1.5 T 磁共振 T2值定量測定在評價腰椎間盤退行性變中的價值研究

溫群 孟凡華 錢亭 魏春曉 劉軍 肖菁 林祥明

1.5 T 磁共振 T2值定量測定在評價腰椎間盤退行性變中的價值研究

溫群 孟凡華 錢亭 魏春曉 劉軍 肖菁 林祥明

目的 探討 MRI T2弛豫時間在腰椎間盤退行性變中的研究價值。方法 前瞻性納入2013年10月至2015年5月，因腰背部疼痛來我院就診的患者 50 例（248 個椎間盤），其中男 24 例，女 26 例，年齡18～78 歲，平均（42±15）歲。行腰椎 1.5 T MRI 檢查，常規(guī)矢狀位 T1WI 及 T2WI、橫斷位 T2WI，并行正中矢狀位 T2mapping 成像，根據(jù) Pfirrmann 標準將 248 個腰椎間盤分級，并測量髓核及纖維環(huán)前、后緣的 T2值。采用單因素方差分析分別比較各級髓核（nucleus pulposus，NP）和纖維環(huán)（annulus fibrosus，AF）前、后緣 T2弛豫時間差異有無統(tǒng)計學意義，并測量 T2值與年齡、分級的 Pearson 相關(guān)性，分級與年齡的 Pearson 相關(guān)性。結(jié)果 共計測量 248 個椎間盤，統(tǒng)計結(jié)果示：（1）腰椎間盤各分級 NP 的 T2值隨分級的增高而減小；（2）腰椎間盤各分級 AF 前緣 T2值隨分級的增高無明顯變化；（3）腰椎間盤各分級 AF 后緣隨 T2值分級的增高呈下降趨勢；（4）50 例腰痛患者年齡與腰椎間盤分級呈弱正相關(guān)，年齡與椎間盤 AF 前、后緣 T2值呈弱負相關(guān)，年齡與 NP T2值呈中度負相關(guān)。腰椎間盤 AF 前、后緣 T2值與各分級均呈弱負相關(guān)；腰椎間盤 NP T2值與各分級呈高度負相關(guān)。結(jié)論 腰椎間盤 T2值可以很好地體現(xiàn)其退行性變的程度，并可以進行量化分析，T2mapping 成像技術(shù)可以為診斷腰椎間盤早期退行性變提供影像學依據(jù)。

腰椎；椎間盤退行性變；磁共振成像；纖維環(huán)；髓核

腰椎間盤退行性變及其繼發(fā)性改變被認為是引起腰背痛的最重要的原因之一［1］。引起腰椎間盤退行性變的原因很多，包括遺傳、機械、外傷及營養(yǎng)等，其中最主要的原因是年齡，約有 20% 的青少年存在輕度的腰椎間盤退行性變，且退行性變隨年齡增大而增多［2］。椎間盤退行性變早期的表現(xiàn)是其生化成分的改變，包括蛋白聚糖的丟失、滲透壓的下降［3］，椎間盤退行性變晚期則表現(xiàn)為形態(tài)學的改變，包括椎間盤變扁、突出、膨出和纖維環(huán)撕裂等［4］。

臨床上評價腰椎間盤退行性變常用的方法包括X 線片、CT 以及 MRI 傳統(tǒng) T1WI、T2WI，但是一般只能發(fā)現(xiàn)中、晚期的椎間盤退行性變，對于發(fā)現(xiàn)早期椎間盤退行性變有局限性。而 T2mapping 成像通過非侵入性地測量椎間盤的 T2弛豫時間，定量分析腰椎間盤基質(zhì)成分的變化，可以發(fā)現(xiàn)腰椎間盤退行性變的早期生化改變。本研究前瞻性納入2013年10月至2015年5月，因腰背部疼痛來我院就診的患者50例，通過測量腰椎間盤的T2值，量化的分析腰椎間盤退變的生化改變，探討應用 T2mapping成像技術(shù)診斷腰椎間盤退行性變的可行性。

資料與方法

一、一般資料

本組 50 例，其中男 24 例，女 26 例，年齡18～78 歲，平均（42±15）歲。病例納入標準：出現(xiàn)腰痛癥狀或反復發(fā)作者；MRI 檢查能夠得到滿意的 T2mapping，并且能測得合理的 T2值。病例排除標準：下肢有神經(jīng)功能障礙者；有脊柱畸形、外傷、腫瘤及手術(shù)史；有 MRI 檢查禁忌證。所有參與本研究的患者，在 MRI 檢查前均已告知本檢查的目的及危險性，并簽署了知情同意書。

二、MRI 掃描方法及序列

受檢者取仰臥位，采用 GE Signa 1.5 T HD 磁共振儀行腰椎常規(guī)矢狀位 T1WI 及 T2WI、橫軸位T2WI 檢查及 T2mapping 矢狀位掃描。正中矢狀位T2mapping 采用多回波 SE 序列，成像參數(shù)：TR 1000 ms，TE 8.4～67.2 ms，視野 220 mm×220 mm，矩陣 256×256，采集帶寬 31.25，層厚 4 mm，掃描層數(shù) 10，掃描時間 5 分 10 秒。掃描后通過隨機軟件采用最小二乘法獲得 T2mapping 圖像（圖 1），并測量 L1～S1椎間盤 T2值。

三、腰椎間盤 Pfirrmann 分級評分

Pfirrmann 分級標準［5］主要是基于矢狀位 T2WI髓核信號的改變、髓核與纖維環(huán)的界限以及椎間隙高度的改變將椎間盤分為 5 級（表 1）。本研究由2 名影像診斷醫(yī)師獨立閱片，參照 Pfirrmann 標準對所有受試者 L1～S1椎間盤進行分級。2 名影像診斷醫(yī)師分別 2 次獨立閱片，每次間隔 3 周，如果出現(xiàn)分級不一致，最終需要 2 人同時閱片，討論后取得一致意見。

四、圖像后處理、感興趣區(qū)的設(shè)定和 T2值的測量

將掃描所得原始數(shù)據(jù)上傳到 GE ADW 4.4 后處理工作站，應用 Functool 軟件對原始圖像進行后處理，生成 T2mapping，在正中矢狀位 T2mapping 上由前向后將椎間盤 5 等分，選擇 5 個感興趣區(qū)（region of interest，ROI）：前部、前中部、中部、中后部、后部，分別測量每個 ROI 的 T2值，其中前部為纖維環(huán)（annulus fibrosus，AF）前緣，后部為 AF 后緣，取前中部、中部、后中部的平均值為髓核（nucleus pulposus，NP）（圖 2）。

五、統(tǒng)計學處理

分別測量各椎間盤 NP 和 AF 前、后緣 T2值，測量結(jié)果以± s 表示，所得數(shù)據(jù)采用 SPSS 18.0 軟件進行統(tǒng)計學分析。采用單因素方差分析分別比較不同分級間 NP 及 AF 前、后緣 T2值的差異，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。評價腰椎間盤 T2值與分級、年齡的相關(guān)性，分級與年齡的相關(guān)性。采用Pearson 及 Spearman 秩相關(guān)分析：r＞0.7 高度相關(guān)，0.5＜r≤0.7 中度相關(guān)，r≤0.5 弱相關(guān)，P＜0.01 為差異有統(tǒng)計學意義。

圖1　矢狀位 T2WI 及相應層面 T2mapping，根據(jù)Pfirrmann 分級標準，L1～2、L2～3、L3～4、L4～5椎間盤屬于II 級，L5～S1屬于 III 級Fig.1 T2-weighted sagittal fast spine echo image was compared with a color-coded T2mapping. Based on the Pfirrmann score， L1-2， L2-3， L3-4and L4-5were graded as Pfirrmann score II， L5- S1were graded as Pfirrmann score III

圖2　將椎間盤由前向后分為 5 等分，分別測量每個 ROI 的 T2值，其中前部為 AF 前緣，后部為纖維環(huán) AF 后緣，前中部、中部、中后部為 NPFig.2 Schematic illustration of region-of-interest（ROI）evaluation. Each region measures 20% of the midsagittal disc diameter. The most anterior and most posterior ROIs were interpreted as AF tissues，and the space between was interpreted as nucleus tissues

結(jié) 果

本研究對 50 例腰痛患者共 250 個腰椎間盤行T2mapping 成像，其中 248 個腰椎間盤獲得清晰、滿意的圖像，2 個因圖像不清晰排除。根據(jù) Pfirrmann分級標準將 248 個椎間盤分為 5 級：I 級 35 個，II 級 87 個，III 級 64 個，IV 級 48 個，V 級 14 個。248 個腰椎間盤 NP 的 T2值范圍 45.03～164.96 ms，AF 前緣的 T2值范圍 34.86～73.04 ms，AF 后緣的T2值范圍 37.14～104.26 ms，各分級腰椎間盤 NP 及AF 前、后緣 T2值見表 2。椎間盤 T2值從 AF 前緣到NP 呈上升趨勢，從 NP 到 AF 后緣呈下降趨勢，但這種趨勢在 I～III 級椎間盤明顯，IV、V 級椎間盤不明顯。

不同分級間腰椎間盤 NP、AF 前、后緣 T2值比較見圖 3：（1）腰椎間盤各分級 NP 的 T2值隨分級的增高而減小，各分級 T2值除 IV 級與 V 級間差異無統(tǒng)計學意義外，其余各級間差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；（2）腰椎間盤各分級 AF 前緣 T2值隨分級的增高無明顯變化，各分級 T2值除 I 級與 III 級、IV 級間差異有統(tǒng)計學意義外，其余各級間差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；（3）腰椎間盤各分級 AF 后緣隨T2值分級的增高呈下降趨勢，除 I 級與 II、III 級、II 級與 III 級、IV 級與 V 級間差異無統(tǒng)計學意義外，其余各級間差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表1　Pfirrmann椎間盤退變分級Tab.1 Classification of intervertebral disc degeneration as reported by Pfirrmann

表2　腰椎間盤各分級髓核與纖維環(huán) T2值（± s，ms）Tab.2 T2values for discs with different Pfirrmann grades（± s， ms）

表2　腰椎間盤各分級髓核與纖維環(huán) T2值（± s，ms）Tab.2 T2values for discs with different Pfirrmann grades（± s， ms）

分級　數(shù)量　NP T2弛豫時間 AF 前緣 T2弛豫時間 AF 后緣 T2弛豫時間I　 35　137.07±27.89　57.31±15.73　72.43±27.34 II　 87　104.25±23.92　47.50±12.64　75.72±28.54 III　 64　 91.03±25.64　44.83± 8.08　68.33±25.24 IV　 48　 57.34±11.56　45.02± 9.33　46.70± 8.15 V　 14　 52.62± 7.59　45.25±10.04　44.89± 7.75合計　248　 93.48±34.10　47.59±12.05　65.99±26.51

T2值、年齡、分級間相關(guān)性：50 例腰痛患者年齡與腰椎間盤分級呈弱正相關(guān)，r=0.495，P＜0.01（圖 4）；與 AF 前、后緣 T2值呈弱負相關(guān)，r 值分別為 -0.212、-0.373，P＜0.01；與 NP T2值呈中度負相關(guān)，r=-0.529，P＜0.01（圖 5）。椎間盤 AF前、后緣 T2值與各分級均呈弱負相關(guān)，r 值分別為-0.261、-0.387，P＜0.01；椎間盤 NP T2值與各分級呈高度負相關(guān)，r=-0.734，P＜0.01（圖 6）。

圖3　不同分級間 NP 和 AF 前、后緣 T2值分布Fig.3 NP and AF T2values in different Pfirrmann groups（different stages of degeneration）

圖4　腰痛患者年齡與腰椎間盤分級呈弱正相關(guān)（P ＜ 0.01）Fig.4 A weak positive correlation was shown between the Pfirrmann score and age（P ＜ 0.01）

討 論

腰背痛是危害人類健康的常見病和多發(fā)病。這種癥狀不僅造成患者身心的痛苦，也增加了患者的醫(yī)療負擔。大多數(shù)腰背痛的原因不完全清楚，一般認為，腰背痛可能與椎間盤、椎旁肌肉、椎間小關(guān)節(jié)、椎體和神經(jīng)根的疼痛有關(guān)，椎間盤退行性變及其繼發(fā)性改變被認為是最重要的原因之一［1］。

目前，臨床上用于評價腰椎間盤退行性變的方法很多，其中 Pfirrmann 分級作為公認的標準，得到了較為廣泛的應用，Pfirrmann 分級標準主要是基于矢狀位 T2WI NP 信號的改變、NP 與 AF 的界限以及椎間隙高度的改變將椎間盤分為 5 級，但是觀察者對信號描述受主觀因素影響較大，從而可能導致不同觀察者之間出現(xiàn)誤差，甚至同一觀察者在不同時間段對同一幅圖像的觀察也發(fā)生偏差。Pfirrmann 分級的另一個不足之處是其屬于非定量分級方法，因此存在一定的誤差。

圖5　腰痛患者年齡與 AF 前、后緣及 NP T2值相關(guān)性Fig.5 Relationship between age and T2value

圖6　椎間盤 AF 前、后緣及 NP T2值與各分級相關(guān)性（P ＜ 0.01）Fig.6 Relationship between grade and T2value（P ＜ 0.01）

T2mapping 成像技術(shù)是通過測量組織中每個體素的橫向磁化矢量衰減，從而反映組織的特性，對組織中水分子含量的變化較為敏感，能夠量化地反映關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)未發(fā)生明顯變化之前軟骨內(nèi)生化成分的變化［6］，從而評價關(guān)節(jié)軟骨的構(gòu)成，因此，其在關(guān)節(jié)軟骨方面的研究較多［7-10］。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)成功應用 T2mapping 技術(shù)對關(guān)節(jié)軟骨的損傷進行早期診斷。腰椎間盤的生化成分與關(guān)節(jié)軟骨類似，因此，T2mapping 技術(shù)也可用于評價腰椎間盤退行性變，而且 T2mapping 技術(shù)所獲得的 T2值是連續(xù)性定量變量，不受觀察者主觀因素的影響［11-12］。

腰椎間盤的含水量根據(jù)椎間盤的部位、年齡及負荷程度而不同，NP 內(nèi)含有具有親水性的大分子物質(zhì)糖胺聚糖，其導致了 NP 的水化，從而使椎間盤具有承重的特性［13-14］。因此椎間盤 NP 含水量較高，而 AF 的含水量低于 NP。腰椎間盤退行性變主要表現(xiàn)為纖維環(huán)出現(xiàn)不同程度的裂隙或破裂，NP 內(nèi)糖胺聚糖成分減少和進行性脫水，從而影響椎間盤的 T2值。Marinelli 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤 AF 和 NP 的T2弛豫時間與椎間盤內(nèi)含水量呈顯著相關(guān)，而與蛋白聚糖的含量有輕微關(guān)系。近年來，還有一些學者對腰椎間盤成分的晝夜變化進行研究，發(fā)現(xiàn)日?；顒右材苡绊懽甸g盤的 T2值［16-17］。

本研究通過測量人群中腰椎間盤的 T2值，量化地分析椎間盤退變的生化改變，探討應用 T2mapping成像技術(shù)診斷腰椎間盤退行性變的可行性。本研究收集的病例年齡跨越范圍較大，包括 18～78 歲腰痛患者的人群，因此既包含了椎間盤退行性變早期的病例，也包含了晚期病例。本研究提示腰椎間盤NP 的 T2值隨分級的增高呈下降趨勢，且椎間盤 NP T2值與各分級呈高度負相關(guān)，筆者分析可能是因為椎間盤內(nèi)糖胺聚糖和水分的減少、纖維環(huán)的破裂。因此腰椎間盤 T2值可以反映腰椎間盤退行性變的程度。一些學者認為椎間盤 NP 的 T2值隨分級的增高而降低，而且 I～IV 級間 T2值差異有顯著性，這與本研究結(jié)果相同［12，18］。葛涌錢等［19］用不同的方法選擇椎間盤 NP 的感興趣區(qū)，測量 L2～S1NP 的 T2值，也發(fā)現(xiàn)隨著椎間盤分級級別的提高，NP T2值逐漸減小，且除了 IV 級與 V 級間 T2值差異無統(tǒng)計學意義外，其余各級別間差異均有統(tǒng)計學意義，與本研究結(jié)果一致。Niinim?ki 等［20］認為 I、II 級椎間盤為正常椎間盤，牛剛等［21-22］認為 I 級椎間盤屬正常椎間盤，但 II 級涵蓋正常和早期退變的椎間盤。筆者認為只有 I 級為正常椎間盤，這與 Rajasekaran 等［23］的觀點相同。本研究中腰椎間盤各分級 NP 的 T2除 IV級與 V 級間差異無統(tǒng)計學意義外，余各級間差異均有統(tǒng)計學意義，因 IV 級與 V 級均屬于嚴重退行性變的腰椎間盤，因此，筆者認為測量腰椎間盤 NP 的T2值對評價其早期退行性變有意義。

本研究同時測量了 AF 前、后緣的 T2值，發(fā)現(xiàn)AF 前緣 T2值隨分級的增高無明顯變化，各分級 T2值除 I 級與 III 級、IV 級間差異有統(tǒng)計學意義外，其余各級間差異均無統(tǒng)計學意義。AF 后緣 T2值隨分級的增高呈下降趨勢，除 I 級與 II 級、III 級、II 級與 III 級、IV 級與 V 級間差異無統(tǒng)計學意義外，其余各級間差異均有統(tǒng)計學意義。進一步比較發(fā)現(xiàn)，I～IV 級的椎間盤，AF 后緣的 T2值均低于前緣的T2值，這與王建偉等［24］的研究結(jié)果相反，趙曉梅等［25］則認為不同分級椎間盤 AF 前、后部 T2值差異無統(tǒng)計學意義。分析導致 AF T2值各家差異較大的主要原因是對 AF 感興趣區(qū)的定義不同，且人為測量存在誤差，Stelzeneder 等［18］認為，椎間盤 AF 后部T2值隨分級增高而降低可能與 NP T2值降低有關(guān)，NP T2值降低導致 AF 后緣變扁、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此，筆者認為腰椎間盤 AF 的 T2值不易評價其退行性變。

本研究的不足之處在于缺乏金標準，發(fā)生退變的腰椎間盤沒有組織學結(jié)果，因而不能明確地評估腰椎間盤實際上的退變程度和筆者采用的退變分級系統(tǒng)之間的關(guān)系。另一個不足之處是缺乏其它可以和 T2mapping 比較的成像技術(shù)，如彌散加權(quán)成像、T2*mapping。

總之，NP T2值能夠較好地反映腰椎間盤分級間的差異，特別是對于 I～IV 級椎間盤，T2值能夠?qū)ζ溥M行定量且與退變等級相關(guān)，因此 T2mapping 成像技術(shù)對腰椎間盤退行性變的臨床早期診斷和治療后的隨訪療效觀察有重要的作用。

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（本文編輯：王萌）

Quantitative T2evaluation at 1.5 T in the evaluation of lumbar intervertebral disc degeneration

WEN Qun，MENG Fan-hua， QIAN Ting， WEI Chun-xiao， LIU Jun， XIAO Jing， LIN Xiang-ming. The fifth People's Hospital of Shanghai， Fudan University， Shanghai， 200240， PRC

LIU Jun， Email： lj7275@126.com

Objective To assess the value of MRI T2relaxation times to evaluate the lumbar intervertebral disc degeneration（IVDD）. Methods Fifty patients（24 males， 26 females， 248 discs）with the mean age of（42 ± 15）years（range： 18 - 78 years）with low back pain were prospectively enclosed between October 2013 and May 2015. All patients were examined by MRI at 1.5 T（sagittal T1WI， T2WI， axial T2WI， multi-echo spin echo for T2mapping）. All discs were classified on the basis of Pfirrmann grading system into 5 stages of disc degeneration. T2value of all nucleus pulposus（NP）， anterior and posterior annulus fibrosus（AF）were measured and their variances in different grades were analyzed with one-way ANOVA test. Correlations between T2value and age， grades， age and grades were analyzed with Pearson correlation test. Results （1）T2value of NP decreased while the IVDD grade increased；（2）T2value of anterior AF showed no obvious changes with the increasing of IVDD grade；（3）T2value of posterior AF decreased with the increasing of IVDD grade；（4）Linear regression analysis between T2value of NP and grades revealed significant negative verse correlation（P ＜ 0.01）. Conclusions T2value supports the feasibility of quantitatively assessing lumbar intervertebral disc degeneration. T2mapping provides image reference for the early diagnosis of disc degeneration.

Lumbar vertebrae； Intervertebral disc degeneration； Magnetic resonance imaging； Annulus fibrosus； Nucleus pulposus

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.08.006 中圖分類號：R681， R445

200240 上海，復旦大學附屬上海市第五人民醫(yī)院

劉軍，Email: lj7275@126.com

（2015-05-09）