椎旁肌评价方法及其与腰椎疾病相关性的研究进展

Abstract

目的

对椎旁肌评价方法及其与腰椎疾病发生发展的关系进行综述，为进一步开展椎旁肌相关研究提供参考。

方法

广泛查阅国内外关于椎旁肌评价方法及椎旁肌在腰椎疾病中作用的相关文献，对常用的椎旁肌评价方法优点和局限性、椎旁肌与腰椎疾病的关系等方面进行总结。

结果

临床常用 CT、MRI 评估椎旁肌退变，检测指标包括椎旁肌横截面积及脂肪浸润程度。影像学测量方法可重复性好，但是 CT 存在辐射暴露缺点，MRI 花费较高。此外，椎旁肌功能也逐渐得到学者关注，主要评价方法有表面肌电信号分析以及腰背肌力量测试。表面肌电信号分析能够定量反映神经肌肉功能，但是测量结果影响因素较多；腰背肌力量测试简单，但缺乏标准化动作。研究表明椎旁肌退变与多种腰椎疾病相关，但不同研究结果之间存在差异。

结论

椎旁肌评价方法多样，但缺乏统一标准，椎旁肌退变对腰椎疾病的影响有待进一步研究。

椎旁肌是维持腰椎稳定的重要结构，主要分为前后两群，前群主要包括腰大肌、腰小肌和腰方肌，后群主要为多裂肌、竖脊肌、半棘肌、回旋肌和横突间肌，竖脊肌又包含髂肋肌、最长肌、棘肌。研究表明椎旁肌肌肉量减少、脂肪含量增加与多种腰椎疾病发生密切相关^[1-5]，椎旁肌退变在腰椎疾病的发生、发展中起重要作用。随着人口老龄化加剧，腰椎疾病患者逐渐增多。因此，准确评价椎旁肌退变程度及功能变化，对于腰椎疾病防治有着重要意义。临床常用影像学检查评估椎旁肌退变情况^[6-9]，主要表现为椎旁肌横截面积（cross-sectional area，CSA）减小、密度下降或脂肪浸润信号增加。有学者采用电生理检测、腰背肌肌力测量等方法^[10-11]对椎旁肌功能进行评估。现对椎旁肌评价方法及其与腰椎疾病的相关性研究进展进行综述，为进一步开展椎旁肌相关研究提供参考。

1. 椎旁肌评价方法

1.1. 影像学评价方法

1.1.1. 检测方法

目前椎旁肌退变程度主要采用影像学检查进行评价，包括 CT、MRI 及超声等技术。CT 能够提供肌肉 CSA、肌肉密度以及脂肪浸润程度等信息，可重复性好，观察者内及观察者间一致性良好^[12-13]，具有花费较低、检查时间短等优点^[14]，但是存在辐射暴露。MRI 也能提供肌肉 CSA 及脂肪浸润等信息，而且没有辐射暴露，软组织显示更清楚，测量可靠性更高^[12]，但是花费较高、检查时间长。超声测量肌肉量具有较好的可靠性^[15]，相较于 CT 或 MRI，花费较少、测量更方便，而且能动态观察肌肉变化，但是对于操作者技术要求较高。

此外，MR 光谱分析^[16]、多回波 MRI 等技术在椎旁肌相关研究中也有应用。Takashima 等^[17]通过 MR 光谱分析，发现慢性腰痛患者的多裂肌细胞内脂质明显高于正常人，这可能是慢性腰痛患者的一个特征^[16]。Fischer 等^[18]利用多回波 MRI 测量多裂肌脂肪含量，结果显示与 MR 光谱分析测量结果一致性高。这些技术对于椎旁肌相关研究有所帮助，但是由于技术要求高、花费时间长等原因，临床应用较少。

1.1.2. 检测指标

① CSA 是临床常用的评价椎旁肌退变的指标，CSA 减小提示椎旁肌萎缩。但是，椎旁肌 CSA 的测量受到多种因素影响。测量时需沿肌肉边缘确定感兴趣区域（region of interest，ROI），而不同 ROI 确定方法会导致测量结果存在差异。有研究者分析了两种不同方法确定 ROI 导致的测量差异，两种方法均沿肌肉表面筋膜确定 ROI，一种包含肌肉表面脂肪，一种不包含。结果显示相较于后者，前者测量的多裂肌和竖脊肌 CSA、竖脊肌脂肪浸润程度更高，但是两种 ROI 确定方法观察者间一致性均良好^[19]。

此外，CSA 的测量也受到测量平面的影响。有研究只测量 1 个椎体平面^[6-7]，有研究测量多个椎体平面^[1]，不同椎体平面测量的 CSA 也存在差异。Urrutia 等^[8]发现 L_4、5 和 L₅、S₁ 节段的竖脊肌 CSA 明显小于其他节段，而多裂肌各个节段的 CSA 都与其相邻节段明显不同，因此单一节段的椎旁肌 CSA 不能代表整个腰椎。

有研究通过肌肉三维重建发现椎旁肌肌肉量和身高相关，与体质量指数无相关性^[20]。为避免体型差异等带来的误差，部分研究^[9]采用椎旁肌 CSA 和同节段椎体面积比值作为测量参数。目前，CSA 可分为肌肉的总 CSA（total CSA，tCSA）和功能性 CSA（functional CSA，fCSA）。多数研究关注的是 tCSA，只有部分研究测量 fCSA^{[12, 21]}。Kader 等^[22]和 Parkkola 等^[23]发现在 tCSA 没有减小的情况下，椎旁肌会出现明显肌肉萎缩，萎缩的肌肉被脂肪和纤维组织替代。因此，在分析椎旁肌是否发生退变时，仅考虑椎旁肌 CSA 并不全面，还需考虑椎旁肌的脂肪浸润情况。

② 脂肪浸润是另一个常用的评价椎旁肌退变的指标。CT 通过密度值、MRI 通过信号强度来反映脂肪浸润程度。目前，MRI 在评估脂肪浸润程度中的应用越来越广泛，可采用视觉半定量评估和定量测量。Kader 等^[22]对多裂肌脂肪浸润程度进行分级，其中，0 级为正常、无明显脂肪浸润，1 级脂肪浸润面积<10%，2 级脂肪浸润面积为 10%～50%，3 级脂肪浸润面积>50%。Kjaer 等^[24]也提出了类似的视觉半定量评估方法。视觉半定量评估方法简单易行，但是存在一定偏差。近年来，有研究者应用化学位移 MRI 定量测定慢性腰痛患者多裂肌的脂肪浸润程度^[25]，也有研究者应用 MR 光谱分析对椎旁肌脂肪浸润程度进行定量分析^[26]，还有研究者采用椎旁肌 tCSA 与 fCSA 的差值与 tCSA 的比值作为脂肪浸润率^[9]。尽管测量方法多种多样，但核心都是脂肪 CSA 和 MRI 信号强度两个指标。

目前，MRI 在椎旁肌影像学评价中的应用逐渐增多，其优势在于软组织显像更清晰，并且能避免辐射暴露。从准确性及安全性角度考虑，MRI 更推荐用于椎旁肌退变的评价。此外，椎旁肌影像学评价参数众多，有待进一步验证各个参数的价值，如何选取合适的影像学参数进行椎旁肌评价也需要研究明确。

1.2. 功能评价方法

1.2.1. 表面肌电信号分析

除椎旁肌退变外，椎旁肌功能相关评价也十分重要。表面肌电信号对于肌肉疲劳和肌肉负荷的变化很敏感^[27]，通过将表面电极放置于被检测肌肉的皮肤表面，能够引导并获得被检测肌肉活动时的生物电信号。这些电信号能够反映肌肉的功能变化，可以有效评估神经肌肉功能^[10]。Lu 等^[10]在研究中使用均方根值表示肌电信号的强度和变化，使用中位频率反映肌肉疲劳。也有研究者^[28]使用平均振幅值和平均功率频率反映椎旁肌活动和疲劳程度。

表面肌电信号指标主要包括时域分析和频域分析^[29]。① 时域分析是将肌电信号看作时间函数，用来刻画时间序列信号的振幅特征，主要包括平均振幅值、积分肌电值、均方根值等。其中，平均振幅值反映肌电信号的强度及参与的运动单位数量；积分肌电值可以反映肌电信号随时间改变而产生的强弱变化，体现肌肉在单位时间内的收缩特性；均方根值反映表面肌电信号振幅随时间变化的特征。时域分析主要反映肌肉活动时运动单位激活的数量、每个运动单位的放电大小、参与活动的运动单位类型以及同步化程度。② 频域分析是通过对表面肌电信号做快速傅立叶变换，根据功率谱密度确定表面肌电中不同频段信号分布，在频率维度上反映表面肌电的变化情况，评价指标主要包括平均功率频率、中位频率，是临床常用的判断肌肉活动时疲劳程度的指标，其值大小与肌肉组织中快慢肌纤维的组成比例有关。除时域分析和频域分析外，还有幅频联合分析、小波分析等。通过以上指标，表面肌电信号检测能够定量反映神经肌肉功能，具有无创性等优点，但是电源干扰、电阻、采样时的姿势以及电极位移等因素会影响其测量结果^[30]。

1.2.2. 腰背肌力量测量

很多学者探索腰背肌力量的测量方法，以此反映腰背部肌肉功能。1964 年 Hansen^[31]提出了第 1 个腰背肌力量测量方法。试验共招募 168 名健康志愿者，志愿者取俯卧位，下半身固定在鞍马上，双臂交叉于胸前，上半身尽可能长时间保持水平，记录坚持时间。结果显示 64% 志愿者能够坚持超过 4 min，他提出以坚持 3 min 作为腰背肌力量训练的目标下限。但是受试者上半身体质量以及主观意志等因素会影响测试结果，因此该方法仅能粗略估计腰背肌力量。之后，Biering-Sørensen^[11]也提出了类似方法进行腰背肌耐力测试，他发现疼痛、固定位置不适会影响受试者测试结果。此外，由于需要特殊检查床，在一定程度上限制了该方法的应用。Ito 等^[32]提出了改良的腰背肌力量测量方法，患者取俯卧位，下肢伸直同时双臂置于躯干两侧，腹部垫一个枕头，尽量抬起胸部并保持颈椎最大程度屈曲，这样能够减少腰椎前凸角度以及对腰椎的负荷。这种改良方法在临床评估腰背肌力量方面得到了广泛应用^[33]。张昊聪等^[34]运用“小燕飞”动作，即患者在俯卧位下尽量向上向后抬起四肢，保证前胸及头部离开检查床，根据能否坚持 10 s 初步判断腰背肌力量。该方法简单，但是缺乏标准化动作，不够严谨。

等速肌力测试在肌肉力量研究和训练方面的价值逐渐得到认可。常用的评价指标包括最大峰力矩、相对峰力矩、总功、耐力水平等^[35]，通常采用低角速度下的峰力矩进行最大肌力测定，高角速度下的总功进行肌肉耐力测定^[36]。该方法精准度高、测量安全性较好，但是等速肌力测试仪器型号多样，测量数据之间无法横向比较；且价格较高，操作复杂，对于操作者要求高，目前多用于体育科研和训练^[37-38]。

2. 椎旁肌与腰椎疾病相关性

腰背痛是临床常见的患者就诊原因之一。Wan 等^[39]发现慢性腰背痛患者患侧多裂肌及竖脊肌 CSA 与健侧相比明显减小；Danneels 等^[40]通过比较慢性腰背痛患者和健康人群，发现前者 L₄ 水平多裂肌 CSA 明显较小。Ito 等^[32]发现与健康人群相比，慢性腰背痛患者椎旁肌肌力测试坚持时间明显缩短。椎旁肌萎缩可能和腰背痛发生相关，但是 Masaki 等^[41]通过多因素分析得出肌肉量、矢状位序列并不是其决定因素。此外，椎旁肌脂肪浸润与腰背痛的发生也存在一定相关性。Ogon 等^[16]发现慢性腰背痛患者的多裂肌细胞内脂肪含量较高。Ranger 等^[42]对椎旁肌与腰背痛关系进行综述，发现多裂肌 CSA 与腰背痛成负相关，但竖脊肌、腰大肌 CSA 与腰背痛的关系存在争议；而脂肪浸润和腰背痛是否相关也存在争议。

椎旁肌退变和多种腰椎退变性疾病相关。Sun 等^[1]通过分析 60 例 L_4、5 节段腰椎间盘突出症患者资料，发现上、下相邻节段的多裂肌萎缩以及椎间盘退变程度明显不同；和非特异性腰痛患者相比，腰椎间盘突出症患者多裂肌萎缩更明显。Shafaq 等^[2]发现在腰椎管狭窄合并退变性腰椎侧弯的患者中，凹侧多裂肌 CSA 与凸侧相比明显减小，多裂肌脂肪浸润率明显增加；而单纯腰椎管狭窄患者双侧多裂肌 CSA 和脂肪浸润无显著差异。Zotti 等^[3]的研究发现腰椎管狭窄症患者的多裂肌 CSA 减小、肌肉萎缩与预后改善较差有关，同时相比于 Kader 分级，多裂肌 CSA 对于预后的预测更可靠。Hyun 等^[4]回顾性分析了 44 例成人脊柱畸形患者临床资料，患者均经 2 年随访，发现出现近端交界性后凸患者术前胸腰段肌肉量较低、脂肪浸润较高。袁磊等^[9]在退变性腰椎侧凸患者的研究中也得出同样结论。Kalichman 等^[5]发现 L₄ 多裂肌密度的降低和同一水平腰椎滑脱相关。Lee 等^[43]发现退变性平背患者的畸形角度和术后恢复情况与椎旁伸肌萎缩和脂肪浸润程度相关。刘斌等^[44]发现与无椎体骨折的骨质疏松症患者相比，腰椎骨质疏松性骨折患者多裂肌和竖脊肌 CSA 明显较小，同时多发骨折骨质疏松症患者的脂肪浸润程度明显高于无椎体骨折的骨质疏松症患者。

椎旁肌和脊柱-骨盆矢状位参数之间的关系得到越来越多学者的关注。张昊聪等^[34]通过术前“小燕飞”动作能否坚持 10 s 来判断退变性脊柱侧弯患者腰背肌力量，并以此为依据将患者分为两组，术后随访发现腰背肌力量差的患者远期胸椎后凸角、矢状位垂直偏距、骨盆倾斜角和近端交界区后凸角等参数改变更明显。Jun 等^[45]通过分析 50 例老年患者影像学资料，发现椎旁肌脂肪浸润程度和胸椎后凸角、矢状位垂直偏距、骨盆倾斜角以及骨盆入射角与腰椎前凸角差值明显相关，脂肪浸润程度和腰椎前凸角成负相关。Yagi 等^[7]发现退变性腰椎侧凸患者的多裂肌平均 CSA 和脊柱矢状位序列明显相关。Hiyama 等^[46]通过分析 140 例腰椎管狭窄症或退变性脊柱前移患者资料，发现 L_4、5 腰大肌平均 CSA 和骨盆倾斜角成负相关。Banno 等^[47]的研究发现站立位躯干倾斜角和 L_4、5 多裂肌 CSA 明显相关，动态躯干倾斜角和 L_1、2 竖脊肌、L_4、5 多裂肌 CSA 明显相关。

目前，大多数研究关注的是术前椎旁肌参数和腰椎退变性疾病的关系，对于术后椎旁肌变化及其作用的研究较少。王雪鹏等^[48]的实验证明切除大鼠双侧竖脊肌后，局部椎体骨质量明显降低，提示椎旁肌损伤可能会引起椎体骨质疏松。Strube 等^[49]进行了一项随机对照研究，发现与术后 1 周相比，前路腰椎椎间融合与椎间盘置换术后 12 个月时，患者椎旁肌体积均轻度减小、脂肪含量轻度增加，同时融合组患者术后邻近节段肌肉萎缩与脂肪含量增加程度明显低于置换组患者；两组患者术后疼痛与功能评分明显改善，但是组间无显著性差异。该研究结果表明，融合术虽然限制相应节段的运动，但对椎旁肌以及临床症状没有显著的不利影响。李永忠等^[28]利用表面肌电信号分析发现退变性腰椎后凸患者术后短期内椎旁肌功能得到显著改善。Tandon 等^[50]发现开放性腰椎融合术后患者椎旁肌明显受损，多裂肌 CSA 减小，但是临床症状得到明显改善。

3. 总结与展望

椎旁肌对于维持脊柱稳定性十分重要，椎旁肌退变程度主要采用影像学检查进行判断，但是影像学检查手段多样，缺乏统一的影像学参数测量标准，造成不同研究结果很难进行比较。椎旁肌功能评价也逐渐得到学者重视，但缺乏简单并且可靠的评价手段。下一步研究需要探索椎旁肌影像学测量与功能学评估结果是否一致，建立并完善综合评价体系，明确正常人群椎旁肌影像学参数及功能学指标。椎旁肌退变与多种腰椎疾病有关，但不同研究结果之间存在差异，需进一步研究椎旁肌在腰椎疾病中的价值。建立合适统一的评价体系，明确椎旁肌在腰椎疾病中的作用，有助于腰椎疾病的诊治和预防，具有较大的研究前景和临床意义。

作者贡献：王伟负责文章构思及撰写；李危石和陈仲强对文章观点进行补充和完善，并提供修改意见。

利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。