基于MRS IDEAL序列构建非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的预测模型及效能评价

刘云鹏, 曹 斌, 左玉强, 田玉良, 陈秋敬, 张耀杰

(1.河北省石家庄市人民医院, 河北 石家庄 050000 2.河北医科大学第二医院, 河北 石家庄 050000 3.河北省儿童医院, 河北 石家庄 050000)

非特异性腰疼在所有种类的腰疼中占比85%以上,发病率与复发率较高,社会快速发展中,该病呈年轻化趋势[1]。该病一定程度上影响着患者的生活和工作,带来难以估量的经济损失[2]。造成非特异性腰疼原因很多且机制复杂,但大部分均是由肌肉或韧带等软组织劳损引起,导致腰椎的序列和结构改变,进而影响生物力学失衡而导致脊柱稳定性下降,与目前研究热点方向“核心稳定性”理论一致[3]。多裂肌是脊柱稳定性中重要的椎旁肌,其横截面大、单位体积纤维含量多的特点使其在有限的空间内发挥最大的力量支撑脊柱[4],同时研究显示,腰骶部超过2/3稳定力量由多裂肌提供,能够维持脊柱正常力线的以及稳定腰椎,因此多裂肌结构与功能稳定性被破坏可能通过影响脊柱稳定性而引起腰痛[5]。多裂肌脂肪浸润是肌肉萎缩、退变后常见病理变化,因此探究多裂肌脂肪的浸润程度对诊断和了解非特异性腰疼可能具有重要意义。但过往评估多裂肌脂肪的浸润程度主要为半定量分析,有较大的误差导致结果未能达到预期。磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopic imaging,MRS)、非对称回波的最小二乘估算法迭代水脂分离技术(Iterative Water Lipid Separation Technique Using Least Squares Estimation Method for Asymmetric Echoes,IDEAL)序列是两种可定量分析脂肪成分的方法,可准确的定量分析出多裂肌的脂肪相对含量。基于此,本文旨在探讨利用MRS、IDEAL序列定量分析非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪相对含量,并构建预测列线图模型,为临床检测和治疗提供理论依据。

1 资料与方法

1.1一般资料:纳入2021年7月至2023年7月于我院接受治疗的88例非特异性腰痛患者的临床资料。所有患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度按照Goutallier分级标准分为少量组与多量组,其中少量组36例,男性17例,女性19例,年龄(47.63±9.27)岁,病程(3.58±2.20)年,有高血压20例,有高血糖18例;多量组52例,男性23例,女性29例,年龄(49.66±9.01)岁,病程(3.67±2.41)年,有高血压33例,有高血糖30例。本研究经过本院伦理委员会批准。

1.2入选标准:纳入标准:①有患者均符合《非特异性下腰痛:北美脊柱协会(NASS)循证医学指南》[6]中诊断标准;②年龄≥18岁;③无脊柱手术史;④患者知情同意。排除标准:①类风湿关节炎、强直性脊柱炎者;②合并恶性肿瘤者;③有严重的腰部受伤或外伤史;④精神存在问题,依从性差者。

1.3方 法

1.3.1椎旁肌肉脂肪浸润分级和分组方法:由3名放射科医师一同参与影像学检查和诊断,采用腰椎常规T2WI序列横断位,依据Goutallier分级标准对非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度进行分级,无脂肪浸润为0级,少量脂肪浸润为1级,脂肪浸润量小于肌肉量为2级,脂肪浸润量等于肌肉量为3级,脂肪浸润量大于肌肉量为4级。在本文研究中,将1级和2级归为浸润少量组,3级和4级归为浸润多量组。

1.3.2临床资料收集:①基线资料:通过医院病历系统,记录患者性别、年龄、病程、高血压、高血糖、饮酒史以及吸烟史。②实验室指标:测量患者空腹血糖(Fasting blood glucose,FPG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)、红细胞计数(red blood cell count,RBC)、白细胞计数(white blood cell count,WBC)、甘油三酯(triglyceride,TG)、钠离子、钾离子、钙离子以及血小板。

1.3.3MRS检查方法:采用Siemens3.0T超导型磁共振扫描仪,患者取仰卧位,以6通道体部线圈和6通道体表线圈行腰4～5椎间盘平面的横轴位T2WI扫描,TR2100ms,TE109ms,回波链长度21,层厚4mm,FOV32cm×32cm,以T1,T2快速自旋回波加权成像序列矢状位,行MRS检查,调整水和脂肪预置值为0并在横断面图像选择合适的兴趣区,以体素10cm×10cm×10cm放置多裂肌和最长肌的中心,激励次数8次。用sage软件将获得的MRS图像和数据,算出椎旁肌肉脂肪含量相对百分比(Fat%)与水含量百分比(Water%)。

1.3.4IDEAL检查方法:采用GE Discovery3.0T核磁共振仪,以8通道相控阵腹部线圈对患者进行IDEAL序列扫描,扫描参数设置为翻转角4。TR6.8ms,TE2.2～10.2ms,视野38cm×38cm,回波链长度3,层厚4mm,FOV30cm×24cm,相位数160,扫描时间2min。在受检者的L3椎体下终板层面勾画出相同于T2-mapping 序列的 ROI,测量3次取平均值得出水像及脂像的信号强度,并算出椎旁肌肉脂肪含量相对百分比(Fat%)与水含量百分比(Water%)。

2 结 果

2.1椎旁多裂肌脂肪浸润程度少量组和多量组临床资料比较:两组临床资料对比无差异(P>0.05),具有可比性。见表1。

表1 椎旁多裂肌脂肪浸润程度少量组和多量组临床资料

2.2基于MRS对两组间Fat(%)和Water(%)差异比较:基于MRS得出的两组Fat(%)和Water(%)比较中,多量组的Fat(%)明显高于少量组,少量组的Water(%)明显高于多量组,差异具有统计学意义(P<0.05)。且经卡方检验Phi系数、Kendall’s tau-b相关性分析结果显示,Fat(%)的值与椎旁多裂肌脂肪浸润程度呈正相关(r=0.420,P<0.05),Water(%)的值与椎旁多裂肌脂肪浸润程度呈负相关(r=-0.469,P<0.05),见表2,重叠散点图见图1。

图1 基于MRS的Fat(%)和Water(%)的重叠散点图

表2 两组间Fat(%)和Water(%)差异比较

2.3基于MRS的Fat(%)分析评价多裂肌脂肪浸润程度:将非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度作为因变量(少量组=1,多量组=2),将基于MRS的Fat值作为自变量,绘制ROC曲线(见图2),结果显示,Fat(%)评估非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的AUC值为0.800,说明Fat(%)的值对非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度具有较好的评估价值,见表3。

图2 基于MRS的Fat(%)值评价多裂肌脂肪浸润程度的ROC曲线

表3 基于MRS的Fat(%)分析评价多裂肌脂肪浸润程度

2.4基于IDEAL序列对两组间Fat(%)和Water(%)差异比较:基于IDEAL序列得出的两组Fat(%)和Water(%)比较中,多量组的Fat(%)明显高于少量组,少量组的Water(%)明显高于多量组,差异具有统计学意义(P<0.05)。且经卡方检验Phi系数、Kendall’s tau-b相关性分析结果显示,Fat(%)的值与椎旁多裂肌脂肪浸润程度呈正相关(r=0.477,P<0.05),Water(%)的值与椎旁多裂肌脂肪浸润程度呈负相关(r=-0.496,P<0.05),见表4,重叠散点图见图3。

图3 基于IDEAL序列的Fat(%)和Water(%)的重叠散点图

表4 基于IDEAL序列对两组间Fat(%)和Water(%)差异比较

2.5基于IDEAL序列的Fat(%)分析评价多裂肌脂肪浸润程度:将非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度作为因变量(少量组=1,多量组=2),将基于IDEAL序列的Fat(%)值作为自变量,绘制ROC曲线(见图4),结果显示,Fat(%)评估非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的AUC值为0.841,说明Fat(%)的值对非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度具有较好的评估价值,见表5。

图4 基于IDEAL序列的Fat(%)值评价多裂肌脂肪浸润程度的ROC曲线

表5 基于IDEAL序列的Fat(%)分析评价多裂肌脂肪浸润程度

2.6基于MRS、IDEAL序列构建预测椎旁多裂肌脂肪浸润程度的列线图模型:基于MRS、IDEAL序列得出的Fat(%)和Water(%)值,构建了影响非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的列线图模型,其中X1、X2分别是基于MRS测出的Fat(%)和Water(%)值,X3、X4分别是基于IDEAL序列测出的Fat(%)和Water(%)值,见图5。

图5 基于MRS、IDEAL序列构建预测椎旁多裂肌脂肪浸润程度的列线图模型

2.7预测椎旁多裂肌脂肪浸润程度列线图模型的效应评价:对列线图模型进行Bootstrap重复抽样1000次,获得校准曲线(见图6),计算的C-index值为0.978,说明该列线图模型具备较好的区分度。绘制ROC曲线,对非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的列线图模型进行评价,建模组的AUC为0.978(95%CI:0.948～1.000),验证组的AUC为0.935(95%CI:0.838～1.000),区分度较优,说明该列线图模型预测能效较好,见图7。

图6 模型列线图校正曲线验证

图7 模型列线图内部验证ROC曲线

3 讨 论

磁共振成像技术是非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的主要测定方法,但在这之中只有MRS、IDEAL序列可以对脂肪含量做出定量分析,因此本文选择了这两种方法对非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度进行了分析。研究指出,在1～5节段多裂肌中,其脂肪浸润程度有从上至下递增的趋势,其中4～5节段的脂肪浸润程度最高,原因为该节段的肌肉与椎体的附着点最多,是主要的承重与稳定的多裂肌阶段,因此本文在MRS和IDEAL序列检测中选择的是4～5阶段的多裂肌[7-8]。在本文研究中,基于MRS得出的两组Fat(%)和Water(%)比较中,多量组的Fat(%)明显高于少量组,少量组的Water(%)明显高于多量组,且经卡方检验Phi系数、Kendall’s tau-b相关性分析结果显示,Fat(%)的值与椎旁多裂肌脂肪浸润程度呈正相关,Water(%)的值与椎旁多裂肌脂肪浸润程度呈负相关,说明多裂肌的脂肪含量越高,患者的椎旁多裂肌脂肪浸润程度越严重,另外IDEAL序列检测出的结果与基于MRS检测结果一致。分析其原因,非特异性腰痛患者因韧带、软骨以及肌肉受到牵拉而脊柱发生变形,破坏了其承重的稳定性与平衡性,对椎旁多裂肌造成非常规力的挤压,长时间的受压下,肌内和肌间的活动受限导致肌肉的成分发生改变,肌肉组织内的肌细胞脂质由此增多,与组织、细胞内的线粒体密切接触,影响肌细胞和骨骼肌的氧化能力[12-13];同时肌细胞长时间受压下出现病理损伤,导致肌细胞内脂质增多时其抵抗脂肪化的能力减弱,使得多裂肌中脂肪含量增加[9]。另外有研究指出,当人体衰老时,其体内的脂肪含量会增加,而增加的量正好与体内减少的水含量一致,可推测人体内椎旁多裂肌脂肪浸润可能与水含量存在动态平衡[10]。在本文中,还绘制ROC曲线,结果显示基于MRS检测下的Fat(%)和基于IDEAL序列检测下的Fat(%)的AUC值分别为0.800和0.841,说明两者所检测出的Fat(%)对非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度均具有较好的评估价值。与陈品珍等的研究一致,肌肉脂肪的含量,是体现肌肉脂肪浸润程度的重要指标。

本研究构建了影响非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的列线图模型,将Fat(%)和Water(%)进行赋分,因此列线图模型的构建,在临床诊断和治疗非特异性腰痛患者,有更直观、更有效、更便捷的预测价值。此外对列线图的验证结果显示,校准曲线的C-index值为0.978,说明该列线图模型具备较好的区分度,绘制ROC曲线,建模组的AUC为0.978(95%CI:0.948～1.000),验证组的AUC为0.935(95%CI:0.838～1.000),说明该列线图模型有较好的预测能效.但本文研究尚存在一定不足,样本容量较小且均是本院患者,有一定偶然性与地域性;MRS的成像时间较长,对于非特异性腰痛严重的患者无法配合。

综上所述,本研究基于MRS、IDEAL序列得出的Fat(%)和Water(%),构建了影响非特异性腰痛患者椎旁多裂肌脂肪浸润程度的列线图模型,具有较好的预测和诊断价值,可在临床判断与治疗中提供理论依据。