定量磁共振技術(shù)對(duì)腰椎間盤退變的研究進(jìn)展

劉博寧 張玫

山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院放射科，山東 泰安 271000

椎間盤退變（intervertebral disc degeneration，IVDD）是指由于年齡增長(zhǎng)、積累性損傷、免疫炎癥等原因造成椎間盤髓核以及纖維環(huán)脫水，椎間盤高度下降以及失去其正常的彈力和緩沖能力為主要表現(xiàn)的的一種綜合癥。隨著學(xué)習(xí)和工作方式的變化，久坐在一天活動(dòng)中的占比正在逐漸提高，非生理性的IVDD在老年人中愈加普遍并逐漸年輕化。MRI是評(píng)估IVDD的重要工具， Pfirrmann半定量分類是IVDD視覺分級(jí)應(yīng)用最廣泛的方法［1］。目前基于磁共振T2序列的椎IVDD Pfirrmann分級(jí)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)一致性較好［2］。傳統(tǒng)T2加權(quán)MR成像只能大致反映椎間盤脫水、膠原變性和形態(tài)學(xué)變化，不能定量檢測(cè)且無(wú)法檢測(cè)蛋白聚糖或糖胺聚糖的丟失［3］。定量磁共振技術(shù)是一種基于核磁共振的定量分析方法，可以通過測(cè)量特定核磁共振峰的積分強(qiáng)度，確定樣品中目標(biāo)物質(zhì)的含量。近年來(lái)，越來(lái)越多的定量磁共振技術(shù)應(yīng)用于椎間盤，如：彌散張量成像（diffusion tensor imaging， DTI）、擴(kuò)散峰度成像（diffusion kurtosis imaging， DKI）、T2-mapping、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的自旋-晶格弛豫時(shí)間（the spin-lattice relaxation time constant in the rotating frame， T1ρ）成像、磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）等。本文將對(duì)定量磁共振技術(shù)在IVDD應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 IVDD的病理改變

腰椎間盤位于2個(gè)椎體之間，由中央的髓核、周圍的纖維環(huán)和上、下軟骨終板3部分構(gòu)成。髓核作為椎間盤的核心，由較大脊索細(xì)胞和較小的軟骨細(xì)胞樣間充質(zhì)細(xì)胞的混合物組成［4］。纖維環(huán)由15 ～25層環(huán)繞髓核的膠原纖維組成，從外到內(nèi)纖維環(huán)蛋白多糖、水和II型膠原蛋白含量增加，而I型膠原蛋白含量降低［5］。軟骨終板是薄層的透明軟骨，充當(dāng)髓核和椎骨之間的機(jī)械屏障，也是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從鄰近血管轉(zhuǎn)運(yùn)到椎間盤的門戶［4］。髓核中細(xì)胞的減少被認(rèn)為是椎間盤變性的起始過程，髓核細(xì)胞數(shù)量的下降會(huì)導(dǎo)致髓核細(xì)胞外基質(zhì)合成與分解失衡［6］。細(xì)胞外基質(zhì)的減少會(huì)引起蛋白多糖、糖胺聚糖的減少和髓核水合作用的下降，進(jìn)而導(dǎo)致髓核滲透壓下降［7］。纖維環(huán)退變表現(xiàn)為分層增多和破裂增加。之后，炎癥因子開始參與并進(jìn)一步加速椎間盤的退變，椎間盤脫水并降低高度，髓核產(chǎn)生更致密的組織與終板通透性降低，導(dǎo)致代謝交換減少［4］。晚期，纖維環(huán)出現(xiàn)裂縫，中央髓核受到擠壓，椎間盤失去了其生物力學(xué)功能［8］。IVDD進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致髓核壓迫突出，引起一系列神經(jīng)壓迫癥狀。

2 DTI與DKI

DTI基于水分子在不同結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散方向和速度差異，在多方向上施加擴(kuò)散梯度，在三維立體空間定量分析水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)并通過測(cè)量各向異性（fractional anisotropy， FA）值、表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient， ADC）等來(lái)反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散能力。在纖維環(huán)中，層狀的膠原纖維結(jié)構(gòu)可以使水分子更容易在平行于膠原纖維的方向擴(kuò)散。纖維追蹤技術(shù)可以通過DTI數(shù)據(jù)來(lái)定量和定性的分析纖維環(huán)中纖維束的長(zhǎng)度、數(shù)量、傾斜角度等，并生成水分子擴(kuò)散路徑的三維圖像［9］。IVDD時(shí)，髓核膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，外周纖維環(huán)損傷，會(huì)使外周纖維環(huán)的纖維逐漸取代蛋白多糖，髓核和纖維環(huán)趨于融合［10］，并會(huì)使水分子擴(kuò)散方向各向異性增強(qiáng)，F(xiàn)A值升高。髓核水分子含量降低及膠原纖維結(jié)構(gòu)改變，引起水分子擴(kuò)散受限，ADC值降低［11］。個(gè)體間和各水平椎間盤之間物質(zhì)組成的不完全相同，因此在定量測(cè)量時(shí)統(tǒng)一IVDD的標(biāo)準(zhǔn)較為困難。在DTI掃描中，髓核和纖維環(huán)的各向FA值比率隨著退變逐漸下降，使用椎間盤健康評(píng)分量表可能有助于檢測(cè)椎間盤早期退行性變［12］。在無(wú)腰痛年輕人的椎間盤中，髓核不同位置的ADC值和FA值不同，在計(jì)算平均值后ADC值從髓核中央?yún)^(qū)到邊緣逐漸下降，而FA值在中央?yún)^(qū)較低并在向邊緣區(qū)域的過程中逐漸升高［13］。這可能與椎間盤髓核及纖維環(huán)的膠原纖維分布有關(guān)。所有脊柱水平的椎間盤的退行性變程度都與ADC值呈負(fù)相關(guān)，這種負(fù)相關(guān)關(guān)系在L5∕S1椎間盤尤為明顯［14］。表明ADC值可以用于評(píng)估IVDD。但Li等［15］的研究表明， DWI中假設(shè)的高斯擴(kuò)散條件可能嚴(yán)重低估了椎間盤微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在組織內(nèi)細(xì)胞膜、細(xì)胞器、細(xì)胞間隔結(jié)構(gòu)以及水分子理化性質(zhì)的差異和病變后組織不均質(zhì)度增加及微結(jié)構(gòu)改變均可導(dǎo)致水分子擴(kuò)散位移偏離高斯分布［16］。

DKI是DTI技術(shù)的延伸，可以反映組織內(nèi)非高斯分布的水分子擴(kuò)散成像，非高斯性的程度可以通過特有參數(shù)值量化，如平均擴(kuò)散峰度（mean kurtosis， MK）、平均擴(kuò)散系數(shù)（mean diffusivity， MD）等。相較于其他MRI擴(kuò)散成像技術(shù)，DKI可以敏感的反映椎間盤髓核內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和微觀結(jié)構(gòu)的真實(shí)變化［17］。DKI允許估計(jì)擴(kuò)散峰度張量（diffusion kurtosis tensor， DKT），它量化了水?dāng)U散的非高斯行為，并提供比DTI更準(zhǔn)確的牽引成像［18］。DKI提供的額外峰度信息可能有助于改進(jìn)基于DTI的纖維追蹤方法。Li等［19］使用DKI多參數(shù)評(píng)估髓核的微觀結(jié)構(gòu)變化，并使用DKT來(lái)顯示纖維環(huán)的整體性，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是否存在椎間盤突出，纖維環(huán)撕裂都是腰痛產(chǎn)生的關(guān)鍵特征。DKI纖維束造影可以直接顯示IVDD時(shí)纖維環(huán)的完整性或損傷，克服了DTI在評(píng)估多根交叉纖維區(qū)域的纖維完整性方面的局限性，可以評(píng)估患者背痛的原因并幫助做出治療決策。Li等［20］的研究在Pfirrmann分級(jí)基礎(chǔ)上提出了大鼠的五級(jí)退變分級(jí)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)與一級(jí)相比，二級(jí)IVDD的ADC值降低、FA和MK均升高，其中特異性最高的為FA分?jǐn)?shù)，敏感性最高的是MK。FA升高的結(jié)果與DTI的發(fā)現(xiàn)一致，MK的增加可能與椎間盤髓核的致密度增加和細(xì)胞外基質(zhì)下降有關(guān)。MK值與組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)，MK值越高，說(shuō)明擴(kuò)散受限越嚴(yán)重，組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜性越高；MD值與組織內(nèi)未結(jié)合水含量變化有關(guān)，值越高代表組織水分含量越多。隨著IVDD，髓核蛋白多糖合成的數(shù)量和質(zhì)量下降，膠原纖維的排列方式由有序向無(wú)序的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，MK值增加；髓核儲(chǔ)水能力受限，含水量逐漸減少，膠原纖維成分逐漸增加，椎間盤內(nèi)水分子擴(kuò)散受限加重MD值降低［21］。在對(duì)比磁共振T2-mapping序列與DKI序列后，發(fā)現(xiàn)DKI對(duì)早期腰椎間盤退變的定量檢測(cè)比T2-mapping更敏感［22］。DKI可以早期診斷IVDD，并對(duì)椎間盤的微小變化較為敏感，可能會(huì)有助于臨床治療療效評(píng)價(jià)并發(fā)現(xiàn)更多IVDD的影響因素。

總之，DTI與DKI可以反映出IVDD時(shí)髓核和纖維環(huán)內(nèi)水分子的擴(kuò)散，并在此基礎(chǔ)上通過纖維追蹤技術(shù)一定程度上重建纖維環(huán)的三維結(jié)構(gòu)，DKI作為DTI技術(shù)的延伸，擁有更多的彌散方向和B值，可以更好地顯示IVDD產(chǎn)生的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。但隨著IVDD程度的增加，水分子含量逐漸下降，可能會(huì)在一定程度上影響測(cè)量結(jié)果。

3 T2-mapping

T2-mapping是一種對(duì)空間大分子結(jié)構(gòu)以及基質(zhì)化合物與水分子遷移率之間的相互作用的超微結(jié)構(gòu)評(píng)估技術(shù)，也可用來(lái)評(píng)估椎間盤的含水量、蛋白多糖含量及膠原蛋白的完整性。T2-mapping可以將每個(gè)部位的水分含量、蛋白多糖含量和膠原蛋白序列數(shù)字化為弛豫時(shí)間（T2映射值）。T2弛豫時(shí)間值的減少與椎間盤內(nèi)水或蛋白多糖的減少有關(guān)，而且對(duì)膠原完整性敏感［23］。關(guān)于T2映射值與髓核退行性變化之間的相關(guān)性研究，證實(shí)了該序列評(píng)估椎間盤成分的敏感性和臨床可行性［24-27］。Pachowsky等［28］通過將T2-mapping掃描的椎間盤分為6個(gè)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在脊柱后凸成形術(shù)后鄰近椎間盤退行性變?cè)黾?。T2-mapping可用于研究椎體術(shù)后對(duì)椎間盤的影響，這種影響可能是長(zhǎng)期緩慢且不易從常規(guī)序列觀察到的。在對(duì)化學(xué)溶解治療的患者前纖維環(huán)、髓核和后纖維環(huán)的T2弛豫時(shí)間值進(jìn)行隨訪后，發(fā)現(xiàn)髓核的T2映射值和椎間盤面積的降低及殘疾指數(shù)的改善顯著相關(guān)［29］。T2-mapping成像可能是預(yù)測(cè)椎間盤收縮和化學(xué)溶解治療預(yù)后的指標(biāo)。Iriondo等［30］采用T1ρ和T2-mapping序列開發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)的圖像自動(dòng)分割調(diào)整和統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析方法，用于定量脊柱成像的自動(dòng)分析。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行進(jìn)一步的基于深度學(xué)習(xí)的病理生理學(xué)研究、臨床隊(duì)列選擇和治療監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)可以增加椎間盤的前部纖維環(huán)與髓核T2弛豫時(shí)間值［31-32］。T2弛豫時(shí)間值的增加表明椎間盤的水合作用更高，提示運(yùn)動(dòng)對(duì)于椎間盤變性的積極影響。對(duì)于早期IVDD（PfirrmannII ～ III級(jí)），T2-mapping較T1ρ具有高靈敏度，表明T2-mapping對(duì)于早期椎間盤退行性改變可能更準(zhǔn)確，但在檢測(cè)晚期IVDD（PfirrmannIV～ V級(jí)）、椎間盤膨出、椎間盤突出和環(huán)狀撕裂方面，T2-mapping和T1ρ的表現(xiàn)相似［23］，這表明T2-mapping在檢測(cè)早期IVDD方面可能優(yōu)于T1ρ， T2-mapping能夠檢測(cè)IVDD的早期和晚期變化以及監(jiān)測(cè)新興再生療法的治療效果。

4 T1ρ

T1ρ加權(quán)成像是定量磁共振新技術(shù)，可以將軟骨基質(zhì)內(nèi)的水分子分散數(shù)字化，以評(píng)估軟骨變性的程度［33］。來(lái)自T1ρ成像的T1ρ值對(duì)椎間盤內(nèi)蛋白多糖濃度的變化高度敏感，進(jìn)而可以對(duì)椎間盤變性進(jìn)行定量評(píng)估［34］。健康人群髓核的T1ρ值最高，且纖維環(huán)外層T1ρ值較低，在T2-mapping中也能觀察到同樣的結(jié)果［35］。相對(duì)于白天，夜間T1ρ弛豫時(shí)間顯著縮短，表明椎間盤中的蛋白多糖濃度更高［36］。人在載荷后腰椎間盤高度也會(huì)下降，腰椎間盤壓縮的程度與T1ρ值呈反比關(guān)系，T1ρ值隨著Pfirrmann的升高而減少［37］。但T1ρ值在Pfirrmann I級(jí)和Pfirrmann II級(jí)之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）［23］。這與陳江波等［38］在恒河猴上發(fā)現(xiàn)的Pfirrmann分級(jí)Ⅰ～Ⅳ級(jí)之間腰椎間盤髓核T1ρ值及T2mapping值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）不同。PfirrmannI級(jí)髓核的T1ρ弛豫時(shí)間顯著高于PfirrmannIII級(jí)、IV級(jí)和V級(jí)［23］， T1ρ弛豫時(shí)間對(duì)于椎間盤正常衰老產(chǎn)生的PfirrmannI、II級(jí)改變的敏感性有助于區(qū)分中老年人群的非生理性IVDD。Krug等［39］通過T1ρ成像掃描了37例腰痛患者和9例健康者的椎間盤，較高的椎體骨髓脂肪含量與較低的椎間盤T1ρ均值相關(guān)，且腰痛組和健康患者組都能觀察到這種相關(guān)關(guān)系?？赡苁且?yàn)閺脑煅撬璧街竟撬璧霓D(zhuǎn)化過程損害了椎間盤細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，加速了椎間盤的退變。治療方面，有研究使用手術(shù)導(dǎo)致IVDD的兔子模型，發(fā)現(xiàn)在注射透明質(zhì)酸水凝膠后8周T1ρ弛豫時(shí)間顯著增加［40］。一定程度上表明透明質(zhì)酸水凝膠具有促進(jìn)組織水合作用以進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)等方面的作用。且在中度退行性階段（T1ρ值為95 ～ 80 ms）可能是以再生為目標(biāo)的水凝膠注射的最佳時(shí)間［41］。然而，這些研究仍然存在一些局限性，如納入的研究人群有限、重度退變的椎間盤數(shù)量較少、隊(duì)列缺乏一致性等，尚待進(jìn)一步的研究。并且T1ρ的臨床應(yīng)用存在掃描時(shí)間過長(zhǎng)和多個(gè)長(zhǎng)自旋鎖定脈沖所需的高比吸收率的限制［3］。但T1ρ仍然在臨床IVDD的定量研究方面具有相當(dāng)大的潛力。磁共振指紋（MR fingerprinting， MRF）技術(shù)可以在一次采集中生成多個(gè)MR相關(guān)組織特性的圖譜，該技術(shù)已經(jīng)證明了在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行容積多參數(shù)成像的高掃描效率，在掃描身體不同部位具有高穩(wěn)健性，以及在模型和人體驗(yàn)證中的高準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。多參數(shù)映射技術(shù)（如MR指紋）可以顯著節(jié)省掃描時(shí)間。有研究使用3D-MRF技術(shù)同時(shí)測(cè)量健康受試者和IVDD者的T1、T2和T1ρ值，發(fā)現(xiàn)椎間盤的平均T1ρ與年齡的相關(guān)性最強(qiáng)，表明在老化過程中，用T1ρ測(cè)量得到IVD蛋白聚糖含量的下降相比用T1和T2測(cè)量的自由水含量的下降更明顯［42］。

IVDD時(shí)的T2弛豫時(shí)間與T1ρ弛豫時(shí)間密切相關(guān)?？赡芤馕吨鳷2和T1ρ弛豫時(shí)間從根本上相關(guān)，這可能是因?yàn)樗鼈兌寂c蛋白多糖和含水量有關(guān)。

5 MRS

MRS可以利用化學(xué)位移和自旋耦合現(xiàn)象對(duì)生化環(huán)境和代謝產(chǎn)物等進(jìn)行定量分析，波譜內(nèi)不同共振峰反映不同代謝物的濃度，通?？梢詼y(cè)量包括N-乙酰天門冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰氨、肌酸、膽堿等，顯示內(nèi)部組織的代謝變化。在IVDD的早期，細(xì)胞數(shù)量的下降引起髓核細(xì)胞外基質(zhì)合成與分解失衡，導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)數(shù)量下降［6］。 Toczylowska等［43］的研究也支持IVDD可能是正常椎間盤的合成代謝和分解代謝過程之間的不平衡所致。同一位患者的退變椎間盤與對(duì)照椎間盤的MRS測(cè)量結(jié)果中，變化最大的化合物是纈氨酸、鳥嘌呤∕黃嘌呤、3-羥基丁酸、α-酮異戊酸、甘氨酸、乙酸胍、肌醇、賴氨酸、丙氨酸和戊二酸，在脂質(zhì)中幾乎所有化合物都增加了［43］。其中鳥嘌呤∕黃嘌呤的含量可以間接的反映尿酸的濃度，用來(lái)估計(jì)氧化應(yīng)激對(duì)椎間盤退變的損傷［44］。飽和、單不飽和和多不飽和脂肪酸的升高可能提示產(chǎn)生了過多的炎癥因子，導(dǎo)致椎間盤受損［43］。與對(duì)照椎間盤相比，退行性椎間盤的乳酸水平降低至60%，在一定程度上支持了Wang等［45］提出的乳酸依賴性代謝共生的椎間盤代謝模型。Wu等［46］通過利用MRS分析代謝物、 DTI反映結(jié)構(gòu)完整性和水分子代謝等方式，建立了相應(yīng)的體外代謝組學(xué)和體內(nèi)組學(xué)成像模型，發(fā)現(xiàn)椎間盤變性后代謝途徑變化主要與碳水化合物利用（氨基糖和核苷酸糖代謝、磷酸戊糖途徑等）、抗氧化途徑（谷胱甘肽代謝、半胱氨酸和蛋氨酸代謝）及結(jié)構(gòu)蛋白合成和降解（Gly-Ser-Thr代謝）有關(guān)，且IVDD的前期主要涉及碳水化合物代謝途徑，包括磷酸戊糖途徑、糖酵解、糖異生等［46］。MRS足夠靈敏，可以根據(jù)代謝物研究區(qū)分對(duì)照椎間盤和病變椎間盤，并一定程度上觀察到氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)對(duì)IVDD的影響。

6 總結(jié)及展望

綜上所述，磁共振的DTI、DKI、T2-mapping、T1ρ及MRS定量技術(shù)都可以在一定程度上反映椎間盤退行性變不同方面的病理改變。磁共振定量技術(shù)可以在椎間盤的代謝、病理改變及結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)等方面發(fā)揮作用，能夠定量的反映椎間盤正常代謝和退變代謝的特點(diǎn)，在進(jìn)一步認(rèn)識(shí)椎間盤的生理結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮作用。短期治療對(duì)IVDD療效在T2加權(quán)成像的表現(xiàn)并不明顯，因而Pfirrmann分級(jí)不再適用，但磁共振定量技術(shù)可以顯示出椎間盤的微小改變，反映藥物的療效。雖然個(gè)體間椎間盤成分的差異使得制定IVDD定量標(biāo)準(zhǔn)較為困難，但相信隨著各種定量磁共振技術(shù)廣泛的應(yīng)用，可以結(jié)合各種磁共振技術(shù)進(jìn)一步提高對(duì)IVDD的認(rèn)識(shí)，在IVDD的程度方面具有更加細(xì)致的區(qū)分，以便更細(xì)致的指導(dǎo)臨床治療并準(zhǔn)確的把握療效。作為未來(lái)趨勢(shì)，人工智能和深度學(xué)習(xí)也有望提高M(jìn)RI的診斷價(jià)值［47］。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突