脊柱外科杂志  2021, Vol.19 Issue(1): 68-72   PDF    
椎旁肌影像学参数的评估及其与腰椎手术关系的研究进展
穆月明, 阎崇楠, 刘齐, 王欢     
中国医科大学附属盛京医院脊柱外科, 沈阳 110004
关键词: 腰椎    放射摄影影像解释,计算机辅助    外科手术    综述文献    
Evaluation of imaging parameters of paravertebral muscles and their relationship with lumbar surgery
Mu Yueming, Yan Chongnan, Liu Qi, Wang Huan     
Department of Spinal Surgery, Shengjing Hospital, China Medical University, Shenyang 110004, Liaoning, China
Key words: Lumbar vertebrae    Radiographic image interpretation, computer-assisted    Surgical procedures, operative    Review literature    

腰椎椎旁肌为附着于腰椎周围的多裂肌、竖脊肌、腰大肌及腰方肌等肌肉的总称,对于增加腰椎的稳定性有着重要作用[1],大多数腰椎手术会不同程度地损伤腰椎椎旁肌,椎旁肌受损可导致去神经支配的萎缩和脂肪浸润,造成腰椎失稳。有研究[2]表明,椎旁肌的退行性变与腰椎疾病及腰椎手术有一定的相关性。腰椎手术中椎旁肌破坏后易疲劳,对腰椎的保护降低,通过CT、MRI及超声等影像学技术测量椎旁肌横截面积(CSA)、脂肪浸润(FI)、肌肉密度(MD)、腰椎凹陷值(LIV)及质子密度脂肪分数(PDFF)等参数,可反映椎旁肌在腰椎手术前后的变化[3],明确腰椎椎旁肌与腰椎手术的关系,辅助腰椎手术术式选择与改进,降低术后并发症发生率。本文就椎旁肌影像学参数的评估及椎旁肌退行性变与腰椎手术的关系作如下综述。

1 椎旁肌影像学参数的评估

椎旁肌参数的测量大多采用CT、MRI及超声等技术[4-5],核磁光谱能够检测腰背部肌肉代谢变化,检测结果与肌肉活检结果具有良好的一致性[6];3D多回波MR测量腰背部肌肉及脂肪含量的结果与核磁光谱结果一致[7]。近期有学者使用MR弹力成像技术评价椎旁肌硬度[8],以进一步研究椎旁肌硬度与腰椎疾病的关系。MRI对于软组织的分割要优于CT,可直接显示脂肪组织,并直接运用到肌肉形态计量及组织位置判定中[9]。CT可直接测定MD,超声可显示出自动分割软件难以处理的伪影[10]

衰老、腰椎疾病及腰椎手术可使骨骼肌量减少,并被没有弹性的结缔组织替代,这种类型的肌肉萎缩称为肌少症[11],正负调节因子失衡而产生血清集聚蛋白C末端片段(CAF)和骨骼肌特异性肌钙蛋白T(sTnT)是形成肌少症的主要机制[12],这种变化使椎旁肌功能性CSA减小。CT、MRI及超声均可测量椎旁肌CSA[13]。横断面MRI T2加权像可定量测量椎旁肌CSA,可获得的参数包括双侧总CSA、功能性CSA与总CSA之比(即萎缩率)、左右侧CSA的不对称性和左右侧萎缩率的差异[14]。不同平面的CSA测量结果也有所不同,单一平面可选择椎间盘中点、椎板中点、上下终板或椎体中点[5, 14-16],也有学者运用CT重建图像测量与肌肉纤维垂直的平面[3]

在病理状态下或随着年龄增加,肌卫星细胞通过PPAR家族因子刺激分化为脂肪细胞而不是肌细胞,同时,来自骨髓的循环祖细胞也可生成肌间脂肪组织,从而导致肌间脂肪或者脂肪组织增加[17],即FI。评估FI的方法可分为视觉半定量评估和定量测量。Goutallier等[18]采用视觉半定量评估将FI分为5级:0级为无FI;1级为有少量FI;2级为FI小于肌肉量;3级为FI同肌肉量相等;4级为FI大于肌肉量。Kalichman等[19]将FI程度分为3级:1级,正常肌肉状态,FI最高为椎旁肌CSA的10%;2级,适当的肌肉退行性变,FI程度为椎旁肌CSA的10% ~ 50%;3级,严重的肌肉退行性变,FI程度大于椎旁肌CSA的50%。这种分类方式具有较高组内和组间的可信度。近期,关于椎旁肌的定量测量研究逐渐增多,运用MRI测量FI程度时可用三维双梯度回波Dixon技术将水脂分离,单独计算脂肪分数,使测量结果可信度更高[20]。Fortin等[21]将MRI测量FI分为2种方法:①脂肪CSA与总CSA之比;②T2加权像的信号强度作为FI的指标,更高的信号代表着更高的FI程度。

MD通常采用CT测量,通过CT值即亨斯菲尔德单位(HU)来评价肌肉纤维的密度。此外,有研究者提供的数据是整体肌肉的密度,而另有研究者则提供了保留最多的肌肉质量中心的一小部分肌肉(6 mm或10 mm圆圈)的数据[3]。Takayama等[11]认为,CSA与FI程度虽然是评价椎旁肌萎缩的重要指标,但是操作过于复杂,因此,LIV作为新的评价椎旁肌退行性变的参数被提出,并通过试验得出,随着年龄增加,椎旁肌CSA减少且LIV也减小,LIV同椎旁肌CSA有着密切的联系。Tamai等[22]对LIV的定义为连接多裂肌两侧最高点和棘突顶部之间的最小距离,研究发现,LIV数值越小,下腰部前凸发生概率越大。化学位移编码水/脂MRI定量测量得出PDFF是评价椎旁肌中脂肪成分的一个标志物,PDFF和CSA均可预测椎旁肌的等长肌力,Schlaeger等[23]的研究发现,PDFF对于等长肌力的预测要优于CSA,同时化学位移编码水/脂MRI也可用于检测椎旁肌肉成分的细微变化。

Kalichman等[3]的研究表明,男性的椎旁肌CSA大于女性、MD高于女性,年轻人MD高于年长者,因此,在椎旁肌的评估过程中应将年龄、性别和体质量指数(BMI)作为协变量。目前关于CSA、FI及MD的评估和测量方法多种多样,导致了不同研究结果之间无法直接比较,且关于椎旁肌形态的研究经常出现矛盾的结果。大多数研究都是以单层截面为基础进行评价,事实上脊柱的不同平面有着很大的不同,且横截面选取的方向不同也会有很大的不同。Urrutia等[24]的研究得出,单层面测量的椎旁肌CSA和FI并不能完全代表整个脊柱,在未来的研究中应运用多级测量所有脊柱水平的标准化评估方法,从而得出统一的结论。

现有针对椎旁肌影像学参数评估的研究多由骨科医师或放射科医师手动绘出,手动分割工作量较大,易疲劳并容易出现一定误差,可重复性差,且样本数据量较少,不利于得出统一的评价标准。自动图像分割可弥补人力的缺点,在短时间内完成大量的测量工作,自动图像分割已在神经影像分析中应用,Xiao等[25]通过对117例患者腰椎MRI的分析为自动图像分割建立了地图集,但还未实现对腰椎MRI的自动图像分割。Bien等[26]运用深度学习模型实现了从内部和外部数据集生成膝关节MRI准确的临床病理学分类,从而辅助临床医师提高对影像学资料的解读及对膝关节疾病的诊断。Baum等[27]研发出一种基于水脂序列MRI的椎旁肌自动分割算法,将左右侧腰大肌、腰方肌和竖脊肌纳入研究范围,同手动分割的图像相比,平均dice系数为0.83(0.75 ~ 0.90)。因此,运用人工智能替代人工手动分割,实现自动图像分割,辅助横断面MRI扫描的椎旁肌影像学参数的评估,对于提高椎旁肌影像学参数测量的准确性和建立较为统一的椎旁肌影像学参数评价标准有着极大的帮助。

2 椎旁肌退行性变与腰椎手术的关系

术前测量椎旁肌CSA和FI与腰椎手术预后效果有一定的相关性。一项对173例接受人工椎间盘置换术治疗的患者进行2年随访的随机试验研究[28]发现,术前MRI T2加权像的多裂肌FI程度越低,术后2年腰痛发生率越低,患者预后越好,多裂肌FI程度可以预测人工椎间盘置换术的预后效果。Zotti等[29]对接受腰椎减压术的椎管狭窄患者资料进行分析,结果表明,多裂肌CSA减小与腰椎减压术预后不良有一定的相关性,术前测量多裂肌CSA可预测腰椎减压术后的临床效果。Khan等[30]的研究发现,脊柱手术中肌肉量、CSA与术后功能指标及融合率呈正相关,背部肌肉形态测量应作为预后指标纳入术前手术方案制订中。Canvasser等[31]回顾性分析了1 309例经外科手术治疗并在术后3个月内行腹部计算机断层扫描的患者资料,通过测量棘旁肌CSA发现,棘旁肌CSA越大,术后死亡率越低。综上,椎旁肌退行性变影像学参数的变化对腰椎手术的预后有一定的预测价值,健康的椎旁肌往往提示良好的临床预后。Canvasser等[31]的研究更是提出,椎旁肌CSA不仅对腰椎手术的预后有重要的影响,对外科手术的死亡率亦有着重要的评估价值。

Matejka等[32]的组织学研究表明,在胸腰椎骨折内固定术中,传统开放手术与微创入路相比,不仅导致了椎旁肌肌纤维病理性结构的存在,还破坏了Ⅰ型肌纤维(慢肌纤维)和Ⅱ型肌纤维(快肌纤维)的组成比例,导致Ⅰ型肌纤维和Ⅱ型肌纤维数量减少,使椎旁肌CSA和MD减小。Fan等[33]通过对91例患者分组对照研究得出,传统开放手术术后多裂肌CSA较术前减小超过500 mm2Z=-3.920),而微创手术对多裂肌CSA无明显影响,2种手术术后椎旁肌均有更多的FI,但传统开放手术术后椎旁肌FI程度更高。Lv等[34]的研究发现,开放术式与微创术式相比,术后竖脊肌和多裂肌的平均CSA明显减小。张鹏翼等[35]对比经肌间隙入路与传统后正中入路治疗胸腰椎骨折,结果表明,经肌间隙入路对椎旁肌的损伤较小,具有出血量少,术后患者恢复快等优点。Xu等[36]以新西兰白兔为双节段前路腰椎融合术手术模型,以MRI及椎旁肌显微照片为测量工具,结果显示,术后12个月时多裂肌无明显萎缩。在腰椎手术中,微创术式相较于开放术式对椎旁肌退行性变影响较小;不同入路对椎旁肌的损伤程度也不同,经肌间隙入路较传统入路术后椎旁肌退行性变程度更轻,而动物模型的前路手术并未导致多裂肌影像学参数的明显变化。

腰椎融合术较减压术对椎旁肌退行性变的影响更大。Pourtaheri等[37]回顾12篇文献共纳入529例患者,其中365例采用腰椎融合术,164例采用腰椎减压术,结果显示,与腰椎融合术相比,单纯减压术后腰椎椎旁肌萎缩更少,可能是融合节段的运动被限制,相应节段椎旁肌活动减少导致退行性变。Tonomura等[38]对34例腰椎椎管狭窄症患者的研究表明,保留椎旁肌的椎板减压术后,MRI测量的多裂肌T2加权信号强度较术前无明显变化,即FI不明显,在减压节段术后出现了椎旁肌萎缩现象,但减压的椎间盘数量和节段不影响椎旁肌萎缩范围。Bresnahan等[39]的研究得出,针对腰椎椎管狭窄症患者的后路单纯减压手术,微创手术比传统开放手术对多裂肌和竖脊肌的负面影响小,术后效果更好。腰椎椎管狭窄症患者单纯减压可更好地保留椎旁肌,在确保充分解决椎管狭窄及腰椎稳定的前提下避免不必要的融合,可减小患者术后椎旁肌的FI程度与萎缩。

椎旁肌退行性变与腰椎术后相邻节段退行性变的发生也有密切关系。Zhu等[40]的研究发现,行单节段后路腰椎融合术的患者,相邻节段退行性变及顽固性腰痛患者的多裂肌明显萎缩。Kim等[41]通过一项回顾性研究分析得出,术前椎旁肌CSA是预测术后发生相邻节段退行性变的重要因素。Malakoutian等[42]通过建立数字模型模拟椎旁肌的缺失,对后路腰椎融合的邻近节段进行生物力学分析,结果表明,椎旁肌可减小腰椎融合相邻节段的剪切力,且这种作用独立于脊柱内固定器。另一项关于采用传统后路腰椎融合术治疗的30例患者的研究显示,术中造成肌肉损伤及去神经支配导致椎旁肌萎缩,与不良的临床预后有一定相关性[43]。综上,椎旁肌对腰椎融合术后腰椎整体的稳定性具有重要的作用,椎旁肌CSA减小以及FI程度增加可能是导致术后邻椎病发生的重要因素,其中以多裂肌退行性变的影响最为明显。因此,在腰椎手术中应避免损伤椎旁肌,将减少椎旁肌破坏纳入腰椎术式的选择标准中,以期减少术后并发症的发生。

3 总结与展望

椎旁肌影像学参数对腰椎手术及普通外科手术的术前预测、术式选择和预后有一定作用。但目前椎旁肌影像学参数的评估方法存在手工描绘效率低、描绘区域标准不一致等缺点,未形成统一的评价体系,得出的研究结果难以相互比较,且缺少大样本数据。未来可使用人工智能代替人工行自动图像分割等,提供精确性及可靠性更好的统一定量测量方法,准确且大量完成椎旁肌影像学参数测量工作,提高腰椎椎旁肌研究的可信度,形成统一的评价体系运用于临床,改进现有的术前锻炼、术式选择和术后康复模式,最终获得更加良好的临床预后。

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