不同勾画方法及参数定量评估DLS患者椎旁肌退行性改变的MRI特点*

邓亚利,赵 骏,黎 川,罗 飞,陈 伟,何 敏△

(陆军军医大学第一附属医院:1.放射科;2.7T磁共振转化医学中心;3.骨科,重庆 400038)

退行性腰椎侧凸(degenerative lumbar scoliosis,DLS)是成年人在骨骼发育成熟后伴随脊柱的退行性改变而首次形成的一种脊柱畸形,好发于老年人群,患病率为7.5%～68.0%[1]。DLS患者常伴有腰痛、跛行等临床症状,影响患者生活质量。椎旁肌作为人体躯干姿势肌,参与维持脊柱的稳定和运动[2],其退变情况和DLS患者生活质量密切相关[3]。

椎旁肌主要包括多裂肌、竖脊肌、腰大肌,其退变以形态和成分的两种改变为主,表现为横截面积(cross-sectional areas,CSA)萎缩和脂肪浸润(fatty infiltration,FI)增加[4-5],在DLS患者中同时会出现左右侧椎旁肌不对称性改变。准确定量肌肉脂肪化程度有机会诊断和分级各类疾病情况[6-7],而椎旁肌FI的过程实际包含肌肉内部的浸润和外部边界处脂肪的积累[8],因此不同感兴趣区(region of interest,ROI)的勾画方法可能会产生不同的结果,以往较少进行区分。作者在团队成员前期工作的基础上,利用多回波Dixon-vibe序列的高时间分辨率、解剖可视化、水脂分离准确性高等特点[9],在图像上执行两种不同的勾画方法,获得多种定量参数,以期从方法学角度出发定量评估DLS患者椎旁肌退行性改变的MRI特点。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019年8月至2022年3月于本院确诊为退行性脊柱畸形的患者59例。纳入标准:(1)年龄>50岁,腰段侧凸,冠状位X线片测量Cobb角>10°;(2)首次确诊,未进行任何物理康复治疗;(3)无MRI检查禁忌证。排除标准:(1)有脊柱方面肿瘤、放化疗史,强直性脊柱炎,脊柱结核、感染,类风湿骨关节疾病等;(2)有腰部手术史、腰椎骨折、峡部裂、腰椎滑脱、骨盆骨折等;(3)有糖尿病、骨质疏松等全身性疾病。最终排除后凸、胸段侧凸患者26例,入组DLS患者33例为试验组,同期招募健康志愿者35例为对照组。两组受试者性别、年龄等人口统计学资料比较差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性,见表1。本研究获得本院伦理委员会批准(KY2020235),受检者均签署知情同意书。

表1 两组人口统计学资料比较

1.2 方法

1.2.1MRI扫描方案及参数

采用3.0T超导核磁共振仪(德国西门子公司,型号:Trio)和6通道体表线圈完成腰椎常规序列和多回波Dixon-vibe序列MRI检查。扫描序列参数如下。(1)矢状位FSE T2WI、T1WI序列:重复时间=3 820 ms、644 ms,回波时间=86 ms、9.5 ms,层厚=3 mm、3 mm,矩阵=384×288、384×288,视野=400 mm×400 mm、400 mm×400 mm;(2)第3腰椎至第1骶椎3个椎间盘横轴位FSE T2WI序列、第4腰椎至第5腰椎椎间盘(L4/5)横轴位Dixon-vibe序列:重复时间=3 100 ms、9.05 ms,回波时间=94 ms、1.23/2.48/3.73/4.98/6.23/7.48 ms,层厚=3 mm、3 mm,矩阵=384×288、256×256,视野=210 mm×210 mm、420 mm×328 mm,扫描时间=90 s、45 s。

1.2.2勾画方法

在腰椎冠、矢状定位图中以L4/5中心层面为Dixon-vibe序列扫描中心,扫描基线分别平行上下终板,序列扫描重建后图像自动上传至后处理工作站,选择L4/5中心层面Dixon-vibe序列对应的脂相图,使用工具栏画笔勾画层面内椎间盘、椎旁肌(多裂肌、竖脊肌、腰大肌)ROI,复制并粘贴至同层面水相图中,获得该层面内椎间盘和左右侧椎旁肌的横截面积大小、水信号值(SIwater)、脂信号值(SIfat)。两名医师对多裂肌和竖脊肌采用不同的勾画方法:(1)不包含已退变的脂性成分筋膜,仅包含呈现低信号的纯肌肉面积,定义为纯肌肉横截面积(pure CSA,PCSA);(2)包含周边已退变为脂性成分的高信号筋膜在内,定义为总肌肉横截面积(total CSA,TCSA),见图1。分析两种勾画方法的一致性。

A、C:脂相图;B、D:水相图;1、2:双侧多裂肌的PCSA勾画方法;3、4:双侧竖脊肌的PCSA勾画方法;5、6:双侧腰大肌勾画方法;7:椎间盘勾画方法;8、9:双侧多裂肌的TCSA勾画方法;10、11:双侧竖脊肌的TCSA勾画方法。

1.2.3观察指标

比较两组受试者以下指标。FI=SIfat/(SIfat+SIwater),两种勾画方法分别获得总肌肉脂肪浸润(total muscle fatty infiltration,TMFI)、纯肌肉脂肪浸润(pure muscle fatty infiltration,PMFI);相对横截面积(relative CSA,RCSA)=CSA/同层面椎间盘面积,包括相对TCSA(RTCSA)、相对PCSA(RPCSA);左右侧椎旁肌CSA和FI的不对称程度(AR)=(大侧值-小侧值)/大侧值,包括TCSA和TMFI不对称性(ARTCSA和ARTMFI),PCSA和PMFI不对称性(ARPCSA和ARPMFI);椎旁肌相对功能面积(relative function CSA,RFCSA)=(1-PMFI)×RPCSA。

1.3 统计学处理

2 结 果

2.1 一致性分析

对DLS患者L4/5层面多裂肌和竖脊肌的PCSA、TCSA进行勾画测量,ICC均>0.75,一致性较好,见表2。

表2 多裂肌和竖脊肌不同勾画方法的一致性分析

2.2 椎旁肌各参数比较

试验组多裂肌和竖脊肌TMFI、PMFI均明显大于对照组(P<0.05),但腰大肌TMFI差异不明显(P>0.05)。试验组多裂肌RPCSA、RTCSA、RFCSA均明显小于对照组(P<0.05),但在竖脊肌和腰大肌中仅RTCSA差异明显(P<0.05)。在不对称性参数方面,两组多裂肌ARPMFI、ARTCSA,竖脊肌ARTMFI、ARPCSA,腰大肌ARTCSA比较差异有统计学意义(P<0.05),见表3。

表3 两组椎旁肌各参数比较

2.3 各参数ROC曲线分析

多裂肌TMFI、PMFI、RFCSA,竖脊肌ARPCSA,腰大肌RTCSA诊断DLS患者椎旁肌退行性改变的AUC分别为0.761 9、0.724 7、0.741 1、0.710 8、0.712 6,见图2。

图2 ROC曲线分析

3 讨 论

随着老龄化程度加剧,人们对生活质量的日益关注,退行性腰椎侧弯成为一个相当大的卫生保健问题[10]。椎旁肌作为维持腰椎稳定与运动的效应器[3],其退变情况与各种腰椎疾病和术后并发症相关[11-12]。不同程度的椎旁肌退变可导致双侧腰椎力失衡,加重腰椎侧凸的进展[13]。准确定量椎旁肌退变情况可以给DLS的临床诊疗提供重要的参考指标,而不同的勾画方法和定量参数选择是准确反映椎旁肌退变程度的先决条件。

FI被认为是椎旁肌成分变化的重要指标,FI增加会导致肌肉力量和耐力的丧失[14],往往伴随发生CSA的萎缩[15]。在本研究中,通过TCSA和PCSA两种勾画方法获得的FI和CSA结果的一致性均较好,说明多回波Dixon-vibe序列MRI图中执行的两种勾画方法在DLS患者中具有很好的应用可行性。多回波Dixon-vibe序列MRI对脂肪成分定量分析的准确性已得到验证,被认为可以获得与波普序列一致的结果[16],但本研究结果显示总肌肉和纯肌肉不同的ROI获得的FI不同。有报道显示,肌肉退变形成的脂性成分分布于椎旁肌周边、内部及肌细胞中[17],而在DLS患者中多裂肌和竖脊肌的退变十分突出[18],大量肌纤维成分被脂肪所替代,在肌肉周边和内部形成堆积。因此在评估肌肉的FI总体情况时,应包含已形成的脂肪成分在内[1],而在评估肌肉剩余功能情况时,剔除肌细胞中已退变的脂性成分再乘以纯肌肉面积获得的定量指标将会更加准确[1]。

本研究结果显示,在试验组中多裂肌、竖脊肌两种勾画方法的TMFI、PMFI明显大于对照组,腰大肌TMFI的差异不明显,同时多裂肌的TMFI、PMFI表现出更明显的差异。说明在退行性改变进程中,多裂肌、竖脊肌、腰大肌所承担的负荷比例依次减小,这一结果与各椎旁肌和腰椎的亲密程度相对应[18]。另有报道显示,多裂肌承担脊柱相对运动过程中2/3以上刚度[19],而大的负荷压力势必会加重多裂肌的退变。在本研究结果中,多裂肌CSA相关参数也明显小于对照组,尤其是RFCSA参数表现出更明显的差异,与喻学科等[20]研究结果相一致。说明严重的退变存在于多裂肌内部和外周,同时在多裂肌各参数ROC曲线分析中,也进一步说明RFCSA值可能会是多裂肌功能状态的代表性参数,它的AUC值仅低于TMFI,而TMFI可能是最能揭示多裂肌退行性改变程度的参数。

在竖脊肌中,尽管肌肉内部和外周均表现出明显的FI现状,但面积相关的参数与对照组的差异却不明显,引人注意的是竖脊肌ARPCSA明显大于对照组(P=0.003),这一退行性改变特点与多裂肌的情况不同,原因可能和肌肉肌纤维的分布特点相关。多裂肌肌纤维呈节段性分布[21],受腰神经后支的内侧支独立支配,失神经支配后造成退变;而竖脊肌肌纤维呈多节段整体性分布[22],可通过代偿作用纠正来自躯干不对称的承受力。有研究显示,脊柱侧弯患者在脊柱两侧承受了不对称的压力负荷,这是不对称的椎旁肌萎缩和FI的原因[3]。因此,生物力学变化可能是导致椎旁肌不对称变化主要原因之一。

腰大肌作为两侧对称分布的腰椎前肌群,在维持腰椎冠状面稳定方面起着重要作用[14],在本研究中腰大肌CSA表现出明显的不对称性,与不对称的生物力学变化相关[23]。与多裂肌、竖脊肌不同,腰大肌受FI很小,与对照组差异也不明显,但RCSA比对照组患者明显减小,这与FORTIN等[23]的报道结果相似。分析原因可能是受拉伸的肌肉并未出现超负荷或病理性改变,侧弯导致一侧腰大肌被动拉长出现CSA缩小,另一侧处于相对松弛,弓玄效应产生了在CSA上的改变[24]。由此可见,腰大肌主要因为生物力学改变从而发生RCSA缩小和左右不对称改变,但并未发生由FI引起形态萎缩导致的功能下降,因此并未在测量方法上进行区分,相对面积大小即是它最敏感的特征性参数代表。

本研究也存在一定的局限性:(1)样本量相对较小,仅来自一个中心,受限于多数DLS患者老年化,往往已经伴随其他慢性基础疾病,导致入组难度增加;(2)对DLS患者的侧弯严重程度没有进行区分;(3)只评估了L4/5层面,没有对所有层面进行总体评估,因为L4/5层面在以往研究中被认为是椎旁肌退行性改变的代表性层面[17]。将在进一步的研究中避免这些缺点。

综上所述,多回波Dixon-vibe序列对DLS患者多裂肌和竖脊肌执行的两种勾画方法具有较好的一致性。DLS患者L4/5层面椎旁肌退变的主要表现特点:多裂肌肌肉内、外部脂性成分增加,相对功能面积减小;竖脊肌纯肌肉面积的不对称程度增大;腰大肌相对的横截面积减小。