基于MRS IDEAL序列構建非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的預測模型及效能評價

劉云鵬, 曹 斌, 左玉強, 田玉良, 陳秋敬, 張耀杰

(1.河北省石家莊市人民醫(yī)院, 河北 石家莊 050000 2.河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院, 河北 石家莊 050000 3.河北省兒童醫(yī)院, 河北 石家莊 050000)

非特異性腰疼在所有種類的腰疼中占比85%以上,發(fā)病率與復發(fā)率較高,社會快速發(fā)展中,該病呈年輕化趨勢[1]。該病一定程度上影響著患者的生活和工作,帶來難以估量的經(jīng)濟損失[2]。造成非特異性腰疼原因很多且機制復雜,但大部分均是由肌肉或韌帶等軟組織勞損引起,導致腰椎的序列和結構改變,進而影響生物力學失衡而導致脊柱穩(wěn)定性下降,與目前研究熱點方向“核心穩(wěn)定性”理論一致[3]。多裂肌是脊柱穩(wěn)定性中重要的椎旁肌,其橫截面大、單位體積纖維含量多的特點使其在有限的空間內(nèi)發(fā)揮最大的力量支撐脊柱[4],同時研究顯示,腰骶部超過2/3穩(wěn)定力量由多裂肌提供,能夠維持脊柱正常力線的以及穩(wěn)定腰椎,因此多裂肌結構與功能穩(wěn)定性被破壞可能通過影響脊柱穩(wěn)定性而引起腰痛[5]。多裂肌脂肪浸潤是肌肉萎縮、退變后常見病理變化,因此探究多裂肌脂肪的浸潤程度對診斷和了解非特異性腰疼可能具有重要意義。但過往評估多裂肌脂肪的浸潤程度主要為半定量分析,有較大的誤差導致結果未能達到預期。磁共振波譜成像(magnetic resonance spectroscopic imaging,MRS)、非對稱回波的最小二乘估算法迭代水脂分離技術(Iterative Water Lipid Separation Technique Using Least Squares Estimation Method for Asymmetric Echoes,IDEAL)序列是兩種可定量分析脂肪成分的方法,可準確的定量分析出多裂肌的脂肪相對含量?；诖?本文旨在探討利用MRS、IDEAL序列定量分析非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪相對含量,并構建預測列線圖模型,為臨床檢測和治療提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1一般資料:納入2021年7月至2023年7月于我院接受治療的88例非特異性腰痛患者的臨床資料。所有患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度按照Goutallier分級標準分為少量組與多量組,其中少量組36例,男性17例,女性19例,年齡(47.63±9.27)歲,病程(3.58±2.20)年,有高血壓20例,有高血糖18例;多量組52例,男性23例,女性29例,年齡(49.66±9.01)歲,病程(3.67±2.41)年,有高血壓33例,有高血糖30例。本研究經(jīng)過本院倫理委員會批準。

1.2入選標準:納入標準:①有患者均符合《非特異性下腰痛:北美脊柱協(xié)會(NASS)循證醫(yī)學指南》[6]中診斷標準;②年齡≥18歲;③無脊柱手術史;④患者知情同意。排除標準:①類風濕關節(jié)炎、強直性脊柱炎者;②合并惡性腫瘤者;③有嚴重的腰部受傷或外傷史;④精神存在問題,依從性差者。

1.3方 法

1.3.1椎旁肌肉脂肪浸潤分級和分組方法:由3名放射科醫(yī)師一同參與影像學檢查和診斷,采用腰椎常規(guī)T2WI序列橫斷位,依據(jù)Goutallier分級標準對非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度進行分級,無脂肪浸潤為0級,少量脂肪浸潤為1級,脂肪浸潤量小于肌肉量為2級,脂肪浸潤量等于肌肉量為3級,脂肪浸潤量大于肌肉量為4級。在本文研究中,將1級和2級歸為浸潤少量組,3級和4級歸為浸潤多量組。

1.3.2臨床資料收集:①基線資料:通過醫(yī)院病歷系統(tǒng),記錄患者性別、年齡、病程、高血壓、高血糖、飲酒史以及吸煙史。②實驗室指標:測量患者空腹血糖(Fasting blood glucose,FPG)、總膽固醇(total cholesterol,TC)、紅細胞計數(shù)(red blood cell count,RBC)、白細胞計數(shù)(white blood cell count,WBC)、甘油三酯(triglyceride,TG)、鈉離子、鉀離子、鈣離子以及血小板。

1.3.3MRS檢查方法:采用Siemens3.0T超導型磁共振掃描儀,患者取仰臥位,以6通道體部線圈和6通道體表線圈行腰4～5椎間盤平面的橫軸位T2WI掃描,TR2100ms,TE109ms,回波鏈長度21,層厚4mm,FOV32cm×32cm,以T1,T2快速自旋回波加權成像序列矢狀位,行MRS檢查,調(diào)整水和脂肪預置值為0并在橫斷面圖像選擇合適的興趣區(qū),以體素10cm×10cm×10cm放置多裂肌和最長肌的中心,激勵次數(shù)8次。用sage軟件將獲得的MRS圖像和數(shù)據(jù),算出椎旁肌肉脂肪含量相對百分比(Fat%)與水含量百分比(Water%)。

1.3.4IDEAL檢查方法:采用GE Discovery3.0T核磁共振儀,以8通道相控陣腹部線圈對患者進行IDEAL序列掃描,掃描參數(shù)設置為翻轉角4。TR6.8ms,TE2.2～10.2ms,視野38cm×38cm,回波鏈長度3,層厚4mm,FOV30cm×24cm,相位數(shù)160,掃描時間2min。在受檢者的L3椎體下終板層面勾畫出相同于T2-mapping 序列的 ROI,測量3次取平均值得出水像及脂像的信號強度,并算出椎旁肌肉脂肪含量相對百分比(Fat%)與水含量百分比(Water%)。

2 結 果

2.1椎旁多裂肌脂肪浸潤程度少量組和多量組臨床資料比較:兩組臨床資料對比無差異(P>0.05),具有可比性。見表1。

表1 椎旁多裂肌脂肪浸潤程度少量組和多量組臨床資料

2.2基于MRS對兩組間Fat(%)和Water(%)差異比較:基于MRS得出的兩組Fat(%)和Water(%)比較中,多量組的Fat(%)明顯高于少量組,少量組的Water(%)明顯高于多量組,差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。且經(jīng)卡方檢驗Phi系數(shù)、Kendall’s tau-b相關性分析結果顯示,Fat(%)的值與椎旁多裂肌脂肪浸潤程度呈正相關(r=0.420,P<0.05),Water(%)的值與椎旁多裂肌脂肪浸潤程度呈負相關(r=-0.469,P<0.05),見表2,重疊散點圖見圖1。

圖1 基于MRS的Fat(%)和Water(%)的重疊散點圖

表2 兩組間Fat(%)和Water(%)差異比較

2.3基于MRS的Fat(%)分析評價多裂肌脂肪浸潤程度:將非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度作為因變量(少量組=1,多量組=2),將基于MRS的Fat值作為自變量,繪制ROC曲線(見圖2),結果顯示,Fat(%)評估非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的AUC值為0.800,說明Fat(%)的值對非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度具有較好的評估價值,見表3。

圖2 基于MRS的Fat(%)值評價多裂肌脂肪浸潤程度的ROC曲線

表3 基于MRS的Fat(%)分析評價多裂肌脂肪浸潤程度

2.4基于IDEAL序列對兩組間Fat(%)和Water(%)差異比較:基于IDEAL序列得出的兩組Fat(%)和Water(%)比較中,多量組的Fat(%)明顯高于少量組,少量組的Water(%)明顯高于多量組,差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。且經(jīng)卡方檢驗Phi系數(shù)、Kendall’s tau-b相關性分析結果顯示,Fat(%)的值與椎旁多裂肌脂肪浸潤程度呈正相關(r=0.477,P<0.05),Water(%)的值與椎旁多裂肌脂肪浸潤程度呈負相關(r=-0.496,P<0.05),見表4,重疊散點圖見圖3。

圖3 基于IDEAL序列的Fat(%)和Water(%)的重疊散點圖

表4 基于IDEAL序列對兩組間Fat(%)和Water(%)差異比較

2.5基于IDEAL序列的Fat(%)分析評價多裂肌脂肪浸潤程度:將非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度作為因變量(少量組=1,多量組=2),將基于IDEAL序列的Fat(%)值作為自變量,繪制ROC曲線(見圖4),結果顯示,Fat(%)評估非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的AUC值為0.841,說明Fat(%)的值對非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度具有較好的評估價值,見表5。

圖4 基于IDEAL序列的Fat(%)值評價多裂肌脂肪浸潤程度的ROC曲線

表5 基于IDEAL序列的Fat(%)分析評價多裂肌脂肪浸潤程度

2.6基于MRS、IDEAL序列構建預測椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的列線圖模型:基于MRS、IDEAL序列得出的Fat(%)和Water(%)值,構建了影響非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的列線圖模型,其中X1、X2分別是基于MRS測出的Fat(%)和Water(%)值,X3、X4分別是基于IDEAL序列測出的Fat(%)和Water(%)值,見圖5。

圖5 基于MRS、IDEAL序列構建預測椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的列線圖模型

2.7預測椎旁多裂肌脂肪浸潤程度列線圖模型的效應評價:對列線圖模型進行Bootstrap重復抽樣1000次,獲得校準曲線(見圖6),計算的C-index值為0.978,說明該列線圖模型具備較好的區(qū)分度。繪制ROC曲線,對非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的列線圖模型進行評價,建模組的AUC為0.978(95%CI:0.948～1.000),驗證組的AUC為0.935(95%CI:0.838～1.000),區(qū)分度較優(yōu),說明該列線圖模型預測能效較好,見圖7。

圖6 模型列線圖校正曲線驗證

圖7 模型列線圖內(nèi)部驗證ROC曲線

3 討 論

磁共振成像技術是非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的主要測定方法,但在這之中只有MRS、IDEAL序列可以對脂肪含量做出定量分析,因此本文選擇了這兩種方法對非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度進行了分析。研究指出,在1～5節(jié)段多裂肌中,其脂肪浸潤程度有從上至下遞增的趨勢,其中4～5節(jié)段的脂肪浸潤程度最高,原因為該節(jié)段的肌肉與椎體的附著點最多,是主要的承重與穩(wěn)定的多裂肌階段,因此本文在MRS和IDEAL序列檢測中選擇的是4～5階段的多裂肌[7-8]。在本文研究中,基于MRS得出的兩組Fat(%)和Water(%)比較中,多量組的Fat(%)明顯高于少量組,少量組的Water(%)明顯高于多量組,且經(jīng)卡方檢驗Phi系數(shù)、Kendall’s tau-b相關性分析結果顯示,Fat(%)的值與椎旁多裂肌脂肪浸潤程度呈正相關,Water(%)的值與椎旁多裂肌脂肪浸潤程度呈負相關,說明多裂肌的脂肪含量越高,患者的椎旁多裂肌脂肪浸潤程度越嚴重,另外IDEAL序列檢測出的結果與基于MRS檢測結果一致。分析其原因,非特異性腰痛患者因韌帶、軟骨以及肌肉受到牽拉而脊柱發(fā)生變形,破壞了其承重的穩(wěn)定性與平衡性,對椎旁多裂肌造成非常規(guī)力的擠壓,長時間的受壓下,肌內(nèi)和肌間的活動受限導致肌肉的成分發(fā)生改變,肌肉組織內(nèi)的肌細胞脂質(zhì)由此增多,與組織、細胞內(nèi)的線粒體密切接觸,影響肌細胞和骨骼肌的氧化能力[12-13];同時肌細胞長時間受壓下出現(xiàn)病理損傷,導致肌細胞內(nèi)脂質(zhì)增多時其抵抗脂肪化的能力減弱,使得多裂肌中脂肪含量增加[9]。另外有研究指出,當人體衰老時,其體內(nèi)的脂肪含量會增加,而增加的量正好與體內(nèi)減少的水含量一致,可推測人體內(nèi)椎旁多裂肌脂肪浸潤可能與水含量存在動態(tài)平衡[10]。在本文中,還繪制ROC曲線,結果顯示基于MRS檢測下的Fat(%)和基于IDEAL序列檢測下的Fat(%)的AUC值分別為0.800和0.841,說明兩者所檢測出的Fat(%)對非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度均具有較好的評估價值。與陳品珍等的研究一致,肌肉脂肪的含量,是體現(xiàn)肌肉脂肪浸潤程度的重要指標。

本研究構建了影響非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的列線圖模型,將Fat(%)和Water(%)進行賦分,因此列線圖模型的構建,在臨床診斷和治療非特異性腰痛患者,有更直觀、更有效、更便捷的預測價值。此外對列線圖的驗證結果顯示,校準曲線的C-index值為0.978,說明該列線圖模型具備較好的區(qū)分度,繪制ROC曲線,建模組的AUC為0.978(95%CI:0.948～1.000),驗證組的AUC為0.935(95%CI:0.838～1.000),說明該列線圖模型有較好的預測能效.但本文研究尚存在一定不足,樣本容量較小且均是本院患者,有一定偶然性與地域性;MRS的成像時間較長,對于非特異性腰痛嚴重的患者無法配合。

綜上所述,本研究基于MRS、IDEAL序列得出的Fat(%)和Water(%),構建了影響非特異性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸潤程度的列線圖模型,具有較好的預測和診斷價值,可在臨床判斷與治療中提供理論依據(jù)。