形态学特征

MyoPath 从常规 H&E 染色骨骼肌切片中提取 37 个独特的形态学特征，按五个生物学类别组织，并精炼为 七个临床可解释的病理指标。

参考文献

Zhong H*, Gao M*, Ma S, Zhang W, Chen N, Jiao K, Zhu B, Song J, Yan C, Yue D, Xi J, Zhu W, Zhao C#, Luo S#. MyoPath: A Deep Learning Pipeline for Objective Morphometric Assessment of Skeletal Muscle Biopsies. 投稿准备中。

七项病理指标

这七项特征对应肌肉活检评估中常规检查的五个病理轴：

病理轴	指标	临床意义
核位置异常	NCI（核中心化指数）	中央核肌病、DM1
纤维大小失调	Fiber CV（纤维变异系数）	肌营养不良和神经源性病变
纤维形态畸变	形状规则度	纤维分裂、角状萎缩
组织替代	脂肪浸润、纤维化	晚期肌营养不良、去神经损伤
细胞反应	核/肌纤维比、炎性浸润	再生、炎症

1. 核中心化指数 (NCI)

主要生物标志物。 量化肌纤维内细胞核的平均径向位置。

$${\rho }_k=min(\frac{d_k^{\text{boundary}}}{r_i^{\text{eq}}},1.0),\text{NCI}=\frac{1}{N_{\text{analyzed}}}\sum _{k=1}^{N_{\text{analyzed}}}{\rho }_k$$

其中 $d_k^{\text{boundary}}$ 为核中心到最近纤维边界的距离，$r_i^{\text{eq}}=\sqrt{a_i/\pi }$ 为等效圆半径。

NCI 范围	解释
< 0.03	正常（肌膜下核）
0.03 -- 0.10	轻度中心化
0.10 -- 0.20	中度中心化
> 0.20	重度中心化

临床证据：

• 区分肌病与对照：$p=1.3\times {10}^{-5}$，秩二列相关 $r=0.69$
• DM1 的 NCI 最高（中位数 0.121），与中央核病理一致
• 与 DM1 CTG 重复数相关：Spearman $\rho =0.46$，$p=0.042$
• GTEx 肌病谱系中显著剂量-反应趋势（Jonckheere-Terpstra $p<{10}^{-4}$）

核按径向位置分为三个区域：

区域	标准	指标
外周区	${\rho }_k\le 0.3$	peripheral_ratio（正常 ~ 1.0）
中间区	$0.3<{\rho }_k<0.7$	—
中央区	${\rho }_k\ge 0.7$	central_ratio（> 0.05 异常）

2. 纤维大小变异系数 (Fiber CV)

主要生物标志物。 肌纤维横截面积的变异系数。

$$\text{Fiber CV}=\frac{{\sigma }_a}{\overline{a}}$$

Fiber CV 范围	解释
< 0.25	正常
0.25 -- 0.40	轻度变异
0.40 -- 0.60	中度变异
> 0.60	重度变异

临床证据：

• 区分肌病与对照：$p=2.9\times {10}^{-4}$，$r=0.58$
• 与 DM1 握力负相关：$\rho =-0.61$，$p=0.031$
• 随 LGMD 突变严重度递增：2x 错义（0.44）→ LoF + 错义（0.49）→ 2x LoF（0.65）
• 无量纲，可在不同纤维口径的样本间直接比较

3. 纤维形状规则度

纤维横截面的平均圆度（形状因子）。

$${\text{Shape Factor}}_i=\frac{4\pi a_i}{p_i^2},\text{Mean Shape Factor}=\frac{1}{N_f}\sum _{i=1}^{N_f}{\text{Shape Factor}}_i$$

• 1.0 = 完美圆形
• < 0.6 = 不规则纤维形态（分裂、角状萎缩、慢性重塑）
• 正常范围 > 0.7

4. 脂肪浸润 (%)

ROI 中脂肪组织所占百分比。

$$\mathtt{\text{fat\_infiltration\_pct}}=\frac{A_{\text{fat}}}{A_{\text{ROI}}}\times 100\mathrm{\%}$$

• 正常范围： < 5%
• 肌营养不良或去神经损伤的晚期标志物
• 依赖 ROI 选取位置

WARNING

脂肪和纤维化替代是非特异性的晚期变化，也见于衰老、废用和肥胖。它们固有地依赖 ROI，因此不如 NCI 和 Fiber CV 稳健。

5. 纤维化 (%)

结缔组织占 ROI 面积的百分比，通过布尔减法计算。

$$A_{\text{connective}}=A_{\text{ROI}}-A_{\text{muscle}}-A_{\text{fat}}$$$$\mathtt{\text{fibrosis\_pct}}=\frac{A_{\text{connective}}}{A_{\text{ROI}}}\times 100\mathrm{\%}$$

• 正常范围： < 10%
• 反映内膜和束膜纤维化增生
• 依赖 ROI 选取位置

6. 核/肌纤维比

肌纤维内核数与纤维总数之比。

$$\mathtt{\text{nuclear\_muscle\_ratio}}=\frac{N_{\text{nuc}}^{\text{muscle}}}{N_f}$$

• 正常范围： 1 -- 3
• 升高提示核增殖、再生或卫星细胞活化
• 在华山队列中显著（$p=3.4\times {10}^{-5}$），但在 GTEx 消耗性疾病谱系中不显著

7. 炎性浸润

结缔组织区域的核密度。

$$\mathtt{\text{density}}=\frac{N_{\text{nuc}}^{\text{conn}}}{A_{\text{connective}}/{10}^6}({\text{nuclei/mm}}^2)$$

• 正常范围： < 2,000 nuclei/mm²
• 高值提示炎性细胞浸润或活跃的成纤维细胞增殖

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基础描述性特征

37 个特征包括上述 7 项病理指标和 30 个基础描述性特征。

组织成分（10 个特征）

特征	单位	描述
roi_area_um2	µm²	分析 ROI 总面积
muscle_fibers_count	计数	Cellpose-SAM 检测到的肌纤维数量
muscle_area_um2	µm²	所有检测到的肌纤维横截面积之和
muscle_area_pct	%	肌纤维占 ROI 面积比例。随萎缩、脂肪替代或纤维化而降低
fat_regions_count	计数	识别的离散脂肪区域数
fat_area_um2	µm²	脂肪组织总面积，排除与肌纤维注释的重叠
connective_area_um2	µm²	结缔组织面积（ROI 减去肌纤维减去脂肪）
connective_area_pct	%	结缔组织占 ROI 面积比例
nucleus_area_um2	µm²	所有检测到的细胞核总面积
nucleus_area_pct	%	核面积占 ROI 比例。细胞增多时升高

纤维大小（7 个特征）

特征	单位	描述
fiber_mean_area_um2	µm²	平均横截面积。萎缩时减小，肥大时增大
fiber_median_um2	µm²	中位纤维面积。对异常值不敏感
fiber_std_um2	µm²	纤维面积标准差
fiber_min_um2	µm²	最小检测纤维面积
fiber_max_um2	µm²	最大检测纤维面积
fiber_q1_um2	µm²	25 百分位。对群组性萎缩敏感
fiber_q3_um2	µm²	75 百分位

纤维形状（3 个特征）

特征	单位	描述
shape_factor_std	无量纲	纤维间圆度标准差
aspect_ratio_mean	无量纲	平均长宽比（1.0 = 圆形，> 2.0 = 细长）
aspect_ratio_std	无量纲	长宽比标准差

核分布（7 个特征）

特征	单位	描述
nuclei_total_count	计数	ROI 内检测到的总核数
nuclei_in_muscle	计数	中心落在肌纤维多边形内的核
nuclei_in_connective	计数	结缔组织区域中的核
nuclei_unassigned	计数	未分配到肌纤维或结缔组织的核
nuclei_per_fiber_mean	计数/纤维	每根肌纤维平均核数（健康：1--3）
nuclei_per_fiber_std	计数/纤维	每根纤维核数的标准差
nuclei_per_fiber_max	计数	单根纤维中的最大核数

核定位（3 个特征）

特征	单位	描述
peripheral_ratio	0--1	纤维半径外 30% 区域核的比例（健康 ~ 1.0）
central_ratio	0--1	纤维半径内 30% 区域核的比例（> 0.05 异常）
multinucleated_fiber_count	计数	含多于一个核的纤维数。再生肌肉和某些先天性肌病中升高

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MyoPath Score

MyoPath Score 是七项病理指标的 logistic 回归复合评分：

$$\text{MyoPath Score}=\frac{1}{1+e^{-z}}$$$$z=-9.17+27.11\times \text{NCI}+3.96\times \text{Fiber CV}+8.22\times \text{Shape}+0.017\times \text{Fat\%}+0.043\times \text{Fibrosis\%}+0.123\times \text{NMR}+0.000001\times \text{Inflammation}$$

性能：

• 训练集（GTEx）：AUC = 0.788（LOO-CV = 0.735）
• 外部验证（华山队列）：AUC = 0.873（无需重新训练）
• NCI 和 Fiber CV 的标准化回归系数最大（$\beta =0.57$ 和 $0.53$）

分割性能

组织层	方法	Dice	IoU
肌纤维	Cellpose-SAM	0.92 ± 0.03	0.85 ± 0.06
脂肪	像素分类器	0.95 ± 0.02	0.91 ± 0.03
细胞核	Watershed	0.87 ± 0.04	0.78 ± 0.06
结缔组织	布尔减法	0.88 ± 0.04	0.78 ± 0.06

所有七项病理指标的组内相关系数 (ICC) 均超过 0.88。