定量CT中老年腰腹肌群退变与腰椎骨密度相关性的研究

涂云 汤光宇 季锐 唐睿 华婷 诸静其

同济大学附属第十人民医院放射科，上海 200072

随着社会人口老龄化，肌肉骨骼疾病已成为全球性的公共健康问题。肌少症与骨质疏松症(osteoporosis, OP)的关系日渐成为研究热点。2019年欧洲老年人肌少症工作组(the European Working Group on Sarcopenia in Older People, EWGSOP)修订后的肌少症诊断共识将肌少症定义为“一种源于长期累积的不利的肌肉变化的肌肉疾病”[1]。在老年人中，肌少症多表现为增龄相关的进行性、全身肌量减少和/或肌强度下降或肌肉生理功能减退[2]；OP是一种全身代谢性疾病，主要表现为骨量下降、骨微结构破坏以及骨脆性增加。探讨肌量与骨量之间的关系有助于进一步认识肌肉退变与骨量下降的联动性，并早期制定干预措施，以减少后期跌倒及脆性骨折的发生。

目前骨骼肌肌量测定常用方法有双能X线吸收测量仪(dual X-ray absorbtiometry, DXA)、电子计算机断层扫描(computerized tomography, CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)等，DXA将内脏器官和肌肉组织同时归入瘦组织一类，在评价胸腰部肌肉组织时欠精确，且不能测定单一目标肌肉，传统CT及MRI虽然能直接观察到肌肉形态或对脂肪含量进行测量，但限于缺乏成熟商用软件导致精细提取数据困难，而定量CT( quantitative computerized tomography, QCT)采用体模并借助成熟商用软件不仅可以用来测量骨密度还可以精确定量体脂成分[3]，故越来越多临床研究采用QCT技术进行相关研究。既往研究中常以腰3椎体中部层面的整体肌量或单独椎旁肌群、椎后肌群肌量作为判断肌肉是否退变的诊断依据[4-6]，但尚未有文献对腰腹肌群分组单独进行研究。本研究采用QCT技术测定腰椎骨密度(bone mineral density, BMD)，并对腰3椎体中部层面腰腹肌群肌肉含量进行分组测定，对各组腰腹肌群与腰椎骨密度的关系进行初步探讨，旨在寻找与骨量减少相关性最佳的肌肉，为预测骨量减少提供新的影像学标志物。

1 材料和方法

1.1 研究对象

回顾性收集2019年7月至2020年1月在本院接受腰椎QCT检查及性激素测定的受试者202例。入组标准：①年龄40～70岁；②志愿参加腰椎QCT检查及测定性激素水平。排除标准：①既往患有骨代谢异常疾病(如甲状旁腺功能亢进、糖尿病、库欣综合征、肾性骨营养不良等)；服用了影响骨代谢的药物(如皮质类固醇、降钙素、维生素D、双膦酸盐、雌激素等)；②既往腰椎压缩性骨折影响测量结果以及有恶性肿瘤及放疗史者；③CT图像质量差难以观察及测量。排除15例后，共入组187例，男77例、女110例，年龄40～69(57.4±7.1)岁。本临床试验经同济大学附属第十人民医院伦理委员会批准并在中国临床试验注册中心注册(注册号ChiCTR1900024511)，所有研究对象均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1BMD测定：使用德国Siemens公司双源CT(Somatom Force)和配套美国Mindways公司质控体模对所有受试者进行腰椎扫描。扫描条件：采用全自动动态实时射线剂量调控技术(CARE Dose 4 D)，根据患者体型、扫描时球管的角度、扫描长轴(Z轴)长度以及不同密度的器官自动调节管电流的大小，显著减少辐射剂量[7]，参考固定管电流125 mAs，管电压 120 kV，层厚5.00 mm，扫描范围从腰1(L1)椎体上缘至腰5(L5)椎体下缘，扫描后，重建层厚1.50 mm，层间距1.50 mm，将数据传至QCT PRO工作站，采用配套QCT PRO5.10软件(Mindways Software Inc., Austin, TX, USA)测量L1～L3椎体体积BMD(单位：mg/cm3)。在轴向、矢状和冠状图像上，将感兴趣区域(region of interest, ROI)放置在L1～L3椎体中央，为避免皮质骨部分容积效应，ROI边缘离椎体边缘应>3 mm。最终BMD值取L1～L3椎体vBMD的平均值。根据BMD值，将受试者分为2组，骨量正常组(≥120 mg/cm3)，骨量减少组(<120 mg/cm3)[8]。

1.2.2腰腹肌群肌量测定：通过QCT PRO5.10 软件进行腰腹肌群定量体脂成分分析(CT值介于-29～+150HU)[9]，将其分为腹壁肌群、腹直肌、椎旁肌群、椎后肌群及腰大肌5组，如图1所示，其中腹壁肌群=L3椎体中部层面总肌量-椎旁肌群-内脏，腰大肌=椎旁肌群-(腰方肌+椎后肌群)，沿各组肌肉边界手动绘制闭合轮廓，软件自动计算出轮廓内各组肌群横断面积。QCT诊断肌少症尚无统一指标，目前大部分文献评价肌少症的指标主要为L3椎体中部层面肌肉横断面积及使用身高对肌肉面积校正得到的肌指数 (skeletal muscle mass index, SMI)，即肌指数=肌肉面积/身高2[10]，本文亦采用SMI作为衡量指标，分别计算L3椎体中部层面各组肌群SMI，同时扫描时嘱患者屏气，以减少呼吸运动对测量的影响。正式测量之前随机选择30例受试者(男女各15例)，由具有3年以上骨肌放射诊断经验且经培训的甲乙两名医师在同一台机器上采用同一方法分别勾画ROI，甲乙均不知晓受试者临床信息，1周后甲使用同一方法重复测量一次。以组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)≥ 0.75作为相关性良好的评判标准。

注：a-b：腹壁肌群；c：腹直肌；d：椎旁肌群e：椎后肌群=；d-f：腰大肌。图1 腰腹肌群分组Fig.1 Lumbar abdominal muscle grouping

1.2.3性激素测定：对所有受试者进行性激素测定，男性测定睾酮水平，女性测定雌二醇水平，单位以pmol/L表示，检测试剂来源：国润医疗供应链服务(上海)有限公司。

1.3 统计学处理

2 结果

2.1 重复性评估操作者间差异

甲乙两位操作者分别测得的腰椎BMD及腹壁肌群、腹直肌、椎旁肌群、椎后肌群、腰大肌各组肌群面积的ICC为0.966、0.974、0.876、0.967、0.939、0.810，两位操作者测量结果相关性良好。操作者差异：甲2次测得的腰椎BMD及上述5组肌群面积的ICC为0.969、0.959、0.750、0.973、0.930、0.820，测量结果相关性良好。说明该测量方法具备较好的重复性，之后所有指标由甲独立测定。

2.2 骨量正常组及骨量减少组各组肌群SMI比较

不同性别两组BMD与各组肌群SMI见表1，各组肌群SMI与BMD间相关性见表2。男女骨量减少组各组肌群SMI均低于骨量正常组。男性腹直肌及椎旁肌群SMI两组间差异有统计学意义(P<0.05)，Pearson 相关分析后腹直肌SMI与BMD值呈弱正相关(r=0.270,P=0.018; 校正年龄因素后r=0.251,P=0.029)；女性腹壁肌群及腹直肌SMI两组间差异有统计学意义(P<0.05)，除腰大肌外，各组肌群SMI与BMD值呈弱正相关，腹直肌相关性最高(r=0.415，P<0.001；校正年龄因素后r=0.301,P=0.001)。

2.3 骨量正常组及骨量减少组性激素水平比较

不同性别两组性激素值见表3，男性两组间睾酮差异无统计学意义，女性骨量减少组雌二醇水平远低于骨量正常组(P<0.001)。

表1 不同性别骨量正常组与骨量减少组BMD与各组肌群SMITable 1 BMD and each muscle group SMI of the normal group and low bone mass group in different sexes

表2 不同性别各组肌群SMI与BMD值相关性

2.4 BMD及各组肌群SMI与性激素相关性分析

不同性别BMD及各组肌群SMI与性激素的相关性见表4。男性中，BMD及各组肌群SMI与睾酮相关性均无统计学意义。而女性中，BMD与激素呈中度正相关(r=0.452,P<0.001)，腹直肌、腹壁肌群SMI与雌二醇呈弱正相关(r=0.227,P=0.017;r=0.213,P=0.023)。

表3 不同性别骨量正常组与骨量减少组性激素水平

2.5 不同性别各组肌群SMI诊断低骨量效能分析

分别对不同性别使用ROC曲线分析，将骨量减少(BMD<120 mg/cm3)作为诊断阳性标准，男性受试者各组肌群SMI的诊断效能见图2、表5，女性受试者各组肌群SMI的诊断效能见图3、表6。男性中，腹直肌SMI诊断低骨量效能较高(area under curve, AUC=0.679，P=0.003 3)，当其取最佳诊断阈值点3.84 cm2/m2时，敏感度77.42 %、特异性60.87 %、阳性预测值57.1 %、阴性预测值80.0、%；女性中，腹直肌SMI与椎旁肌群SMI诊断骨量减少效能较高(AUC=0.669,P=0.001 1, AUC=0.655,P=0.003 0)，当腹直肌SMI取最佳诊断阈值点2.71 cm2/m2时，敏感度57.89 %，特异性75.47 %，阳性预测值71.7 %，阴性预测值62.5 %。

表4 不同性别BMD及各组肌群SMI与激素的相关性

图2 男性各组肌群SMI的ROC曲线分析Fig.2 ROC curve analysis of each muscle group SMI in males

表5 男性各组肌群SMI的ROC曲线分析Table 5 ROC curve analysis of each muscle group SMI in males

表6 女性各组肌群SMI的ROC曲线分析Table 6 ROC curve analysis of each muscle group SMI in females

图3 女性各组肌群SMI的ROC曲线分析Fig.3 ROC curve analysis of each muscle group SMI in females

3 讨论

肌少症和骨质疏松的发生率均随增龄而增加，随着年龄增长，人体机能衰退，骨骼肌肉系统退变，主要表现为肌肉萎缩、骨量下降，进而引起肌力减退、运动能力下降、骨脆性增加等等[11]。文献报道60岁以上人群中约有5 %～13 %肌肉质量低，而80岁以上人群中高达50 %[12]。肌肉含量、强度及功能下降可显著增加OP风险，而骨量下降也会明显增加肌少症患病率[13]，有学者将肌少症和OP共同存在时称为活动障碍综合症[14]，二者相互影响，使老年人易于跌倒和脆性骨折，致残、病死率大大上升。在本研究中，我们观察到骨量减少组腰腹肌群SMI均低于骨量正常组，这与国内外以往的研究结果相似。Kim等[15]对绝经后女性进行MRI研究后发现，OP压缩性骨折者椎旁肌群肌肉面积下降，肌内脂肪浸润程度增加。李新彤等[6]运用QCT研究成年女性椎后肌群与腰椎骨密度的关系得到类似结果，青中年组椎后肌群脂肪面积及脂肪肌肉比均低于老年组，而椎后肌群肌肉面积高于老年组。尽管研究方法与本研究有所不同，但结果存在一致性，即骨量下降与肌肉退变存在相关性。

本研究显示男性腹直肌及椎旁肌群SMI在骨量正常与骨量减少组两组间差异存在统计学意义，女性腹壁肌群及腹直肌SMI两组间亦有显著差异，相关分析提示不同性别的腹直肌SMI与BMD值均呈弱正相关，校正年龄因素后结果并未受到明显影响，基于以上结果，推测腹直肌与腰椎BMD相关性最大，腹壁肌群与椎旁肌群次之。腹直肌位于腹前壁正中线两侧，被包埋于腹直肌鞘内，该肌肉收缩可使脊柱前屈、侧屈及骨盆前倾，此外，该肌还具有维持负压、协助呼吸、排便及分娩等作用。一些体育运动如仰卧举腿、仰卧起坐及平板直撑可锻炼和发展该肌力量。腹壁肌肉由腹直肌和两侧腹内外斜肌、腹横肌组成，是腰腹肌肉除去椎旁肌群和内脏的部分。中老年人群运动减少，脂肪重新分布，腰腹脂肪堆积明显，脊柱活动度下降，是影响骨密度的重要因素。椎旁肌群主要包括腰大肌、腰方肌及椎后肌群，椎旁肌群与脊柱空间位置及功能密切相关，对维持脊柱稳定，保持平衡和活动度具有重要作用。有研究发现椎旁肌肉面积与腰椎骨密度呈正相关[5]，其中椎后肌群退变与肌少症关系密切，其中的竖脊肌由多起点不同肌束组成，肌束间隙疏松，对抗脂肪浸润能力差，随年龄增加，脂肪浸润程度增加，肌肉萎缩。

Hayashi等[16]运用ROC曲线评价四肢骨骼肌肌指数(appendicular skeletal muscle mass index, ASMI)对慢性肝病患者骨量减少和OP的诊断效能，其中，ASMI诊断骨量减少时男女AUC分别为0.656、0.554，诊断OP时男女AUC分别为0.768、0.718，认为ASMI可能是慢性肝病患者OP的潜在预测因素，但目前尚未见文献评价腰腹肌群对骨量减少或OP的诊断效能。本研究结果同样提示腹直肌SMI与骨量减少的相关性高于其他各组肌群。男女性受试者腹直肌SMI预测骨量减少均具有统计学意义，男性当腹直肌SMI取最佳诊断阈值点3.84 cm2/m2时，敏感度77.42 %、特异性60.87 %、阳性预测值57.1 %、阴性预测值80.0 %；女性当腹直肌SMI取最佳诊断阈值点2.71 cm2/m2时，敏感度57.89 %、特异性75.47 %、阳性预测值71.7 %、阴性预测值62.5 %，故本研究认为腹直肌对预测低骨量的价值高于其他肌群，当然本研究样本量相对较小，未来还需要大样本进一步研究验证。

研究报道随着年龄的增长，男性睾酮水平呈缓慢持续下降，各个年龄段并无显著性差异[17]，因此对骨量流失影响不明显，而女性绝经后，雌激素水平急剧降低，导致骨量流失，继而OP风险大大提高[18]，本研究结果与以往研究相符。目前有关性激素与肌肉退变间的关系及其作用机制的相关研究并不常见。本研究中，我们发现，男性BMD及各组肌群SMI与睾酮间均无明显相关性。然而，之前有研究显示睾酮水平下降与肌肉面积下降、肌肉力量丧失相关[19-20]，产生这种差异的原因可能是本研究样本人群相对较少。对于雄激素影响肌肉退变的具体机制尚未达成共识。体外实验证实睾酮可剂量依赖地促进星状细胞数量增加[21]。Dubois等[22]认为雄激素可能通过上调卫星细胞中雄激素受体水平增强卫星细胞对雄激素的敏感性。目前普遍认可的是雄激素促合成代谢机制可促进肌肉肥大[23]，因此，使用雄激素增加老年人的肌肉质量和功能正逐渐被临床接受[24]。关于雌激素影响肌肉退变的机制，Collins等[25]的研究发现雌激素通过作用于热休克蛋白(heat shock proteins, HSPs)保护骨骼肌免受凋亡。Sipilä等[26]发现绝经后女性的肌量和骨密度呈线性下降趋势，绝经后女性的肌量和骨密度值明显低于绝经前女性。本研究亦发现女性BMD与激素呈中度正相关，腹直肌及腹壁肌群SMI与雌二醇呈弱正相关，这与上述研究结果相符。

本研究存在以下不足：①样本量相对较小；②未进行各组肌肉与OP的相关性研究；③女性患者未按绝经与否进行进一步分类。

综上所述，本研究显示中老年人群腰腹肌群肌肉退变与腰椎骨密度存在一定相关性，其中腹直肌相关性最佳，有望为预测骨量减少提供新的影像学标志物。