0 前言

       随着马拉松赛事的参与者增多，长跑造成的肌肉等软组织损伤的问题逐渐得到人们广泛关注。肌肉损伤是长跑运动员最常见的运动损伤之一，可导致疼痛、功能丧失，且复发率高^[1]。MRI是目前临床上检测肌肉损伤最常用的工具。常规MRI技术可发现肌纤维撕裂、出血等病变，但对疲劳所引起的肌肉轻微损伤或退变敏感性差^{[2, 3, 4]}。既往文献中通过T1ρ^{[5, 6]}、T2^* mapping^{[5,7, 8]}、扩散张量成像^{[9, 10, 11]}、体素内不相干运动^[12]等定量MRI技术对肌肉的病变进行早期评价，虽能取得较好的检测效果，但这些定量序列会增加额外的扫描时间，临床推广有明显的限制。集成磁共振成像（synthetic magnetic resonance imaging, SyMRI）技术是利用快速自旋回波读出的饱和恢复序列进行多延迟（multi-delay）、多回波（multi-echo）采集，量化弛豫时间和质子密度（proton density, PD）从而测量出相应组织的弛豫时间^[13-14]。SyMRI在一次扫描中可同时获得10种常规对比加权图像，如T1WI、T2WI、质子密度加权成像（proton density weighted imaging, PDWI）、液体衰减反转恢复、短时翻转恢复（short time inversion recovery, STIR）、双反转恢复和相位敏感反转恢复等序列。同时，还可以获得包括T1、T2、相应的弛豫率R1（1/T1）、R2（1/T2）以及PD值在内的5种绝对定量值的图谱^{[15, 16, 17]}。SyMRI与传统需要多个序列且时间较长的弛豫定量序列相比，扫描时间大大缩短，且扫描条件一致，标准统一，便于精准对比。在骨关节^{[18, 19]}、神经^{[20, 21, 22]}、乳腺^[23]和前列腺^{[24, 25]}等系统疾病的诊断研究中得到广泛应用。既往研究证实，SyMRI技术在肌肉结构及功能成像与常规定量序列具有很好的一致性^[26]；但目前该技术应用于肌肉损伤的研究鲜有报道。本研究拟通过对业余马拉松运动员马拉松赛前后膝关节周围肌肉定量信息的动态观察，旨在探究SyMRI是否为一个敏感的检测膝关节周围肌肉细微变化的工具，为未来肌肉损伤的影像定量诊断奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究为前瞻性研究，经中山大学附属第五医院伦理委员会批准，编号：[2020]伦字第（K56-1）号，受试者均已签署知情同意书。2020年10月至2021年1月间招募业余马拉松志愿者，所有研究对象均未参加过正规训练，且不以马拉松运动为职业。采用问卷调查表的方式收集受试者相关信息。

       纳入标准：（1）至少完成过1次正规马拉松；（2）长期规律跑步，每月跑步次数≥10次，每月跑步距离之和≥100 km；（3）首次检查前两个月未参加马拉松比赛或与其同等强度训练。排除标准：（1）未能完成三次扫描；（2）存在糖尿病、肌营养不良等累及肌肉系统的全身性疾病；（3）膝关节周围肌肉有创伤史、外科手术史；（4）存在MRI检查禁忌证。按以上标准共招募24名业余马拉松运动员。对所有纳入的业余马拉松运动员在马拉松赛前1周内进行第1次MRI扫描，在完成马拉松赛后48 h内进行第2次MRI扫描，在完成马拉松赛后1个月进行第3次MRI扫描。从志愿者参加马拉松赛后至第3次扫描期间，可进行常规训练，但不能参加马拉松、越野赛等活动。3次扫描均采集志愿者的双膝关节。

1.2 MRI扫描方法

       MRI检查使用美国GE Pioneer 3.0 T超导MRI扫描仪，膝关节专用8通道线圈。受试者取仰卧位，右膝自然伸直放置于膝关节线圈中，并用沙袋进行固定，以减少运动伪影。右膝关节扫描完成后，采用同样的方法对左膝关节扫描。（1）SyMRI采用多延迟多回波序列，参数：重复时间（repetition time, TR）自动设置，回波时间（echo time, TE）21.9、98.5 ms，回波链长度14，带宽25 kHz/Px，视野 150 mm×150 mm，分辨率0.5 mm×0.6 mm×3.0 mm，层厚3.0 mm，层间隔0 mm，扫描时间8 min 5 s。SyMRI序列扫描后获得常规对比加权图像T1WI、T2WI、PDWI、STIR等序列以及T1、T2、R1（1/T1）、R2（1/T2）、PD 5种定量图谱。（2）T1WI矢状位序列参数：TR 800.00 ms，TE 7.50 ms，翻转角111°，视野180 mm×180 mm，层厚3.5 mm，层间距0.4 mm，带宽62.5 kHz/Px。（3）脂肪抑制（proton density, FS）PD序列参数：自动TR 2200～2700 ms，TE 30.00 ms，翻转角111°，视野180 mm×180 mm，层厚3.5 mm，层间距0.4 mm，带宽41.67 kHz/Px。

1.3 图像分析

       （1）膝关节肌肉异常信号的检出：基于SyMRI序列的集成图像，评估马拉松赛后膝关节肌肉损伤情况（短期内无法自行恢复的信号改变，如水肿、出血、纤维撕裂等）。

       （2）马拉松比赛前后骨骼肌肉T1、T2及PD值变化的定量评估：由2名从事骨骼肌肉放射影像诊断3年以上的放射科医师，采用盲法分别对肌肉进行形态学评估及T1、T2及PD值测量，并对测得的数据进行一致性检验。使用ITK软件（ITK-SNAP, Version 3, 2007 Free Software Foundation, Inc.,http://fsf.org/），分别在对应层面集成图像的T1矢状面原始图上（图1），选取半膜肌、股二头肌、股外侧肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头及腓肠肌外侧头、腘肌、胫骨前肌各亚区肌肉最大面积层面及其前后2层图像，手动勾画感兴趣区（region of interest, ROI），得到相应区域肌肉的T1、T2及PD值，并计算各亚区的平均值。为了确保两个观察者勾画ROI选取层面一致，勾画前对观察者进行培训，同时记录所勾画层面。为了减少数据的测量误差，在勾画的过程中控制标准差。进行ROI选取时，为避免容积效应的影响，ROI距离肌肉边界至少间隔2～3 mm，同时尽量避开大血管及肌间脂肪，以减少测量误差。

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图1  感兴趣区勾画示意图。1A：半膜肌；1B：腓肠肌内侧头；1C：腓肠肌外侧头；1D：股二头肌；1E：股内侧肌；1F：股外侧肌；1G：腘肌；1H：胫骨前肌。
Fig. 1  Schematic diagram of the region of interest. 1A: Semimembranous; 1B: Medial head of gastrocnemius; 1C: Lateral head of gastrocnemius; 1D: Biceps femoris; 1E: Vastus medialis; 1F: Vastus lateralis; 1G: Popliteus; 1H: Tibialis anterior.

1.4 统计学分析

       采用SPSS软件（IBM SPSS Statistics for Windows, Version 25.0, Armonk, NY, USA）对数据进行分析。年龄、身高、体质量、体质量指数（body mass index, BMI）及T1、T2、PD值为计量资料，符合正态分布，以（x¯±s）表示。使用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）评价不同观察者测量T2值的一致性及可靠性。对其中一名高年资医生的测量数据进行统计学检验。采用重复测量方差分析（repeated-measures analysis of variance, RM-ANOVA）对实验组马拉松赛前、赛后48 h及赛后1月膝关节周围肌肉T1、T2、PD值进行比较。使用Tukey's检验对T1、T2、PD值进行组间多重比较。双侧检验，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 受试者一般资料

       24名业余马拉松志愿者中，男21名、女3名，年龄24～50（40±6）岁，BMI 19.03～26.67（22.64±1.84）kg/m²。参加马拉松运动时间1.00～7.00（3.00±1.34）年，参加马拉松1～33次，完成全程马拉松的时间179.00～290.00 min，完成半程马拉松的时间为97.00～135.00 min（表1）。所有业余马拉松运动员跑步后未出现明显膝关节周围肌肉疼痛、损伤症状。采用常规PD-FS、T1WI序列和SyMRI序列生成STIR、T1WI、T2WI、PDWI序列未见肌肉明显损伤、血肿（图2A～2F）。

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图2  男，34岁，参加全程马拉松1次的业余马拉松运动员腓肠肌内侧头常规及集成磁共振（SyMRI）图像。2A：常规T1WI序列；2B：常规质子密度（PD）加权压脂图；2C：SyMRI T2WI短时翻转恢复（STIR）序列；2D：SyMRI T1WI；2E：SyMRI T2WI；2F：SyMRI PD加权图像。与常规序列相比，SyMRI图像可清晰显示腓肠肌内侧头形态，肌肉有较高的信噪比。2G～2I为腓肠肌内侧头动态变化的T2值的伪彩图。2G：跑前1周T2值的伪彩图；2H：跑后48 h T2值的伪彩图；2I：跑后休息一个月T2 值的伪彩图。结果显示跑后48 h T2值增高，跑后1个月T2值减低。
Fig. 2  Male, 34 years old, participated in one amateur marathon to mobilize the medial head of gastrocnemius conventional and synthetic magnetic resonance imaging (SyMRI). 2A: Conventional T1WI sequence; 2B: Conventional proton density (PD) weighted fat suppression sequence; 2C: SyMRI T2WI short time inversion recovery (STIR) sequence; 2D: SyMRI T1WI; 2E: SyMRI T2WI; 2F: SyMRI PD weighted image. Compared with conventional sequences, SyMRI images can clearly show the shape of the medial head of the gastrocnemius muscle, and the muscle has a higher signal-to-noise ratio. 2G-2I are pseudo-color maps of T2 values of dynamic changes in the medial head of the gastrocnemius muscle. 2G: Pseudo-color map of T2 value one week before running; 2H: Pseudo-color map of T2 value 48 hours after running; 2I: Pseudo-color map of T2 value one month after running. The results show that T2 value increased 48 hours after running and decreased 1 month after running.

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表1  受试者基本信息
Tab. 1  Basic information of subjects

2.2 观察者间一致性检验结果

       2名观察者测量数据一致性良好，T1值、T2值和PD值的ICC为分别为0.801 [95%置信区间（confidence interval, CI）：0.774～0.824]、0.909（95% CI：0.893～0.922）和0.921（95% CI：0.911～0.930）。

2.3 SyMRI的T1、T2、PD值对马拉松赛前、赛后膝关节周围肌肉检测结果

       除胫骨前肌和股内侧肌外，膝关节周围肌肉组织的T1、T2、PD值在马拉松赛后48 h内有不同程度的升高，而赛后1个月数值减低（图2G～2I）。如表2所示，在所有肌肉组织中，T1值的变化差异无统计学意义（P＞0.05）。半膜肌、股二头肌、股外侧肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头及腓肠肌外侧头的T2值变化差异有统计学意义（P＜0.05），而腘肌、胫骨前肌的T2值的变化差异无统计学意义（P＞0.05）。股内侧肌的PD值在马拉松赛后48 h和1个月内持续下降，PD值的变化差异有统计学意义（P＜0.05）。其余部位的肌肉PD值的变化差异无统计学意义（P＞0.05）。

       对差异有统计学意义的T2值进行组间多重比较，半膜肌、股二头肌、腓肠肌内侧头及外侧头的T2值在赛前和赛后48 h之间的差异有统计学意义（P＜0.05）；股二头肌、股外侧肌的T2值在赛后48 h和赛后1月间的差异有统计学意义（P＜0.05）。多重比较显示，股内侧肌的PD值在赛前和赛后1个月之间的差异有统计学意义（P=0.011）（图3）。

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图3  膝关节各亚区肌肉T1、T2及质子密度（PD）值三个时间点的配对比较（n=48）。其中t0为赛前，t1为赛后48 h，t2为赛后1个月。方格中上方数据为2个时间点定量值的差值，下方数据为统计学结果的P值。
Fig. 3  T1, T2 and proton density (PD) values of muscles around the knee joint paired comparisons for three time points. Among them, t0 is before the race, t1 is 48 hours after the race, t2 is 1 month after the race. In the color box, the difference between the quantitative values measured at two-time points is above, and the P value of the statistical difference is at the bottom.

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表2  马拉松比赛前后膝关节周围肌肉T1、T2及PD值比较
Tab. 2  Comparison of T1, T2 and PD values of muscles around knee joint before and after marathon

3 讨论

       本研究首次利用SyMRI技术动态监测了马拉松比赛前后膝关节周围肌肉的动态变化，结果显示，SyMRI技术所获得的常规对比加权图像对膝关节周围肌肉解剖结构显示良好，所生成的定量序列在不同观察者间具有较好的一致性。同时发现比赛前后定量T2及PD序列对膝关节周围肌肉细微变化动态监测的价值。本研究发现SyMRI所生成的定量序列，不同观察者在膝关节周围肌肉的定量评估中，具有很好的一致性。本研究为未来肌肉相关疾病的监测提供了一个可行的工具。

3.1 SyMRI技术用于膝关节周围肌肉定量研究

       本研究采用的SyMRI技术，在8 min 5 s的时间里，获得了至少需要12 min才能完成扫描的常规膝关节MRI诊断序列，同时还为我们提供了多组定量信息。这与文献报道相符，此前研究已证实SyMRI技术在膝关节软骨、肌肉中的T1、T2和PD定量准确，同时生成的形态MRI图像具有与常规MRI图像相似的结构异常的发现率^[16]，且大大节省了扫描时间^{[15, 20, 26]}，这些为膝关节周围肌肉的定量研究提供可靠的基础。

       本研究发现膝关节周围大部分肌肉组织的T1、T2和PD值在马拉松赛后48 h内有不同程度地升高，赛后1个月这些定量值基本恢复到跑前水平。股二头肌、半膜肌、股外侧肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头及腓肠肌外侧头的T2值变化差异有统计学意义。这与张冉旭等^[7]的研究及结果相似，T2值随着运动后增高，休息后基本恢复跑前水平。运动后肌肉T2值的增加，原因可能是肌肉发生了微观水平的改变，包括细胞内外水含量的改变、炎性细胞的浸润及细胞外间隙的改变等^[7,12,27]，这些微观水平的变化，如果没有经过充足的休息时间恢复可能会导致肌肉的损伤，在田径运动员中股二头肌损伤的发生率约10%～15%^[28]。张冉旭等^[7]的研究仅发现在半膜肌及腓肠肌内、外侧头T2值变化差异有统计学意义，本研究中发现更多的肌肉有显著变化，可能的原因本研究纳入的志愿者大多数参加全程马拉松，跑步的距离更长。同时，也说明随着跑步距离的增加，肌肉微损伤的分布和耐受程度也存在显著差异^[29]，这有待于我们下一步研究。

       除T2值的变化外，本研究发现股内侧肌PD值的变化差异有统计学意义。首次探究了PD定量值对肌肉内细微变化监测的价值，PD序列主要通过游离水含量的变化来间接反映组织的病理状态^{[19, 30, 31]}。本研究结果显示马拉松赛后股内侧肌PD值降低，与常规的病理学分析不一致，可能需要大样本的数据进行验证。

3.2 本研究的局限性

       本研究存在以下局限性：第一，本研究的样本量相对偏小，需要增大样本量以提高试验结果的可重复性；第二，因图像采集未能全部包括膝关节周围全部肌肉，未对边缘肌肉如缝匠肌进行测量分析；第三，因参与本研究的均为业余马拉松运动员志愿者，无病理结果作为金标准；第四，未对参加马拉松赛后肌肉不同恢复时间点进行研究，是我们下一步研究的目标。

4 结论

       综上所述，SyMRI序列为业余马拉松运动员膝关节周围肌肉的细微变化的研究中提供了一项新的技术。在不增加扫描时间的情况下，获得形态及多组定量参数变化的信息，为膝关节周围肌肉细微变化的动态检测提供了一个较好的工具，为未来进一步肌肉运动损伤的定量影像学研究提供了基础。