Image_J软件不同阈值...润程度定量评估中的应用价值_陈灿.pdf

论著临床研究基金项目：军队后勤科研重大项目（）；陆军军医大学优秀人才库重点扶持对象个性化培养方案；重庆市技术创新与应用发展专项面上项目（）第一作者简介：陈灿，硕士，主治医师，研究方向：退行性脊柱相关疾病。通信作者简介：罗飞，博士，副主任医师，研究方向：退行性脊柱畸形。软件不同阈值处理模式在多裂肌脂肪浸润程度定量评估中的应用价值陈 灿，张承旻 喻学科 陈春华 李 凯 赵 骏 罗 飞 中国人民解放军陆军军医大学（第三军医大学）第一附属医院骨科，重庆市；中国人民解放军陆军军医大学（第三军医大学）陆军卫勤训练基地战救技能训练教研室，重庆市；中国人民解放军陆军军医大学（第三军医大学）第一附属医院放射科，重庆市【摘要】目的 探讨 软件不同阈值处理模式在多裂肌脂肪浸润程度定量评估中的应用价值。方法 选取 例中老年人作为研究对象，均进行 常规序列及磁共振波谱（）序列扫描检查。由 名脊柱外科医生借助 软件的不同阈值处理模式测量 椎间盘中心层面多裂肌脂肪浸润程度，周后重复测量。采用组内相关系数（）评估两名观察者之间及同一观察者不同时间的测量结果的可重复性。以 序列测量结果作为定量评估多裂肌脂肪浸润程度的“金标准”。分析 软件不同阈值处理模式所测得的多裂肌脂肪浸润程度与 序列所测结果的相关性。结果 两名观察者之间及同一观察者不同时间测量的多裂肌脂肪浸润程度的可重复性均较高（均 ）。软件的固定阈值（）模式、自动阈值模式、人工阈值模式测量的多裂肌脂肪浸润程度与 序列测量的多裂肌脂肪浸润程度均呈正相关（均 ），其中采用固定阈值模式（阈值设置为）时，软件测量的多裂肌脂肪浸润程度与 序列测量的结果相关性最高。结论 软件不同阈值处理模式测量多裂肌脂肪浸润程度的可重复性高，采用固定阈值处理模式（阈值设置为）在 常规序列上测量可替代 序列测量，作为评估多裂肌脂肪浸润程度的有效方法。【关键词】多裂肌；脂肪浸润程度；软件；阈值；功能退变【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）：，（，；，；，）【】，（）（），（）（），（），（），（），【】，近年来，以脊柱畸形为代表的退行性脊柱疾病在全球老年人群中的发病率逐渐升高，椎旁肌退变与退行性脊柱疾病的发生、发展密切相关，二者之间的关系也逐渐受到国内外学者的关注，准确、客观地评估椎旁肌功能（肌肉强度、耐力、电活动等）对于指导退行性脊柱疾病的临床诊疗意义重大。有研究表明，椎旁肌功能与肌肉组织脂肪浸润程度密切相关。因此，定量分析椎旁肌脂肪浸润程度可以间接反映椎旁肌的功能。技术不仅可用于疾病的辅助诊断，而且在椎旁肌形态影像学方面的应用也日趋广泛。软件是目前被广泛应用于临床研究的一款图像处理软件，然而该软件不同阈值处理方法在肌肉退变定量评估中还存在差异。多裂肌位于脊柱最内侧，是附着面积最大的椎旁肌。本研究以磁共振波谱（，）序列测量结果作为定量评估肌肉组织脂肪浸润程度的“金标准”，分析 软件不同阈值处理模式在多裂肌脂肪浸润程度定量分析中的应用价值，为临床上准确评估多裂肌功能状况提供参考。资料与方法 临床资料 选取 年 月至 年 月在中国人民解放军陆军军医大学（第三军医大学）第一附属医院门诊就诊的 例中老年人作为研究对象，男性 例、女性 例，年龄 （）岁，身高 （），体重 （），体质指数（）。纳入标准：年龄 岁，性别不限。排除标准：患有脊柱肿瘤、结核等严重脊柱疾病者；近 年内有脊柱手术史者；合并神经系统疾病、先天性肌肉发育异常相关疾病者；合并其他系统严重疾病者；体内留有心脏起搏器等植入物而不宜行 检查者。本研究已通过医院医学伦理委员会审批，所有研究对象均已知悉本研究相关风险并签署知情同意书。常规序列及 序列的扫描方法 所有研究对象均行腰椎高分辨 超导（公司，型号：）常规矢状位、矢状位、轴位 序列及 序列扫描检查。常规序列参数设置：、采用快速自旋回波序列，扫描使用表面线圈，层厚为 ，层间距为 ，采集矩阵为，视野为 ；矢状位 的重复时间、回波时间分别为 、，矢状位 的重复时间、回波时间分别为 、，轴位 的重复时间、回波时间分别为 、。序列扫描参数：重复时间为 ，回波时间为，视野为 ，层厚为 。研究对象取仰卧屈髋屈膝 位进行 扫描，扫描全程需维持该姿势，以减少对扫描定位准确性及磁场均匀性的干扰，最大限度保证测量结果的真实性。由 名具有 年工作经验以上的放射科医生完成 图像采集，随后由另外 名放射科医师在 系统上进行图像后处理，采用 序列扫描的图像分别计算双侧多裂肌脂肪浸润程度，脂肪浸润程度 脂肪波峰下面积（脂肪波峰下面积 水波峰下面积）。以左侧多裂肌为例，见图。图 序列图像测量脂肪浸润程度 注：为左侧多裂肌水波峰、脂肪波峰图像；为左侧多裂肌水波峰峰值 脂肪波峰峰值、水波峰下面积 脂肪波峰下面积、水脂比的测量结果，为代谢产物，为波峰值，为波峰下面积，为水脂比。软件不同阈值处理方法从图像存储与传输系统下载研究对象的 轴位 序列横截面图像，并保存为 位 格式文件供后续测量分析。选取 节段椎间盘中心层面作为目标层面，由 名具有 年以上工作经验的脊柱外科医师（即观察者 和观察者）利用 图像处理软件（公司）独立测量多裂肌脂肪浸润程度（软件自动测算得出），周后两名观察者进行重复测量。固定阈值模式：以阈值 为中心，选取（阶梯值）作为固定阈值范围来定量评估多裂肌脂肪浸润程度。自动阈值模式：由 软件自动根据组织信号强度选定阈值，以此区分肌肉和脂肪组广西医学 年 月第 卷第 期织。人工阈值模式：在软件自动选定阈值的基础上人工调节优化，使白色脂肪组织尽可能被红色区域覆盖。测量方法：通过在多裂肌轮廓上勾勒不规则曲线来确定目标肌肉区域，在勾勒曲线过程中尽可能去除肌肉组织周边脂肪组织，通过调整阈值大小来区分肌肉及脂肪组织（见图）。图 软件测量多裂肌脂肪浸润程度注：黄色不规则曲线勾勒右侧多裂肌轮廓。统计学分析 采用 软件进行统计学分析。符合正态分布的计量资料以（）表示，不符合正态分布的计量资料以（）表示，计数资料以例数和百分比表示。采用组内相关系数（，）评估同一观察者组内及不同观察者组间测量结果的可重复性，其中 为 表示不存在可重复性，表示可重复性微弱，表示可重复性一般，表示可重复性中度，表示可重复性良好，表示可重复性高。采用 秩相关检验或 检验分析 软件不同阈值处理模式与 序列所测结果的相关性。以 为差异有统计学意义。结 果 两名观察者间（内）测量结果的可重复性 两名观察者间测量脂肪浸润程度的 为 ，观察者 前后两次测量脂肪浸润程度的 为 ，观察者 前后两次测量脂肪浸润程度的 为 。见表。表 两名观察者间（内）对多裂肌脂肪浸润程度测量结果的可重复性阈值处理模式观察者间（）观察者内（）观察者 观察者 固定阈值模式（，）（，）（，）自动阈值模式（，）（，）（，）人工阈值模式（，）（，）（，）软件不同阈值处理模式及 序列测量的多裂肌脂肪浸润程度的相关性 软件的固定阈值（）模式测量的多裂肌脂肪浸润程度分别为 （）、（）、（）、（）、（）、（）、（）；软件的自动阈值模式测量的多裂肌脂肪浸润程度为（）；软件的人工阈值模式测量的多裂肌脂肪浸润程度为 （）；序列测量的多裂肌脂肪浸润程度为（）。软件的固定阈值（）模式、自动阈值模式、人工阈值模式测量的多裂肌脂肪浸润程度与 序列测量的多裂肌脂肪浸润程度均呈正相关（均 ），其中，当 软件的固定阈值设置为 时，所测量的多裂肌脂肪浸润程度与 序列所测量的多裂肌脂肪浸润程度相关性最高（，）。见表。表 软件不同阈值处理模式与 序列测量的多裂肌脂肪浸润程度的相关性项目固定阈值模式自动阈值模式人工阈值模式 序列 值 值 讨 论 随着全球人口老龄化的加剧，退行性脊柱疾病在老年人群中的发病率逐渐上升。椎旁肌作为人体核心肌群的重要组成部分，在维持脊柱动态平衡、保持脊柱正常生理弯曲及实现脊柱屈伸活动等方面发挥至关重要的作用。有研究表明，椎旁肌功能退变与退行性脊柱疾病的发生、发展密切相关。椎旁肌群根据解剖结构可分为前椎旁肌群与后椎旁肌群，前椎旁肌群主要包括腰大肌、腰小肌和腰方肌，后椎旁肌群主要包括多裂肌、竖脊肌、半棘肌、回旋肌和横突间肌，目前针对椎旁肌功能的研究多集中在多裂肌、竖脊肌和腰大肌，其中多裂肌作为后椎旁肌群，在维持脊柱整体稳定性方面起主要作用。从 ，形态解剖学角度来看，相对其他椎旁肌而言，多裂肌具有较大的横截面积、良好的运动控制能力及较短的肌纤维长度。图像上的多裂肌轮廓往往呈现出不规则的形态，且走行与椎间盘存在一定的角度，在 椎间盘以上，多裂肌横截面积会随椎间盘节段的升高而逐渐变小，而在 节段，多裂肌与椎间盘能够保持较好的垂直关系，该节段多裂肌轴位图像能够较为客观、准确地反映椎旁肌形态。基于此，本研究选用 节段多裂肌作为研究对象。准确、客观地评估椎旁肌功能，对于探究退行性脊柱疾病的发病机制及指导临床诊疗具有重要意义。、等影像学检查是目前临床上用于评估肌肉退变情况的较为常用方法，其中，因具有较高的组织分辨率，在椎旁肌脂肪定量评估方面更具优势。目前常用的 肌肉脂肪定量评估技术主要包括脂肪选择性光谱空间激励成像技术、技术及水脂分离技术。其中，具有较高的可信度，被认为是目前临床上评估组织脂肪含量的“金标准”，但该检查技术要求高、耗时长，检查过程中需要被检查者具有较高的依从性，因此，技术在临床中的应用并不广泛，寻找一种简单有效的肌肉退变评估方法具有重要意义。软件在生物医学及临床医学领域应用广泛，尤其在医学图像处理及肌肉组织退变定量分析方面，具有较高的准确率和稳定性，其测量原理为不同组织结构在 图像上会呈现出不同的信号强度，不同的组织信号强度可以用相应的阈值来区分和表示。采用 阈值技术评估肌肉脂肪浸润程度时，红色部分代表脂肪浸润区，灰色部分代表肌肉区，操作者可先用不规则曲线勾勒出肌肉轮廓，然后通过调整阈值分界值，使脂肪组织完全被红色区域覆盖，再由软件自动计算得出肌肉脂肪浸润程度。然而，软件在阈值处理模式选择过程中存在方法学上的差异：（）可根据观察者本身对图像信号强度的敏感程度来选择阈值分界值，进而识别肌肉和脂肪组织，但是人工选取阈值效率低下，且不同测量者间存在个体误差。（）可由计算机自动定义阈值，但对于不同受检对象、不同扫描层面，每次测量所自动选取的阈值分界值均不一样，这可能是因为横截面脂肪占比越高，图像本身信号则会越强，即使针对相同扫描参数的影像序列，系统自动平衡后界值也会有所波动。（）通过设置固定阈值来区分肌肉和脂肪组织。等建议将 软件的阈值固定为，因为阈值为 时，用于表示肌肉的像素数目开始减少，而用于表示脂肪的像素数目开始增加，更有利于区分肌肉和脂肪组织，目前国外已有其他学者应用这一界值开展研究，并发现退行性脊柱侧凸患者凸侧椎旁肌增生肥大是造成双侧椎旁肌不对称改变的主要原因。但是本课题组在使用 软件过程中发现，虽然参考国外学者的固定阈值处理模式可以减少系统误差，但是在阈值处理前默认的白色脂肪组织在阈值处理后并不能被红色区域全部覆盖，甚至有明显的脂肪组织被识别为肌肉组织，从而使得所测的脂肪浸润程度比实际情况要小，其原因可能为上述研究中所使用的 序列的回波时间、重复时间、层厚等扫描参数与本研究的扫描参数不尽相同。研究表明，软件的阈值波动控制在 以内，所测结果偏差可以忽略不计。因此，本研究选择固定阈值处理模式，以 作为阈值波动范围（阶梯值为），同时纳入人工阈值模式及自动阈值模式用以测量多裂肌脂肪浸润程度，分析比较不同观察者组内及组间的可重复性，并将 软件 种模式下所测得的脂肪浸润程度结果与 序列所测结果进行相关性分析。结果显示，不同观察者间及同一观察者不同时间所测量的多裂肌脂肪浸润程度结果的 均在 以上，提示借助 软件测量多裂肌脂肪浸润程度的可重复性高，为满足椎旁肌功能评估的临床需求奠定了基础。此外，软件的固定阈值（）模式、自动阈值模式、人工阈值模式测量的多裂肌脂肪浸润程度与 序列测量的多裂肌脂肪浸润程度均呈正相关（均 ），且当 软件的固定阈值设置为 时，所测得的多裂肌脂肪浸润程度与 序列的测量结果相关性最高（），说明应用 软件在 常规序列图像上进行测量可以替代 序列测量，作为定量评估多裂肌脂肪浸润程度的有效方法，这也为临床上测量多裂肌脂肪浸润程度提供了新的方案。本研究仍存在不足之处：首先，尽管所有研究对象均使用相同的 检查系统及相同的扫描参数，但是同类型组织在 图像上所呈现的信号强度仍会受多种外部条件（如肌肉活动等）的影响而有所不同；其次，本研究仅对 层面的多裂肌脂肪浸润程度进行定量分析，尚不能代表整体椎旁肌的退变趋势，需要进一步纳入多层面、多肌群进行综合对比分析。综上所述，软件不同阈值处理模式用于定量评估多裂肌脂肪浸润程度时可重复性高，采用固定阈值处理模式（固定阈值为）在 常规序列图像上进行测量可替代 序列测量，作为评估多裂肌脂肪浸润程度的有效替代方法，这为构建完善椎旁肌功能评估方法体系提供了新的依据和线索，对进一步探究退行性脊柱疾病的发生与发展机制、指导临床诊疗等具有重要的意义。广西医学 年 月第 卷第 期参考 文 献 王伟炎，夏威威，刘海鹰 退变性脊柱后凸畸形患者腰部肌肉退变与脊柱骨盆参数的相关性分析 中国医药，（）：王兆瀚，王征，吴兵，等 退行性脊柱侧凸患者椎旁肌退变与脊柱骨盆参数的关系 中国脊柱脊髓杂志，（）：，：，：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：袁 磊，陈仲强，曾岩，等 椎旁肌退变的影像学评价及其与腰椎疾病关系的研究进展 中国脊柱脊髓杂志，（）：，（），（）：吴巍巍，胡志军，范顺武，等 慢性腰痛对脊旁多裂肌萎缩影响的临床研究 中国骨伤，（）：，（），（）：王 伟，李危石，陈仲强 椎旁肌评价方法及其与腰椎疾病相关性的研究进展 中国修复重建外科杂志，（）：曹立坤，楚 蕾，黄子星，等 磁共振脂肪定量技术在腹盆部的应用及进展 中国普外基础与临床杂志，（）：，（）：，（）：于夫尧，孙 鹤，孟燕，等 骨骼肌脂肪量化的影像学评价及其在 型糖尿病中的临床价值研究 磁共振成像，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：（收稿日期：修回日期：），