CT感兴趣区体积法评估臀肌的可行性及临床应用

王凤仙 王冬梅 常莹 杨献峰,2

髋关节是人体重要的承重关节，髋关节骨关节炎（osteoarthritis，OA）及其他病变是残疾的主要原因之一［1］。臀肌群是维持髋关节功能的重要肌群，及时了解臀肌的功能状况不仅可以帮助髋关节OA患者进行髋关节置换术手术方式的选择，并且对于置换术后肌肉功能状态的评估起着重要作用，因而是骨关节科临床工作中关注的重点［2］。臀肌的体积测量可以用于评估臀肌的力量和功能状态［3］，臀肌密度是反映臀肌功能的一个指标［4］。CT被广泛用于测量骨骼肌的体积及密度［5-6］。感兴趣区体积测量法是目前最新的一种利用图像分割技术半自动识别图像边界的组织提取与分析技术，已被证明可以用于其他骨骼肌体积和密度的测量中［7］。本研究拟在与既往研究比较的基础上，探讨CT感兴趣区体积法测量整体臀肌体积及密度的可行性、临床意义及临床应用。

方 法

1. 研究对象

回顾性从南京大学医学院附属鼓楼医院医学影像科影像归档与通信系统（Picture Archiving and Communication System，PACS；东软医疗科技有限公司，中国沈阳）中收集包括盆部及髋关节区域的CT 图像，检索时间范围从2021年1月至2021年3月。纳入标准：扫描范围包括臀肌上下边界；图像清晰，无伪影，质控评分等级为优秀。排除标准：合并髋关节和骨盆骨折及手术史；臀肌挛缩；合并累及骨骼肌的系统性疾病；骨盆畸形；俯卧位扫描。最终纳入114例患者，其中女45例，男69例，年龄16～94岁，平均（55.26±18.41）岁。

2. 仪器

所有患者均采用联影128层UIHuCT780螺旋CT（上海联影医疗科技有限公司，中国上海），管电压120 kV，管电流80 mA，层厚1 mm，螺距1.0，扫描体位均为伸膝仰卧位。

3. 图像处理与分析

由一名副主任医师和一名住院医师在PACS中对患者CT图像进行双髋关节评估，参照Kellgren-Lawrence（K-L）分级标准［8］，＜2级的研究对象分为非OA组即A组，包括女性23例，男性44例，平均（52.46±18.95）岁；≥2级为OA组即B组，包括女性22例，男性25例，平均（59.25±17.04）岁。用分层比例抽样法从A组中抽取年龄、性别与B组匹配的47例患者纳入C组。有研究表明65岁以上的人群50%以上为OA患者，一般认为30岁以前不发生OA［1］，为了进一步探索臀肌体积与年龄的关系，我们以45岁、65岁为界将A组患者分为A1（包括女性8例，男性14例）、A2（包括女性9例，男性18例）、A3组（包括女性6例，男性12例）。

将图像原始数据导入联影CT后处理工作站中的感兴趣体积（VOI）后处理软件，在横断层位图像上逐层辨认臀大肌、臀中肌及臀小肌肉边界，每隔3～5层手动勾画，层间由软件自动根据像素边缘进行识别。若邻近层面形态变化过大，则使用逐层勾画法，范围从臀大肌、臀中肌及臀小肌上附着点至下附着点。完成勾画并确认后，软件可自动测量臀肌体积、密度并重建臀肌三维形态。所有图像处理均至少由两名医师应用VOI后处理软件分别处理，并随机指定一名操作者于1周后重复绘制一次，并记录数据重复，从而尽量保持精确度，减少人为误差。

4. 统计学分析

小样本正态分布检验采用Kolmogorov-Smirnov检验，符合正态分布中的定量数据均用均值±标准差表示，样本量＞50则属于大样本量，不需要进行正态性检验。根据中心极限定理，当样本容量足够大时，无论总体分布如何，样本均值的分布都趋向于服从正态分布。因此，如果每组的样本量足够大，可以采用t检验而不用正态检验。正态性检验后及运用独立样本t检验比较A组患者两侧臀肌及不同性别间臀肌体积及CT值的差异性，以及B、C组中患者臀肌体积和CT值之间的差异，将B、C组左、右侧臀肌各作为一个样本纳入统计（由于B组中部分患者为非对称性骨关节炎，两侧臀肌体积差异较大），运用单因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA）评估不同年龄段患者臀肌体积 及CT值 间 的 差 异（A1～3组），同 时 采 用Bonferroni检验进行校正。采用Pearson检验来评估A组患者年龄与臀肌体积及CT值的相关性（相关系数0.7～1.0为强相关；0.6～0.4为中等程度相关；0.3～0.1为弱相关）。所有统计均在SPSS 22.0中完成，Bonferroni校正检验＜0.017被认为差异有统计学意义，余检验P＜0.05被认为差异具有统计学意义。参数测量中同一观察者2次测量和2位不同观察者之间的测量结果的一致性通过类内相关系数（inter-observer reliability，ICC）进行评估（0.000～0.400为差；0.401～0.600为中等；0.601～0.800为好；0.801～1.000为很好）。

结 果

1. 三维重建质量及测量结果的一致性

CT感兴趣体积测量法重建臀肌体积，双侧臀肌边界勾画准确，三维形态显示良好，与解剖形态相符。体积测量的观察者内一致性很好（ICC=0.890），观察者间一致性很好（ICC=0.801）；CT值测量的观察者内一致性很好（ICC=0.923），观察者间一致性很好（ICC=0.807）。

2. 相关性分析结果

两侧臀大肌体积及CT值、两侧臀中肌CT值及两侧臀小肌体积及CT值与年龄呈负相关，其中右侧臀大、中、小肌CT值、右侧臀小肌体积、左侧臀大肌CT值，左侧臀小肌体积与年龄呈中等相关，其余相关性较弱（表1、图1）。

表1 臀肌体积及CT值与年龄的相关性分析结果

图1 不同年龄阶段患者臀肌比较

3. 臀肌体积及CT值左右侧差异及与性别的关系

根据Kolmogorov-Smirnov检验，A组患者左右两侧臀肌体积及CT值均呈正态分布（均P＞0.05），在年龄和体重指数方面，男性和女性间差异无统计学意义（均P＞0.05）。独立样本t检验结果显示，A组患者两侧臀肌体积及CT值差异均无统计学意义（均P＞0.05），男性双侧臀大肌和右侧臀中肌体积显著大于女性（均P＜0.05），男性患者左侧臀小肌体积显著大于女性（P=0.027），男性患者左侧臀大肌CT值显著高于女性（P=0.046）详见表2。

表2 男女臀肌体积及CT值差异比较±s

表2 男女臀肌体积及CT值差异比较±s

*：P＜0.05。

男 女P值右侧臀肌体积/cm³臀大肌778.35±176.35 654.68±161.26 0.007*臀中肌271.08±42.56 232.69±57.57 0.008*臀小肌72.54±19.44 65.14±20.58 0.152左侧臀肌体积/cm³臀大肌753.47±187.06 621.78±168.29 0.006*臀中肌270.30±54.29 250.49±95.29 0.281臀小肌67.85±16.89 57.85±17.84 0.027*右侧臀肌CT值/HU臀大肌38.98±9.70 34.00±11.06 0.062臀中肌44.73±7.84 42.31±8.02 0.238臀小肌46.23±9.22 43.27±7.82 0.194左侧臀肌CT值/HU臀大肌38.33±8.64 33.21±11.63 0.046*臀中肌44.72±7.49 41.23±8.84 0.093臀小肌46.37±8.36 42.63±6.96 0.071

4. 臀肌体积及CT值与年龄的关系

A1～3组组间患者双侧臀大肌及双侧臀小肌体积及双侧臀大肌、右臀中肌、双侧臀小肌间CT值差异均有统计学意义（均P＜0.05，表3）。

表3 各年龄组臀肌体积及CT值的差异±s

表3 各年龄组臀肌体积及CT值的差异±s

*：P＜0.05。

A1 A2 A3 P值右侧臀肌体积/cm³臀大肌790.68±198.23 759.82±164.12 633.06±142.05 0.013*臀中肌269.01±58.38 261.65±50.00 238.71±39.69 0.157臀小肌79.67±18.89 68.24±18.39 60.84±19.50 0.009*左侧臀肌体积/cm³臀大肌774.76±215.50 710.81±174.38 623.16±152.62 0.041*臀中肌274.71±63.17 260.08±62.12 254.92±91.99 0.065臀小肌72.57±19.22 63.72±12.57 55.49±18.78 0.008*右侧臀肌CT值/HU臀大肌41.75±8.44 37.61±10.24 31.30±10.29 0.005*臀中肌46.97±7.03 44.52±6.64 39.22±8.91 0.006*臀小肌49.66±6.01 45.58±7.57 39.25±10.31 0.001*左侧臀肌CT值/HU臀大肌41.14±6.76 36.77±10.17 30.69±10.44 0.003*臀中肌45.56±6.86 44.09±8.39 40.19±8.42 0.101臀小肌48.07±6.71 45.04±8.11 41.51±8.41 0.035*

5. ANVOA结果

我们使用Bonferroni进一步分析验证前述结果的显著性显示，A3组右侧臀大肌体积及CT值显著小于A1组（P值分别为0.015、0.004），A3组右侧臀中肌CT值显著小于A1组（P=0.005），A3组右侧臀小肌体积显著小于A1组（P=0.008），A3组右侧臀小肌CT值显著小于A1组（P＜0.001），A3组左侧臀大肌CT值显著小于A1组（P=0.002），A3组左侧臀小肌体积显著小于A1组（P=0.006），ANVOA分析证明前述观测到的肌肉体积差异具有统计学意义（表4）。

表4 各年龄组臀肌体积差异的ANOVA分析结果

6. 有、无关节炎组患者臀肌差异

独立样本t检验结果显示，B组患者臀大、中、小肌体积及其CT值均显著小于C组，差异均有统计学意义（均P＜0.001）。详见表5、图2。

表5 关节炎组和非关节炎组患者臀肌体积及CT值的差异比较±s

表5 关节炎组和非关节炎组患者臀肌体积及CT值的差异比较±s

*：P＜0.05。

B组C组P值臀肌体积/cm³臀大肌543.54±196.05 722.68±182.30＜0.001*臀中肌211.46±68.59 258.44±66.04＜0.001*臀小肌50.91±22.77 69.09±19.23＜0.001*臀肌CT值/HU臀大肌28.45±12.3 38.20±9.64＜0.001*臀中肌35.18±11.91 44.84±7.29＜0.001*臀小肌33.37±14.49 46.30±7.84＜0.001*

图2 髋关节骨关节炎患者和非髋关节骨关节炎患者臀肌比较

讨 论

1. 臀肌群的解剖与临床意义

臀肌群是人体最有力的肌群之一，包括臀大肌、臀中肌和臀小肌。臀大肌将胸腰筋膜、髂骨和骶骨与股骨大转子连接。臀中肌和臀小肌是髋关节外展的原动肌，髋关节置换时如损伤臀中肌可能导致术后臀中肌力不足，导致蹒跚摇摆的“臀中肌步态”。臀肌群是髋关节保持稳定并进行屈伸、内旋和外旋运动的主要肌群，具有重要的解剖学和临床意义。临床工作中对臀肌群的评估主要通过目测观察萎缩程度及对步态的影响，尚缺少对臀肌群形态、密度的量化评估。

2. 骨骼肌评估方法

肌肉萎缩是指横纹肌营养障碍，肌肉纤维变细甚至消失等导致的肌肉体积缩小。肌肉体积的测量是评估肌肉状态、肌肉质量及运动能力等的重要指标，目前有多种评估肌肉体积的方法，主要包括尿肌酐-肌肉体积测量法、双能X线吸收法、生物电阻抗法、MRI测量法及CT测量法等多种方法［9］，尿肌酐-肌肉体积测量法、双能X线吸收法、生物电阻抗法是测量全身肌肉体积的主流方法，无法测量局限性、特定性肌肉体积，MRI测量法及CT测量法是能够准确测量深部组织及特定肌肉的有效方法，但是由于MRI的扫描范围较小，费用高，扫描时间较长，难于作为常规方法。而CT是临床常规检查方法，在满足其他检查目的的同时，可同时方便地获取组织体积信息。因此本文以CT图像作为研究对象。

随着图像后处理中组织分割与提取技术的进步，近年来出现大量骨骼肌体积的影像学研究，如多人体测量学方法估算法、CT值阈值法等［9-10］，大大提高了对骨骼肌评估的准确性。然而，这些研究存在较多不足，如多人体测量学方法对图像层厚要求低，但测量误差较大，CT值阈值法测量相对精确，但要求为薄层图像，且后处理过程耗时长，不易操作。

CT VOI技术是一种半自动、基于CT图像分割与提取技术的后处理方法，只需要对拟测量的靶组织边界进行手动间隔标注，结合计算机灰度识别、组织提取与测算能力，准确完成靶组织的边界定义，完成靶组织的三维重建，从而获取该组织的体积与密度信息。该技术对图像层厚要求低，使用常规5 mm层厚即可准确测量，以臀大肌为例，常规扫描约需30～50层图像，传统重建方法需逐层勾画，耗时长，使用VOI技术，间隔5～10层勾画，大大缩短了后处理的时间。

同时，骨骼肌发生萎缩时，除体积缩小外，由于增大的纤维间隙充填的脂肪组织等密度低于肌纤维，还表现为受累骨骼肌密度的降低。CT值是CT图像中各组织与X线衰减系数相当的换算对应值，是测定组织密度大小的一种计量单位。大量研究证实CT值在测量骨骼肌脂质含量的较高的准确性和可靠性［11-12］。本研究结果表明，相比于传统三维重建方法VOI技术可稳定、准确地获取靶组织的平均CT值，准确评估臀肌脂质与肌密度。

3. 臀肌群体积与密度的影像学分析

本研究回顾性使用CT感兴趣体积测量法分别测量了114例患者的双侧臀肌群体积及CT值，结果表明，本技术具有良好的可行性与可重复性，能快速获取整体解剖背景下目标骨骼肌的三维形态，并准确测量骨骼肌的体积及CT值，为临床决策提供重要的形态与密度信息。本技术基于常规层厚的图像即可操作，无需薄层扫描，简便易行，操作迅速，便于推广。

同一人群以及不同性别的人群的臀肌测量结果表明，同一患者两侧臀肌体积及CT值无明显差异性，两侧臀肌形态及密度基本对称。男性臀肌体积及CT值均高于女性，其中在双侧臀大肌及右侧臀中肌中有显著性差异，这可能是由于一般来说男性骨骼肌占男性体重比例较女性高，相应臀肌体积较年龄及身体指数匹配组的女性大［9］，普通运动中臀大肌动员更为充分，运动导致的骨骼肌肥大效应更显著。

本研究结果表明，臀肌体积及CT值均与年龄呈负相关，其中CT值较臀肌体积相关性更显著。臀肌体积的减小可能是由于随年龄增长，肌纤维逐渐发生退行性萎缩［13］，与运动量较大的年轻人相比肌肉的质量和体积下降。此外，随着年龄增长，老化和失活的骨骼肌会被脂肪组织取代，即发生骨骼肌萎缩及脂肪浸润［14］。传统评估方法中由于脂肪组织仍占据一部分体积，这使得臀肌体积测量值得到一定弥补，掩盖了臀肌的萎缩程度。因此，利用本方法评价臀肌CT值的下降与体积的减小相结合，能更准确地评估臀肌的萎缩程度。

髋关节骨性关节炎组患者臀肌体积及CT值均显著小于无关节炎组。这可能是由于关节炎导致患者关节运动减少，肌肉萎缩，肌肉力量下降，这与全膝关节置换术后患者股四头肌功能活动受限，导致患者股四头肌体积及力量下降有相似之处［15］。此外髋关节骨关节炎患者往往伴有患肢严重疼痛，因此肌肉的废弃导致患者肌肉的废用性萎缩，体积减少［4］。CT值的下降反映了关节炎患者肌肉密度的减低，肌肉质量的下降。多次采用此方法评估肌肉萎缩情况可辅助并指导恢复和复健过程。

作为一项对臀肌群同时进行体积和密度分析的初步研究，本研究存在较多局限性：①由于研究规模限制，科室特性，扫描臀肌的病人来源难于做到随机化；②未能将体重、身高、职业及运动习惯等可能影响肌肉体积的影响因素纳入，可能使结果产生一定偏倚；③髋关节功能复杂，其运动需要多块肌肉协同参与，单一臀肌群形态及密度改变不能完全反应髋关节的功能状态；④在臀肌边界的勾画中，肌肉部分与梨状肌分界可能存在观测误差，同时肌肉边缘的血管、肌腱及神经也难于准确分离，下一步可能优化测量过程，提供更精确的数据集。

综上所述，CT感兴趣体积测量法用于测量臀肌体积及CT值，可以为肌肉解剖形态的观察及功能评估提供一种高效、准确的方法，并且可重复性强，便于临床工作的应用，且由于传统方法耗时长、不够精确，因而该法值得推广。