《Journal of Medical Imaging and Radiation Sciences》：Exploring age-related changes in bone and muscle: Insights from radiomics and MRI
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年龄相关性改变、MRI放射组学、骨微结构、肌骨交互作用、早期筛查
Maryam Elikaei Moghadam|Elmira Yazdani|Mohammad Bagher Shiran|Shahrokh Abbasi-Rad|Hamidreza Saligheh Rad|Malakeh Malekzadeh
伊朗医科大学医学学院医学物理系，德黑兰，伊朗
摘要
背景
与年龄相关的肌肉和骨骼变化可能对肌肉骨骼健康产生不利影响。现有技术往往无法捕捉到骨骼微观结构和肌肉组织中细微的年龄相关变化。磁共振成像（MRI）是分析与年龄相关的骨骼退化的有效工具，而放射组学则通过提取复杂特征来有效捕捉肌肉组织中的细微变化。
目的
本研究探讨了小腿肌肉的放射组学特征与胫骨皮质骨自由水T1值之间的年龄关系。
材料与方法
本研究对34名年龄在30至62岁之间的健康志愿者进行了横断面MRI研究。在放射科专家的监督下手动分割了小腿肌肉，并使用LIFEx软件从前部、后部和侧面肌肉组中提取了108个放射组学特征。量化了皮质骨自由水T1值，作为皮质孔隙率和与年龄相关退化的替代指标。使用Spearman系数测试来分析皮质骨、放射组学特征和年龄之间的相关性。
结果
观察到腿部肌肉的放射组学特征与年龄和皮质骨自由水T1值之间存在显著相关性。特别是在基于纹理的特征中，这种相关性尤为明显，包括直方图、邻域灰度差异矩阵、灰度运行长度矩阵和灰度共生矩阵（r > 0.4，p < 0.01）。
结论
本研究表明，基于MRI的放射组学在捕捉健康成年人下肢皮质骨及周围肌肉群的年龄相关变化方面具有实用性。研究结果强调了放射组学在监测与衰老相关的早期肌肉骨骼变化方面的潜力，这对风险分层和预防性护理具有重要意义。
引言
老龄化人群面临诸多健康挑战，尤其是骨质疏松症和肌少症，其特征分别是骨骼和肌肉质量的逐渐下降[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。最近的研究强调了常见的化学和机械相互作用机制对与年龄相关的骨骼和肌肉衰退的影响[6]。
骨骼肌随着年龄的增长会经历显著的结构和功能衰退，变得体积更小、力量更弱、反应更慢[7]、[8]、[9]。平均而言，30岁以后每十年肌肉质量减少3-5%，到65-70岁时减少10-24%，80岁及以上时减少30-50%[2]、[10]、[11]、[12]。与肌肉变化同时发生的是，衰老还伴随着皮质骨孔隙率的增加和皮质厚度的减小，从而导致骨骼强度下降，骨折风险增加[13,14]。
下肢是评估骨骼孔隙率和肌肉特征的关键解剖区域。该区域的骨骼具有较厚的皮质和大量的肌肉组织，如比目鱼肌和腓肠肌，这些肌肉特别容易受到各种病理状况和与年龄相关变化的影响[1,3]。鉴于肌肉和骨骼组织之间的相互作用，研究小腿骨骼及其相邻肌肉群的特性可以为理解整个衰老过程中的肌肉和骨骼之间的复杂关系提供新的见解。然而，现有的研究大多分别单独研究骨骼和肌肉，限制了我们对它们综合衰老轨迹的理解。
在骨骼健康研究中，大多数研究集中在骨量上。传统上，骨骼健康评估依赖于双能X射线吸收测定法（DEXA）测量的骨密度（BMD）。然而，55岁以上的成年人中，相当一部分非椎体骨折发生在不符合仅基于BMD的骨质疏松症诊断标准的人群中[15]。这突显了在确定骨骼质量和强度时考虑BMD以外因素的重要性。皮质微结构，特别是孔隙率，在整体骨骼健康中起着关键作用，但由于缺乏临床可用的技术进行评估，因此尚未得到充分研究[16]。
由于磁共振成像（MRI）对组织微环境中的质子敏感，因此它是研究骨骼的理想工具[17]。皮质骨中的多孔介质充满液体，主要是水。因此，可以通过MRI测量的皮质骨自由水作为孔隙率的替代指标[18]。Akbari等人提出了一种临床可行的基于MRI的技术来测量皮质骨自由水的纵向松弛时间（T1），并展示了其预测骨骼与年龄相关退化的潜力[1]。此外，还表明可以通过皮质骨自由水松弛度测量来评估皮质骨的机械性能[19]。基于这些证据，本研究选择了MRI而非基于X射线的成像方式，以利用其提供更全面的骨骼微结构信息的能力。
相比之下，关于肌肉衰老的研究主要集中在II型肌肉纤维的影响上[20]，对I型肌肉纤维的变化研究相对较少。虽然传统的肌肉MRI能够提供关于肌肉大小、体积、脂肪浸润和水肿的宝贵信息[21,22]，但许多与年龄相关的肌肉结构变化即使在经验丰富的放射科医生看来也难以从获得的MR图像中检测出来。放射组学通过从医学图像中提取复杂的高维定量特征来解决这一挑战，这些特征是肉眼无法察觉的[23]。这些特征反映了组织的异质性和亚视觉特性。放射组学利用先进的数学建模从图像的不可见组织结构成分中提取定量测量值，从而减轻了图像解释的主观性[24,25]。
尽管人们对肌肉-骨骼相互作用的认识日益增加，但很少有研究在衰老背景下探讨肌肉放射组学特征与骨骼微结构之间的关系。为填补这一空白，我们对30至62岁的健康志愿者进行了横断面研究，将胫骨皮质骨自由水的定量MRI测量结果与从相邻小腿肌肉组中提取的放射组学特征相结合。这种方法旨在通过同时描述同一解剖区域内的肌肉和骨骼变化来增进我们对肌肉骨骼衰老的理解。
部分片段
参与者
本研究共招募了34名健康志愿者（15名男性和19名女性），年龄在30至62岁之间，他们在2008年至2019年间接受了MRI检查。选择这一年龄范围是为了捕捉早期和中年阶段的肌肉骨骼衰老过程，在此期间肌肉和皮质骨的微结构变化开始出现，但通常在临床上尚未显现。未包括62岁以上的参与者，以尽量减少与年龄相关的混淆因素
结果
基线时，观察到年龄与三个小腿肌肉区域的肌肉纹理参数之间存在显著关联。从前后部和侧面肌肉组中提取的108个放射组学特征中，分别有21个、14个和30个特征与年龄存在统计学上的显著相关性（Spearman’s r > 0.4，p < 0.05）。
图4显示了与年龄存在中度至强相关性（r > 0.5）的纹理特征。
讨论
放射组学在包括肿瘤学和神经学在内的多个医学领域展示了巨大潜力，因为它能够从医学图像中提取高维数据并揭示以前未被发现的模式[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。在肌肉骨骼成像中，整合放射组学特征有助于早期检测和监测与年龄相关的肌肉和骨骼组织变化。本研究强调了放射组学作为一种无创方法的价值
结论
本研究提供了关于放射组学分析在表征肌肉骨骼衰老方面的新见解。我们的结果表明，从T1加权MR图像中提取的放射组学特征能够敏感地检测到肌肉组织中的年龄相关变化，显著优于传统的成像技术，后者往往无法捕捉到这些细微的变化。值得注意的是，几个基于肌肉的放射组学特征与皮质骨自由水T1值显示出强相关性
数据可用性
出于伦理原因，本研究分析的数据集不对外公开。
致谢
作者衷心感谢Feraidoon Negahdar博士在本研究过程中提供的宝贵指导和深刻贡献。
