CT感興趣區(qū)體積法評(píng)估臀肌的可行性及臨床應(yīng)用

王鳳仙 王冬梅 ?，?楊獻(xiàn)峰,2

髖關(guān)節(jié)是人體重要的承重關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）及其他病變是殘疾的主要原因之一［1］。臀肌群是維持髖關(guān)節(jié)功能的重要肌群，及時(shí)了解臀肌的功能狀況不僅可以幫助髖關(guān)節(jié)OA患者進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)手術(shù)方式的選擇，并且對(duì)于置換術(shù)后肌肉功能狀態(tài)的評(píng)估起著重要作用，因而是骨關(guān)節(jié)科臨床工作中關(guān)注的重點(diǎn)［2］。臀肌的體積測(cè)量可以用于評(píng)估臀肌的力量和功能狀態(tài)［3］，臀肌密度是反映臀肌功能的一個(gè)指標(biāo)［4］。CT被廣泛用于測(cè)量骨骼肌的體積及密度［5-6］。感興趣區(qū)體積測(cè)量法是目前最新的一種利用圖像分割技術(shù)半自動(dòng)識(shí)別圖像邊界的組織提取與分析技術(shù)，已被證明可以用于其他骨骼肌體積和密度的測(cè)量中［7］。本研究擬在與既往研究比較的基礎(chǔ)上，探討CT感興趣區(qū)體積法測(cè)量整體臀肌體積及密度的可行性、臨床意義及臨床應(yīng)用。

方 法

1. 研究對(duì)象

回顧性從南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科影像歸檔與通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication System，PACS；東軟醫(yī)療科技有限公司，中國(guó)沈陽(yáng)）中收集包括盆部及髖關(guān)節(jié)區(qū)域的CT 圖像，檢索時(shí)間范圍從2021年1月至2021年3月。納入標(biāo)準(zhǔn)：掃描范圍包括臀肌上下邊界；圖像清晰，無(wú)偽影，質(zhì)控評(píng)分等級(jí)為優(yōu)秀。排除標(biāo)準(zhǔn)：合并髖關(guān)節(jié)和骨盆骨折及手術(shù)史；臀肌攣縮；合并累及骨骼肌的系統(tǒng)性疾病；骨盆畸形；俯臥位掃描。最終納入114例患者，其中女45例，男69例，年齡16～94歲，平均（55.26±18.41）歲。

2. 儀器

所有患者均采用聯(lián)影128層UIHuCT780螺旋CT（上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，中國(guó)上海），管電壓120 kV，管電流80 mA，層厚1 mm，螺距1.0，掃描體位均為伸膝仰臥位。

3. 圖像處理與分析

由一名副主任醫(yī)師和一名住院醫(yī)師在PACS中對(duì)患者CT圖像進(jìn)行雙髖關(guān)節(jié)評(píng)估，參照Kellgren-Lawrence（K-L）分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［8］，＜2級(jí)的研究對(duì)象分為非OA組即A組，包括女性23例，男性44例，平均（52.46±18.95）歲；≥2級(jí)為OA組即B組，包括女性22例，男性25例，平均（59.25±17.04）歲。用分層比例抽樣法從A組中抽取年齡、性別與B組匹配的47例患者納入C組。有研究表明65歲以上的人群50%以上為OA患者，一般認(rèn)為30歲以前不發(fā)生OA［1］，為了進(jìn)一步探索臀肌體積與年齡的關(guān)系，我們以45歲、65歲為界將A組患者分為A1（包括女性8例，男性14例）、A2（包括女性9例，男性18例）、A3組（包括女性6例，男性12例）。

將圖像原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入聯(lián)影CT后處理工作站中的感興趣體積（VOI）后處理軟件，在橫斷層位圖像上逐層辨認(rèn)臀大肌、臀中肌及臀小肌肉邊界，每隔3～5層手動(dòng)勾畫，層間由軟件自動(dòng)根據(jù)像素邊緣進(jìn)行識(shí)別。若鄰近層面形態(tài)變化過大，則使用逐層勾畫法，范圍從臀大肌、臀中肌及臀小肌上附著點(diǎn)至下附著點(diǎn)。完成勾畫并確認(rèn)后，軟件可自動(dòng)測(cè)量臀肌體積、密度并重建臀肌三維形態(tài)。所有圖像處理均至少由兩名醫(yī)師應(yīng)用VOI后處理軟件分別處理，并隨機(jī)指定一名操作者于1周后重復(fù)繪制一次，并記錄數(shù)據(jù)重復(fù)，從而盡量保持精確度，減少人為誤差。

4. 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

小樣本正態(tài)分布檢驗(yàn)采用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布中的定量數(shù)據(jù)均用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，樣本量＞50則屬于大樣本量，不需要進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。根據(jù)中心極限定理，當(dāng)樣本容量足夠大時(shí)，無(wú)論總體分布如何，樣本均值的分布都趨向于服從正態(tài)分布。因此，如果每組的樣本量足夠大，可以采用t檢驗(yàn)而不用正態(tài)檢驗(yàn)。正態(tài)性檢驗(yàn)后及運(yùn)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較A組患者兩側(cè)臀肌及不同性別間臀肌體積及CT值的差異性，以及B、C組中患者臀肌體積和CT值之間的差異，將B、C組左、右側(cè)臀肌各作為一個(gè)樣本納入統(tǒng)計(jì)（由于B組中部分患者為非對(duì)稱性骨關(guān)節(jié)炎，兩側(cè)臀肌體積差異較大），運(yùn)用單因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA）評(píng)估不同年齡段患者臀肌體積 及CT值 間 的 差 異（A1～3組），同 時(shí) 采 用Bonferroni檢驗(yàn)進(jìn)行校正。采用Pearson檢驗(yàn)來(lái)評(píng)估A組患者年齡與臀肌體積及CT值的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)0.7～1.0為強(qiáng)相關(guān)；0.6～0.4為中等程度相關(guān)；0.3～0.1為弱相關(guān)）。所有統(tǒng)計(jì)均在SPSS 22.0中完成，Bonferroni校正檢驗(yàn)＜0.017被認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，余檢驗(yàn)P＜0.05被認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。參數(shù)測(cè)量中同一觀察者2次測(cè)量和2位不同觀察者之間的測(cè)量結(jié)果的一致性通過類內(nèi)相關(guān)系數(shù)（inter-observer reliability，ICC）進(jìn)行評(píng)估（0.000～0.400為差；0.401～0.600為中等；0.601～0.800為好；0.801～1.000為很好）。

結(jié) 果

1. 三維重建質(zhì)量及測(cè)量結(jié)果的一致性

CT感興趣體積測(cè)量法重建臀肌體積，雙側(cè)臀肌邊界勾畫準(zhǔn)確，三維形態(tài)顯示良好，與解剖形態(tài)相符。體積測(cè)量的觀察者內(nèi)一致性很好（ICC=0.890），觀察者間一致性很好（ICC=0.801）；CT值測(cè)量的觀察者內(nèi)一致性很好（ICC=0.923），觀察者間一致性很好（ICC=0.807）。

2. 相關(guān)性分析結(jié)果

兩側(cè)臀大肌體積及CT值、兩側(cè)臀中肌CT值及兩側(cè)臀小肌體積及CT值與年齡呈負(fù)相關(guān)，其中右側(cè)臀大、中、小肌CT值、右側(cè)臀小肌體積、左側(cè)臀大肌CT值，左側(cè)臀小肌體積與年齡呈中等相關(guān)，其余相關(guān)性較弱（表1、圖1）。

表1 臀肌體積及CT值與年齡的相關(guān)性分析結(jié)果

圖1 不同年齡階段患者臀肌比較

3. 臀肌體積及CT值左右側(cè)差異及與性別的關(guān)系

根據(jù)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，A組患者左右兩側(cè)臀肌體積及CT值均呈正態(tài)分布（均P＞0.05），在年齡和體重指數(shù)方面，男性和女性間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）。獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，A組患者兩側(cè)臀肌體積及CT值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），男性雙側(cè)臀大肌和右側(cè)臀中肌體積顯著大于女性（均P＜0.05），男性患者左側(cè)臀小肌體積顯著大于女性（P=0.027），男性患者左側(cè)臀大肌CT值顯著高于女性（P=0.046）詳見表2。

表2 男女臀肌體積及CT值差異比較±s

表2 男女臀肌體積及CT值差異比較±s

*：P＜0.05。

男 女P值右側(cè)臀肌體積/cm3臀大肌778.35±176.35 654.68±161.26 0.007*臀中肌271.08±42.56 232.69±57.57 0.008*臀小肌72.54±19.44 65.14±20.58 0.152左側(cè)臀肌體積/cm3臀大肌753.47±187.06 621.78±168.29 0.006*臀中肌270.30±54.29 250.49±95.29 0.281臀小肌67.85±16.89 57.85±17.84 0.027*右側(cè)臀肌CT值/HU臀大肌38.98±9.70 34.00±11.06 0.062臀中肌44.73±7.84 42.31±8.02 0.238臀小肌46.23±9.22 43.27±7.82 0.194左側(cè)臀肌CT值/HU臀大肌38.33±8.64 33.21±11.63 0.046*臀中肌44.72±7.49 41.23±8.84 0.093臀小肌46.37±8.36 42.63±6.96 0.071

4. 臀肌體積及CT值與年齡的關(guān)系

A1～3組組間患者雙側(cè)臀大肌及雙側(cè)臀小肌體積及雙側(cè)臀大肌、右臀中肌、雙側(cè)臀小肌間CT值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05，表3）。

表3 各年齡組臀肌體積及CT值的差異±s

表3 各年齡組臀肌體積及CT值的差異±s

*：P＜0.05。

A1 A2 A3 P值右側(cè)臀肌體積/cm3臀大肌790.68±198.23 759.82±164.12 633.06±142.05 0.013*臀中肌269.01±58.38 261.65±50.00 238.71±39.69 0.157臀小肌79.67±18.89 68.24±18.39 60.84±19.50 0.009*左側(cè)臀肌體積/cm3臀大肌774.76±215.50 710.81±174.38 623.16±152.62 0.041*臀中肌274.71±63.17 260.08±62.12 254.92±91.99 0.065臀小肌72.57±19.22 63.72±12.57 55.49±18.78 0.008*右側(cè)臀肌CT值/HU臀大肌41.75±8.44 37.61±10.24 31.30±10.29 0.005*臀中肌46.97±7.03 44.52±6.64 39.22±8.91 0.006*臀小肌49.66±6.01 45.58±7.57 39.25±10.31 0.001*左側(cè)臀肌CT值/HU臀大肌41.14±6.76 36.77±10.17 30.69±10.44 0.003*臀中肌45.56±6.86 44.09±8.39 40.19±8.42 0.101臀小肌48.07±6.71 45.04±8.11 41.51±8.41 0.035*

5. ANVOA結(jié)果

我們使用Bonferroni進(jìn)一步分析驗(yàn)證前述結(jié)果的顯著性顯示，A3組右側(cè)臀大肌體積及CT值顯著小于A1組（P值分別為0.015、0.004），A3組右側(cè)臀中肌CT值顯著小于A1組（P=0.005），A3組右側(cè)臀小肌體積顯著小于A1組（P=0.008），A3組右側(cè)臀小肌CT值顯著小于A1組（P＜0.001），A3組左側(cè)臀大肌CT值顯著小于A1組（P=0.002），A3組左側(cè)臀小肌體積顯著小于A1組（P=0.006），ANVOA分析證明前述觀測(cè)到的肌肉體積差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表4）。

表4 各年齡組臀肌體積差異的ANOVA分析結(jié)果

6. 有、無(wú)關(guān)節(jié)炎組患者臀肌差異

獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，B組患者臀大、中、小肌體積及其CT值均顯著小于C組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.001）。詳見表5、圖2。

表5 關(guān)節(jié)炎組和非關(guān)節(jié)炎組患者臀肌體積及CT值的差異比較±s

表5 關(guān)節(jié)炎組和非關(guān)節(jié)炎組患者臀肌體積及CT值的差異比較±s

*：P＜0.05。

B組C組P值臀肌體積/cm3臀大肌543.54±196.05 722.68±182.30＜0.001*臀中肌211.46±68.59 258.44±66.04＜0.001*臀小肌50.91±22.77 69.09±19.23＜0.001*臀肌CT值/HU臀大肌28.45±12.3 38.20±9.64＜0.001*臀中肌35.18±11.91 44.84±7.29＜0.001*臀小肌33.37±14.49 46.30±7.84＜0.001*

圖2 髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者和非髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者臀肌比較

討 論

1. 臀肌群的解剖與臨床意義

臀肌群是人體最有力的肌群之一，包括臀大肌、臀中肌和臀小肌。臀大肌將胸腰筋膜、髂骨和骶骨與股骨大轉(zhuǎn)子連接。臀中肌和臀小肌是髖關(guān)節(jié)外展的原動(dòng)肌，髖關(guān)節(jié)置換時(shí)如損傷臀中肌可能導(dǎo)致術(shù)后臀中肌力不足，導(dǎo)致蹣跚搖擺的“臀中肌步態(tài)”。臀肌群是髖關(guān)節(jié)保持穩(wěn)定并進(jìn)行屈伸、內(nèi)旋和外旋運(yùn)動(dòng)的主要肌群，具有重要的解剖學(xué)和臨床意義。臨床工作中對(duì)臀肌群的評(píng)估主要通過目測(cè)觀察萎縮程度及對(duì)步態(tài)的影響，尚缺少對(duì)臀肌群形態(tài)、密度的量化評(píng)估。

2. 骨骼肌評(píng)估方法

肌肉萎縮是指橫紋肌營(yíng)養(yǎng)障礙，肌肉纖維變細(xì)甚至消失等導(dǎo)致的肌肉體積縮小。肌肉體積的測(cè)量是評(píng)估肌肉狀態(tài)、肌肉質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)能力等的重要指標(biāo)，目前有多種評(píng)估肌肉體積的方法，主要包括尿肌酐-肌肉體積測(cè)量法、雙能X線吸收法、生物電阻抗法、MRI測(cè)量法及CT測(cè)量法等多種方法［9］，尿肌酐-肌肉體積測(cè)量法、雙能X線吸收法、生物電阻抗法是測(cè)量全身肌肉體積的主流方法，無(wú)法測(cè)量局限性、特定性肌肉體積，MRI測(cè)量法及CT測(cè)量法是能夠準(zhǔn)確測(cè)量深部組織及特定肌肉的有效方法，但是由于MRI的掃描范圍較小，費(fèi)用高，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，難于作為常規(guī)方法。而CT是臨床常規(guī)檢查方法，在滿足其他檢查目的的同時(shí)，可同時(shí)方便地獲取組織體積信息。因此本文以CT圖像作為研究對(duì)象。

隨著圖像后處理中組織分割與提取技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)出現(xiàn)大量骨骼肌體積的影像學(xué)研究，如多人體測(cè)量學(xué)方法估算法、CT值閾值法等［9-10］，大大提高了對(duì)骨骼肌評(píng)估的準(zhǔn)確性。然而，這些研究存在較多不足，如多人體測(cè)量學(xué)方法對(duì)圖像層厚要求低，但測(cè)量誤差較大，CT值閾值法測(cè)量相對(duì)精確，但要求為薄層圖像，且后處理過程耗時(shí)長(zhǎng)，不易操作。

CT VOI技術(shù)是一種半自動(dòng)、基于CT圖像分割與提取技術(shù)的后處理方法，只需要對(duì)擬測(cè)量的靶組織邊界進(jìn)行手動(dòng)間隔標(biāo)注，結(jié)合計(jì)算機(jī)灰度識(shí)別、組織提取與測(cè)算能力，準(zhǔn)確完成靶組織的邊界定義，完成靶組織的三維重建，從而獲取該組織的體積與密度信息。該技術(shù)對(duì)圖像層厚要求低，使用常規(guī)5 mm層厚即可準(zhǔn)確測(cè)量，以臀大肌為例，常規(guī)掃描約需30～50層圖像，傳統(tǒng)重建方法需逐層勾畫，耗時(shí)長(zhǎng)，使用VOI技術(shù)，間隔5～10層勾畫，大大縮短了后處理的時(shí)間。

同時(shí)，骨骼肌發(fā)生萎縮時(shí)，除體積縮小外，由于增大的纖維間隙充填的脂肪組織等密度低于肌纖維，還表現(xiàn)為受累骨骼肌密度的降低。CT值是CT圖像中各組織與X線衰減系數(shù)相當(dāng)?shù)膿Q算對(duì)應(yīng)值，是測(cè)定組織密度大小的一種計(jì)量單位。大量研究證實(shí)CT值在測(cè)量骨骼肌脂質(zhì)含量的較高的準(zhǔn)確性和可靠性［11-12］。本研究結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)三維重建方法VOI技術(shù)可穩(wěn)定、準(zhǔn)確地獲取靶組織的平均CT值，準(zhǔn)確評(píng)估臀肌脂質(zhì)與肌密度。

3. 臀肌群體積與密度的影像學(xué)分析

本研究回顧性使用CT感興趣體積測(cè)量法分別測(cè)量了114例患者的雙側(cè)臀肌群體積及CT值，結(jié)果表明，本技術(shù)具有良好的可行性與可重復(fù)性，能快速獲取整體解剖背景下目標(biāo)骨骼肌的三維形態(tài)，并準(zhǔn)確測(cè)量骨骼肌的體積及CT值，為臨床決策提供重要的形態(tài)與密度信息。本技術(shù)基于常規(guī)層厚的圖像即可操作，無(wú)需薄層掃描，簡(jiǎn)便易行，操作迅速，便于推廣。

同一人群以及不同性別的人群的臀肌測(cè)量結(jié)果表明，同一患者兩側(cè)臀肌體積及CT值無(wú)明顯差異性，兩側(cè)臀肌形態(tài)及密度基本對(duì)稱。男性臀肌體積及CT值均高于女性，其中在雙側(cè)臀大肌及右側(cè)臀中肌中有顯著性差異，這可能是由于一般來(lái)說(shuō)男性骨骼肌占男性體重比例較女性高，相應(yīng)臀肌體積較年齡及身體指數(shù)匹配組的女性大［9］，普通運(yùn)動(dòng)中臀大肌動(dòng)員更為充分，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的骨骼肌肥大效應(yīng)更顯著。

本研究結(jié)果表明，臀肌體積及CT值均與年齡呈負(fù)相關(guān)，其中CT值較臀肌體積相關(guān)性更顯著。臀肌體積的減小可能是由于隨年齡增長(zhǎng)，肌纖維逐漸發(fā)生退行性萎縮［13］，與運(yùn)動(dòng)量較大的年輕人相比肌肉的質(zhì)量和體積下降。此外，隨著年齡增長(zhǎng)，老化和失活的骨骼肌會(huì)被脂肪組織取代，即發(fā)生骨骼肌萎縮及脂肪浸潤(rùn)［14］。傳統(tǒng)評(píng)估方法中由于脂肪組織仍占據(jù)一部分體積，這使得臀肌體積測(cè)量值得到一定彌補(bǔ)，掩蓋了臀肌的萎縮程度。因此，利用本方法評(píng)價(jià)臀肌CT值的下降與體積的減小相結(jié)合，能更準(zhǔn)確地評(píng)估臀肌的萎縮程度。

髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎組患者臀肌體積及CT值均顯著小于無(wú)關(guān)節(jié)炎組。這可能是由于關(guān)節(jié)炎導(dǎo)致患者關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)減少，肌肉萎縮，肌肉力量下降，這與全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者股四頭肌功能活動(dòng)受限，導(dǎo)致患者股四頭肌體積及力量下降有相似之處［15］。此外髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者往往伴有患肢嚴(yán)重疼痛，因此肌肉的廢棄導(dǎo)致患者肌肉的廢用性萎縮，體積減少［4］。CT值的下降反映了關(guān)節(jié)炎患者肌肉密度的減低，肌肉質(zhì)量的下降。多次采用此方法評(píng)估肌肉萎縮情況可輔助并指導(dǎo)恢復(fù)和復(fù)健過程。

作為一項(xiàng)對(duì)臀肌群同時(shí)進(jìn)行體積和密度分析的初步研究，本研究存在較多局限性：①由于研究規(guī)模限制，科室特性，掃描臀肌的病人來(lái)源難于做到隨機(jī)化；②未能將體重、身高、職業(yè)及運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等可能影響肌肉體積的影響因素納入，可能使結(jié)果產(chǎn)生一定偏倚；③髖關(guān)節(jié)功能復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)需要多塊肌肉協(xié)同參與，單一臀肌群形態(tài)及密度改變不能完全反應(yīng)髖關(guān)節(jié)的功能狀態(tài)；④在臀肌邊界的勾畫中，肌肉部分與梨狀肌分界可能存在觀測(cè)誤差，同時(shí)肌肉邊緣的血管、肌腱及神經(jīng)也難于準(zhǔn)確分離，下一步可能優(yōu)化測(cè)量過程，提供更精確的數(shù)據(jù)集。

綜上所述，CT感興趣體積測(cè)量法用于測(cè)量臀肌體積及CT值，可以為肌肉解剖形態(tài)的觀察及功能評(píng)估提供一種高效、準(zhǔn)確的方法，并且可重復(fù)性強(qiáng)，便于臨床工作的應(yīng)用，且由于傳統(tǒng)方法耗時(shí)長(zhǎng)、不夠精確，因而該法值得推廣。