基于HISTO及qDixon對慢性下腰痛患者椎旁肌肉脂肪的定量研究

陳開陽,陽丹萍,杜寧芳,傅彩霞,李仕紅

1. 南通大學附屬如皋市人民醫院骨科,江蘇如皋 226500; 2. 復旦大學附屬華東醫院放射科,上海 200040; 3. 西門子(深圳)磁共振有限公司應用開發部,深圳 518057

以往肌肉脂肪含量的在體評估主要依靠超聲、 CT及常規磁共振成像,基于圖像進行半定量分析?？焖賂2校正多回波MR波譜定量技術(High-Speed T2-Corrected Multi-echo MR Spectroscopic Method for Quantifying, HISTO)通常用于肝臟脂肪和鐵沉積的定量[1]。本研究嘗試使用HISTO技術對椎旁肌肉中的脂肪含量進行評估,探討其與多回波qDixon水脂分離技術定量的相關性及一致性。

1 材料與方法

1.1研究對象前瞻性收集2022年8月—2023年1月行腰椎MRI檢查的42例慢性下腰痛(chronic low back pain, CLBP)患者(CLBP組)[女性28例,年齡60～92歲,平均年齡(70.7±7.6歲)及21例正常對照[女性17例,年齡60～84歲,平均(66.0±8.5)歲)。CLBP組納入標準：CLBP時長超過12周;無MRI檢查禁忌癥,如：磁性心臟起搏器、早孕及幽閉恐懼癥等。排除標準：腰椎急慢性骨折、或內固定手術后等;感染、良惡性腫瘤及治療中的患者;Cobb角大于10°的腰椎側彎畸形患者;豎脊肌或多裂肌過度偏薄無法放置HISTO體素塊(2 cm×2 cm×2 cm), HISTO曲線擬合優度較差的(R2<0.9)。正常對照組的納入標準為：無MRI檢查禁忌癥,無腰痛、無神經肌肉疾病、感染、腫瘤等病史,無與肌肉脂肪浸潤相關的全身性疾病,體力活動功能正常。

1.2MRI成像與椎旁肌肉脂肪定量入組的患者及正常對照均在3.0 T MAGNETOM Vida(Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)上完成腰椎MRI掃描,使用32通道全脊柱相控陣線圈及18通道體線圈,行qDixon檢查時激活體線圈,被試者取仰臥位頭先進。腰椎成像協議為：常規腰椎矢狀位T1W、 T2W成像,軸位椎間盤T2W成像等,具體參數不贅述;定量序列包括：腰4椎體水平軸位T2W序列(用于HISTO定位),軸位多回波qDixon序列、 HISTO序列。

軸位多回波qDixon參數：TR 10 ms, TE 1.48 ms、 2.81 ms、 4.14 ms、 5.47 ms、 6.8 ms、 8.13 ms,翻轉角4°,層厚4 mm, FOV 220×192,相位編碼過采樣50%, Pixel Bandwidth 1 078 Hz, Average 4,采集時間 1 min 42 s。

參照T2W矢狀位圖像,選擇腰4椎體中心層面的軸位T2W圖像為HISTO定位準備,左、右兩側的多裂肌、豎脊肌分別選擇一個感興趣的體素VOI,放置于肌肉的中心位置,同時參考基于此T2W軸位圖像重建的矢狀面和冠狀面圖像,使得VOI三個方位均避開明顯高信號的皮下脂肪及棘突骨髓信號或位于肌肉外的組織,所有被試者的體素大小和位置都保持相對一致。見圖1。HISTO序列的具體成像參數, TR3 000 ms, TE, 12 ms、 24 ms、 36 ms、 48 ms和72 ms,帶寬1 200赫茲/像素,采集信號數1,翻轉角度90°,VOI 20 mm×20 mm×20 mm,采集時間15 s。

注： A：方框為右側豎脊肌的測量; B：方框為右側多裂肌的測量。圖1 HISTO測量腰椎椎旁肌肉VOI放置示意圖

1.3圖像分析HISTO波譜序列自動生成VOI內脂肪分數(fat fraction, FF)報告,并生成擬合曲線及優度評估, R2<0.9的結果舍去,其余脂肪分數記錄到Excel表格作統計備用。將多回波qDixon序列自動生成的脂肪分數圖及常規腰椎圖像導入后處理工作站syngo.via,參照矢狀位圖像定位,選擇腰4椎體中心層面上下共5層圖像(厚度約20 mm),在左右兩側的多裂肌、豎脊肌內勾畫ROI,由syngo.via自動算出脂肪分數均值,左右椎旁肌肉的脂肪分數都是腰4椎體中心5層圖像測量的平均值來計算。

1.4統計學分析使用SPSS 21. 0版軟件進行統計學分析。對連續性變量首先檢驗是否符合正態分布,對于符合正態分布的變量采用參數類的統計分析方法;對于不符合正態性分布的采用非參數檢驗方法。采用Pearson線性相關分析來確定HISTO脂肪分數和qDixon脂肪分數的相關。采用Bland-Altman方法評價HISTO脂肪分數及qDixon脂肪分數的一致性。采用獨立t檢驗比較CLBP組患者與正常對照組的肌肉脂肪分數值。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1單體素波譜HISTO定量的肌肉脂肪分數通過單體素波譜HISTO定量的肌肉脂肪分數報告如圖2所示,該例CLBP患者示HISTO測量的脂肪分數為25.85%(95%CI：25.19%～26.50%),水和脂肪信號擬合的優度R2均為1。

2.2單體素波譜HISTO與多回波qDixon定量椎旁肌肉脂肪分數的相關性Pearson線性相關分析顯示,納入的63例(42例CLBP組和21例正常對照)被試,采用多回波HISTO序列和qDixon測得椎旁肌肉的脂肪分數值呈正相關。見圖3。左側豎脊肌,r=0.981;左側多裂肌,r=0.978;右側豎脊肌,r=0.967;右側多裂肌,r=0.977;所有P<0.001。見表1。

注： 通過快速T2校正的多回波HISTO波譜技術,對1例75歲女性CLBP患者右側多裂肌脂肪分數的測量結果。A 圖示HISTO序列5個回波時間TEs(12 ms, 24 ms, 36 ms, 48 ms, 72 ms)對應的水、脂肪信號值,和相對應的未做T2矯正的脂肪分數值,以及進行了T2校正后的脂肪分數值。水的R2值為31.99 s-1,脂肪R2值為16.11 s-1,脂肪分數為25.85%(CI 95%：25.19%～26.50%),水和脂肪信號擬合的優度R2均為1。B圖示將水和脂肪信號歸一化后進行T2衰減的指數擬合曲線,顯示了兩種物質的衰減率差異,藍色和紅色分別為水和脂肪。C圖為TE為12 ms的脂肪和水信號的譜圖。D為HISTO序列自動生成的可視化脂肪分數及水的R2值報告。圖2 通過單體素波譜HISTO定量的肌肉脂肪分數報告

表1 單體素波譜HISTO與qDixon定量的肌肉脂肪分數值的相關性

2.3單體素波譜HISTO測定肌肉脂肪分數值與qDixon的一致性對63例受試者HISTO及qDixon測定的肌肉脂肪分數值繪制Bland-Altman散點圖,如圖4顯示, 95.24%(60/63)、 93.65%(59/63)、 93.65%(59/63)、 93.65%(59/63)的值位于95%CI內。Bland-Altman分析顯示,在左豎脊肌,右豎脊肌,左多裂肌,右多裂肌內使用HISTO和qDixon所測定的脂肪分數之差的平均值分別為-0.9%(95%CI： 2.7%～-4.5%),-1.9%(95%CI： 3.1%～-6.8%),-1.8%(95%CI： 2.6%～-6.2%)和-2.2%(95%CI： 2.1%～-6.5%)。這一結果表明,兩種技術測得的肌肉脂肪分數值結果高度一致。

注： HISTO與qDixon技術對兩側腰椎旁肌肉(腰4椎體水平)脂肪分數定量值的Pearson相關分析, A-D分別顯示了左側豎脊肌、左側多裂肌、右側豎脊肌、右側多裂肌HISTO與qDixon定量的脂肪分數(FF)散點圖和回歸線顯示,兩種技術定量的脂肪分數值呈正相關。圖3 HISTO序列和qDixon測得椎旁肌肉的脂肪分數值呈正相關

注：四個部位(腰4椎體水平雙側的豎脊肌及多裂肌)使用兩種技術(HISTO vs DIXON)測定脂肪分數值繪制的Bland-Altman圖,顯示了平均測量偏差。圖4 63例受試者HISTO及qDixon測定的肌肉脂肪分數值繪制Bland-Altman散點圖

2.4CLBP患者與健康對照組椎旁肌肉脂肪分數值的差異CLBP患者(n=42)與正常對照組(n=21),雙側豎脊肌、多裂肌通過HISTO及qDixon定量的脂肪分數值高于正常對照組。見表2。

3 討論

本研究使用了兩種技術即HISTO及qDixon定量腰椎椎旁肌肉脂肪含量,探討HISTO技術與多回波qDixon肌肉脂肪定量的一致性,研究結果表明, HISTO對腰4椎體水平雙側豎脊肌及多裂肌的脂肪分數定量值均與qDixon定量值呈極強正相關,通過兩種技術的脂肪分數定量值繪制Bland-Altman圖顯示了HISTO與qDixon具有極高的一致性?；贖ISTO測定的雙側豎脊肌、多裂肌的肌肉脂肪分數在CLBP組要高于正常對照組。

下腰痛是老年人門診最常見的主訴之一,在中年至老年女性(即40～80歲)中最為常見,部分患者持續疼痛時間超過12周會進展為CLBP[2-3]。椎旁肌肉是脊柱周圍肌肉的總稱,包括腰大肌、多裂肌和豎脊肌,良好功能狀態對于維持脊柱結構至關重要。椎旁肌肉功能的降低會改變原有的生物力學關系,增加椎間盤的負荷,從而導致椎間盤退變。相反,椎間盤退變也可以引起椎旁肌肉負荷不平衡并產生變性、萎縮。CLBP患者幾乎都存在不同程度的椎旁肌肉退變,其特征是肌纖維、肌束萎縮和脂肪浸潤[4-5]。肌肉萎縮和脂肪替代被認為是CLBP患者椎旁肌肉重塑的主要特征[5],脂肪浸潤可能加重CLBP,宏觀上表現為肌肉橫截面積(cross-sectional area, CSA)的減少和脂肪組織面積的增加。研究證明患者年齡與椎旁肌肉脂肪浸潤正相關,隨著年齡增長,女性的椎旁肌中脂肪浸潤率明顯高于男性[6]。因此,評估椎旁肌肉脂肪含量,對于了解CLBP的退變機制具有重要意義[7]。

隨著放射診斷設備的快速發展和新技術的不斷涌現,評估肌肉脂肪化的方法逐漸變得多樣化。早期,肌肉的萎縮程度主要是通過CT[8]或測量椎旁肌肉的橫截面積來確定的[9-10]。1994年, Goutallier等[8]提出了基于CT圖像的椎旁肌肉脂肪浸潤半定量的評估,為探索椎間盤退變(intervertebral disc degeneration, IVDD)機制打開了新的大門。利用CT圖像,研究人員發現椎旁肌肉的脂肪浸潤與小關節退行性變、腰椎滑脫和椎間隙狹窄有關[11-12]。高分辨率MRI的出現,使得MRI技術成為評估椎旁肌肉的主要技術。早期的MRI技術更經常使用軸向T2W掃描。近年來, MRI已經能夠通過閾值分割技術很好地區分肌肉和脂肪組織,從而更好地評估肌肉的萎縮程度。Eksi等[13]還提出了一種新的脊柱退變評分系統(Mo-Fi-Disc),包括Modic改變、椎旁肌肉脂肪浸潤(Fi)和椎間盤退變(IVDD)。但在常規臨床實踐中,肌肉脂肪含量仍是依賴T1W圖像進行視覺分級的[14]。

利用三維雙回波和多回波序列的化學位移成像,可對肌肉組織中脂肪含量的定量實現可視化[15-16],其定量的精確性和可重復性均得到驗證[16-20]。采用非對稱采集與迭代最小二乘估算法迭代水脂分離方法(iterative decomposition of water and fat withecho asymmetrical and least-squares estimation quantitation sequence, IDEAL-IQ)發現不同腰椎間盤層面椎旁肌肉脂肪Goutallier分級組間 CSA值及FF值的差異均有統計學意義,不同腰椎旁肌肉Goutallier分級與脂肪分數值及CSA值之間均存在相關性,其間豎脊肌和多裂肌的Goutallier分級與脂肪分數值呈顯著正相關[21]。Jung等[22]在3T-MRI 基于雙回波和qDixon序列,發現腰椎骨髓的質子密度脂肪分數(proton density fat fraction, PDFF)與椎旁肌肉脂肪分數呈正相關,腰椎骨髓和椎旁肌肉的高脂肪分數都是椎間盤退變的獨立的和附加的危險因素。本研究發現,雙側豎脊肌、多裂肌通過HISTO獲得的CLBP患者脂肪分數值顯著高于正常對照組,這也提示了肌肉脂肪化在CLBP患者中是區別于正常人的一個重要指標,對于了解CLBP的退變機制有一定的意義。本研究中,使用了脂肪肝定量常用的單體素波譜HISTO技術和多回波qDixon兩種技術進行椎旁肌肉脂肪定量,結果表明,基于qDixon得到的脂肪分數值與HISTO相似、具有高度的一致性。這一發現與一項體外研究的結果一致,該研究比較了不同的脂肪定量方法,并以波譜學作為參考標準[6,17]。然而,化學位移成像可能會有測量偏差(如T2*和T1偏差),這可能會降低脂肪定量的準確性[18,23-24]。本研究旨在使用HISTO定量椎旁肌肉脂肪分數,并與qDixon對照,探討其在定量椎旁肌肉脂肪分數的穩定性和與qDixon技術的一致性。

表2 HISTO及qDixon所測CLBP組與正常對照組脂肪分數值之間t檢驗

HISTO除在定量肝臟脂肪和鐵沉積中得到運用[25-28],其在肌肉脂肪定量研究中已有報道, Li等[29]探討了HISTO在杜氏肌營養不良癥(DMD)兒童大腿肌肉脂肪定量方面的潛力,研究發現HISTO是一種快速、可行的無創MRS技術,可用于定量已知或疑似DMD兒童大腿肌肉的脂肪浸潤,它對診斷和評估疾病的活動性和預后是有用的。本研究在椎旁肌肉定量方面得到與其相似結論。與qDixon一樣HISTO是一種準確、可重復的MR波譜序列,可無創定量肝脂質[1],其獨特優勢是成像時間短(15 s /VOI),自動生成體素內脂肪定量結果及擬合優度。

本研究也存在一定的局限性, qDixon和HISTO兩種方法,除了技術原理的區別外, HISTO是在掃描定位時即選中一側的多裂肌及豎脊肌放置VOI,所有被試的VOI大小均為2 cm×2 cm×2 cm,盡量避開皮下脂肪及棘突,但由于VOI形狀固定,不可避免的忽略了一些脂肪間隙的覆蓋與測量,而qDixon生成PDFF圖后,本研究基于L4椎體水平中心層面的軸位圖像,對豎脊肌及多裂肌進行勾畫取均值與其比較,因而,測得的脂肪分數值可能要高于HISTO,但這并不妨礙兩種技術測得結果的顯著相關性及一致性。此外,測量感興趣區僅選擇豎脊肌及多裂肌L4椎體水平中心層面區域,對評估CLBP組和健康對照組整體的椎旁肌肉脂肪含量存在一定偏倚,因而,在未來研究中,應當擴大椎旁肌肉感興趣區的選擇才能提高代表性。

總之,本研究結果表明,單體素波譜HISTO與qDixon技術定量肌肉脂肪分數的結果密切相關且具有高度一致性, CLBP患者椎旁肌肉脂肪分數值高于正常對照組,基于磁共振成像對椎旁肌肉脂肪分數定量有助于對CLBP的深入理解。