定量 CT 测量不同层面腰部椎后肌群体质成分的差异及相关性研究

李新彤 姚宁 蔡韦 王玲 程晓光

肌少症 ( Sarcopenia ) 是随着年龄增长进行性出现全身肌肉减少，强度下降以及肌肉生理功能减退的综合征，是一种全身性疾病，其存在会导致人群跌倒、骨折、身体残疾、甚至死亡等不良临床结果的发生率增加[1]。骨骼肌的定量测量是筛查和监测肌少症的关键，也是目前国内外的研究热点之一。CT、MRI 等影像学检查可以对骨骼肌进行定量测量，在评估骨骼肌退变及诊断肌少症中发挥着重要作用[2]。目前对于骨骼肌测量部位及层面尚没有统一的标准，以往的许多研究是以 L3椎体中部水平的整体肌肉或单独椎后肌群的情况作为诊断依据[3-4]。本研究利用定量 CT 测量 L3及 L5椎体中部层面的椎后肌群，研究这两个层面椎后肌群体质成分的差异及相关性，并且探讨骨骼肌测量层面的选择及替代。

资料与方法

一、纳入标准与排除标准

1. 纳入标准：( 1 ) 2013年 1月至 2016年 12月，在我院参加骨科退行性疾病病因学研究的社区志愿者；( 2 ) 接受腰椎 CT 扫描者；( 3 )年龄 21～60 岁者；( 4 ) 已签署知情同意书者；( 5 ) 人体参数信息及病史资料完整者。

2. 排除标准：( 1 ) 既往有腰部手术史者；( 2 ) 椎体及椎旁存在占位性、感染性病变者；( 3 ) 腰椎侧弯畸形及骨折移位者；( 4 ) 患有严重器质性疾病及恶病质者；( 5 ) 图像质量无法满足后处理分析需求者；( 6 ) 资料不完整者。

二、方法

1. 腰椎 CT 扫描：志愿者仰卧于 Toshiba Aquilion 80 排 CT 扫描床中央，腰部下方加垫 Mindways 公司校准体模，双手上举至头顶，进行腰椎 CT 扫描。扫描参数为床高 120 cm、电压 120 kV、电流 250 mAs、扫描视野 500 mm、层厚 1.00 mm、矩阵 512×512，扫描范围自 T12椎体下缘至 S1椎体上缘。

2. 测量方法：使用 Mindways 公司 QCT 测量分析软件工作站 ( Mindways QCT PRO ) 对腰椎 CT 扫描的容积数据进行测量。参照以往研究中的椎后肌群测量方法 ( 图 1 )[3-4]，选择软件中“tissue composition”功能模块，通过扫描定位像，选取 L3及 L5椎体中部层面的轴位图像，沿椎后肌群边缘手动分割圈画感兴趣区。提前设置肌肉组织阈值为 996～1153 mg / cm3、脂肪组织阈值为 833～995 mg / cm3，软件自动区分肌肉及脂肪组织并得出相应横截面积 ( cm2)，即肌肉横截面积 ( cross-sectional muscle area，CSMA )、肌间隙脂肪面积 ( intra-muscular adipose area，IMAA )，依据公式 IMAA / ( IMAA + CSMA )×100% 得出肌肉脂肪浸润程度 ( muscle fat infiltration，MFI )。操作者为一位经过专业培训的放射科主治医师，复核人员为一位高年资医师，测量方法的准确性及重复性已在以往研究中得到良好证明[5-6]。

图1 椎后肌群体质成分测量示意图a：L3 层面；b：L5 层面 ( 点状绿色套索为圈画的感兴趣区，黄色区域代表肌肉组织，蓝色区域代表脂肪组织 )Fig.1 Measurement of posterior vertebral muscle composition a: L3 level; b: L5 level( Punctate green lasso was the region of interest, with yellow areas representing muscle tissue and blue areas representing adipose tissue )

三、统计学处理

本研究中的所有数据使用 SPSS 19.0 统计软件进行处理分析。定量资料使用 K-S 正态分布检验后，采用±s形式表示。使用独立样本t检验比较男女之间椎后肌群的差异。使用配对样本t检验比较 L3及 L5层面椎后肌群参数的差异。使用 Person 相关分析对 L3、L5层面椎后肌群体质成分进行相关性分析。分别以 L3层面 CSMA、IMAA、MFI 为因变量，L5层面 CSMA、IMAA、MFI 为自变量进行线性回归分析，得到线性回归方程。P＜ 0.05 视为差异有统计学意义。

结 果

一、志愿者基线特征

本研究共纳入 659 名志愿者，年龄 21～60 岁，平均 ( 39.3±8.5 ) 岁，男性 276 名 ( 41.9% )，女性383 名 ( 58.1% )。其中，男性的身高、体重、体质量指数 ( body mass index，BMI )、腰围、臀围均大于女性，差异有统计学意义；男性的年龄与女性比较，差异无统计学意义 ( 表 1 )。

表1 不同性别基线特征及椎后肌群体质成分比较 (±s )Tab.1 Comparison of baseline characteristics and posterior vertebral muscle composition between different genders ( ±s )

表1 不同性别基线特征及椎后肌群体质成分比较 (±s )Tab.1 Comparison of baseline characteristics and posterior vertebral muscle composition between different genders ( ±s )

变量男性 ( n = 276 ) 女性 ( n = 383 ) t 值P 值年龄 ( 岁 ) 39.20± 7.90 39.40± 8.90 -0.398 0.691身高 ( cm ) 170.80±15.90 161.00± 6.20 10.944＜ 0.001体重 ( kg ) 77.10±13.70 62.10±10.40 15.365＜ 0.001 BMI 26.20± 3.50 24.30± 8.60 3.418 0.001腰围 ( cm ) 90.20±10.70 80.10±10.60 11.961＜ 0.001臀围 ( cm ) 100.40± 8.60 96.50± 6.80 6.434＜ 0.001 L3 CSMA ( cm2 ) 57.40± 9.01 39.59± 6.59 27.905＜ 0.001 L3 IMAA ( cm2 ) 3.81± 1.99 3.78± 2.09 0.188 0.851 L3 MFI ( % ) 6.20± 2.91 8.63± 3.94 -9.091＜ 0.001 L5 CSMA ( cm2 ) 26.63± 5.99 23.28± 5.26 7.450＜ 0.001 L5 IMAA ( cm2 ) 6.78± 2.60 8.88± 3.05 -9.514＜ 0.001 L5 MFI ( % ) 20.50± 7.25 27.77± 8.59 -11.755＜ 0.001

二、不同性别椎后肌群体质成分差异

男性 L3及 L5层面椎后肌群的 CSMA 均明显大于女性，MFI 均明显小于女性，差异有统计学意义；男性 L5层面椎后肌群 IMAA 小于女性，差异有统计学意义。而 L3层面椎后肌群 IMAA 与女性的差异无统计学意义 ( 表 1 )。

三、L3 及 L5 层面椎后肌群体质成分差异

L3层面椎后肌群 CSMA 明显大于 L5层面，而IMAA 及 MFI 明显小于 L5层面，差异有统计学意义( 表 2 )。

表2 L3 及 L5 层面椎后肌群体质成分的差异 (±s )Tab.2 Difference of posterior vertebral muscle composition at L3 and L5 levels ( ±s )

表2 L3 及 L5 层面椎后肌群体质成分的差异 (±s )Tab.2 Difference of posterior vertebral muscle composition at L3 and L5 levels ( ±s )

变量L3 层面L5 层面t 值P 值CSMA ( cm2 ) 47.05±11.6824.68±5.81 55.850＜ 0.001 IMAA ( cm2 ) 3.79± 2.05 8.00±3.05-34.788＜ 0.001 MFI ( % ) 7.61± 3.7424.73±8.82-57.774＜ 0.001

四、L3 及 L5 层面椎后肌群体质成分的相关性及线性回归分析

L3及 L5层面椎后肌群的 CSMA (r男性= 0.459、r女性= 0.365，P＜ 0.01 )、IMAA (r男性= 0.336、r女性=0.325，P＜ 0.01 )、MFI (r男性= 0.421、r女性= 0.455，P＜ 0.01 ) 分别呈正相关。以 L3CSMA 为因变量 ( Y )，L5CSMA 为自变量 ( X ) 进行线性回归分析，得到回归方程：Y男性= 0.690X + 39.034，Y女性= 0.458X +28.943；以 L3IMAA 为因变量 ( Y )，L5IMAA 为自变量 ( X ) 进行线性回归分析，得到回归方程：Y男性=0.258X + 2.062，Y女性= 0.223X + 1.797；以 L3MFI 为因变量 ( Y )，L5MFI 为自变量 ( X ) 进行线性回归分析，得到回归方程：Y男性= 0.169X + 2.739，Y女性=0.208X + 2.841。所有回归方程均有统计学意义 (P＜0.001 ) ( 图 2～4 )。

图2 L3 及 L5 层面椎后肌群 CSMA 相关性 ( 男性：Y = 0.690X +39.034，r = 0.459，调整 R2 = 0.207，P ＜ 0.001；女性：Y = 0.458X +28.943，r = 0.365，调整 R2 = 0.131，P ＜ 0.001 )Fig.2 Correlation between the CSMA of posterior vertebral muscle at L3 and L5 levels. For males, regression equation ( Y = 0.690X +39.034, r = 0.459, adjusted R2 = 0.207, P ＜ 0.001; For females,regression equation: Y = 0.458X + 28.943, r = 0.365, adjusted R2 =0.131, P ＜ 0.001 )

图3 L3 及 L5 层面椎后肌群 IMAA 相关性 ( 男性：Y = 0.258X +2.062，r = 0.336，调整 R2 = 0.109，P ＜ 0.001；女性：Y = 0.223X +1.797，r = 0.325，调整 R2 = 0.103，P ＜ 0.001 )Fig.3 Correlation between the IMAA of posterior vertebral muscle at L3 and L5 levels ( For males, regression equation: Y = 0.258X + 2.062,r = 0.336, adjusted R2 = 0.109, P ＜ 0.001; For females, regression equation: Y = 0.223X + 1.797, r = 0.325, adjusted R2 = 0.103, P ＜0.001 )

图4 L3 及 L5 层面椎后肌群 MFI 相关性 ( 男性：Y = 0.169X +2.739，r = 0.421，调整 R2 = 0.174，P ＜ 0.001；女性：Y = 0.208X +2.841，r = 0.455，调整 R2 = 0.205，P ＜ 0.001 )Fig.4 Correlation between the MFI of posterior vertebral muscle at L3 and L5 levels ( For males, regression equation: Y = 0.169X + 2.739,r = 0.421, adjusted R2 = 0.174, P ＜ 0.001; For females, regression equation: Y = 0.208X + 2.841, r = 0.455, adjusted R2 = 0.205, P ＜0.001 )

讨 论

根据亚洲肌少症委员会 2019 共识 ( AWGS 2019 )的最新诊断标准，我国中老年人群中可疑肌少症、肌少症及严重肌少症的患病率分别为 38.5%、18.6%、8.0%，并且患病率随着年龄的增长而增加[7]。骨骼肌随着年龄的增加而逐渐发生退变，一方面肌纤维减少及萎缩引起肌肉质量减少，另一方面肌细胞间脂肪细胞增生及肌细胞内脂质沉积引起肌肉脂肪浸润，从而导致肌肉力量下降和肌肉功能减退，严重时可以诊断肌少症[8-9]。

在 CT 图像上，可以采用手动或半自动的分割方法圈画感兴趣肌肉或肌群，尔后通过两种方式定量评估骨骼肌退变情况[10]：一是通过由于脂肪浸润引起的骨骼肌 CT 值降低，如测量骨骼肌与皮下脂肪 CT 值的比值，比值越小，表示骨骼肌的脂肪浸润程度越严重；二是利用设置 CT 值阈值的方式直接识别肌肉组织及肌间隙脂肪组织，得出 CSMA、IMAA及 MFI，本研究采用的是后者。既往研究表明腰部的 CSMA 与全身肌肉质量密切相关[11-13]，并且肌肉内脂肪含量与身体功能有关[14-16]。目前许多研究通过测量 L3椎体层面的椎旁肌群或腹部整体肌群来进行研究，如研究骨骼肌的增龄性改变[3-4]，骨骼肌与骨密度的相关性[17]，以及研究诊断肌少症的肌肉参数临界值[18-19]。但是临床 CT 扫描范围时常不包括 L3椎体，因此肌肉的测量也不应局限于 L3椎体水平，需要寻找 L3的替代层面。

Lee 等[20]认为椎后肌群的退变从最下方的腰椎关节开始，并随着年龄的增加逐渐向上层延伸。本研究结果显示 L3及 L5层面椎后肌群的体质成分存在显著差异，腰部椎后肌群的肌纤维在 L3层面更为发达，而肌肉脂肪浸润在 L5层面更加明显，说明 L5层面对于评估椎后肌群退变较 L3层面更为敏感，与文献报道一致[20]。相关性研究结果显示 L3及 L5两个层面椎后肌群的 CSMA、IMAA、MFI 分别呈正相关，提示测量单层肌肉体质成分可以用于评估整体肌肉改变，并且肌肉测量层面可以进行替代。本研究中建立了回归方程，可以进行两层面椎后肌群体质成分数据的换算。此外可以通过大数据分析，建立每个层面椎后肌群体质成分的正常范围参考值，以更广泛的用于临床肌少症诊断和评估，例如Derstine 等[21]的研究。

在对男女椎后肌群体质成分进行比较时发现，男性 L3及 L5层面椎后肌群的 CSMA 明显大于女性，而 MFI 明显小于女性，存在明显的性别差异，与以往的研究结果基本一致[3,22]。遗传物质的不同导致男性与女性在身体结构、代谢水平、体质构成等方面存在显著差异。目前普遍认为雄激素可以对骨骼肌的蛋白质代谢进行调控，在肌肉质量维持中发挥着重要的作用，雄激素也已被用于治疗肌少症。研究表明男性体内较高水平的雄激素能够在雄激素受体介导下，通过 IGF-1 / Akt、GPCR、ERK / mTOR 等多种信号通路促进肌细胞的蛋白质合成代谢，使肌肉质量增加[23-25]。

综上所述，本研究基于定量 CT 测量 L3及 L5层面椎后肌群的体质成分，两个层面的 CSMA、IMAA、MFI 存在显著差异，并且分别呈正相关，肌肉测量层面可以进行替代。两层面的数据可以通过建立回归方程进行换算，也可以通过大数据分析，建立每个层面椎后肌群体质成分的正常范围参考值。后期需要进行多中心、大样本研究，为肌少症的诊断筛查和监测提供数据依据。