腰椎旁肌肉脂肪含量與椎間盤退變關系的定量MRI研究

汪洋，查云飛，邢棟

作者單位：

武漢大學人民醫院放射科，武漢430060

在肌肉退變過程中，正常肌纖維形態發生改變并被脂肪組織取代，脊柱穩定性下降，這可能是下腰痛產生的重要原因之一[1]。目前，已經有研究表明椎旁肌肉脂肪含量與椎間盤高度降低有關[2]；與無癥狀對照組患者相比，下腰痛患者的椎旁肌肉脂肪浸潤增加和肌肉橫截面積減少[3]；而且肌肉脂肪浸潤較少的患者，椎間盤源性腰腿痛患者治療后的效果也相對較好[4]。

盡管以上研究表明下腰痛與椎旁肌肉退變之間存在關聯，但近年來只有少數學者[5-6]對椎旁肌肉脂肪浸潤與腰椎間盤退變進行了評估，而且這些研究都是采用主觀評價或半定量測定椎旁肌肉脂肪含量。

本研究擬采用IDEAL-IQ (iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and leastsquares estimation quantitation)技術定量測定椎旁肌肉脂肪含量，希望能為臨床診斷和治療提供參考以及準確的影像學依據，同時評價椎旁肌肉脂肪含量與椎間盤退變的相關性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取57名患者，男21例，女36例，年齡范圍19～79歲，平均年齡(47.93±13.03)歲，所有患者均來自武漢大學人民醫院，檢查前均簽署知情同意書。納入標準：臨床以腰腿痛或坐骨神經痛欲行腰椎MRI檢查的患者。剔除標準：患有惡性腫瘤、血液病、糖尿病、庫欣綜合征及其他系統性疾病病史；絕經后行雌激素替代治療的女性患者；體重指數＞28 kg/m2；長期藥物服用史；長期吸煙、飲酒、厭食癥患者；急慢性骨折、癱瘓及腰部手術的患者；Cobb角大于10°的腰椎側彎畸形患者；幽閉恐懼癥患者。

1.2 掃描方法

采用GE Discovery MR750 Plus 3.0 T超導磁共振(GE Healthcare；Little Chalfont，England)行腰椎常規T2WI序列矢狀位及IDEAL-IQ序列軸位掃描，線圈采用CTL脊柱相控陣線圈，受檢者取仰臥位。IDEAL-IQ序列參數：翻轉角4°，TR 7.8 ms，TE 1.2 ms、3.2 ms、5.2 ms、7.2 ms、9.2 ms、11.2 ms，帶寬125 kHZ，掃描層厚4 mm，視野30 cm×24 cm，矩陣288×288，激勵次數2，回波鏈長度3，掃描時長2 min 58 s；T2WI序列參數：TR 2500，TE 142，帶寬62.5 kHZ，激勵次數2，回波鏈長度21，層厚4 mm，層間距0.5 mm，視野32 cm×32 cm，矩陣512×512，掃描時長1 min 25 s。

1.3 圖像定性和定量評價

腰椎常規T2WI序列矢狀位，根據Pfirrmann分級標準[7]：Ⅰ級，髓核呈均勻的高信號，纖維環與髓核分界清晰，椎間盤高度正常；Ⅱ級，髓核呈不均勻的高信號，髓核內伴或不伴水平狀信號帶，纖維環與髓核分界清晰，椎間隙正常；Ⅲ級，髓核呈不均勻的中等信號，纖維環與髓核分界不清晰，椎間隙正常或輕度狹窄；Ⅳ級，髓核呈不均勻的中等或低信號，髓核與纖維環不能區分，椎間隙正常或中度狹窄；Ⅴ級，髓核呈不均勻低信號，髓核與纖維環不能區分，椎間隙重度狹窄。由2名5年以上肌骨影像學工作經驗的醫師在矢狀位T2WI序列上分別對腰椎間盤退變程度進行分級(圖1)，有分歧時共同商量決定，將椎間盤分為5組。

IDEAL-IQ序列軸位掃描圖像傳入GE AW 4.6工作站，由以上相同的2名醫師在fat fraction圖像上各自勾畫所有L1～S1椎間盤中心層面椎旁肌感興趣區(region of interest，ROI)，椎旁肌ROI分別設在兩側多裂肌(Multifidus，MF)、豎脊肌(Erector spinae，ES)和腰大肌(Psoas，PS)(圖2)，沿肌肉外輪廓勾畫，避開肌肉周圍脂肪組織，系統自動生成所畫區域的脂肪百分比(fat fraction，FF)和橫截面積(cross-sectional area，CSA)，每種椎旁肌肉左右兩側各測量三次取平均值；根據同層面椎間盤分級，將椎旁肌肉相應的也分為5組。

1.4 統計分析

使用SPSS 21.0軟件(SPSS Inc，Chicago，IL，USA)進行統計學分析，采用組內相關系數(Intraclass correlation coefficient，ICC)評價2名醫師測量椎旁肌肉FF和CSA值的一致性，ICC值大于0.80認為測量結果一致性較好。

圖1 腰椎間盤Pfirrmann分級示例 圖2 腰椎軸位IDEAL-IQ序列中的fat fraction圖，分別勾畫腰大肌、豎脊肌、多裂肌的ROIFig. 1 Example Pfirrmann gradation of lumbar disc. Fig. 2 The fat fraction diagram in the IDEAL-IQ sequence of the lumbar axis， which outlines the ROI of the PS, ES, and MF.

用ANOVA單因素方差分析比較不同腰椎間盤Pfirrmann分級組間相應層面椎旁肌肉FF及CSA差異；用Spearman相關性分析評價腰椎間盤Pfirrmann退變程度與相應層面椎旁肌肉FF及CSA的相關性，相關系數r＞0.7被認為顯著相關；r=0.5～0.7為強相關；r=0.3～0.5為中等程度相關；r＜0.3為弱相關。采用多元線性回歸分析以評估性別、年齡、腰椎間盤退變程度是否為PS、ES、MF的FF和CSA的獨立影像因素。以上分析均以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2名觀察者測得的椎旁肌肉(PS、ES、MF)FF及CSA的ICC值分別為0.85，0.81，0.84；0.97，0.90，0.82，說明2名觀察者結果具有很好的一致性，然后取兩人平均數作為最終數據。

不同腰椎間盤Pfirrmann分級組間椎旁肌肉FF及CSA的差異均有統計學意義(表1)。不同腰椎間盤Pfirrmann分級與椎旁肌肉(PS、ES、MF)FF的Spearman相關性分析結果表明腰椎間盤Pfirrmann分級與PS、ES和MF的FF均存在相關性，其中與PS的FF弱相關，與ES和MF的FF中等程度相關(相關系數分別為0.208，0.392，0.433，P值均小于0.001；圖3A～C)；不同Pfirrmann分級組間椎旁肌肉(PS、ES、MF)CSA的Spearman相關性分析表明腰椎間盤Pfirrmann分級與PS、ES和MF的CSA均為弱相關(相關系數分別為0.170，-0.284，0.240，P值分別為0.004，＜0.001，＜0.001；圖3D～F)。

由于多元線性回歸的各相關因素并非全部獨立存在，而有可能存在一定的共線性，所以對性別、年齡、腰椎間盤Pfirrmann分級3個變量進行逐步回歸分析，以進入概率為α≤0.05，移出概率α≥0.01進行分析，剔除其中存在共線性的變量，最終選入性別、年齡和腰椎間盤Pfirrmann分級作為PS、MF的FF的自變量，腰椎間盤Pfirrmann分級作為ES的FF的自變量；性別、年齡和腰椎間盤Pfirrmann分級作為PS、MF的CSA的自變量，性別、椎間盤Pfirrmann分級作為ES的CSA的自變量。

表1 不同Pfirrmann分級椎旁肌肉FF(%)、CSA (mm2)差異的比較( ±s)Tab. 1 Comparison of FF (%) and CSA (mm2) differences in paravertebral muscles of different Pfirrmann grades ( ±s)

椎間盤Pfirrmann分級 個數 PS ES MF FF (%) CSA (mm2) FF (%) CSA (mm2) FF (%) CSA (mm2)Ⅰ級 8 6.00±1.24 739.59±94.43 11.02±4.82 1300.83±790.80 11.481±3.130 665.92±254.91Ⅱ級 98 6.90±1.84 594.53±373.35 12.66±7.56 1448.55±534.25 13.516±4.862 540.00±278.55Ⅲ級 106 6.99±1.95 548.23±344.95 14.34±9.61 1399.73±596.41 15.521±6.771 530.95±287.14Ⅳ級 65 7.90±2.09 787.17±333.13 22.76±10.88 959.86±592.03 20.989±6.754 774.30±264.81Ⅴ級 8 8.32±1.92 800.09±335.87 22.83±9.98 877.96±723.74 24.069±4.821 751.09±252.67 F值 4.50 5.67 14.55 8.91 19.92 9.90 P值 0.002 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

圖3 A～C：腰椎間盤Pfirrmann分級與PS、ES、MF的FF相關性分析散點圖；D～F：腰椎間盤Pfirrmann分級與PS、ES、MF的CSA相關性分析散點圖Fig. 3 A—C: Scatter plot of the correlation between lumbar disc Pfirrmann grading and the FF of PS， ES. MF. D—F: Scatter plot of the correlation between lumbar disc Pfirrmann grading.

表2 PS的FF影響因素多元線性回歸分析Tab. 2 Multiple linear regression analysis of in fluence factors of PS FF

表3 MF的FF影響因素多元線性回歸分析Tab. 3 Multiple linear regression analysis of in fluence factors of MF FF

表4 ES的FF影響因素多元線性回歸分析Tab. 4 Multiple linear regression analysis of in fluence factors of ES FF

表5 PS的CSA影響因素多元線性回歸分析Tab. 5 Multiple linear regression analysis of in fluence factors of PS CSA

表6 MF的CSA影響因素多元線性回歸分析Tab. 6 Multiple linear regression analysis of in fluence factors of MF CSA

表7 ES的CSA影響因素多元線性回歸分析Tab. 7 Multiple linear regression analysis of in fluence factors of ES CSA

以進入概率為α≤0.05，移出概率α≥0.01進行多元線性回歸分析，所有回歸分析模型P值均小于0.001，多元線性回歸分析表明性別、年齡和腰椎間盤Pfirrmann分級是PS和MF的FF的獨立影響因素(表2，3)，腰椎間盤Pfirrmann分級是ES的FF的獨立影響因素(表4)；性別、年齡和腰椎間盤Pfirrmann分級是PS和MF的CSA獨立影響因素(表5，6)，性別和腰椎間盤Pfirrmann分級是ES的CSA獨立影響因素(表7)。

3 討論

3.1 研究結果

本研究表明腰椎間盤Pfirrmann分級與PS、ES和MF的FF及CSA均存在相關性，其中與ES和MF的FF存在中等程度相關性，其余均為弱相關；腰椎間盤Pfirrmann分級是PS、ES和MF的FF和CSA獨立的影響因素。

3.2 本研究結果的理論基礎

Panjabi等[8]曾經提出了保持脊柱穩定性“三亞系模型”：被動亞系、主動亞系和神經控制亞系，被動亞系主要由椎體、椎間盤、小關節和韌帶等組成，主動亞系由肌肉和肌腱組成，三個亞系相互獨立，但又相互聯系，當某一因素發生損害，可由其他要素加以代償。椎旁肌功能減退將改變原有生物力學關系，引起關節囊、關節軟骨、椎間盤等結構負荷增大、負荷不均，進而引起腰痛、腰椎失穩、腰椎間盤退變。反之，椎間盤退變也會引起腰椎不穩，椎旁肌代償，繼而椎旁肌負荷失衡，產生退變。國外有學者做過研究[9]，當去除椎旁肌后，只保留韌帶的腰椎可承受壓力顯著下降，表明椎旁肌在維持脊柱穩定性方面發揮著重要作用，體外實驗也發現多裂肌在屈曲和伸展等矢狀面活動發揮著重要作用[10]，當椎間盤生物力學發生改變后，將影響椎間盤中膠原結構的排列，使細胞生物學環境發生改變，出現退變[11]。龔劍秋等[12]研究發現，單側癥狀腰椎間盤突出對雙側多裂肌均有影響，使雙側多裂肌出現萎縮和脂肪化，但以患側為甚，而且患側多裂肌的肌電圖也會出現變化。本研究顯示椎間盤Pfirrmann分級與PS、ES和MF的FF及CSA均存在相關性，也說明椎間盤和椎旁肌肉之間存在聯系。而且，腰椎間盤Pfirrmann分級是PS、ES和MF的FF和CSA獨立的影響因素，說明雖然椎旁肌肉退變受年齡、性別和椎間盤退變的影響，但椎間盤退變是椎旁肌肉退變的獨立影響因素，不受其他因素的干擾。

此外，腰椎間盤Pfirrmann分級與ES和MF的FF存在中等程度相關性，而與PS的FF只存在弱相關，這可能是相比于PS，ES和MF與腰椎位置關系最為密切，維持同樣的力矩，ES和MF所需要的力量也相對較大，而且有很多學者做過大量研究[10，13-15]，MF和PS分別在維持腰椎矢狀面和冠狀面穩定中起到重要作用，由于在日常生活中，類似于彎腰這種矢狀面上的活動最為頻繁，所以MF在椎旁肌退變中也最容易發生，PS退變程度相對最輕。腰椎間盤Pfirrmann分級與PS、ES和MF的CSA均呈弱相關性，筆者推測這可能是由于肌肉橫截面積在不同個體及群體中差異較大，而且肌肉萎縮在肌肉退變過程中需要較長的時間積累才會表現出來。

3.3 本研究與國內外相關研究的比較

最近國外也有學者做過類似的研究，Teichtahl等[5]采用主觀分級方法對椎旁肌肉脂肪含量進行評估，Urrutia等[6]采用半定量的方法對椎旁肌肉脂肪含量進行評估，雖然最終兩者結論與本研究相近，但都沒有對椎旁肌肉脂肪含量進行準確定量的評估，而且在實驗入組上，兩者都沒有排除肥胖、脊柱側彎、糖尿病等患者[16-18]，因為有研究顯示這些因素對肌肉脂肪含量都有影響。

3.4 本研究方法的先進性

IDEAL-IQ技術作為改進的DIXON成像，采用小角度激發及非對稱采集技術，并用多回波技術重建，一次掃描可產生6幅圖像，分別是fat、water、in-phase、out-phase、R2*maps和fat fraction maps，其中fat fraction maps可以直接計算出感興趣區的FF，以往多用于肝臟和骨髓脂肪定量評價[19-20]，Fischer等[21]進行了前瞻性的研究，證明IDEAL-IQ技術對椎旁肌肉脂肪含量的測定具有很好的準確性。

3.5 本研究的不足

本實驗也存在一些不足之處。首先，在實驗入組上，由于要排除脊柱畸形對實驗的干擾，所以很多腰椎側彎的病人都被排除在外，但是腰椎間盤退變比較嚴重的病人往往伴隨有腰椎側彎，這也導致本實驗椎間盤Ⅳ級和Ⅴ級病例比較少，整體退變程度不重，相關系數r值不夠高；其次，本實驗中筆者沒有對受檢者臨床癥狀區分急性、慢性和復發性下腰痛，國外有學者研究顯示對于慢性下腰痛患者，有中等程度MF萎縮的證據，而ES和PS沒有，另外對于急性和復發性下腰痛患者，椎旁肌沒有明確的宏觀或微觀結構變化，表明不同類型的下腰痛患者，其MF有不同表現，PS和ES則沒有明顯差異，所以實驗結果可能受到一定程度影響[22]；再次，椎旁肌肉是一個縱向分布的整體器官，而本實驗只選取了各腰椎間盤對應的椎旁肌肉層面，不能很好地量化整個肌肉的退變程度，而且椎旁肌肉退變有著復雜的生理學及生物力學機制，各腰椎間盤退變及其對應的椎旁肌肉層面退變不一定存在嚴格的一一對應關系，實驗結果可能受一定影響，這也是本實驗研究方法的一種局限。

綜上所述， ES和MF的脂肪浸潤程度與腰椎間盤退變程度存在中等程度相關性；腰椎間盤Pfirrmann分級是PS、ES和MF的FF和CSA獨立的影響因素。

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