磁共振肌肉脂肪化色阶直方图评估法的临床应用

郑艺明，杜 婧，李文竹，王朝霞，张 巍，肖江喜，袁 云△

(北京大学第一医院1. 神经内科， 2. 影像科， 北京 100034)



·论著·

磁共振肌肉脂肪化色阶直方图评估法的临床应用

郑艺明1，杜 婧2，李文竹1，王朝霞1，张 巍1，肖江喜2，袁 云1△

(北京大学第一医院1. 神经内科， 2. 影像科， 北京 100034)

目的：建立磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)T1加权像(T1-weighted imaging，T1WI)图像中肌肉脂肪化程度的色阶直方图评估法，分析其临床应用价值。方法： 对25例抗肌萎缩蛋白病患者行大腿肌肉MRI检查，分别采取直视分级法和色阶直方图评估法对肌肉脂肪化程度进行评估，比较两种方法的肌肉脂肪化评估结果及其与年龄、肌力的相关性。用组内相关系数检验两种评估法的不同评估者之间的一致性。结果： 色阶直方图评估法与直视分级法均显示抗肌萎缩蛋白病患者大腿中段的肌肉脂肪化规律相同，即大收肌最严重，股薄肌、缝匠肌和长收肌最轻。色阶直方图评估法与直视分级法的结果存在显著正相关(r=0.854，P<0.001)。色阶直方图评估及直视分级的肌肉脂肪化程度与年龄的相关系数分别为0.730(P<0.001)和0.753(P<0.001)，股四头肌脂肪化程度评估结果与伸膝肌力的相关系数分别为-0.468(P=0.024)和-0.460(P=0.027)。色阶直方图评估法的两位评估者之间的组内相关系数为0.998(95%CI: 0.997～0.998，P<0.001)，而直视分级法的两位评估者之间的组内相关系数为0.958(95%CI: 0.946～0.967，P<0.001)。结论： MRI肌肉脂肪化程度的色阶直方图评估法可以客观评估肌肉脂肪化程度。

磁共振成像；肌，骨骼；脂肪组织；肌肉脂肪化；直方图

肌肉磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是一种新的肌肉病检查方法，通过观察肌肉的脂肪化、水肿、肥大、萎缩以及代谢改变反映病变在不同肌肉出现的顺序和范围，依此协助诊断各种肌肉疾病，指导肌肉活组织检查的部位选择、基因检查和治疗，因其无创和具有很高的医疗经济学价值而被广泛应用[1-3]。

肌肉脂肪化的病理改变在肌肉MRI的T1加权像(T1-weighted imaging, T1WI)图像上表现为高信号，主要和骨骼肌的结缔组织增生有关[4]，是众多肌肉病的主要MRI病理改变。不同肌肉病具有各自特殊的脂肪化发展规律和分布模式[1-3]。肌肉脂肪化程度的MRI评估测量技术包括T2映射、三点Dixon技术和T1WI肉眼直视分级法[5-10]。T2映射作为一种客观、定量的方法可区别肌肉和脂肪，但较耗时[6-7]。三点Dixon技术是目前肌肉脂肪化定量最新且可靠的方法，但该方法操作较复杂，其应用价值尚需进一步研究[5-6]。T1WI图像直视分级法虽然简易、便捷，但易受主观因素的影响[6,11]。建立一种客观、简洁而较精确的评估方法将提高肌肉MRI在疾病诊治中的应用价值。

色阶直方图评估法可用于超声检查中肝脂肪化程度的评估，也可用于MRI肌肉水肿程度的评估以及肌肉超声的图像分析[11-13]，该方法是否可以用于骨骼肌的脂肪化分析目前还缺乏研究。本研究选择具有明显肌肉脂肪化改变的抗肌萎缩蛋白病(dystrophinopathy)为研究对象[9-10]，建立MRI的肌肉脂肪化程度色阶直方图评估法，探讨其临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象

本研究共纳入2011年至2013年在北京大学第一医院经过基因和/或病理检查确诊的抗肌萎缩蛋白病患者25例，平均年龄为(9.9±5.4)岁(1～29岁)，病程2个月至10年不等，均表现为进行性四肢近端无力，体格检查发现下肢近端肌力为2～5级，其中平均伸膝肌力3.5级(2～5级)。所有患者均存在腓肠肌肥大和跟腱挛缩，肌酸激酶为2 253～32 700 IU/L(正常值为25～170 IU/L)。肌肉活组织检查显示肌营养不良样改变伴随不同程度的结缔组织增生(图1)。

1.2 肌肉MRI检查及评估

使用GE 1.5 Signa Twin Speed MRI扫描仪对患者行双侧大腿轴位扫描，扫描序列为快速自旋回波序列(fast spin echo，FSE)T1WI(TR=450 ms，TE=12 ms)。选取左侧大腿中段层面(近股骨中段处层面)的股直肌、股外侧肌、股中间肌、股内侧肌、缝匠肌、股薄肌、长收肌、大收肌、股二头肌长头以及半腱肌等共10×25块肌肉进行脂肪化程度肉眼直视评分及色阶直方图评估法测量。

肌肉脂肪化程度肉眼直视评分：根据大腿MRI的T1WI图像中各肌肉高信号的程度进行分级代表肌肉脂肪化程度(Fat-G值)，评分标准为：0级为无异常高信号；1级为受累肌肉出现斑点状高信号灶；2级为受累肌肉的高信号病灶开始融合，病灶面积小于30%；3级为受累肌肉的高信号融合病灶面积为30%～60%；4级为受累肌肉出现大片状融合且病灶面积大于60%，但仍可见肌肉组织；5级为终末期改变，肌肉组织全部为高信号所替代[14]。由两位有经验的阅片人独立进行评分，取平均值进行相关性统计分析。

肌肉脂肪化程度色阶直方图评估法：色阶直方图的横坐标为色阶指数，范围为0～255，0表示最暗，255表示最亮，纵坐标则用来标注频数，即特定的色阶值的像素数目，M值代表其色阶平均值(各像素色阶总和/总像素)。参考Bartlett等[11]利用色阶直方图定量评估肌炎水肿程度的方法，选定患者左侧大腿中段层面的肌肉及皮下脂肪为感兴趣区(region of interest，ROI)，利用图像后处理软件测量其色阶直方图的M值(图2)。最后用皮下脂肪M值对肌肉M值进行校正，即色阶直方图评估法测量到的肌肉脂肪化程度(Fat-M值)等于肌肉M值除以皮下脂肪M值。由两位操作者独立进行色阶直方图评估，取平均值(保留两位小数)进行相关性统计分析。

1.3 统计学分析

采用SPSS 17.0统计软件处理各组数据，采取Spearman相关性分析计算Fat-M值与Fat-G值间的相关性，以及两者的总分与年龄的相关性、股四头肌Fat-M值及Fat-G值与伸膝肌力的相关性。将Fat-M值与Fat-G值进行线性回归分析，用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)检验两种方法内评估者之间的一致性，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 肌肉脂肪化程度肉眼直视评估法

左侧大腿中段层面的大收肌和股二头肌长头的脂肪化程度最重(Fat-G平均值≥2.5分)，股外侧肌、股中间肌、股内侧肌和股直肌的脂肪化程度居中(2.5分>Fat-G平均值≥2.0分)，缝匠肌、股薄肌、长收肌、半腱肌的脂肪化程度最轻(Fat-G平均值<2分)，具体见图3和表1。

2.2 肌肉脂肪化程度色阶直方图评估法

左侧大腿中段层面的大收肌、股二头肌长头的脂肪化程度最重(Fat-M平均值>0.50)，股外侧肌、股中间肌、股内侧肌、股直肌的脂肪化程度居中(0.50≥Fat-M平均值>0.40)，缝匠肌、股薄肌、长收肌、半腱肌的脂肪化最轻(Fat-M平均值≤0.40)，具体见图3和表1。

In muscle biopsies, there are muscle fiber necrosis and regeneration, accompanying varying degrees (A, mild; B, severe;) of connective tissue proliferation.

图1 抗肌萎缩蛋白病患者骨骼肌的病理改变(HE染色)
Figure 1 Myopathological changes of dystrophinopathy (HE staining)

The adductor magnus muscle with severe fatty infiltration showed histogram M values of 88.96±18.45 (A), while the semitendinosus with mild fatty infiltration showed M values of 49.88±13.77 (B). They all roughly followed the “bell curves” distribution.

图2 MRI肌肉脂肪化色阶直方图M值测量
Figure 2 Measurement of histogram M values of muscle MRI

表1 磁共振肌肉脂肪化程度色阶直方图评估法(Fat-M)与肉眼直视分级法(Fat-G)的相关性分析

Table 1 Correlation analysis on the histogram M values (Fat-M) and the scores of visual reading (Fat-G)

ItemsFat-M,x±sFat-G,x±sCorrelationcoefficientPvalueRF0.47±0.192.08±1.480.823<0.001VL0.49±0.182.42±1.550.897<0.001VI0.48±0.172.34±1.610.842<0.001VM0.50±0.192.36±1.630.850<0.001Sa0.36±0.090.82±0.690.6340.001Gr0.30±0.080.28±0.430.3840.058AL0.36±0.160.68±1.270.699<0.001AM0.59±0.193.34±1.520.902<0.001BF0.53±0.182.54±1.710.941<0.001ST0.40±0.131.50±1.110.748<0.001

RF, rectus femoris; VL, vastus lateralis; VI, vastus intermedius; VM, vastus medialis; Sa, sartorius; Gr, gracilis; AL, adductor longus; AM, adductor magnus; BF, biceps femoris long head; ST, semitendinosus; Fat-M, histogram M values; Fat-G, the scores of visual reading.

RF, rectus femoris; VL, vastus lateralis; VI, vastus intermedius; VM, vastus medialis; Sa, sartorius; Gr, gracilis; AL, adductor longus; AM, adductor magnus; BF, biceps femoris long head; ST, semitendinosus; Fat-M, histogram M values; Fat-G, the scores of visual reading.

图3 磁共振肌肉脂肪化程度色阶直方图评估法与肉眼直视分级法对比
Figure 3 Comparation of histogram M values and the scores of visual reading

2.3 色阶直方图评估法与肉眼直视分级法的对比

左侧大腿中段层面250块肌肉脂肪化色阶直方图评估法的测量结果(Fat-M)与肉眼直视分级法(Fat-G)呈显著正相关(r=0.854，P<0.001)。除股薄肌外，其余肌肉采用色阶直方图评估法测得的脂肪化程度结果均与肉眼直视分级法呈显著正相关，其中股二头肌长头、大收肌以及股四头肌肌群的相关系数为0.823～0.941(P<0.001)，而缝匠肌、长收肌及半腱肌的相关系数为0.634～0.748(P<0.001，表1)。Fat-M值与Fat-G值呈显著线性回归关系，回归方程为Fat-M值=0.276+0.094×Fat-G值，两者线性回归拟合的拟合优度(R2)为0.736(P<0.001，图4)。

肌肉脂肪化程度的色阶直方图评估结果与年龄呈显著相关(r=0.730，P<0.001)，肉眼直视分级结果与年龄也呈显著相关(r=0.753，P<0.001)。股四头肌脂肪化程度的色阶直方图评估结果与伸膝肌力呈显著负相关(r=-0.468，P=0.024)，肉眼直视分级结果与伸膝肌力也呈显著负相关(r=-0.460，P=0.027)。

采用色阶直方图评估法的两位操作者测得的肌肉脂肪化程度均值均为0.45±0.18，两位操作者的组内相关系数为0.998(95%CI: 0.997～0.998，P<0.001)。采用肉眼直视分级法的两位阅片人测得的肌肉脂肪化程度分级结果的均值分别为1.70±1.66与1.97±1.66，两位评估者的组内相关系数为0.958(95%CI: 0.946～0.967，P<0.001)。

Fat-M, histogram M values; Fat-G, the scores of visual reading.

图4 磁共振肌肉脂肪化色阶直方图评估法结果(Fat-M)同肉眼直视分级结果(Fat-G)的线性拟合
Figure 4 Comparing the histogram M values (Fat-M) and the scores of visual reading (Fat-G) of muscle fatty infiltration by linear fitting

3 讨论

抗肌萎缩蛋白病是dystrophin基因突变导致的性连锁隐性遗传病，其主要病理改变特点是骨骼肌出现肌纤维坏死、再生、dystrophin表达下降或缺失，以及不同程度的间质结缔组织增生。抗肌萎缩蛋白病患者的病情轻重不同，其肌肉结缔组织增生程度也不同，在MRI上表现为不同程度的脂肪化，即T1WI图像上呈不同程度的高信号改变，而且同一患者的不同肌肉的脂肪化严重程度也不相同，故用于脂肪化研究具有较好的代表性[3,7]。因各肌群不同层面的脂肪化程度有差异，故本研究选取肌群较多且为目前研究最常用的股骨中段处层面作为评分层面[8,10]。

肌肉MRI的T1WI图像的脂肪化程度色阶直方图评估法类似于肉眼直视分级法，均是根据T1WI图像中呈异常高信号改变来评估脂肪化程度。Fat-M值兼顾图像明暗以及其面积比例这两种信息，与直视分级兼顾高信号及其受累面积相似。肌肉MRI的T1WI图像的色阶直方图曲线具有类钟形分布的特点，提示Fat-M值能较好地反映该肌肉脂肪化程度，用皮下脂肪校正后，进一步减少不同成像参数、不同后期影像处理等因素造成的误差，故Fat-M值能较准确、客观地反映肌肉的脂肪化程度。

本研究发现，MRI的T1WI图像的肌肉色阶直方图评估法测得的肌肉脂肪化程度同肉眼直视分级结果整体上呈很高的拟合度。Fat-M测量结果显示的抗肌萎缩蛋白病肌肉脂肪化改变规律和直视法获得的结果具有高度一致性，即大收肌及股二头肌长头脂肪化程度最重,股四头肌次之，而缝匠肌、股薄肌、长收肌以及半腱肌的脂肪化程度最轻，同文献中报道的应用肉眼直视分级法、T2映射以及三点Dixon技术在抗肌萎缩蛋白病患者中发现的分布规律相似[6, 7, 9]。

本研究发现，对于脂肪化程度较轻且面积较小的肌肉(如缝匠肌、长收肌以及股薄肌)，色阶直方图评估法测得的脂肪化程度明显高于肉眼观察，以往文献也报道T2映射分析时股薄肌等脂肪化程度也较肉眼直视分级重[15]。两种评估方法得到的股薄肌脂肪化程度无显著相关性，缝匠肌以及长收肌的相关系数也小于其他肌肉，提示肉眼观察对改变轻的肌肉常常主观性给与低的评分，肉眼观察较小肌肉的脂肪化程度较难准确评估，色阶直方图评估方法消除了肉眼观察带来的先天性误差。

直视分级的可重复性好，本研究中组内相关系数为0.958，而色阶直方图评估法的可重复性较肉眼直视法更优，组内相关系数高达0.998。本研究发现色阶直方图评估法和肉眼直视分级法一样，均显示抗肌萎缩蛋白病患者的年龄与脂肪化程度呈显著正相关，而肌力同脂肪化程度呈显著负相关，两种评估法分析得到的相关系数相近，类似的结论也见于其他文献报道[6, 7, 9]，进一步证实色阶直方图评估法同其他方法一样可用于骨骼肌脂肪化程度的评估。虽然色阶直方图评估法可用于脂肪化程度的评估，但该方法仍为半定量分级方法，无法精确定量肌肉脂肪化程度。所需的T1WI序列图像因不同成像参数以及后期的图像处理，虽经皮下脂肪校正，但仍存在一定误差，故采取固定的MRI进行肌肉检查可能会降低误差。此外，由于缺少正常对照，年龄、性别以及日常运动量等对骨骼肌脂肪化程度的评估方法是否有影响尚需进一步研究。

总之，肌肉MRI T1WI图像的色阶直方图评估法具有可重复性强、可操作性较好等优点，能更好地应用于肌肉MRI脂肪化程度的研究。

[1]Mercuri E, Pichiecchio A, Allsop J, et al. Muscle MRI in inherited neuromuscular disorders: past, present, and future[J]. J Magn Reson Imaging, 2007, 25(2): 433-440.

[2]Straub V, Carlier P G, Mercuri E. TREAT-NMD workshop: pattern recognition in genetic muscle diseases using muscle MRI: 25-26 February 2011, Rome, Italy[J]. Neuromuscul Disord, 2012, 22(Suppl 2): S42-S53.

[3]刘琳琳, 杜婧, 肖江喜, 等. 磁共振成像在骨骼肌疾病的临床应用研究进展[J]. 中华神经科杂志, 2014, 47(1): 49-51.

[4]Kinali M, Arechavala-Gomeza V, Cirak S, et al. Muscle histologyvs. MRI in Duchenne muscular dystrophy[J]. Neurology, 2011, 76(4): 346-353.

[5]Gaeta M, Scribano E, Mileto A, et al. Muscle fat fraction in neuromuscular disorders: dual-echo dual-flip-angle spoiled gradient-recalled MR imaging technique for quantification: a feasibility study[J]. Radiology, 2011, 259(2): 487-494.

[6]Gaeta M, Messina S, Mileto A, et al. Muscle fat-fraction and mapping in Duchenne muscular dystrophy: evaluation of disease distribution and correlation with clinical assessments. Preliminary experience[J]. Skeletal Radiol, 2012, 41(8): 955-961.

[7]Kim HK, Laor T, Horn PS, et al. T2 mapping in Duchenne muscular dystrophy: distribution of disease activity and correlation with clinical assessments[J]. Radiology, 2010, 255(3): 899-908.

[8]Mercuri E, Pichiecchio A, Counsell S, et al. A short protocol for muscle MRI in children with muscular dystrophies[J]. Eur J Paediatr Neurol, 2002, 6(6): 305-307.

[9]Kim HK, Merrow AC, Shiraj S, et al. Analysis of fatty infiltration and inflammation of the pelvic and thigh muscles in boys with Duchenne muscular dystrophy (DMD): grading of disease involvement on MR imaging and correlation with clinical assessments[J]. Pediatr Radiol, 2013, 43(10): 1327-1335.

[10]李文竹, 郑艺明, 杜婧, 等. 迪谢内肌营养不良骨骼肌磁共振成像研究[J]. 中华神经科杂志, 2014, 47(1): 16-20.

[11]Bartlett ML, Ginn L, Beitz L, et al. Quantitative assessment of myositis in thigh muscles using magnetic resonance imaging[J]. Magn Reson Imaging, 1999, 17(2): 183-191.

[12]Pillen S, Arts IM, Zwarts MJ. Muscle ultrasound in neuromuscular disorders[J]. Muscle Nerve, 2008, 37(6): 679-693.

[13]桑亮, 王学梅, 欧国成, 等. 超声直方图对脂肪肝的诊断及分度[J]. 中国医学影像技术, 2010, 26(1): 104-106.

[14]Mercuri E, Talim B, Moghadaszadeh B, et al. Clinical and imaging findings in six cases of congenital muscular dystrophy with rigid spine syndrome linked to chromosome 1p (RSMD1)[J]. Neuromuscul Disord, 2002, 12(7-8): 631-638.

[15]Garrood P, Hollingsworth KG, Eagle M, et al. MR imaging in Duchenne muscular dystrophy: quantification of T1-weighted signal, contrast uptake, and the effects of exercise[J]. J Magn Reson Imaging, 2009, 30(5): 1130-1138.

(2014-12-31收稿)

(本文编辑：任英慧)

Clinical application of MRI histogram in evaluation of muscle fatty infiltration

ZHENG Yi-ming1, DU Jing2, LI Wen-zhu1, WANG Zhao-xia1, ZHANG Wei1, XIAO Jiang-xi2, YUAN Yun1△

(1. Department of Neurology, 2. Department of Radiology, Peking University First Hospital, Beijing 100034, China)

Objective：To describe a method based on analysis of the histogram of intensity values produced from the magnetic resonance imaging (MRI) for quantifying the degree of fatty infiltration. Methods: The study included 25 patients with dystrophinopathy. All the subjects underwent muscle MRI test at thigh level. The histogram M values of 250 muscles adjusted for subcutaneous fat, representing the degree of fatty infiltration, were compared with the expert visual reading using the modified Mercuri scale. Results: There was a significant positive correlation between the histogram M values and the scores of visual reading (r=0.854,P<0.001). The distinct pattern of muscle involvement detected in the patients with dystrophinopathy in our study of histogram M values was similar to that of visual reading and results in literature. The histogram M values had stronger correlations with the clinical data than the scores of visual reading as follows: the correlations with age (r=0.730,P<0.001) and (r=0.753,P<0.001); with strength of knee extensor (r=-0.468,P=0.024) and (r=-0.460,P=0.027) respectively. Meanwhile, the histogram M values analysis had better repeatability than visual reading with the interclass correlation coefficient was 0.998 (95%CI: 0.997-0.998,P<0.001) and 0.958 (95%CI: 0.946-0.967,P<0.001) respectively. Conclusion: Histogram M values analysis of MRI with the advantages of repeatability and objectivity can be used to evaluate the degree of muscle fatty infiltration.

Magnetic resonance imaging; Muscle, skeletal; Adipose tissue; Muscle fatty infiltration; Histogram

“十二五”国家科技重大专项课题(2011ZX09307-001-07)和科技部国际合作课题(2010DFA31070)资助 Supported by the National Major Scientific and Technological Special Project for the 12th Five-Year Plan (2011ZX09307-001-07) and the International Cooperation Project of the Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (2010DFA31070)

时间：2016-5-12 13：38：27

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4691.R.20160512.1338.038.html

R746

A

1671-167X(2016)05-0830-05

10.3969/j.issn.1671-167X.2016.05.015

△ Corresponding author’s e-mail, yuanyun2002@sohu.com