T2-mapping和化學(xué)位移成像定量觀察正常成人多裂肌內(nèi)少量脂肪的價(jià)值

王玉錦， 周舒暢， 祝婷婷

人體肌肉脂肪的含量與年齡、性別和體重指數(shù)(body mass index,BMI)等有關(guān)[1,2]。隨著年齡的增長(zhǎng)，肌肉含量逐漸減少。肌肉含量減少最早開始于20歲[3]。肌肉含量減少主要表現(xiàn)為肌纖維減少以及脂肪和結(jié)締組織等的增生浸潤(rùn)，以脂肪增生浸潤(rùn)為主。脂肪浸潤(rùn)是神經(jīng)肌肉疾病[4]、長(zhǎng)期失神經(jīng)萎縮、廢用和肌肉損傷后遺癥[5]等多種慢性骨骼肌疾患的主要病理過程。肌肉活檢是目前測(cè)量肌肉內(nèi)脂肪含量的金標(biāo)準(zhǔn)，然而有創(chuàng)性限制了其臨床應(yīng)用。因此，非侵入性的定量評(píng)估骨骼肌疾病中的脂肪浸潤(rùn)顯得尤為重要。

T2-mapping MRI能通過測(cè)量組織中每個(gè)體素的橫向弛豫時(shí)間定量研究組織內(nèi)成分[6-10]。骨骼肌的各種成分和分子改變均能影響T2值。既往采用非抑脂T2-mapping方法的研究結(jié)果顯示，T2值與肌肉的功能狀態(tài)呈顯著相關(guān)性[11,12]。然而非抑脂序列所得T2值同時(shí)受脂肪組織和水的影響，為區(qū)分二者的影響，進(jìn)一步提高檢測(cè)的敏感性，本研究采用T2-mapping抑脂序列與非抑脂序列所得的脂肪T2值定量檢測(cè)正常椎旁肌肉中的少量脂肪，同時(shí)采用磁共振化學(xué)位移成像(chemical shift imaging，CSI)的非對(duì)稱回波的最小二程估算法迭代水脂分離技術(shù)(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetric and least-squares estimation，IDEAL)對(duì)脂肪分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量，以探討T2-mapping和CSI技術(shù)定量檢測(cè)少量脂肪的可行性和敏感性，為主要病理表現(xiàn)為脂肪浸潤(rùn)的肌肉相關(guān)疾病提供診斷和療效評(píng)價(jià)的客觀依據(jù)。

材料與方法

1.研究對(duì)象

受檢者為56名成年健康中青年志愿者。男31例，女25例，年齡22～59歲，平均年齡(37.4±11.5)歲。所有受檢者均為久坐的伏案工作者，未定期進(jìn)行體育鍛煉；均無骨骼肌肉及神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無手術(shù)、外傷史。所有志愿者均遵循知情同意原則，自愿參加本研究。測(cè)量志愿者的身高、體重，并計(jì)算BMI。

2.MRI掃描

MRI掃描采用GE Signa 3.0T MRI掃描儀(Milwaukee,WI,U.S.A.)，8通道陣列脊柱線圈。掃描體位為仰臥位，頭先進(jìn)。掃描范圍從Th11椎體至S2椎體水平。常規(guī)掃描序列：矢狀面SE序列T1WI(TR 350 ms，TE 7.0 ms)、矢狀面T2WI(TR 2050 ms，TE 120 ms)、橫軸面T1WI(TR 360 ms，TE 10 ms)、橫軸面T2WI(TR 3860 ms，TE 107 ms)。

橫軸面T2-mapping：視野為18 cm×18 cm，矩陣為320×256，激勵(lì)次數(shù)1，層厚4.0 mm，層間距1.0 mm，TR 2000 ms，TE 13.9, 27.8, 41.6, 55.5, 69.4, 83.3, 97.2，111 ms共8個(gè)回波，掃描時(shí)間5 min 12 s。抑脂序列采用頻率選擇飽和法。

橫軸面IDEAL技術(shù)掃描參數(shù)：視野為18 cm×18 cm，矩陣為320×256，激勵(lì)次數(shù)3，層厚4.0 mm，層間距1.0 mm，TR 2000 ms，TE 85 ms。IDEAL序列掃描完成后進(jìn)行重建得到水像、脂像、正相位和反相位圖像。所有序列掃描前常規(guī)進(jìn)行勻場(chǎng)。

3.圖像處理方法

所有原始數(shù)據(jù)均傳輸至ADW4.4工作站，利用Fuction tool軟件包對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。在橫軸面T1WI圖像上進(jìn)行觀察，根據(jù)Goutallier分級(jí)系統(tǒng)對(duì)肌肉脂肪進(jìn)行半定量分級(jí)。Goutallier分級(jí)系統(tǒng)根據(jù)脂肪與肌肉的比例分為5級(jí)(圖1～5[13])：0級(jí)為正常肌肉；1級(jí)為少量脂肪條紋浸潤(rùn)；2級(jí)為<50%的脂肪浸潤(rùn)；3級(jí)為脂肪與肌肉相等；4級(jí)為>50%的脂肪浸潤(rùn)。

T2-mapping：參考常規(guī)MRI序列，以近L4椎體下終板層面勾畫多裂肌的范圍為感興趣區(qū)(ROI)，盡量避開皮下脂肪和骨組織(圖6a)，將相同ROI通過圖像匹配復(fù)制到T2-mapping抑脂圖像再次測(cè)量T2值(圖6b)，相應(yīng)部位左、右側(cè)ROI測(cè)量結(jié)果取平均值。皮下脂肪T2值為0說明抑脂均一、完全。肌肉內(nèi)脂肪的T2值計(jì)算見公式(1)。

T2值(脂肪)=T2值(非抑脂)-T2值(抑脂)

(1)

IDEAL圖像信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量：對(duì)同一受檢者在相同層面同一位置測(cè)量4種圖像的信號(hào)強(qiáng)度，ROI的選擇同T2-mapping。脂肪分?jǐn)?shù)η的計(jì)算見公式(2)，其中F為脂像信號(hào)強(qiáng)度，W為水像信號(hào)強(qiáng)度。

(2)

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

利用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。所有數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，并采用Kolmogorov-Smirnov進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。MRI測(cè)量值與年齡、性別、BMI之間的關(guān)系分別采用兩兩之間的Pearson相關(guān)分析和多元回歸分析。采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析T2值、T2值(脂肪)、脂肪分?jǐn)?shù)η的相關(guān)性。P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 雙側(cè)多裂肌均為Goutallier分級(jí)的0級(jí)。圖2 雙側(cè)多裂肌均為Goutallier分級(jí)的1級(jí)。圖3 雙側(cè)多裂肌均為Goutallier分級(jí)的2級(jí)。圖4 雙側(cè)多裂肌均為Goutallier分級(jí)的3級(jí)。圖5 左側(cè)多裂肌為Goutallier分級(jí)的4級(jí)，右側(cè)多裂肌為Goutallier分級(jí)的2級(jí)。

圖6 男，24歲。a) T2-mapping(非抑脂)偽彩圖，T2值為40.2ms； b) T2-mapping(抑脂)偽彩圖，T2值為35.9ms。

T2值(非抑脂)BBetaPT2值(脂肪)BBetaP脂肪分?jǐn)?shù)ηBBetaP年齡0.1150.2820.014*0.0440.3190.003*0.1260.2760.031*性別3.3590.3610.001*0.8110.2580.013*2.1570.2060.095BMI1.4780.5210.000*0.5480.5720.000*1.3220.4150.003*

注：B為非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，Beta為標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，*P<0.05。

結(jié) 果

1.基本資料

56名志愿者的基本資料見表1。根據(jù)Goutallier分級(jí)系統(tǒng)，L4/5層面多裂肌脂肪浸潤(rùn)程度為0級(jí)35例、1級(jí)17例和2級(jí)4例。

表1 56名志愿者的基本資料

2.MRI測(cè)量指標(biāo)與年齡、性別、BMI的相關(guān)性

計(jì)量資料經(jīng)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)均滿足正態(tài)分布(P均>0.05)。L4/5層面平均T2值(脂肪)為(6.1±1.58 ) ms(95%置信區(qū)間：5.7 ms，6.6 ms)。T2值(非抑脂)為(44.9±4.66) ms(95%置信區(qū)間：43.8 ms，46.2 ms)。MRI測(cè)量指標(biāo)與年齡、性別、BMI兩兩之間進(jìn)行Pearson相關(guān)分析的結(jié)果見表2。

表2 MRI測(cè)量參數(shù)與年齡、性別、BMI的相關(guān)性

注：r為Pearson相關(guān)系數(shù)，*P<0.05。

T2值(脂肪)與年齡、BMI顯著相關(guān)(P均<0.001)。T2值(非抑脂)與年齡、BMI亦呈顯著相關(guān)性(P均<0.001)。性別與T2值(脂肪)、T2值(非抑脂)之間均未見相關(guān)性(P均>0.05)。脂肪分?jǐn)?shù)η為28.39%±5.25%(95%置信區(qū)間：27.04%，29.75%)。年齡、BMI與脂肪分?jǐn)?shù)η均具有相關(guān)性(P<0.01，P<0.001)。

3.MRI測(cè)量參數(shù)與年齡、性別、BMI的多元線性回歸分析

多元線性回歸分析結(jié)果見表3。T2值(脂肪)、T2值(非抑脂)與年齡、性別、BMI均呈正相關(guān)(P均<0.05)；脂肪分?jǐn)?shù)η與年齡、BMI均呈正相關(guān)(P均<0.05)。

4.MRI脂肪含量測(cè)定參數(shù)之間的Pearson相關(guān)分析結(jié)果

T2值(脂肪)與脂肪分?jǐn)?shù)η間的相關(guān)性系數(shù)r為0.794(P<0.001)。

討 論

椎旁肌肉對(duì)維持脊柱穩(wěn)定性具有重要作用，軀干的正常姿勢(shì)、位置及脊柱生理彎曲都需要椎旁肌肉長(zhǎng)期的緊張來維持。隨著年齡的增長(zhǎng)，長(zhǎng)期的重負(fù)荷逐漸導(dǎo)致椎旁肌肉的退變。腰肌退變時(shí)，形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為肌肉體積變小，脂肪沉積；組織學(xué)上表現(xiàn)為肌纖維萎縮并由纖維脂肪所替代[14,15]。Kjaer等[16]調(diào)查412名40歲的成人和442名13歲的青少年發(fā)現(xiàn)，成人組多裂肌發(fā)生脂肪浸潤(rùn)占81%，而青少年組僅占4%。腰肌的生理退變過程中，脂肪浸潤(rùn)要早于形態(tài)學(xué)的改變。年輕組(1～30歲)的多裂肌形態(tài)飽滿，輪廓平整，肌肉內(nèi)呈Ⅰ度脂肪浸潤(rùn)，肌內(nèi)間隙不顯示或呈點(diǎn)狀/單發(fā)線狀間隙。老年組(>60歲)的多裂肌形態(tài)萎縮，輪廓凹陷，肌肉內(nèi)呈Ⅲ度脂肪浸潤(rùn)，表現(xiàn)為多發(fā)片狀、網(wǎng)格狀或羽毛狀間隙。隨著年齡的增長(zhǎng)，多裂肌的形態(tài)從飽滿向萎縮發(fā)展，輪廓也由平整向凹陷轉(zhuǎn)變，肌肉內(nèi)間隙由不顯示或單發(fā)線狀向多發(fā)線狀、網(wǎng)格狀或羽毛狀轉(zhuǎn)變。對(duì)于女性來說，這種變化發(fā)生得更早，大概在中年(40歲)就開始出現(xiàn)明顯的腰肌脂肪浸潤(rùn)[17]。

BMI是基于身高和體重計(jì)算而來，通常用于評(píng)價(jià)身體的脂肪量，是預(yù)測(cè)皮下和內(nèi)臟脂肪量的獨(dú)立因素[18]。該指標(biāo)不僅與皮下和內(nèi)臟脂肪量相關(guān)，亦與肌肉脂肪含量相關(guān)[1]。對(duì)于無骨骼肌疾患的正常人群，BMI可作為肌肉內(nèi)脂肪的預(yù)測(cè)指標(biāo)。本研究的多元回歸分析結(jié)果顯示，與年齡、性別相比，BMI對(duì)MRI各測(cè)量參數(shù)的影響程度最大。

T2值能反映水與其他大分子的緊密結(jié)合程度，肌肉退變的生理過程或病理改變將改變肌肉大分子的結(jié)構(gòu)，從而影響T2值。肌營養(yǎng)不良患者的受累骨骼肌T2值升高[11]，究其原因，可能與細(xì)胞內(nèi)脂肪沉積有關(guān)，因?yàn)榕c肌肉相比，脂肪組織的T2值更高。然而，T2值對(duì)于疾病的病理生理過程非常敏感，脂肪浸潤(rùn)、炎癥和水腫均能影響T2值，此解釋不足以令人信服。Arpan等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，肌營養(yǎng)不良組采用抑脂序列得到的T2值仍高于對(duì)照組，預(yù)示受累肌肉存在炎癥或水腫。受此啟發(fā)，本研究采用非抑脂序列和抑脂序列計(jì)算所得的T2值(脂肪)，作為反映脂肪量的定量指標(biāo)，并與非抑脂的T2值進(jìn)行比較研究。

化學(xué)位移是指在外磁場(chǎng)的作用下，相同原子核在不同的化學(xué)環(huán)境中表現(xiàn)不同共振頻率的現(xiàn)象。人體中脂肪和水均含有氫核，脂肪中的氫與碳相連，而水中的氫與氧相連，氫核在脂肪和水的化學(xué)環(huán)境存在差異，從而產(chǎn)生化學(xué)位移，脂肪中的1H共振頻率小于水。根據(jù)CSI原理，同相位和反相位圖像交替出現(xiàn)，在反相位圖像上，水脂的混合組織信號(hào)將明顯衰減，但通過肉眼觀察難以準(zhǔn)確估算脂肪所占比例，因此需要客觀的測(cè)定圖像信號(hào)強(qiáng)度。IDEAL技術(shù)采用非對(duì)稱采集，并采用最小二程估算法迭代進(jìn)行后處理，保證足夠的信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)，使水脂分離徹底。CSI的IDEAL技術(shù)掃描一次能得到水像、脂像、正相位和反相位4種圖像。該技術(shù)多用于肝臟、胰腺等腹部臟器的脂肪含量及病理改變的相關(guān)研究。Paalanne等[20]采用雙回波CSI對(duì)腰痛患者的多裂肌進(jìn)行大樣本研究發(fā)現(xiàn)，成人腰痛患者的多裂肌有明顯的脂肪浸潤(rùn)。本研究基于IDEAL技術(shù)測(cè)量多裂肌的4種圖像信號(hào)強(qiáng)度，得到的脂肪分?jǐn)?shù)η與年齡、BMI有很好的相關(guān)性。

根據(jù)Goutallier分級(jí)系統(tǒng)，本文大多數(shù)研究對(duì)象L4/5層面多裂肌脂肪浸潤(rùn)程度處于相同的級(jí)別。由于年齡、性別以及BMI的差異，多裂肌的脂肪含量會(huì)有細(xì)微差別，但常規(guī)Goutallier分級(jí)系統(tǒng)并不能顯示這些區(qū)別。本研究采用T2-mapping和磁共振CSI的IDEAL技術(shù)進(jìn)行定量檢測(cè)，結(jié)果顯示T2值(脂肪)與年齡、BMI具有相關(guān)性，脂肪分?jǐn)?shù)η與年齡、BMI同樣具有相關(guān)性，提示這兩種檢查技術(shù)可用于顯示常規(guī)圖像不易觀察到的脂肪浸潤(rùn)量的細(xì)微差別。常規(guī)圖像的脂肪分級(jí)為主觀評(píng)價(jià)，僅能反映大體形態(tài)的改變，而在腰肌的生理退變過程中，脂肪浸潤(rùn)要早于形態(tài)學(xué)的改變。T2-mapping基于測(cè)量組織中每個(gè)體素的橫向弛豫時(shí)間得到T2值，CSI基于化學(xué)成分的分析，因此這兩種技術(shù)檢測(cè)多裂肌成分的改變更敏感。本研究結(jié)果顯示T2值(脂肪)與脂肪分?jǐn)?shù)η之間的相關(guān)性最顯著(r=0.794，P<0.001)，也相互印證了這兩項(xiàng)技術(shù)用于定量檢測(cè)肌肉內(nèi)少量脂肪的效力。

本研究結(jié)果顯示，與T2值(非抑脂)相比，T2值(脂肪)與年齡、BMI的相關(guān)性更高。T2值(脂肪)是T2值(非抑脂)與T2值(抑脂)的差值，不僅剔除了水腫的影響，還將頻率、溫度、順磁性的離子以及主磁場(chǎng)的強(qiáng)度等的影響也一并消除，因此T2值(脂肪)與影響肌肉內(nèi)脂肪含量的固有物理特征相關(guān)性更高。磁共振CSI的 IDEAL技術(shù)所測(cè)得的脂肪分?jǐn)?shù)η與年齡、BMI亦存在相關(guān)性，但與T2值(脂肪)相比，其相關(guān)系數(shù)多偏小，因此筆者認(rèn)為脂肪分?jǐn)?shù)η能反映肌肉內(nèi)脂肪變化的趨勢(shì)，但脂肪精確比例的計(jì)算有待進(jìn)一步探討。

綜上，筆者認(rèn)為T2-mapping 和磁共振CSI的 IDEAL技術(shù)均能用于肌肉內(nèi)少量脂肪的定量，并能反映正常成人年齡、BMI所引起的肌肉內(nèi)脂肪含量的細(xì)微差別，可為以脂肪浸潤(rùn)為主要病理過程的多種慢性骨骼肌疾患提供診斷和療效評(píng)價(jià)的客觀依據(jù)。