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)，中國人民解放軍陸軍第八十三集團軍醫(yī)院骨科2

腰背肌作為維持正常體態(tài)、脊柱動態(tài)穩(wěn)定及實現(xiàn)屈伸運動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)確客觀評估腰背肌功能狀況對于脊柱相關(guān)疾病的病情評估、治療方式?jīng)Q策、預(yù)后預(yù)測以及探索脊柱退行性疾病的發(fā)病機制都具有重要意義。

等速肌肉功能測試是目前公認(rèn)的肌肉功能評估的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但所需的檢測設(shè)備存在價格昂貴、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題[2-3]。近年來，磁共振成像作為評估肌肉功能的新型非侵入性影像檢查技術(shù)，逐漸成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點。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估作為“金標(biāo)準(zhǔn)”，對比磁共振Dixon-VIBE、MRS序列及多種加權(quán)算法評估多裂肌脂肪化程度與腰背肌等速肌肉功能的擬合程度，為滿足因疼痛、疾病、設(shè)備等原因無法進行腰背肌等速肌肉功能檢測的患者評估腰背肌功能的臨床實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)院公開招募的38名中老年志愿者作為研究對象。本研究經(jīng)陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)(KY2020235)和前瞻性臨床研究注冊(注冊號：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嚴(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試或等速測試時疼痛加劇的患者；⑦過去3個月內(nèi)進行過腰背部小針刀、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)上進行,先行波譜基線校正，分別測定L4/5層面的脂肪峰度值及水峰度值，通過獲得的脂肪波峰下面積、水波峰下面積計算脂肪分?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椎間盤中心層面，勾畫L4/5椎間盤中心層面多裂肌感興趣區(qū)域，勾畫肌肉輪廓時應(yīng)避開肌肉周圍脂肪組織。然后系統(tǒng)自動生成所畫區(qū)域的脂肪信號強度、水信號強度。通過脂肪信號及水信號強度計算脂肪分?jǐn)?shù)：FF=脂肪信號強度/(脂肪信號強度+水信號強度)[6-7]。

圖像后處理由1名具有3年以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師進行。

1.3 腰背肌等速肌力及耐力測試

測試方法：①依托本院康復(fù)科IsoMed-2000等速測試系統(tǒng)(D&R Technology GmbH，德國法蘭克福)進行測試，角速度可調(diào)范圍為2～500 °/s，最大扭力矩500 N·m，測試模式選擇向心收縮模式。②由專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)協(xié)助受試者調(diào)整至合適測試體位(屈髖屈膝90°)，固定下肢及胸腰部，指導(dǎo)受試者抓握測試手柄[8]。③測試動作共包括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動，第2組在高速(120 °/s)下做最大俯屈伸展向心收縮運動20次，組間休息2 min，盡可能減少疲勞對測量結(jié)果的影響[9]。④設(shè)置軀干活動范圍為40°(+20°屈曲，-20°背伸)，起始位置為0°端坐位(圖1)。⑤測試開始前先進行3次亞極量熱身運動，測試過程中由研究人員不斷語言激勵受試者，使受試者始終維持最大做功。測試完畢后，由系統(tǒng)導(dǎo)出等速測試圖文報告，記錄腰背伸肌運動相關(guān)指標(biāo)(圖2)。耐力比(endurance ratio，ER)代表肌肉重復(fù)收縮時耐受疲勞的能力[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表示。

A：前屈20°；B：中立位0°；C：后伸20°

圖2 等速肌肉功能測試整個模塊的疲勞率(A)及整個模塊疲勞(B)情況

評價指標(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。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)確客觀評估腰背肌功能狀況，對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)病機制及防治措施具有重要意義。

當(dāng)前，腰背肌的評價方法主要集中在以力量、耐力為評價指標(biāo)的理學(xué)檢查及以肌肉橫截面積、脂肪浸潤程度為代表的影像學(xué)兩個方面[13]。雖然評價方法形式多樣，但缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在腰背肌功能理學(xué)檢查方面，等速功能測試目前被廣泛應(yīng)用于術(shù)后肌肉康復(fù)評定、肢體平衡性評定以及肌肉力量評估等眾多領(lǐng)域[14]。等速峰力矩、屈伸比、耐力比是等速測試評估中的常用評價指標(biāo)[15]。其中，評估力量通常采用低、中角速度，耐力測試通常推薦高角速度[3, 16]。等速功能測試具有高精度、高效率、高信度以及可重復(fù)性好等優(yōu)點，被認(rèn)為是肌肉理學(xué)檢查的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但在實際應(yīng)用中仍然存在諸多問題。首先，等速測試儀器價格昂貴且操作復(fù)雜，需要專業(yè)人員進行測量操作；其次，對伴有腰椎滑脫、壓縮性骨折、重度骨質(zhì)疏松的受試者，測試過程存在一定加重疾病、誘發(fā)骨折的安全風(fēng)險；同時，受試者可能因為疼痛而降低依從性，甚至無法配合完成測試，導(dǎo)致測量結(jié)果的信度和效度減低；最后，不同型號等速測試系統(tǒng)的測量結(jié)果之間難以進行橫向?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)險的等速肌肉功能預(yù)測指標(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估方法。選擇合適的磁共振成像技術(shù)成為研究的熱點，磁共振Dixon-VIBE成像技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新磁共振的成像序列，其原理是基于不同成分(水、脂肪)在特定場強中的共振頻率差異，通過重建脂肪相與水相獲得脂肪含量。該成像技術(shù)相對傳統(tǒng)磁共振序列而言，不易受呼吸動度、渦流效應(yīng)等混雜因素的影響，具有成像速度快、采集時間短、分辨率高以及較好的可重復(fù)性等優(yōu)點[17]。目前在骨髓含量、肝臟脂肪含量測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估中的準(zhǔn)確性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)2、3點分析法[7]。MRS成像技術(shù)是在傳統(tǒng)磁共振基礎(chǔ)上進一步發(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，通過組織代謝物濃度來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展監(jiān)測、臨床肌肉相關(guān)疾病的診斷及發(fā)病機制研究方面應(yīng)用廣泛。但相對Dixon技術(shù)，MRS的掃描條件要求苛刻、耗時長、分辨率較低、后處理程序復(fù)雜、測量結(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，對比分析二者對于多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)的評估作用，同時觀察其對等速肌肉功能評估這一“金標(biāo)準(zhǔn)”的擬合程度，為滿足因疼痛、疾病、設(shè)備等原因無法進行腰背肌等速肌肉功能檢測的患者評估腰背肌功能的臨床實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)、維持脊柱動態(tài)穩(wěn)定及實現(xiàn)屈伸運動功能中發(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層面橫截面積達到最大[22]。相對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節(jié)段，應(yīng)力相對最為集中，也是最容易發(fā)生退行性改變及損傷的運動單元。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象。

磁共振Dixon-VIBE及MRS兩種成像技術(shù)在定量評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定中與磁共振波譜檢測的一致性較好[25]，但二者在多裂肌退變定量分析中的應(yīng)用報道較少。本研究將Dixon-VIBE和MRS這兩種基于不同成像原理和計算方法的磁共振序列用于多裂肌脂肪含量的測定，對比研究發(fā)現(xiàn)這兩種序列所測得多裂肌脂肪分?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。

在此基礎(chǔ)上，本研究對比了磁共振Dixon-VIBE及磁共振波譜序列對多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)的評估與腰背肌等速功能檢測的擬合程度。腰背肌等速功能檢測中的“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，超過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對多裂肌脂肪含量檢測值與屈伸比的相關(guān)性更顯著，說明該序列對反映屈伸肌群肌力失衡情況方面更為敏感，是預(yù)測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中的“峰力矩”是代表肌肉收縮過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)計學(xué)意義的相關(guān)性。分析其原因，首先，腰部背伸動作是包括多裂肌、最長肌、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，通過單一層面多裂肌的退變指標(biāo)不能有效反映整個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序列是基于單個像素點進行信息采集，其測量結(jié)果更易受到感興趣區(qū)域選擇的影響。由于取樣范圍相對較小，組織內(nèi)血流變化、脂肪容積效應(yīng)會影響MRS序列的水波譜峰值，使該檢測序列在同一組織區(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30%[28]，導(dǎo)致其檢測結(jié)果的可重復(fù)性欠佳和統(tǒng)計學(xué)差異。Dixon-VIBE序列則通過手動勾勒出多裂肌整個橫截面作為感興趣區(qū)域，通過水相及脂肪相的信號強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序列對多裂肌的脂肪分?jǐn)?shù)進行檢測。

考慮到不同年齡、身高、體質(zhì)量及BMI對肌肉影像學(xué)退變程度的影響[29-30]，本研究將兩個磁共振序列所測得多裂肌脂肪分?jǐn)?shù)經(jīng)加權(quán)修正處理后再次進行對比研究，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)后兩個磁共振序列所測脂肪含量的相關(guān)系數(shù)以及與屈伸比的擬合程度均進一步提升，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，相對于年齡、身高、BMI等指標(biāo)而言，體質(zhì)量對于多裂肌脂肪變的影響作用最大，在定量評估肌肉脂肪化程度時，應(yīng)優(yōu)先考慮體質(zhì)量對檢測結(jié)果的個體差異影響。在上述所有加權(quán)算法中，體質(zhì)量加權(quán)的磁共振Dixon-VIBE序列檢測的多裂肌脂肪含量在反映屈伸比時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)后進一步提升相關(guān)程度，針對部分因缺乏設(shè)備、技術(shù)等客觀原因無法完成等速肌肉功能測試的患者，該方法可作為評估其部分腰背肌功能的替代方案。