基于IDEAL-IQ序列MR紋理分析評(píng)價(jià)慢性腰痛患者椎旁脂肪浸潤(rùn)

康靜，查云飛 *，李亮，劉昌盛 ，劉歡

慢性下腰痛是指持續(xù)時(shí)間超過(guò)12周，肋緣以下和臀部上方的肌肉緊張或疼痛，伴或不伴有下肢疼痛[1]。在肌肉退化過(guò)程中，正常肌纖維形態(tài)發(fā)生變化并被脂肪組織所替代導(dǎo)致肌肉的功能性下降[2]，且脊柱旁肌肉功能不全與腰背痛的發(fā)生和持續(xù)有關(guān)[3]，因此椎旁肌肉在維持脊柱的穩(wěn)定性中起著至關(guān)重要的作用[4]。

慢性下腰痛患者伴隨著椎旁肌肉退行性變，主要表現(xiàn)為形態(tài)上橫截面積減小及結(jié)構(gòu)上脂肪浸潤(rùn)的增加[5-6]。研究報(bào)道椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)分級(jí)Goutallier分級(jí)與年齡及腰椎疾患有一定的相關(guān)性[7]，基于非對(duì)稱(chēng)采集與迭代最小二乘估算法迭代水脂分離方法(axial iterative decomposition of water and fat with echo asymmetrical and least-squares estimation quantitation sequence，IDEAL-IQ)的研究發(fā)現(xiàn)腰椎間盤(pán)突出患者的椎旁肌肉均有不同程度的脂肪浸潤(rùn)[8]，采用基于T2WI紋理分析的方法評(píng)價(jià)有癥狀腰椎管狹窄患者的椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)是可行的[9]。本研究擬采用IDEAL-IQ技術(shù)評(píng)價(jià)慢性下腰痛患者椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)程度與Goutallier分級(jí)的相關(guān)性，同時(shí)探討基于IDEAL-IQ序列脂肪分?jǐn)?shù)圖像的MR紋理分析評(píng)價(jià)椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)的可行性。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究經(jīng)過(guò)武漢大學(xué)人民醫(yī)院臨床研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：WDRY2021-KS001)，免除受試者知情同意?；仡櫺苑治鑫以?020年8月至2021年2月97名臨床以慢性下腰痛行腰椎MRI檢查受檢者，其中男50例，女47例，年齡20～78(51.43±14.64)歲，BMI值23.78±4.52。納入標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)心臟起搏器、早孕及幽閉恐懼癥；剔除標(biāo)準(zhǔn)：患者有腹部或者椎旁手術(shù)及神經(jīng)系統(tǒng)疾病史；水腫、感染性病變、接受類(lèi)固醇激素/免疫治療、急慢性骨折、畸形和良惡性腫瘤患者；Cobb角大于10°的腰椎側(cè)彎畸形患者。

1.2 MRI設(shè)備及成像方法

所有腰椎掃描均在3.0T超導(dǎo)MR機(jī)(GE Discovery MR 750)上完成，使用全脊柱相控陣線(xiàn)圈，患者取仰臥位，先行常規(guī)T2WI矢狀位(TR 2500 ms，TE 142 ms，寬帶62.5 kHz，NEX 2，回波鏈長(zhǎng)度21，層厚4 mm，層間距0.5 mm，F(xiàn)OV 320 mm×320 mm，矩陣512×512，掃描時(shí)長(zhǎng)1 min 25 s)，后行T2WI橫斷位掃描(TR 3000 ms，TE 120 ms，寬帶41.7 kHz，NEX 2，回波鏈長(zhǎng)度21，層厚3.5 mm，層間距0.5 mm，F(xiàn)OV 180 mm×180 mm，矩陣320×320，掃描時(shí)長(zhǎng)1 min 6 s)，之后再進(jìn)行 IDEAL-IQ橫斷位掃描(翻轉(zhuǎn)角 4°，TR 7.8 ms，TE 1.2 ms、3.2 ms、5.2 ms、7.2 ms、9.2 ms、11.2 ms，寬帶125 kHz，層厚4 mm，NEX 2，回波鏈長(zhǎng)度3，F(xiàn)OV 300 mm×240 mm，矩陣192×224，掃描時(shí)長(zhǎng)2 min 49 s)。

1.3 椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)分級(jí)

采用腰椎常規(guī)T2WI序列橫斷位，所有的操作均由2名3年肌骨放射診斷工作者協(xié)商一致目視評(píng)價(jià)。腰椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)分級(jí)根據(jù)Goutallier分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]：0級(jí)為無(wú)脂肪浸潤(rùn)，I級(jí)為少量脂肪浸潤(rùn)，Ⅱ級(jí)為肌肉量大于脂肪浸潤(rùn)量，Ⅲ級(jí)為肌肉量等于脂肪浸潤(rùn)量，Ⅳ級(jí)為脂肪浸潤(rùn)量大于肌肉量(圖1)。

圖1 腰椎常規(guī)T2WI序列橫斷位多裂肌Goutallier分級(jí)示意圖Fig.1 Goutallier classification of multifidus muscle on routine T2WI sequences of the lumbar spine.

1.4 椎旁肌肉MR紋理分析

應(yīng)用GE AW 4.6工作站的Fat Fraction程序?qū)呙璜@得的腰椎橫斷位IDEAL-IQ序列中的fat fraction圖像進(jìn)行后處理，沿肌肉外輪廓勾畫(huà)所有L1～S1椎間盤(pán)中心層面椎旁肌感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，避開(kāi)肌肉周?chē)窘M織，椎旁肌ROI分別設(shè)在兩側(cè)多裂肌(multifidus muscle，MF)、豎脊肌(erector spinae，ES)和腰大肌(psoas major，PS)(圖2)，系統(tǒng)自動(dòng)生成勾畫(huà)區(qū)域的脂肪百分比(fat fraction，F(xiàn)F)及橫截面積(cross sectional area，CSA)，為了提高準(zhǔn)確性，左右各測(cè)量三次取平均值。

圖2 基于腰椎軸位IDEAL-IQ序列中fat fraction圖勾畫(huà)ROIFig.2 ROIwas plotted based on the fat fraction image of lumbar axis IDEAL-IQ sequence.

采用 Artificial intelligence kit(AK，version 3.3.0，GE Healthcare)在腰椎橫斷位IDEAL-IQ序列中的fat fraction圖像中標(biāo)注所有L1～S1椎間盤(pán)中心層面椎旁肌ROI，避開(kāi)肌肉周?chē)窘M織沿肌肉外輪廓標(biāo)注椎旁肌ROI(圖2)，共獲取2910個(gè)標(biāo)注。每個(gè)ROI自動(dòng)生成影像組學(xué)特征186個(gè)，包含直方圖(histogram)特征與灰度共生矩陣(gray level cooccurrence matrix,GLCM)特征參數(shù)，為了提高特征的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，每個(gè)ROI均標(biāo)注三次，提取參數(shù)三次取平均值。

所有數(shù)據(jù)按照7∶3的比例將數(shù)據(jù)隨機(jī)分層抽樣分為訓(xùn)練集2035例和測(cè)試集875例。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了特征預(yù)處理，用中值替代缺失值或異常值，并進(jìn)行特征標(biāo)準(zhǔn)化處理；然后分別采用Spearman相關(guān)性分析(cut-off value=0.9)，提取特征99個(gè)，進(jìn)一步采用單因素分析(以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義)，提取剩余特征98個(gè)，最后采取迭代的決策樹(shù)算法(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)對(duì)獲取的紋理分析參數(shù)進(jìn)行特征選擇，并最終篩選出有代表性的椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)的參數(shù)11個(gè)：MeanValue、Quantile0.975、Variance、VoxelValueSum、kurtosis、skewness、uniformity、HaralickCorrelation_angle 135_offset7、HaralickCorrelation_angle90_offset4、InverseDifferenceMoment_AllDirection_offset4、ClusterShade_AllDirection_offset7。采用邏輯回歸對(duì)篩選出來(lái)的特征進(jìn)行建模分析，并使用曲線(xiàn)下面積(area under the curve，AUC)進(jìn)行模型效能的評(píng)估，測(cè)試集對(duì)模型進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，椎旁肌肉Goutallier分級(jí)組間FF值及CSA值的差異性運(yùn)用ANOVA單因素方差分析進(jìn)行比較；用Spearman等級(jí)相關(guān)性分析的方法，分別計(jì)算Goutallier分級(jí)與FF值、CSA值的相關(guān)性。利用ROC曲線(xiàn)評(píng)估獲取紋理分析特征參數(shù)的診斷效能，同時(shí)用Spearman相關(guān)性分析紋理參數(shù)特征值與FF值的相關(guān)性，所有統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 椎旁肌肉Goutallier分級(jí)組間脂肪分?jǐn)?shù)和橫截面積的比較

椎旁肌肉Goutallier分級(jí)組間IDEAL-IQ序列CSA值與FF值的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)(表1)，且不同椎旁肌肉Goutallier分級(jí)與CSA值均存在負(fù)相關(guān)性，PS的Goutallier分級(jí)與CSA值呈弱的負(fù)相關(guān)，MF的Goutallier分級(jí)與CSA值呈中等程度的負(fù)相關(guān)；ES的Goutallier分級(jí)與CSA值呈強(qiáng)度的負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.082、-0.338、-0.512，P值均小于0.001)(圖3A～3C)；

表1 椎旁肌肉Goutallier分級(jí)組間FF(%)、CSA(mm2)差異的比較(±s)Tab.1 Comparison of differences in FF(%)and CSA(mm2)between Goutallier grading groups of paravertebral muscles(±s)

表1 椎旁肌肉Goutallier分級(jí)組間FF(%)、CSA(mm2)差異的比較(±s)Tab.1 Comparison of differences in FF(%)and CSA(mm2)between Goutallier grading groups of paravertebral muscles(±s)

注：Goutallier分級(jí)：椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)程度分級(jí)；PS：腰大??；MF：多裂肌；ES：豎脊肌；FF：脂肪含量；CSA：橫截面積。

椎旁肌肉Goutallier分級(jí)I級(jí)Ⅱ級(jí)Ⅲ級(jí)Ⅳ級(jí)F值P值數(shù)量2375 350 48 155 PS FF(%)10.34±3.66 24.35±1.47 86.79 0.019 CSA(mm2)754.54±396.85 373.97±157.74 5.50＜0.001 ES FF(%)12.32±4.59 29.10±3.92 36.98±1.35 47.24±7.69 2060.74＜0.001 CSA(mm2)916.82±270.93 638.85±356.14 462.18±337.02 425.29±288.20 132.21＜0.001 MF FF(%)13.37±4.60 28.14±4.13 35.50±3.14 45.43±6.07 1052.01＜0.001 CSA(mm2)1343.39±343.89 1128.82±242.17 981.11±184.36 992.96±213.01 38.17＜0.001

不同椎旁肌肉Goutallier分級(jí)與FF值存在正相關(guān)性，其中PS的Goutallier分級(jí)與FF呈弱的正相關(guān)，MF和ES的Goutallier分級(jí)與FF呈顯著的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為 0.136、0.753、0.819，P值均小于0.05；圖3D～3F)。

圖3 A～C：PS、ES、MF的CSA與椎旁肌肉Goutallier分級(jí)相關(guān)性分析散點(diǎn)圖；D～F：PS、ES、MF的FF與椎旁肌肉Goutallier分級(jí)相關(guān)性分析散點(diǎn)圖。注：PS CSA:腰大肌橫截面積；ES CSA：豎脊肌橫截面積；MF CSA：多裂肌橫截面積；PS FF:腰大肌脂肪含量；ES FF豎脊肌脂肪含量；MF FF：多裂肌脂肪含量；PS grade：腰大肌脂肪浸潤(rùn)分級(jí)；ES grade：豎脊肌脂肪浸潤(rùn)分級(jí)；MF grade：多裂肌脂肪浸潤(rùn)分級(jí)。圖4 A～B：訓(xùn)練集及測(cè)試集下紋理參數(shù)特征對(duì)椎旁肌肉不同Goutallier分級(jí)的綜合診斷效能Fig.3 A—C:Correlation scatter diagram between the Goutallier classification of paravertebral muscle and CSA of PS,ES and MF.D—F:Correlation scatter diagram between the Goutallier classification of paravertebral muscle and FF of PS,ES and MF.Fig.4 A—B:Comprehensive diagnostic efficacy of texture characteristic parameters under training samples and testing samples for paraspinal muscles with different Goutallier grades.

2.2 基于IDEAL-IQ FF圖MR紋理分析評(píng)價(jià)椎旁脂肪浸潤(rùn)

訓(xùn)練集下紋理參數(shù)特征對(duì)腰椎旁肌肉Goutallier分級(jí)I級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)綜合診斷的ROC曲線(xiàn)下面積分別為0.952、0.917、0.956、0.986，測(cè)試集下相應(yīng)的ROC曲線(xiàn)下面積分別為0.963、0.942、0.948、0.982(圖 4A～4B)。提取出紋理參數(shù)特征與椎旁肌肉FF值均具有相關(guān)性，其中MeanValue、Quantile0.975、Variance與椎旁肌肉FF呈顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.887、0.777、0.776)，VoxelValueSum、kurtosis、skewness、uniformity、HaralickCorrelation_angle135_offset7、HaralickCorrelation_angle90_offset4、InverseDifferenceMoment_AllDirection_offset4與椎旁肌肉FF呈強(qiáng)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.609、-0.687、-0.569、0.601、0.633、0.714、-0.604)，ClusterShade_AllDirection_offset7與椎旁肌肉FF呈中等相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.497)。

3 討論

3.1 本試驗(yàn)研究結(jié)果

本研究結(jié)果顯示不同椎間盤(pán)層面椎旁肌肉Goutallier分級(jí)組間FF值及CSA值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，不同腰椎旁肌肉Goutallier分級(jí)與FF值及CSA值之間均存在相關(guān)性，其間ES和MF的Goutallier分級(jí)與FF呈顯著正相關(guān)，ES的Goutallier分級(jí)與CSA呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，MF的Goutallier分級(jí)與CSA呈中等程度負(fù)相關(guān)，其余均為弱相關(guān)。同時(shí)基于IDEAL-IQ脂肪分?jǐn)?shù)圖的紋理分析評(píng)價(jià)椎旁肌肉的脂肪浸潤(rùn)是可行的，且其中紋理參數(shù)特征 MeanValue、Quantile0.975、Variance與 FF值呈顯著正相關(guān)，其余均為中等程度相關(guān)。

3.2 本研究理論基礎(chǔ)及相關(guān)應(yīng)用

椎旁肌肉在維持腰椎穩(wěn)定性中不可或缺，其解剖結(jié)構(gòu)主要由MF、PS、ES三大肌群組成。椎旁肌肉退行性變常伴有組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)的改變，主要表現(xiàn)為肌肉CSA的減小和FF的增加[5-6]。隨著年齡的增長(zhǎng)，椎間盤(pán)發(fā)生退變的同時(shí)釋放出大量的炎癥介質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)刺激纖維環(huán)外部的神經(jīng)末梢及椎旁肌肉[11]，產(chǎn)生下腰痛的癥狀及對(duì)脊柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[12]。Park等[13]的研究發(fā)現(xiàn)椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)與老年人矢狀面軸向距離增加密切相關(guān)，會(huì)產(chǎn)生腰痛的癥狀，增加老年人的跌倒風(fēng)險(xiǎn)。本研究結(jié)果顯示慢性下腰痛患者椎旁肌肉均有不同程度脂肪浸潤(rùn)，且不同腰椎旁肌肉Goutallier分級(jí)與FF及CSA均存在相關(guān)性。同時(shí)研究表明MF組與腰痛關(guān)系最為密切[14]，?zcan-Ek?i等研究發(fā)現(xiàn)MF脂肪浸潤(rùn)可能是年輕女性患者腰背痛的主要原因[15]。本研究也顯示MF的Goutallier分級(jí)與FF呈顯著相關(guān)，主要是因?yàn)镸F位于脊柱旁間隙的深處，位于背部固有肌肉的第二層，從橫突附著到2～3個(gè)椎體以上的棘突上，對(duì)控制腰椎節(jié)段性的運(yùn)動(dòng)及維持腰椎的穩(wěn)定性有重要作用[16]。慢性腰痛患者M(jìn)F逐漸被脂肪組織取代，導(dǎo)致肌肉萎縮、肌營(yíng)養(yǎng)不良[5]。Urrutia等[17]的研究表明椎間盤(pán)退變程度與椎旁肌肉脂肪分?jǐn)?shù)值呈正相關(guān)，Tamai等[7]研究表明Goutallier分級(jí)與腰椎前凸、重度椎間盤(pán)退變呈正相關(guān)，這些患者常常伴有慢性腰痛癥狀，但Tamai等只采用L4/5單層面的椎旁肌肉進(jìn)行研究，而多層面的椎旁肌肉的評(píng)價(jià)更能代表整個(gè)腰椎肌肉的脂肪浸潤(rùn)情況[18]。

3.3 本研究的創(chuàng)新性

研究證實(shí)MRI通過(guò)脂肪分?jǐn)?shù)及CT通過(guò)密度值能對(duì)椎旁肌肉進(jìn)行定性及定量的分析[19],其中磁共振波譜及化學(xué)位移磁共振成像對(duì)椎旁肌脂肪浸潤(rùn)測(cè)量具有更高的準(zhǔn)確性[20]。Burian等[21]采用基于質(zhì)子脂肪分?jǐn)?shù)(proton density fat fraction，PDFF)圖紋理分析的方法發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后婦女腰椎椎體脂肪沉積更明顯、異質(zhì)性更高。Dieckmeyer等[22]基于PDFF圖發(fā)現(xiàn)紋理分析參數(shù)方差及偏度對(duì)正常人椎旁肌力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性超過(guò)了脂肪分?jǐn)?shù)，潛在地反映其量化椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)的能力。Mannil等[9]研究結(jié)果顯示腰椎管狹窄患者椎旁肌肉基于T2WI直方圖特征參數(shù)中的平均值與Goutallier分級(jí)相比具有更高的可信度。綜上，相比于脂肪分?jǐn)?shù)定量及目視化Goutallier分級(jí)，紋理分析通過(guò)提取代表性特征參數(shù)在量化椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)方面具有更高的準(zhǔn)確性。本研究探索采用IDEAL-IQ技術(shù)的FF值評(píng)價(jià)椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)，并與Goutallier分級(jí)進(jìn)行比較，同時(shí)利用紋理分析提取的相關(guān)特征與椎旁肌肉的FF值進(jìn)行比較，驗(yàn)證了紋理分析評(píng)價(jià)椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)的可行性。本研究中椎旁肌肉多為I級(jí)脂肪浸潤(rùn)，通過(guò)紋理分析量化椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)易于發(fā)現(xiàn)輕微的病變，這對(duì)于指導(dǎo)臨床預(yù)防椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)而導(dǎo)致的腰部疾患有一定的臨床意義[7,23]。

3.4 本研究的局限性

本研究的不足：(1)本試驗(yàn)研究隊(duì)列中包括的男性受試者比女性稍多，因此在性別分布上并不均衡。(2)多項(xiàng)研究表明椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)程度與年齡呈明顯的正相關(guān)，其中以老年人和絕經(jīng)后女性為著。本試驗(yàn)隊(duì)列中平均年齡為57歲，這也是導(dǎo)致本試驗(yàn)中Goutallier分級(jí)中Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)樣本量較少的原因。(3)本試驗(yàn)只提取了椎間盤(pán)層面的椎旁肌肉進(jìn)行分析，對(duì)于量化整個(gè)腰椎旁肌肉的脂肪浸潤(rùn)欠佳，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果可能有一定的影響。

綜上所述，不同腰椎旁肌肉脂肪浸潤(rùn)Goutallier分級(jí)與PS、ES、MF組的脂肪分?jǐn)?shù)與橫截面積均存在相關(guān)性，基于IDEAL-IQ序列MR紋理分析評(píng)價(jià)慢性下腰痛患者椎旁脂肪浸潤(rùn)是可行的。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無(wú)利益沖突。