椎旁肌影像學參數的評估及其與腰椎手術關系的研究進展

穆月明，閻崇楠，劉 齊，王 歡

中國醫科大學附屬盛京醫院脊柱外科，沈陽 110004

腰椎椎旁肌為附著于腰椎周圍的多裂肌、豎脊肌、腰大肌及腰方肌等肌肉的總稱，對于增加腰椎的穩定性有著重要作用［1］，大多數腰椎手術會不同程度地損傷腰椎椎旁肌，椎旁肌受損可導致去神經支配的萎縮和脂肪浸潤，造成腰椎失穩。有研究［2］表明，椎旁肌的退行性變與腰椎疾病及腰椎手術有一定的相關性。腰椎手術中椎旁肌破壞后易疲勞，對腰椎的保護降低，通過CT、MRI 及超聲等影像學技術測量椎旁肌橫截面積（CSA）、脂肪浸潤（FI）、肌肉密度（MD）、腰椎凹陷值（LIV）及質子密度脂肪分數（PDFF）等參數，可反映椎旁肌在腰椎手術前后的變化［3］，明確腰椎椎旁肌與腰椎手術的關系，輔助腰椎手術術式選擇與改進，降低術后并發癥發生率。本文就椎旁肌影像學參數的評估及椎旁肌退行性變與腰椎手術的關系作如下綜述。

1 椎旁肌影像學參數的評估

椎旁肌參數的測量大多采用CT、MRI 及超聲等技術［4-5］，核磁光譜能夠檢測腰背部肌肉代謝變化，檢測結果與肌肉活檢結果具有良好的一致性［6］；3D多回波MR測量腰背部肌肉及脂肪含量的結果與核磁光譜結果一致［7］。近期有學者使用MR 彈力成像技術評價椎旁肌硬度［8］，以進一步研究椎旁肌硬度與腰椎疾病的關系。MRI 對于軟組織的分割要優于CT，可直接顯示脂肪組織，并直接運用到肌肉形態計量及組織位置判定中［9］。CT 可直接測定MD，超聲可顯示出自動分割軟件難以處理的偽影［10］。

衰老、腰椎疾病及腰椎手術可使骨骼肌量減少，并被沒有彈性的結締組織替代，這種類型的肌肉萎縮稱為肌少癥［11］，正負調節因子失衡而產生血清集聚蛋白C末端片段（CAF）和骨骼肌特異性肌鈣蛋白T（sTnT）是形成肌少癥的主要機制［12］，這種變化使椎旁肌功能性CSA減小。CT、MRI及超聲均可測量椎旁肌CSA［13］。橫斷面MRI T2 加權像可定量測量椎旁肌CSA，可獲得的參數包括雙側總CSA、功能性CSA與總CSA之比（即萎縮率）、左右側CSA的不對稱性和左右側萎縮率的差異［14］。不同平面的CSA測量結果也有所不同，單一平面可選擇椎間盤中點、椎板中點、上下終板或椎體中點［5，14-16］，也有學者運用CT重建圖像測量與肌肉纖維垂直的平面［3］。

在病理狀態下或隨著年齡增加，肌衛星細胞通過PPAR 家族因子刺激分化為脂肪細胞而不是肌細胞，同時，來自骨髓的循環祖細胞也可生成肌間脂肪組織，從而導致肌間脂肪或者脂肪組織增加［17］，即FI。評估FI 的方法可分為視覺半定量評估和定量測量。Goutallier等［18］采用視覺半定量評估將FI分為5級：0級為無FI；1級為有少量FI；2級為FI小于肌肉量；3級為FI同肌肉量相等；4級為FI大于肌肉量。Kalichman等［19］將FI程度分為3級：1級，正常肌肉狀態，FI最高為椎旁肌CSA的10%；2級，適當的肌肉退行性變，FI程度為椎旁肌CSA的10% ～ 50%；3 級，嚴重的肌肉退行性變，FI 程度大于椎旁肌CSA 的50%。這種分類方式具有較高組內和組間的可信度。近期，關于椎旁肌的定量測量研究逐漸增多，運用MRI測量FI程度時可用三維雙梯度回波Dixon 技術將水脂分離，單獨計算脂肪分數，使測量結果可信度更高［20］。Fortin 等［21］將MRI 測量FI 分為2 種方法：①脂肪CSA 與總CSA 之比；②T2 加權像的信號強度作為FI 的指標，更高的信號代表著更高的FI程度。

MD 通常采用CT 測量，通過CT 值即亨斯菲爾德單位（HU）來評價肌肉纖維的密度。此外，有研究者提供的數據是整體肌肉的密度，而另有研究者則提供了保留最多的肌肉質量中心的一小部分肌肉（6 mm 或10 mm 圓圈）的數據［3］。Takayama 等［11］認為，CSA 與FI 程度雖然是評價椎旁肌萎縮的重要指標，但是操作過于復雜，因此，LIV 作為新的評價椎旁肌退行性變的參數被提出，并通過試驗得出，隨著年齡增加，椎旁肌CSA減少且LIV也減小，LIV 同椎旁肌CSA 有著密切的聯系。Tamai 等［22］對LIV 的定義為連接多裂肌兩側最高點和棘突頂部之間的最小距離，研究發現，LIV 數值越小，下腰部前凸發生概率越大。化學位移編碼水/脂MRI定量測量得出PDFF是評價椎旁肌中脂肪成分的一個標志物，PDFF和CSA均可預測椎旁肌的等長肌力，Schlaeger 等［23］的研究發現，PDFF 對于等長肌力的預測要優于CSA，同時化學位移編碼水/脂MRI 也可用于檢測椎旁肌肉成分的細微變化。

Kalichman 等［3］的研究表明，男性的椎旁肌CSA 大于女性、MD 高于女性，年輕人MD 高于年長者，因此，在椎旁肌的評估過程中應將年齡、性別和體質量指數（BMI）作為協變量。目前關于CSA、FI 及MD 的評估和測量方法多種多樣，導致了不同研究結果之間無法直接比較，且關于椎旁肌形態的研究經常出現矛盾的結果。大多數研究都是以單層截面為基礎進行評價，事實上脊柱的不同平面有著很大的不同，且橫截面選取的方向不同也會有很大的不同。Urrutia 等［24］的研究得出，單層面測量的椎旁肌CSA和FI并不能完全代表整個脊柱，在未來的研究中應運用多級測量所有脊柱水平的標準化評估方法，從而得出統一的結論。

現有針對椎旁肌影像學參數評估的研究多由骨科醫師或放射科醫師手動繪出，手動分割工作量較大，易疲勞并容易出現一定誤差，可重復性差，且樣本數據量較少，不利于得出統一的評價標準。自動圖像分割可彌補人力的缺點，在短時間內完成大量的測量工作，自動圖像分割已在神經影像分析中應用，Xiao 等［25］通過對117 例患者腰椎MRI 的分析為自動圖像分割建立了地圖集，但還未實現對腰椎MRI的自動圖像分割。Bien 等［26］運用深度學習模型實現了從內部和外部數據集生成膝關節MRI 準確的臨床病理學分類，從而輔助臨床醫師提高對影像學資料的解讀及對膝關節疾病的診斷。Baum 等［27］研發出一種基于水脂序列MRI 的椎旁肌自動分割算法，將左右側腰大肌、腰方肌和豎脊肌納入研究范圍，同手動分割的圖像相比，平均dice系數為0.83（0.75 ～ 0.90）。因此，運用人工智能替代人工手動分割，實現自動圖像分割，輔助橫斷面MRI 掃描的椎旁肌影像學參數的評估，對于提高椎旁肌影像學參數測量的準確性和建立較為統一的椎旁肌影像學參數評價標準有著極大的幫助。

2 椎旁肌退行性變與腰椎手術的關系

術前測量椎旁肌CSA 和FI 與腰椎手術預后效果有一定的相關性。一項對173 例接受人工椎間盤置換術治療的患者進行2年隨訪的隨機試驗研究［28］發現，術前MRI T2加權像的多裂肌FI程度越低，術后2 年腰痛發生率越低，患者預后越好，多裂肌FI程度可以預測人工椎間盤置換術的預后效果。Zotti等［29］對接受腰椎減壓術的椎管狹窄患者資料進行分析，結果表明，多裂肌CSA 減小與腰椎減壓術預后不良有一定的相關性，術前測量多裂肌CSA 可預測腰椎減壓術后的臨床效果。Khan 等［30］的研究發現，脊柱手術中肌肉量、CSA 與術后功能指標及融合率呈正相關，背部肌肉形態測量應作為預后指標納入術前手術方案制訂中。Canvasser 等［31］回顧性分析了1 309 例經外科手術治療并在術后3 個月內行腹部計算機斷層掃描的患者資料，通過測量棘旁肌CSA 發現，棘旁肌CSA 越大，術后死亡率越低。綜上，椎旁肌退行性變影像學參數的變化對腰椎手術的預后有一定的預測價值，健康的椎旁肌往往提示良好的臨床預后。Canvasser 等［31］的研究更是提出，椎旁肌CSA 不僅對腰椎手術的預后有重要的影響，對外科手術的死亡率亦有著重要的評估價值。

Matejka 等［32］的組織學研究表明，在胸腰椎骨折內固定術中，傳統開放手術與微創入路相比，不僅導致了椎旁肌肌纖維病理性結構的存在，還破壞了Ⅰ型肌纖維（慢肌纖維）和Ⅱ型肌纖維（快肌纖維）的組成比例，導致Ⅰ型肌纖維和Ⅱ型肌纖維數量減少，使椎旁肌CSA 和MD 減小。Fan 等［33］通過對91例患者分組對照研究得出，傳統開放手術術后多裂肌CSA 較術前減小超過500 mm2（Z=-3.920），而微創手術對多裂肌CSA 無明顯影響，2 種手術術后椎旁肌均有更多的FI，但傳統開放手術術后椎旁肌FI程度更高。Lv 等［34］的研究發現，開放術式與微創術式相比，術后豎脊肌和多裂肌的平均CSA 明顯減小。張鵬翼等［35］對比經肌間隙入路與傳統后正中入路治療胸腰椎骨折，結果表明，經肌間隙入路對椎旁肌的損傷較小，具有出血量少，術后患者恢復快等優點。Xu 等［36］以新西蘭白兔為雙節段前路腰椎融合術手術模型，以MRI 及椎旁肌顯微照片為測量工具，結果顯示，術后12 個月時多裂肌無明顯萎縮。在腰椎手術中，微創術式相較于開放術式對椎旁肌退行性變影響較小；不同入路對椎旁肌的損傷程度也不同，經肌間隙入路較傳統入路術后椎旁肌退行性變程度更輕，而動物模型的前路手術并未導致多裂肌影像學參數的明顯變化。

腰椎融合術較減壓術對椎旁肌退行性變的影響更大。Pourtaheri 等［37］回顧12 篇文獻共納入529 例患者，其中365 例采用腰椎融合術，164 例采用腰椎減壓術，結果顯示，與腰椎融合術相比，單純減壓術后腰椎椎旁肌萎縮更少，可能是融合節段的運動被限制，相應節段椎旁肌活動減少導致退行性變。Tonomura 等［38］對34 例腰椎椎管狹窄癥患者的研究表明，保留椎旁肌的椎板減壓術后，MRI 測量的多裂肌T2 加權信號強度較術前無明顯變化，即FI 不明顯，在減壓節段術后出現了椎旁肌萎縮現象，但減壓的椎間盤數量和節段不影響椎旁肌萎縮范圍。Bresnahan 等［39］的研究得出，針對腰椎椎管狹窄癥患者的后路單純減壓手術，微創手術比傳統開放手術對多裂肌和豎脊肌的負面影響小，術后效果更好。腰椎椎管狹窄癥患者單純減壓可更好地保留椎旁肌，在確保充分解決椎管狹窄及腰椎穩定的前提下避免不必要的融合，可減小患者術后椎旁肌的FI程度與萎縮。

椎旁肌退行性變與腰椎術后相鄰節段退行性變的發生也有密切關系。Zhu 等［40］的研究發現，行單節段后路腰椎融合術的患者，相鄰節段退行性變及頑固性腰痛患者的多裂肌明顯萎縮。Kim 等［41］通過一項回顧性研究分析得出，術前椎旁肌CSA是預測術后發生相鄰節段退行性變的重要因素。Malakoutian 等［42］通過建立數字模型模擬椎旁肌的缺失，對后路腰椎融合的鄰近節段進行生物力學分析，結果表明，椎旁肌可減小腰椎融合相鄰節段的剪切力，且這種作用獨立于脊柱內固定器。另一項關于采用傳統后路腰椎融合術治療的30 例患者的研究顯示，術中造成肌肉損傷及去神經支配導致椎旁肌萎縮，與不良的臨床預后有一定相關性［43］。綜上，椎旁肌對腰椎融合術后腰椎整體的穩定性具有重要的作用，椎旁肌CSA減小以及FI程度增加可能是導致術后鄰椎病發生的重要因素，其中以多裂肌退行性變的影響最為明顯。因此，在腰椎手術中應避免損傷椎旁肌，將減少椎旁肌破壞納入腰椎術式的選擇標準中，以期減少術后并發癥的發生。

3 總結與展望

椎旁肌影像學參數對腰椎手術及普通外科手術的術前預測、術式選擇和預后有一定作用。但目前椎旁肌影像學參數的評估方法存在手工描繪效率低、描繪區域標準不一致等缺點，未形成統一的評價體系，得出的研究結果難以相互比較，且缺少大樣本數據。未來可使用人工智能代替人工行自動圖像分割等，提供精確性及可靠性更好的統一定量測量方法，準確且大量完成椎旁肌影像學參數測量工作，提高腰椎椎旁肌研究的可信度，形成統一的評價體系運用于臨床，改進現有的術前鍛煉、術式選擇和術后康復模式，最終獲得更加良好的臨床預后。