磁共振T2弛豫時間和ADC評估腰椎間盤退變的對比研究

黃耀渠， 趙曉梅， 伍瓊慧， 秦紅衛(wèi)

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·骨骼肌肉影像學·

磁共振T2弛豫時間和ADC評估腰椎間盤退變的對比研究

黃耀渠， 趙曉梅， 伍瓊慧， 秦紅衛(wèi)

目的：探討MRI定量測量T2弛豫時間和表觀擴散系數(shù)(ADC)對腰椎間盤退變的診斷價值和臨床意義。方法：46例無癥狀青年志愿者行腰椎常規(guī)MRI、T2-mapping和DWI檢查。由兩位醫(yī)師分別對椎間盤進行Pfirrmann分級，并間隔一周2次測量髓核的T2值和ADC值。結果：同一觀察者或不同觀察者間測量的T2值和ADC值的一致性均較好(ICC=0.86～0.93，P<0.01)。髓核T2值及ADC值均與Pfirrmann分級呈負相關，但以T2值相關性更佳(rT2=-0.70，P<0.01；rADC=-0.60，P<0.01)。髓核T2值和ADC值在不同Pfirrmann分級之間的差異均有統(tǒng)計學意義(F=60.6和72.3，P<0.01)；各級間兩兩比較，T2值的差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。但ADC值在PfirrmannⅠ級與Ⅱ級間的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。T2值和ADC值鑒別Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅲ級與Ⅳ級椎間盤的ROC曲線下面積分別為0.86、0.92和0.80(P均<0.01)；0.69(P<0.01)、0.90(P<0.01)和0.74(P<0.05)。結論：T2值和ADC值均能定量評估腰椎間盤退變，二者相互結合能更全面地觀察椎間盤早期退變的特征。

椎間盤退變； 髓核； T2弛豫時間； 擴散加權成像； 磁共振成像

腰椎間盤退變是一種臨床常見且明顯影響患者勞動能力和生活質量的疾病。雖然病理學檢查是診斷椎間盤退變的“金標準”，但是在術前檢查和術后隨訪中常規(guī)進行椎間盤病理學檢查是不可能實現(xiàn)的，因此如何利用影像學手段量化評估椎間盤退變對臨床診斷、治療方案的制訂和預后評估有重要意義。近年來發(fā)展起來的一些MR新方法，如T1-mapping、T2-mapping、DWI等[1-8]，具有能定量診斷椎間盤退變和動態(tài)監(jiān)測、評估治療效果等優(yōu)勢，正越來越受到臨床的重視。T2-mapping和DWI是其中最為常用的兩種定量方法，已有研究證實它們在評估椎間盤退變方面的應用潛力[1-6]，但二者對椎間盤退變尤其是對早期退變的診斷價值尚有爭議[3,4]。本文通過比較2種方法在同一組受試者中的應用價臨床意義，為量化評估早期椎間盤退變提供參考。

材料與方法

1.臨床資料

根據(jù)以下納入和排除標準選擇無癥狀的青年志愿者入組研究。納入標準：①16～35歲；②無腰痛和/或下肢放射痛癥狀；③既往無腰椎外傷史、手術史。排除標準：①存在脊柱腫瘤、壓縮骨折、脊柱畸形或其他影響椎間盤觀察的疾?。虎谂曰颊吖?jié)育環(huán)偽影明顯干擾椎間盤者；③重體力勞動者。最后共有46例納入研究。其中男25例，女21例，年齡16～34歲，平均24.5±4.0歲。

2.MRI檢查

使用Siemens Avanto 1.5T超導型磁共振儀和脊柱相控陣線圈。為避免晝夜、負荷等因素對椎間盤測量值的影響[9]，檢查均在20:30～22:30時間段進行，掃描前避免劇烈運動并平躺30 min。受試者仰臥位，基本掃描參數(shù)：①常規(guī)矢狀面TSE T2WI：TR 3000 ms，TE 102 ms，視野28 cm×28 cm，層厚3 mm、間隔20%，并在椎體前設置飽和帶，掃描重復次數(shù)2次。②矢狀面T2-mapping：采用多回波SE序列，TR 1200 ms，TE13.8～69.0 ms，TI 13.8 ms，激勵次數(shù)3，視野、層厚及飽和帶設置同常規(guī)T2WI。③矢狀面DWI：采用平面回波序列，使用自動勻場和脂肪抑制技術，TR 2200 ms，TE 80 ms，激勵次數(shù)10，b值=0、400 s/mm2，視野、層厚及飽和帶設置同常規(guī)T2WI。

3.圖像分析和數(shù)據(jù)測量

以常規(guī)矢狀面T2WI圖像(圖1a)為主參照Pfirrmann分級系統(tǒng)對椎間盤進行分級，分級標準[10]：Ⅰ級，髓核呈均勻高信號，髓核與纖維環(huán)界限清晰，椎間隙正常；Ⅱ級，髓核呈不均勻高信號，髓核與纖維環(huán)界限清晰，椎間隙正常；Ⅲ級，髓核呈灰色，信號不均勻，髓核及纖維環(huán)界限不清晰，椎間隙正常或輕度狹窄；Ⅳ級，髓核呈不均勻的灰色或黑色，髓核與纖維環(huán)界限消失，椎間隙中度狹窄；Ⅴ級，髓核呈黑色，髓核與纖維環(huán)分界不清，椎間隙重度狹窄。由兩位具有10年以上診斷經(jīng)驗的MRI醫(yī)師獨立完成，分級結果不一致者通過商議后確定，仍不能統(tǒng)一者予以剔除。

在Syngo工作站進行圖像后處理，獲得腰椎正中矢狀面T2加權偽彩圖(圖1b)。以髓核中部為中心設置面積80～100 mm2的橢圓形感興趣區(qū)(圖1c)，測量髓核的T2值(即T2弛豫時間)。在Syngo工作站進行圖像后處理，重建出正中矢狀面ADC圖(圖1d)，以髓核中部為中心設置橢圓形ROI(面積80～100 mm2)測量ADC值(圖1e)。T2和ADC值的測量由同一位高年資MRI醫(yī)師完成，每一椎間盤測量3次取其平均值。

隨機選擇15例受試者，由2位具有10年以上診斷經(jīng)驗的MRI醫(yī)師(觀察者A、觀察者B)分別獨立測量相應75個腰椎間盤髓核的T2值和ADC值，每一椎間盤分別測量3次取其平均值。間隔1周后，2位醫(yī)師用相同方法進行重復測量并記錄數(shù)據(jù)。

4.統(tǒng)計學分析

采用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計學分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。①對于同一觀察者不同時間及不同觀察者的測量值，運用組內相關系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)評估結果的可重復性，ICC<0.4提示重復性差，0.4≤ICC≤0.75提示重復性較好，ICC>0.75提示有非常好的重復性。②采用Spearman相關分析評價椎間盤T2值、ADC值與Pfirrmann分級的相關性，計算相關系數(shù)r值，其中r≥0.7為高度相關，0.5≤r<0.7為中度相關，r<0.5為弱相關。③采用單因素方差分析比較不同Pfirrmann分級之間椎間盤髓核的T2值和ADC值的差異，對方差分析有統(tǒng)計學意義者進一步利用LSD法進行組間兩兩比較。④利用受試者工作特征(receiver operator characteristic，ROC)曲線分析T2值和ADC值鑒別相鄰兩個Pfirrmann分級椎間盤的價值，并計算其曲線下面積(area under curve，AUC)，AUC≥0.9為診斷準確性高，0.7≤AUC<0.9為診斷準確性中度，AUC<0.7為診斷準確性低。

結　果

230個腰椎間盤中20個Pfirrmann分級結果不一致者及6個存在明顯偽影無法測量者予以剔除，最后共有204個納入分析，包括Ⅰ級23個，Ⅱ級141個，Ⅲ級29個，Ⅳ級11個，本組無Ⅴ級椎間盤。T2和ADC偽彩圖采用深淺色階直觀顯示T2值和ADC值(自藍色至紅色代表數(shù)值由低到高)，隨著Pfirrmann分級的增高，相應髓核紅色區(qū)(數(shù)值高)減少，而藍色區(qū)(數(shù)值低)增多(圖1b、d)。

同一觀察者2次觀察結果及不同觀察者間腰椎間盤T2值和ADC值測量結果一致性分析結果見表1，各次測量間的ICC均大于0.75(0.86～0.93，P均<0.01)，提示可重復性好。

表1　同一觀察者2次測量及不同觀察者間T2和ADC值的ICC

注：A1、A2分別指觀察者A的第一次和第二次測量值，B1、B2為觀察者B的第一次和第二次測量值。

不同Pfirrmann分級椎間盤的髓核T2值見表2。髓核的T2值隨分級的增高而減低，Spearman相關分析顯示二者呈高度負相關且有統(tǒng)計學意義(r=-0.70，P<0.01)。不同Pfirrmann分級間髓核T2值的差異具有統(tǒng)計學意義(F=60.6，P<0.01)；LSD法兩兩比較，Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅰ級與Ⅲ級、Ⅰ級與Ⅳ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅱ級與Ⅳ級間的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.01)； Ⅲ級與Ⅳ級間的差異也有統(tǒng)計學意義(P=0.03)。T2值鑒別Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅲ級與Ⅳ級椎間盤的ROC曲線(圖2～4)下面積分別為0.86、0.92和0.80(P<0.01)。

不同Pfirrmann分級的髓核ADC值見表2。髓核的ADC值也存在隨分級增高而減低趨勢，Spearman相關分析顯示二者呈中度負相關且有統(tǒng)計學意義(r=-0.60，P<0.01)。不同Pfirrmann分級間髓核ADC值的差異具有統(tǒng)計學意義(F=72.3，P<0.01)。兩兩比較結果顯示，Ⅰ級與Ⅱ級間差異無統(tǒng)計學意義(P=0.06)，其余各級間兩兩比較，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。ADC值鑒別Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅲ級與Ⅳ級椎間盤的ROC曲線(圖2～4)下面積分別為0.69(P<0.01)、0.90(P<0.01)和0.74(P=0.02)。

表2　不同分級腰椎間盤髓核的T2值和ADC值測量結果

討　論

1.T2值評估椎間盤退變的可行性

在本組中，PfirrmannⅠ～Ⅳ級椎間盤的髓核平均T2值分別為138.8、111.0、74.6及57.9 ms，與Marinelli等[5]的研究結果基本一致，他們測量了一組Ⅱ級～Ⅳ級椎間盤，髓核的平均T2值分別為108、69和54 ms；而Niu等[4]的研究中Ⅰ級和Ⅱ級椎間盤的T2值分別為166和128 ms，略高于本研究，可能的原因是Niu等的研究中采用的是雙回波序列而本研究中使用的是多回波序列。研究表明T2值變化主要受到水含量的影響[11]，當椎間盤退變時，髓核的含水量減少，導致其T2值減低，因此T2值與退變程度呈明顯負相關。本研究中進一步分析顯示，Ⅰ～Ⅳ級椎間盤的髓核T2值存在明顯的統(tǒng)計學差異，表明測量T2值可以評估椎間盤的退變程度[1,4,5]。

2.ADC值評估椎間盤退變的可行性

椎間盤髓核是無血管但富含水分的組織，成人髓核的營養(yǎng)物質依靠水分子擴散來供應[12]，因此擴散能力下降被認為是椎間盤退變的早期標志。DWI通過測量ADC值量化反映髓核內水分子擴散及相應微環(huán)境的變化，可以評價椎間盤的退變情況[9]。本組研究結果與既往的研究結果相似[1,3,4,6]，即隨著退變的出現(xiàn)和進展，髓核的ADC值也呈下降趨勢，相關性分析進一步顯示ADC值與椎間盤退變的程度呈中度負相關，也進一步證實了ADC值定量評估椎間盤退變的可行性。

3.T2值和ADC值評估早期椎間盤變化的價值比較及臨床意義

健康人群在青少年時期即開始出現(xiàn)椎間盤退變，如果進行早期治療是有可能延緩甚至逆轉椎間盤的退變進程[13]。但早期椎間盤退變常無明顯的癥狀，因此如何借助影像學手段進行診斷是臨床所關心的問題。本研究中選擇無癥狀青年人群來探討T2值和ADC值在監(jiān)測椎間盤退變自然病程中的價值和臨床意義，研究結果顯示，T2值與Pfirrmann分級的負相關程度更為明顯，并且能很好地區(qū)分Ⅰ級、Ⅱ級及Ⅲ級椎間盤，而ADC值則不能有效鑒別Ⅰ級和Ⅱ級椎間盤，其ROC曲線下面積亦低于T2值，提示T2值的診斷效能更佳，對監(jiān)測椎間盤早期變化(如椎間盤從Ⅰ級向Ⅱ級演變)可能更為敏感。從成像機制上看，ADC值反映的是椎間盤內自由水的微觀彌散程度差異，雖然與信號變化相關但并非一致[7]；而T2值主要反映的是髓核內水含量的差異[11]，是T2WI信號的量化表現(xiàn)，因此能更好的區(qū)分不同Pfirrmann分級的椎間盤組織(Pfirrmann分級以T2WI信號變化為主要分級依據(jù))。我們的上述研究結果與Niu等[4]的研究結果基本一致。Takashima等[2]的研究也證實了T2值在區(qū)分PfirrmannⅠ～Ⅲ級椎間盤中的價值，其ROC曲線下面積超過0.8，與本組的ROC曲線分析結果一致，提示T2值在鑒別正常與早期退變時有中等偏高的價值。

Zhou等[8]的組織學研究顯示，Pfirrmann Ⅱ級椎間盤的成分變化較為輕微，而發(fā)展至Ⅲ級時則出現(xiàn)明顯的營養(yǎng)物質供應減少，化學成分較Ⅱ級出現(xiàn)明顯的變化。本組不同Pfirrmann分級椎間盤的T2值和ADC值演變規(guī)律很好地反映了上述組織學變化情況。本組椎間盤的自然演變過程中，出現(xiàn)Ⅰ級和Ⅱ級椎間盤的T2值和ADC值不匹配現(xiàn)象，提示了椎間盤在該時期雖然存在水含量的輕度變化，但其擴散能力仍屬正常范圍，髓核獲得營養(yǎng)的途徑未受到損害，可能是一種過渡期的改變，也很好地解釋了為何成年人中大部分椎間盤在MRI上表現(xiàn)為Pfirrmann Ⅱ級但無明顯的臨床癥狀，也無明顯的椎間盤膨出及突出等繼發(fā)異常，也提示了Ⅱ級椎間盤可能是一種生理性改變。但當椎間盤演變至Pfirrmann Ⅲ級時，本組T2值和ADC值均顯示了測量值的急劇下降，提示椎間盤進入了退變的進展期，ROC曲線顯示2種測量值的曲線下面積相似，提示二者診斷進展期椎間盤的價值較為相近，也說明進展期椎間盤的含水量下降和擴散受限是較為同步發(fā)展。從椎間盤退變的上述規(guī)律可見，椎間盤退變是一個連續(xù)性的過程，但不是勻速的，因此通過影像學手段無創(chuàng)性觀察其變化情況對臨床治療前評估和治療后監(jiān)測有重要的指導意義。Pfirrmann分級等半定量的方法存在數(shù)據(jù)不連續(xù)、受主觀影響較大等缺點，尚無法滿足臨床精準診斷的要求。本組研究顯示，磁共振T2弛豫時間和表觀擴散系數(shù)測量值的可重復性好，具有較高的信度，通過連續(xù)定量測量有望量化監(jiān)測椎間盤化學成分的變化情況，其臨床應用潛力是可以預見的。更重要的是，由于T2值和ADC值從不同的側面反映了椎間盤退變的退變機制，相互結合可以從不同的角度全面評估和監(jiān)測椎間盤退變過程和規(guī)律特征，尤其是對于探討椎間盤退變的可逆轉期和閾值有重要的啟發(fā)價值。雖然目前的技術條件下，T2值和ADC值的精準性尚有待提高，但隨著技術的發(fā)展，這些技術必將在椎間盤早期病變的監(jiān)測和治療中發(fā)揮更重要的作用。

4.研究的局限性

本研究的局限性在于：①以Pfirrmann分級為參照標準。Pfirrmann分級為半定量分類標準，雖然可靠性較高[10]，但仍是一種非客觀性的評估指標，并且其精準度也有欠缺，因此要比較T2值及ADC值與髓核早期退變的更精確關系，還有待與組織學"金標準"的進一步對照研究。②本組為無癥狀志愿者的研究，其中部分Pfirrmann分級椎間盤的樣本量相對較小，可能存在一定的選擇偏倚，需要今后搜集更大樣本量和更多類型的受試者進一步深入研究。

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Comparative study of MR T2relaxation time and apparent diffusion coefficient for assessing lumbar intervertebral disc degeneration

HUANG Yao-qu,ZHAO Xiao-mei,WU Qiong-hui,et al.Room of MRI,Foshan Hospital of Traditional Chinese Medicine,Guangdong 528000,China

Objective:To study the value and clinical significance of MR quantitative measurement of T2relaxation time and apparent diffusion coefficient (ADC) in detecting intervertebral disc degeneration.Methods:Forty-six asymptoma-tic young volunteers underwent conventional MRI,T2-mapping and diffusion weighted imaging (DWI) examination.MRI data of all subjects were evaluated by two experienced radiologists,Pfirrmann grading system was used to evaluate the degree of degeneration (Ⅰ～Ⅳ) of intervertebral disc,and T2and ADC values of nucleus pulposus were measured twice with time interval of one week.Results:The inter- and intra-observer agreement for T2and ADC values was good to excellent (ICC was 0.86 to 0.93,P<0.01).Significant negative correlation was observed between Pfirrmann grade and T2value (r=-0.70,P<0.01),as well as ADC (r=-0.60,<0.01).There was significant difference in T2and ADC values among different Pfirrmann grades (F=60.6 and 72.3,P<0.01),and significant differences of T2values were showed between each two grades (P<0.05),no significant difference of ADC values was demonstrated between grade Ⅰand Ⅱ (P>0.05).For differentiating gradeⅠwith Ⅱ,Ⅱ with Ⅲ, and Ⅲ with Ⅳ,the area under ROC curve (AUC) of T2value was 0.86,0.92 and 0.80 (P<0.01) respectively,and corresponding AUC of ADC value was 0.69 (P<0.01),0.90 (P<0.01) and 0.74 (P<0.05).Conclusion:Both T2and ADC are valuable quantitative parameters in assessing intervertebral disc degeneration,and combination of them may be more comprehensive in observing the characteristics of early degeneration.

Intervertebral disc degeneration； Nucleus pulposus； T2relaxation time； Diffusion weighted imaging； Magnetic resonance imaging

528000佛山，廣東省佛山市中醫(yī)院MRI室

黃耀渠(1979-)，男，廣東高州人，碩士，副主任醫(yī)師，主要從事磁共振影像診斷工作。

廣東省醫(yī)學科研基金課題(A2013680)；佛山市科技局醫(yī)學攻關課題(201308015)

R445.2； R681.5

A

1000-0313(2016)08-0773-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.08.023

2015-09-28

2016-02-28)