扩散张量成像在业余马拉松运动员大腿肌肉定量研究中的价值

摘要

目的运用MR扩散张量成像（DTI）技术，定量分析静息状态下业余马拉松运动员大腿骨骼肌的微观分子水平变化。

方法

招募男性业余马拉松运动员30名（A组），男性健康志愿者20名（B组）。所有受试者均行双侧大腿轴面DTI扫描，应用SiemensNeuro3D后处理软件对图像进行后处理分析，测量双侧大腿前群（股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股中间肌）、内侧群（大收肌、长收肌）及后群（股二头肌长头、半腱肌、半膜肌）共18块肌肉的FA值及ADC值。采用独立样本t检验比较两组大腿肌肉DTI参数的差异性。

结果A组大腿肌肉FA值0.20~0.30，平均（0.24±0.03），明显低于B组[FA值0.22~0.38，平均（0.27±0.03）]，差异有统计学意义（t=5.164，P<0.01）；A组ADC值（1.52~1.97）×10-3mm2/s，平均（1.74±0.10）×10-3mm2/s，高于B组[ADC值（1.49~1.89）×10-3mm2/s，平均（1.70±0.09）×10-3mm2/s]，差异有统计学意义（t=2.060，P<0.05）。其中A组的FA值在股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌长头、半腱肌、半膜肌中小于B组，差异有统计学意义（P<0.05）；ADC值在股内侧肌、股中间肌及股二头肌长头大于B组，差异有统计学意义（P<0.05）；而大腿内侧群肌肉FA值及ADC值A、B两组差异无统计学意义（P>0.05）。

结论在常规MR成像无阳性发现的情况下，DTI技术能在微观分子水平早期无创地评估业余马拉松运动员静息状态下双侧大腿肌肉的细微改变，为马拉松运动引起的骨骼肌早期变化提供重要的影像证据。近年来，随着全国各地马拉松竞赛的开展，比赛带来的下肢骨骼肌损伤也越来越常见，其中腘绳肌损伤是长跑运动员最常见的损伤。临床诊断肌肉损伤通常是根据外伤史、体格检查及常规的影像检查。目前最常选用的影像检查方法是MRT2加权脂肪抑制（T2-weightedimagingwithfatsuppression，T2WI-FS）序列。表现为损伤肌肉局部信号增高以及周围软组织肿胀[1]，但不能发现肌组织轻微损伤和肌疲劳所引起的肌肉疾病。因此，需要一种非侵入性、客观和准确的定量方法来诊断肌肉的亚临床损伤。扩散张量成像（diffusiontensonimaging,DTI）技术能为疾病的早期诊治提供有效的信息。由于水分子扩散速度最快的方向与肌纤维主要的走行方向平行，因此DTI技术能够量化肌纤维束的各项异性，并利用这种各项异性重建组织的微观结构[4]。鉴于此，笔者通过比较静息状态下业余马拉松运动员及健康志愿者双侧大腿肌肉DTI定量参数的差异，旨在观测马拉松运动对大腿肌肉微观分子水平的影响。资料与方法一、研究对象招募符合纳入标准的业余马拉松运动员30名及健康志愿者20名。研究纳入标准：（1）业余马拉松运动员（A组）：跑龄3~5年；每周跑步不少于3次，每次跑步不少于10km；至少完成1次全程马拉松竞赛，每年至少完成2次半程马拉松竞赛；不以马拉松为职业。（2）健康志愿者（B组）：不经常跑步运动的正常人（每周运动时间小于150min）[5]。（3）无大腿创伤和外科手术史。（4）无已知的肌肉、肾脏、心血管或神经系统疾病、糖尿病及其他系统性疾病病史。（5）检测3d内无剧烈运动。（6）自愿参加本研究并签署书面知情同意书。排除标准：（1）有MR检查禁忌证；（2）图像质量不能满足要求。所有受试者均为男性；A组年龄28~53岁，平均（41±8）岁；B组年龄30~55岁，平均（40±8）岁。记录每位受试者的身高及体重，并计算体质量指数（bodymassindex,BMI）。本研究通过了本院伦理委员会批准。

二、MRI检查所有受试者均行双侧大腿轴面MR扫描。为保证受试者处于静息状态，检查前3d内避免剧烈运动且在扫描前休息30~40min。受试者放松仰卧，标准解剖体位，下肢长轴与主磁体长轴平行，足先进，中心线定于大腿中部。采用德国SiemensAvanto1.5T超导MR扫描仪，8通道PAMatrix线圈。扫描序列及参数：（1）双侧大腿横断面T1WI：FOV400.0mm×400.0mm，矩阵256×256，层厚1.6mm，层间距0.8mm，层数60层，体素1.6mm×1.6mm×1.6mm，TR2200.00ms，TE3.06ms，激励次数3次，采集时间2min49s；（2）双侧大腿横断面快速自旋回波序列（TSE）-T2WI：FOV400.0mm×400.0mm，矩阵256×256，层厚4.0mm，层间距0.8mm，层数40层，体素1.0mm×1.0mm×4.0mm，TR4000.00ms，TE83.00ms，激励次数2次，采集时间2min48s；（3）双侧大腿横断面平面回波成像（EPI）序列DTI：FOV400.0mm×400.0mm，矩阵128×128，层厚4.0mm，无间距扫描，层数60层，体素3.1mm×3.1mm×4.0mm，TR6800.00ms，TE60.00ms，激励次数2次，b值450s/mm2，12个方向，采集时间15min32s。图像采集通过T1WI获得双侧大腿肌肉的解剖图，DTI获得DWI、ADC图及各向异性分数（FA）灰度图、FA彩色编码图（图1,图2,图3,图4,图5,图6）。图1~6

男性，31岁，业余马拉松运动员。T1WI显示双侧大腿肌肉解剖结构（图1），T2WI示双侧大腿肌肉未见明显水肿信号（图2），扩散张量成像（DTI）获得DWI图（图3）、DTI-各向异性分数灰度图（图4）、DTI-各向异性分数彩色编码图（图5）、DTI-ADC图（图6）图7

T1WI显示ROI示意图，以左侧大腿中部层面（腹股沟中点至髌骨上缘中点连线的中点）肌肉为例，RF为股直肌，VL为股外侧肌，VM为股内侧肌，VI为股中间肌，AL为长收肌，AM为大收肌，BF-L为股二头肌长头，ST为半腱肌，SM为半膜肌三、图像后处理及分析在SiemensNeuro3DDTI后处理工作站上进行图像后处理。由2名具有3年以上经验的骨骼肌肉系统影像诊断医师对图像进行分析，于轴面T1WI与DTI融合图像上，自大腿中部层面（腹股沟中点至髌骨上缘中点连线的中点）及其上下两层按照肌肉轮廓勾勒大腿骨骼肌9块肌肉（股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股中间肌、大收肌、长收肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌）的ROI，测量所勾画每块大腿肌肉FA、ADC值，取3层的平均值作为每块肌肉的FA值及ADC值。在勾画ROI的过程中，为了避免图像边缘模糊并排除周边的脂肪区域，只需包含每块肌肉边缘2.0~3.0mm内的大部分肌肉，同时要注意避免可见的粗大血管影（图7）。肌肉的FA、ADC值，大腿前群4块肌肉用股四头肌表示，大腿后群3块肌肉用腘绳肌表示，大腿内侧群2块肌肉用内收肌群表示，大腿9块肌肉的平均值用全部观察肌肉表示。四、统计学分析应用统计软件SPSS23.0进行统计分析。采用组内相关系数（intraclasscorrelationcoefficient，ICC）评价2名医师测量FA、ADC值的一致性，0.75≤ICC≤1.00为一致性好，0.40≤ICC<0.75为一致性中等，ICC<0.40为一致性差。采用Kolmogorov-Sirmov单样本检验对测量数据进行正态性检验，数据均符合正态分布，以±s表示。利用独立样本t检验分析比较A组与B组DTI参数的差异性，P<0.05为差异有统计学意义。结果一、一般资料A组与B组年龄、身高、体重及BMI差异无统计学意义（表1）。

二、DTI参数的可重复性分析2名医师检测的FA、ADC值一致性良好，FA值ICC为0.860（95%CI为0.777~0.913）、ADC值ICC为0.780（95%CI为0.648~0.862）。三、两组间DTI参数比较所有受试者双侧大腿肌肉在常规T1WI及T2WI上未发现明显的肌肉萎缩、水肿及脂肪浸润。A组大腿整体肌肉FA值0.20~0.30，平均0.24±0.03，明显低于B组（FA值0.22~0.38，平均0.27±0.03），差异有统计学意义（t=5.164，P<0.01）；ADC值（1.52~1.97）×10-3mm2/s，平均（1.74±0.10）×10-3mm2/s，高于B组[ADC值（1.49~1.89）×10-3mm2/s，平均（1.70±0.09）×10-3mm2/s]，差异有统计学意义（t=2.060，P<0.05）。其中A组的FA值在股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股四头肌、股二头肌长头、半腱肌、半膜肌、腘绳肌小于B组，差异具有统计学意义；股中间肌、长收肌及大收肌FA值两组差异无统计学意义。A组ADC值在股内侧肌、股中间肌、股四头肌及股二头肌长头大于B组，差异具有统计学意义；在股直肌、股外侧肌、半腱肌、半膜肌、腘绳肌、长收肌、大收肌、内收肌群两组差异无统计学意义（表2）。讨论马拉松竞赛由于下肢骨骼肌反复收缩和松弛，可能造成骨骼肌的损伤，但损伤主要在骨骼肌细胞及肌纤维束水平，目前常规的影像方法无法检测到此水平的改变。DTI在骨骼肌系统方面的研究中存在很大潜力。DTI早期研究主要集中在量化健康志愿者小腿肌肉张量的扩散特征及实现小腿肌纤维束成像的可视化。随着研究的深入，DTI已成功应用于人体其他部位肌肉的研究，如大腿、前臂、膝关节周围以及更复杂的肌肉结构如盆底肌及肛提肌等。笔者利用DTI定量测定技术研究业余马拉松运动员大腿骨骼肌的微观改变。之所以选择双侧大腿肌肉，是因为在马拉松比赛后肌肉疼痛和肌肉僵硬最严重的部位是大腿前部。骨骼肌FA值与肌纤维直径、纤维结构完整性和纤维密度有关。提出随着年龄的增长，肌纤维直径的萎缩或缩短，可能与λ3降低有关，从而导致FA值相对增加。研究也得到了一致的结论。我们的研究发现，业余马拉松运动员大腿整体肌肉FA值小于不经常运动的健康志愿者。因此，我们推测引起FA值下降的原因可能是马拉松运动持续反复刺激骨骼肌纤维，导致肌纤维直径增粗。当肌纤维损伤、纤维结构完整性丧失时会导致各向异性丢失，FA值下降[19]；而这种情况在T2WI表现为片状高信号。本研究中所有被观察的肌组织T2WI上均未见明显异常信号。因此，我们认为本研究可以排除业余马拉松运动员肌肉肌纤维断裂的影响。有关体育运动前后对骨骼肌FA值变化趋势的研究结果并不一致。报道，右小腿负重外展运动后48h内可以观察到腓肠肌及比目鱼肌的FA值下降；报道，在离心收缩运动后2~5d腓肠肌FA值下降。还发现非酒精性脂肪性肝病患者在进行杂交训练后FA值下降。也发现在马拉松运动后大腿股二头肌FA值较运动前下降，并推测这种改变可能与骨骼肌细胞肿胀，以及间质水肿引起水分子扩散屏障受损有关。以上研究证明运动后骨骼肌FA值下降。然而，发现在持续1个月步行过程中，对股四头肌进行额外加压试验，结果显示步行运动后额外加压组股四头肌FA值上升，这说明FA值除了受运动的影响外，还受到体外压力的影响。本研究目的在于对比静息状态下业余马拉松运动员及健康志愿者大腿肌肉DTI特征值的差异。为了排除运动对骨骼肌FA值的影响，本研究中，要求业余马拉松运动员在进行MR扫描前3d内避免剧烈运动，因为有报道小腿肌肉在训练过程中受到强大的负荷时FA下降，并且这种改变会在训练后24~72h得到恢复。而关于马拉松运动前后骨骼肌DTI参数的改变本研究尚未涉及，有待进一步研究。ADC值可量化水分子扩散的能力，马拉松运动是个相似重复的动作，在此过程中肌纤维直径增粗、细胞外基质及肌纤维束走行的重塑，使细胞外间质空间增加，从而增加水分子扩散运动，使ADC值增加。这与本研究结果基本一致。然而，在研究运动员及非运动员优势小腿肌肉扩散张量特征时发现，运动员小腿肌肉ADC值低于非运动员。这与本研究结果相悖，分析原因可能在于他们纳入研究的运动员是网球运动员及剑道练习者，这两种运动都需要肌肉瞬时的爆发力，倾向于对肌肉施加阻力型力量，其中快-肌纤维占主要作用，长期反复的训练会导致骨骼肌细胞的肥大；而马拉松运动需要的是一种反复平稳的肌肉力量的输出，对于肌肉施加耐力型力量，其中慢-肌纤维起主导作用，骨骼肌细胞本身不容易肥大。因此不同的运动形式，对肌肉ADC值的影响可能也是不同的。本研究结果显示，业余马拉松运动员与健康志愿者相比，骨骼肌FA值降低主要发生在股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股四头肌及股二头肌长头、半腱肌、半膜肌、腘绳肌，ADC值升高主要发生在股内侧肌、股中间肌、股四头肌及股二头肌长头；DTI参数在大收肌、长收肌、内收肌群中两者差异无统计意义。跑步运动中，膝关节反复伸展与屈曲，相应的股四头肌（伸膝）及腘绳肌（屈膝）反复收缩及拉伸，对大腿背侧及腹侧施加长期的慢性、相对于短跑来说比较稳定、重复性负荷，从而促进快肌纤维向慢肌纤维转化[25]；而内收肌群在膝关节伸展与屈曲过程中参与较少。这种分布的改变可能与股