龄增长时肌含量减少、水含量增加的变化规律，从而为识别早期和异常退化椎旁肌的后续研究奠定基础。