磁共振Dixon-VIBE及MRS序列評(píng)估多裂肌脂肪化程度及其與腰背肌等速力量的相關(guān)性研究

陳 燦，張承旻，楊 森,2，喻學(xué)科，陳春華，李 凱，戴 威，胡晨波，薛 浩，魏小雨，陳品珍，趙 駿，羅 飛

400038 重慶，陸軍軍醫(yī)大學(xué)(第三軍醫(yī)大學(xué))第一附屬醫(yī)院：骨科1，放射科3；453000 河南 新鄉(xiāng)，中國(guó)人民解放軍陸軍第八十三集團(tuán)軍醫(yī)院骨科2

腰背肌作為維持正常體態(tài)、脊柱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定及實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)功能的主要核心肌群[1]，其功能障礙與脊柱退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切，也是引發(fā)下腰痛等癥狀的主要原因。因此，準(zhǔn)確客觀評(píng)估腰背肌功能狀況對(duì)于脊柱相關(guān)疾病的病情評(píng)估、治療方式?jīng)Q策、預(yù)后預(yù)測(cè)以及探索脊柱退行性疾病的發(fā)病機(jī)制都具有重要意義。

等速肌肉功能測(cè)試是目前公認(rèn)的肌肉功能評(píng)估的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但所需的檢測(cè)設(shè)備存在價(jià)格昂貴、占地面積大、技術(shù)要求高、人力消耗大、患者配合程度差等系列問(wèn)題[2-3]。近年來(lái)，磁共振成像作為評(píng)估肌肉功能的新型非侵入性影像檢查技術(shù)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。其中，磁共振水脂分離序列(Dixon-VIBE)及磁共振單體素波譜序列(magnetic resonance spectroscopy，MRS)在定量評(píng)估脂肪含量方面優(yōu)于傳統(tǒng)磁共振檢查序列，由于兩者的成像原理不同亦各有優(yōu)劣。本研究以腰背肌等速肌肉功能評(píng)估作為“金標(biāo)準(zhǔn)”，對(duì)比磁共振Dixon-VIBE、MRS序列及多種加權(quán)算法評(píng)估多裂肌脂肪化程度與腰背肌等速肌肉功能的擬合程度，為滿(mǎn)足因疼痛、疾病、設(shè)備等原因無(wú)法進(jìn)行腰背肌等速肌肉功能檢測(cè)的患者評(píng)估腰背肌功能的臨床實(shí)際需求探索新的技術(shù)方法。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2020-2021年于陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院公開(kāi)招募的38名中老年志愿者作為研究對(duì)象。本研究經(jīng)陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(KY2020235)和前瞻性臨床研究注冊(cè)(注冊(cè)號(hào)：ChiCTR1800019459)。納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡≥45歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：①先天性脊柱疾病、強(qiáng)直性脊柱炎、脊柱腫瘤、脊柱結(jié)核、脊柱感染等脊柱疾患；②近2年內(nèi)有脊柱手術(shù)史；③近1年內(nèi)有新發(fā)的外傷性或骨質(zhì)疏松性脊柱壓縮骨折病史；④?chē)?yán)重的骨盆、髖膝關(guān)節(jié)、下肢病變及其他嚴(yán)重系統(tǒng)疾病者；⑤體內(nèi)任何地方有金屬植入物而無(wú)法接受核磁共振檢查的患者；⑥當(dāng)前有明顯腰背痛影響等速力量測(cè)試或等速測(cè)試時(shí)疼痛加劇的患者；⑦過(guò)去3個(gè)月內(nèi)進(jìn)行過(guò)腰背部小針刀、針灸或腰背肌系統(tǒng)力量訓(xùn)練的患者。

1.2 磁共振Dixon-VIBE序列及MRS序列掃描方法

受試者均行高分辨3.0 T超導(dǎo)MRI(Siemens, TrioTim, Erlangen, Germany)腰椎Dixon-VIBE序列及MRS序列掃描檢查。Dixon-VIBE掃描參數(shù)：TR 9.05 ms, TE 1.23/2.48/3.37/4.98/6.23/7.48 ms，視野FOV 328×420，矩陣Matrix size 256×256，層厚3 mm。MRS掃描參數(shù)：TR 2 000 ms,TE 135 ms，視野FOV 150×150，層厚30 mm(表1)。

表1 磁共振Dixon-VIBE序列及MRS序列掃描參數(shù)

MRS序列圖像后處理：在Siemens后處理工作站(Syngo, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)上進(jìn)行,先行波譜基線校正，分別測(cè)定L4/5層面的脂肪峰度值及水峰度值，通過(guò)獲得的脂肪波峰下面積、水波峰下面積計(jì)算脂肪分?jǐn)?shù)(fat fraction，F(xiàn)F)。FF=脂肪波峰下面積/(脂肪波峰下面積+水波峰下面積)[4-5]。

Dixon-VIBE序列圖像后處理：將橫斷位圖像傳入Siemens后處理工作站(Syngo, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)，定位L4/5椎間盤(pán)中心層面，勾畫(huà)L4/5椎間盤(pán)中心層面多裂肌感興趣區(qū)域，勾畫(huà)肌肉輪廓時(shí)應(yīng)避開(kāi)肌肉周?chē)窘M織。然后系統(tǒng)自動(dòng)生成所畫(huà)區(qū)域的脂肪信號(hào)強(qiáng)度、水信號(hào)強(qiáng)度。通過(guò)脂肪信號(hào)及水信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算脂肪分?jǐn)?shù)：FF=脂肪信號(hào)強(qiáng)度/(脂肪信號(hào)強(qiáng)度+水信號(hào)強(qiáng)度)[6-7]。

圖像后處理由1名具有3年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師進(jìn)行。

1.3 腰背肌等速肌力及耐力測(cè)試

測(cè)試方法：①依托本院康復(fù)科IsoMed-2000等速測(cè)試系統(tǒng)(D&R Technology GmbH，德國(guó)法蘭克福)進(jìn)行測(cè)試，角速度可調(diào)范圍為2～500 °/s，最大扭力矩500 N·m，測(cè)試模式選擇向心收縮模式。②由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)協(xié)助受試者調(diào)整至合適測(cè)試體位(屈髖屈膝90°)，固定下肢及胸腰部，指導(dǎo)受試者抓握測(cè)試手柄[8]。③測(cè)試動(dòng)作共包括2組，第1組在中速(60°/s)下連續(xù)做5次最大俯屈伸展向心收縮運(yùn)動(dòng)，第2組在高速(120 °/s)下做最大俯屈伸展向心收縮運(yùn)動(dòng)20次，組間休息2 min，盡可能減少疲勞對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[9]。④設(shè)置軀干活動(dòng)范圍為40°(+20°屈曲，-20°背伸)，起始位置為0°端坐位(圖1)。⑤測(cè)試開(kāi)始前先進(jìn)行3次亞極量熱身運(yùn)動(dòng)，測(cè)試過(guò)程中由研究人員不斷語(yǔ)言激勵(lì)受試者，使受試者始終維持最大做功。測(cè)試完畢后，由系統(tǒng)導(dǎo)出等速測(cè)試圖文報(bào)告，記錄腰背伸肌運(yùn)動(dòng)相關(guān)指標(biāo)(圖2)。耐力比(endurance ratio，ER)代表肌肉重復(fù)收縮時(shí)耐受疲勞的能力[10]，常用最后6次肌肉平均力矩與最初6次肌肉平均力矩之比來(lái)表示。

A：前屈20°；B：中立位0°；C：后伸20°

圖2 等速肌肉功能測(cè)試整個(gè)模塊的疲勞率(A)及整個(gè)模塊疲勞(B)情況

評(píng)價(jià)指標(biāo)：腰背伸肌群峰力矩(peak torque,PT)、屈伸比(flexion/extension,F/E)和耐力比(endurance ratio,ER)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 一般資料及等速肌肉功能情況

本研究共納入38例受試者，其中男性6例，女性32例；年齡(62.3±6.3)歲，坐高(83.1±3.6)cm，身高(152.9±6.7)cm，體質(zhì)量為(56.4±7.4)kg，體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為(24.1±2.4)kg/m2，腰背伸肌PT為(78.5±37.0)N·m，F(xiàn)/E為(1.2±0.6)，ER為(1.0±0.2)。

2.2 多裂肌磁共振Dixon-VIBE及MRS序列影像學(xué)退變定量分析比較

Dixon-VIBE及MRS序列所測(cè)雙側(cè)多裂FF以及經(jīng)年齡、身高、體質(zhì)量、BMI修正之后的FF見(jiàn)表2；Dixon-VIBE與MRS序列各退變指標(biāo)存在高度相關(guān)性，其中Dixon-VIBE序列FF/BW與MRS序列FF/BW相關(guān)性最高(r=0.790，P<0.01)，見(jiàn)表3。

表2 38例受試者磁共振Dixon-VIBE及MRS序列影像學(xué)退變情況

表3 38例受試者磁共振Dixon-VIBE及MRS序列影像學(xué)退變指標(biāo)的相關(guān)性

2.3 多裂肌磁共振Dixon-VIBE及MRS序列影像學(xué)退變指標(biāo)與等速肌肉功能的相關(guān)性分析

Dixon-VIBE序列中多裂肌FF與F/E呈弱正相關(guān)(r=0.350，P<0.05)，經(jīng)身高、體質(zhì)量、BMI修正之后與F/E呈弱正相關(guān)(r=0.371、0.382、0.338，P<0.05)；Dixon-VIBE及MRS序列中多裂肌FF(含修正后)與PT、ER未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性，MRS序列中多裂肌FF(含修正后)與F/E未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性，見(jiàn)表4。

表4 38例受試者腰背肌影像學(xué)退變指標(biāo)與等速肌肉功能的相關(guān)性分析

3 討論

隨著全球人口老齡化的進(jìn)展，脊柱退行性疾病在老年人群中的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。腰背肌作為脊柱后方維持軀干平衡的重要力學(xué)元件，其功能狀態(tài)與脊柱退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切[11-12]。因此，準(zhǔn)確客觀評(píng)估腰背肌功能狀況，對(duì)探索脊柱退行性改變的自然規(guī)律、脊柱退行性疾病的發(fā)病機(jī)制及防治措施具有重要意義。

當(dāng)前，腰背肌的評(píng)價(jià)方法主要集中在以力量、耐力為評(píng)價(jià)指標(biāo)的理學(xué)檢查及以肌肉橫截面積、脂肪浸潤(rùn)程度為代表的影像學(xué)兩個(gè)方面[13]。雖然評(píng)價(jià)方法形式多樣，但缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在腰背肌功能理學(xué)檢查方面，等速功能測(cè)試目前被廣泛應(yīng)用于術(shù)后肌肉康復(fù)評(píng)定、肢體平衡性評(píng)定以及肌肉力量評(píng)估等眾多領(lǐng)域[14]。等速峰力矩、屈伸比、耐力比是等速測(cè)試評(píng)估中的常用評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。其中，評(píng)估力量通常采用低、中角速度，耐力測(cè)試通常推薦高角速度[3, 16]。等速功能測(cè)試具有高精度、高效率、高信度以及可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是肌肉理學(xué)檢查的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在諸多問(wèn)題。首先，等速測(cè)試儀器價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜，需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行測(cè)量操作；其次，對(duì)伴有腰椎滑脫、壓縮性骨折、重度骨質(zhì)疏松的受試者，測(cè)試過(guò)程存在一定加重疾病、誘發(fā)骨折的安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，受試者可能因?yàn)樘弁炊档鸵缽男?，甚至無(wú)法配合完成測(cè)試，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的信度和效度減低；最后，不同型號(hào)等速測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果之間難以進(jìn)行橫向?qū)Ρ萚3]。因此，從形態(tài)影像學(xué)角度去尋求一種高靈敏度、低風(fēng)險(xiǎn)的等速肌肉功能預(yù)測(cè)指標(biāo)具有重要意義。

目前臨床上常用的腰背肌影像學(xué)評(píng)估方法主要包括CT、超聲、磁共振等。其中磁共振因具有較高的軟組織分辨率，成為目前臨床研究中最常用的非侵入性評(píng)估方法。選擇合適的磁共振成像技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，磁共振Dixon-VIBE成像技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的新磁共振的成像序列，其原理是基于不同成分(水、脂肪)在特定場(chǎng)強(qiáng)中的共振頻率差異，通過(guò)重建脂肪相與水相獲得脂肪含量。該成像技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)磁共振序列而言，不易受呼吸動(dòng)度、渦流效應(yīng)等混雜因素的影響，具有成像速度快、采集時(shí)間短、分辨率高以及較好的可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)[17]。目前在骨髓含量、肝臟脂肪含量測(cè)定以及多種疾病診斷等方面得到廣泛應(yīng)用[18-19]，但在腰背肌退變定量分析中的研究應(yīng)用較少。但該技術(shù)所得到的脂肪分?jǐn)?shù)易受翻轉(zhuǎn)角設(shè)定、脂肪譜復(fù)雜性、T1偏差等因素的影響，目前尚未在臨床得到普及應(yīng)用[6]。本研究選用改良后的6回波Dixon掃描序列，其在肌肉脂肪定量評(píng)估中的準(zhǔn)確性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)2、3點(diǎn)分析法[7]。MRS成像技術(shù)是在傳統(tǒng)磁共振基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的另一種新型成像技術(shù)，主要基于化學(xué)位移及自旋耦合原理，通過(guò)組織代謝物濃度來(lái)反映波譜曲線的峰高，常被喻為“虛擬穿刺”[20]，目前在代謝性疾病的進(jìn)展監(jiān)測(cè)、臨床肌肉相關(guān)疾病的診斷及發(fā)病機(jī)制研究方面應(yīng)用廣泛。但相對(duì)Dixon技術(shù)，MRS的掃描條件要求苛刻、耗時(shí)長(zhǎng)、分辨率較低、后處理程序復(fù)雜、測(cè)量結(jié)果易受到感興趣區(qū)域選擇的影響[20]，在一定程度上限制了MRS在臨床的普及應(yīng)用。本研究將這兩種磁共振特殊成像序列應(yīng)用于中老年受試者多裂肌退變定量分析中，對(duì)比分析二者對(duì)于多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)的評(píng)估作用，同時(shí)觀察其對(duì)等速肌肉功能評(píng)估這一“金標(biāo)準(zhǔn)”的擬合程度，為滿(mǎn)足因疼痛、疾病、設(shè)備等原因無(wú)法進(jìn)行腰背肌等速肌肉功能檢測(cè)的患者評(píng)估腰背肌功能的臨床實(shí)際需求探索新的技術(shù)方法。

以多裂肌為代表的腰背伸肌群在保持正常體態(tài)、維持脊柱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定及實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)功能中發(fā)揮了主要作用，提供了腰椎穩(wěn)定力量的2/3[1]。多裂肌在腰骶段解剖結(jié)構(gòu)中最靠近脊柱中線，通常由多層肌肉構(gòu)成，肌肉的纖維主要是縱行走向，根據(jù)椎體節(jié)段不同，肌肉構(gòu)成層次亦不相同[21]。多裂肌肌纖維由上至下呈放射狀分布，在L4/5層面橫截面積達(dá)到最大[22]。相對(duì)于豎脊肌和腰大肌而言，多裂肌在維持矢狀面平衡及背伸活動(dòng)中發(fā)揮的作用更為顯著[23]。此外，L4/5節(jié)段是脊柱主要承重和活動(dòng)節(jié)段，應(yīng)力相對(duì)最為集中，也是最容易發(fā)生退行性改變及損傷的運(yùn)動(dòng)單元。既往研究表明[24]，椎間關(guān)節(jié)退變的嚴(yán)重程度和L4/5層面多裂肌的退變程度的相關(guān)性最明顯，提示L4/5層面腰背肌退變最典型，故本研究選擇L4/5層面多裂肌作為研究對(duì)象。

磁共振Dixon-VIBE及MRS兩種成像技術(shù)在定量評(píng)估組織脂肪含量方面各有優(yōu)劣。既往研究表明，磁共振Dixon-VIBE序列在肝臟、胰腺以及椎體骨髓脂肪含量的測(cè)定中與磁共振波譜檢測(cè)的一致性較好[25]，但二者在多裂肌退變定量分析中的應(yīng)用報(bào)道較少。本研究將Dixon-VIBE和MRS這兩種基于不同成像原理和計(jì)算方法的磁共振序列用于多裂肌脂肪含量的測(cè)定，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)這兩種序列所測(cè)得多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)均具有較好的有效性和靈敏度，且呈高度正相關(guān)，提示這兩種序列均適用于肌肉脂肪定量檢測(cè)。

在此基礎(chǔ)上，本研究對(duì)比了磁共振Dixon-VIBE及磁共振波譜序列對(duì)多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)的評(píng)估與腰背肌等速功能檢測(cè)的擬合程度。腰背肌等速功能檢測(cè)中的“屈伸比”參數(shù)代表腰背部屈、伸肌群力量的比值，可在一定正常范圍內(nèi)波動(dòng)，超過(guò)這一正常范圍則提示腰背屈伸肌力存在失衡情況[26]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁共振Dixon-VIBE序列較MRS對(duì)多裂肌脂肪含量檢測(cè)值與屈伸比的相關(guān)性更顯著，說(shuō)明該序列對(duì)反映屈伸肌群肌力失衡情況方面更為敏感，是預(yù)測(cè)腰背部屈伸肌力失衡的更合適指標(biāo)。腰背肌等速功能檢測(cè)中的“峰力矩”是代表肌肉收縮過(guò)程中的最大力矩輸出，“耐力”提示肌肉耐受疲勞能力大小[15]。本研究結(jié)果未發(fā)現(xiàn)腰背伸肌峰力矩、耐力比與Dixon-VIBE序列的多裂肌影像學(xué)退變參數(shù)存在具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的相關(guān)性。分析其原因，首先，腰部背伸動(dòng)作是包括多裂肌、最長(zhǎng)肌、髂肋肌等多組肌肉群的協(xié)同作用結(jié)果[27]，伸肌峰力矩及耐力反映了整體腰背肌群的肌肉功能狀況，通過(guò)單一層面多裂肌的退變指標(biāo)不能有效反映整個(gè)腰背肌力量和耐力的整體水平。其次，多裂肌退變的影像學(xué)表現(xiàn)包括脂肪含量的增加、肌肉橫截面積以及體積萎縮，脂肪分?jǐn)?shù)在反映等速肌肉峰力矩及耐力方面可能不是最優(yōu)指標(biāo)。此外，MRS序列檢測(cè)的多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)與等速肌肉功能各指標(biāo)未發(fā)現(xiàn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的相關(guān)性，可能是由于兩種序列的成像原理不同，MRS序列是基于單個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行信息采集，其測(cè)量結(jié)果更易受到感興趣區(qū)域選擇的影響。由于取樣范圍相對(duì)較小，組織內(nèi)血流變化、脂肪容積效應(yīng)會(huì)影響MRS序列的水波譜峰值，使該檢測(cè)序列在同一組織區(qū)域內(nèi)所選取的不同感興趣區(qū)域的脂肪含量變化可超過(guò)30%[28]，導(dǎo)致其檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性欠佳和統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Dixon-VIBE序列則通過(guò)手動(dòng)勾勒出多裂肌整個(gè)橫截面作為感興趣區(qū)域，通過(guò)水相及脂肪相的信號(hào)強(qiáng)度值即可獲得脂肪分?jǐn)?shù)，能夠在最大程度上保證采樣完整性和可重復(fù)性[23]。因此，根據(jù)本研究結(jié)果推薦采用磁共振Dixon-VIBE序列對(duì)多裂肌的脂肪分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測(cè)。

考慮到不同年齡、身高、體質(zhì)量及BMI對(duì)肌肉影像學(xué)退變程度的影響[29-30]，本研究將兩個(gè)磁共振序列所測(cè)得多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)經(jīng)加權(quán)修正處理后再次進(jìn)行對(duì)比研究，并觀察其與等速肌肉功能的擬合程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)身高、體質(zhì)量、BMI加權(quán)后兩個(gè)磁共振序列所測(cè)脂肪含量的相關(guān)系數(shù)以及與屈伸比的擬合程度均進(jìn)一步提升，其中，經(jīng)體質(zhì)量加權(quán)處理后相關(guān)性程度和擬合程度提升幅度最明顯。因此，我們認(rèn)為，相對(duì)于年齡、身高、BMI等指標(biāo)而言，體質(zhì)量對(duì)于多裂肌脂肪變的影響作用最大，在定量評(píng)估肌肉脂肪化程度時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮體質(zhì)量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的個(gè)體差異影響。在上述所有加權(quán)算法中，體質(zhì)量加權(quán)的磁共振Dixon-VIBE序列檢測(cè)的多裂肌脂肪含量在反映屈伸比時(shí)具有最好的擬合程度。

本研究的局限性：納入樣本總量偏少，研究結(jié)果可能存在一定的選擇偏倚；兩種序列的影像學(xué)評(píng)估僅包含單一層面(L4/5)、單一肌肉(多裂肌)的脂肪定量情況。

綜上所述，磁共振Dixon-VIBE序列檢測(cè)腰4～5平面的多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)與腰背肌等速肌肉功能評(píng)估中的關(guān)鍵指標(biāo)——屈伸比具有一定的相關(guān)性，經(jīng)體質(zhì)量加權(quán)后進(jìn)一步提升相關(guān)程度，針對(duì)部分因缺乏設(shè)備、技術(shù)等客觀原因無(wú)法完成等速肌肉功能測(cè)試的患者，該方法可作為評(píng)估其部分腰背肌功能的替代方案。