采用3.0 T MRI T2 和T2＊ mapping評價下腰痛患者腰椎間盤退變＊

1.深圳市人民醫(yī)院(暨南大學第二臨床醫(yī)學院)放射科(廣東 深圳 518003)

2.香港中文大學威爾士親王醫(yī)院影像診斷和介入放射科(香港 999077)

龔靜山1 凌人男1 周陽泱1朱 進1 賈桂靜1 袁家琳1王毅翔2

采用3.0 T MRI T2 和T2＊ mapping評價下腰痛患者腰椎間盤退變＊

1.深圳市人民醫(yī)院(暨南大學第二臨床醫(yī)學院)放射科(廣東 深圳 518003)

2.香港中文大學威爾士親王醫(yī)院影像診斷和介入放射科(香港 999077)

龔靜山1凌人男1周陽泱1朱 進1賈桂靜1袁家琳1王毅翔2

目的探討下腰痛患者腰椎間盤的T2和T2*值與退變Pfirrmann分級的相關性，明確T2和T2*值是否可以作為影像學生物標記定量評價IVD退變。方法2015 年3月-2015年6月間，對66例下腰痛患者采用3.0T MRI行腰椎常規(guī)結構成像和定量成像(T2和T2*mapping)。Pfirrmann分級由兩位放射診斷醫(yī)生依據矢狀位T2WI通過協(xié)商進行。在正中矢狀位的T2 map 和T2* map上由一位放射診斷醫(yī)生手工繪制感興趣區(qū)盡可能包括髓核和內層纖維環(huán)測量IVD的T2和T2*值。采用Pearson相關比較IVD的T2和T2*值與Pfirrmann分級相關性，并對相鄰的Pfirrmann 分級的T2和T2*值比較。結果IVD的T2和T2*值與Pfirrmann 分級呈負相關，相關系數分別為-0.612和-0.354，P值均小于0.001。Pfirrmann Ⅰ級到Ⅲ級T2和T2*值顯著降低，Ⅲ級到Ⅴ級下降變緩。除Ⅳ級與Ⅴ級IVD的T2和T2*值差別沒有統(tǒng)計學意義外，其他相鄰的Pfirrmann 分級IVD的T2和T2*值差別均有統(tǒng)計學意義。結論IVD的T2和T2*值具有作為影像學生物標記定量評價IVD的退變潛在可能性，有助于IVD退變的早期診斷和客觀評價退變程度。晚期IVD退變T2和T2*值下降變緩，以形態(tài)學改變?yōu)橹鳌?/p>

椎間盤；退變；磁共振定量成像；T2 mapping;T2* mapping

通迅作者：龔靜山

腰椎間盤(intervertebral disc,IVD)退變是引起下腰痛最常見的原因，約70%～80%成人一生中曾經歷過下腰痛[1]。MRI是評價腰椎IVD退變最為常用的檢查方法，大多數臨床醫(yī)生和放射診斷醫(yī)生將重點放在評價退變椎間盤的后部改變。椎間盤的膨出、突出或脫出以及下腰痛和神經根痛均是IVD退變的并發(fā)癥，而不是IVD退變的過程。即使沒有神經病理改變，IVD的結構、生化和生物理學改變也可以引起下腰痛[2-3]，因此，正確評價IVD退變對早期診斷和指導臨床治療有重要意義?；谑笭钗籘2加權圖像腰椎間盤信號和高度改變，Pfirrmann等設計出一個5級評價體系半定量評價IVD退變[4]。雖然Pfirrmann分級被臨床廣泛接受和應用，但對嚴重IVD退變的區(qū)分存在缺陷[5]。此外，早期IVD退變主要是生化結構的改變，而不是形態(tài)學改變[6]，因此，Pfirrmann分級對早期IVD退變的診斷與評價也存在不足。定量MRI(Quantitative MR imaging，qMRI)具有分析組織和器官化學成分的能力。近年來，qMRI在椎間盤的研究表明，T2值可以提供椎間盤水分子和膠原網架相互作用的信息，T1ρ值能反映椎間盤的糖胺聚糖(glycosaminogly，GAG)的含量，T2*值能反映椎間盤的功能改變，并且與Pfirrmann分級取得較好的一致性[7-10]。本研究采用3.0T MR成像系統(tǒng)對66例患者下腰痛患者行T2和T2* mapping，探討T2和T2*對腰椎IVD退變的應用價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料2015年3月～2015年6月間，因下腰痛在我院申請腰椎MRI且無腰椎手術史的75名患者被隨機分配到3.0T MR檢查。2例患者MRI檢出腰椎腫瘤并累及IVD，4例患者檢查過程中未能很好配合T2和T2* mapping序列圖像偽影較多，1例患者有多個椎體融合改變，1例患者不能賴受額外T2和T2* mapping序列掃描，1例患者檢出腰椎結核，共9例患者排除本研究，最終66例患者入選本研究。66例患者中，男26例，女40例，年齡范圍22～79歲(平均48.7歲)。全部患者檢查前均簽署書面知情同意書，醫(yī)院倫理委員會同意本研究。

1.2 儀器與方法全部患者MR檢查采用32通道脊柱線圈在Siemens Magnetom Skyro 3.0 T MR成像系統(tǒng)(Siemens Healthcare，Germany)進行。常規(guī)結構成像包括：矢狀位T1加權成像(turbo SE；TR/TE, 500/10ms；turbo factor，5；矩陣；FOV，280*280mm；層厚4mm，層間隔，0.4mm)和T2加權成像(turbo SE；TR/TE，3500/80ms，turbo factor，5；矩陣，448*160‘FOV，280*280mm；層厚4mm；層間隔0.4mm)以及橫斷位T2加權成像(turbo SE；TR/ TE，4500/90ms；turbo factor，5；矩陣，FOV，200*00mm；層厚4mm；層間隔，0.4mm)。qMRI通過多回波SE和GRE序列進行T2加權成像和T2*加權成像，掃描參數見表1。T2和T2* mapping 由在線商業(yè)軟件MapIt(Siemens Healthcare, Germany)自動生成，見表1。

表1 T2和T2* mapping掃描參數

1.3 圖像分析由一位有多年MR讀片經驗的放射診斷醫(yī)生在正中矢狀位T2 map和T2* map上并參照正中矢狀位T2WI手動繪制盡可能包含髓核和內層纖維環(huán)的感興趣區(qū)(region of interest,ROI)測量IVD的T2和T2*值(圖1-3)。由兩位有多年MR讀片經驗的放射診斷醫(yī)生在不知道IVD的T2和T2*值的情況下，基于矢狀位T2加權圖像對腰椎IVD進行Pfirrmann分級。Pfirrmann 分級標準為：Ⅰ級，IVD為均勻高信號；Ⅱ級，IVD信號不均勻伴或不伴水平低信號帶；Ⅲ級，IVD呈不均勻灰信號，高度正?；蜉p度降低，纖維環(huán)和髓核分界不清；Ⅳ級，IVD為不均勻灰信號，高度正?；蛑卸冉档?，髓核和纖維環(huán)界限消失；Ⅴ級，IVD為黑信號并且塌陷[4]。

1.4 統(tǒng)計學處理采用Pearson相關比較IVD的T2和T2*值與Pfirrmann分級的相關性，并根據相關系數判斷相關程度：r＞0.7為強相關，0.5＜r≤07為中等相關，r≤0.5為弱相關。如果T2 和T2*值與Pfirrmann分級相關，采用t檢驗比較相鄰Pfirrmann分級的IVD的T2和T2*值差異。全部統(tǒng)計學分析采用SPSS 17.0進行，P＜0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

表2 Pfirrmann 分級的T2和T2*值（±s）

表2 Pfirrmann 分級的T2和T2*值（±s）

Ⅰ級 Ⅱ級 Ⅲ級 Ⅳ級 Ⅴ級T 2 值( m s ) 1 6 2 . 9 ± 8 4 . 8 1 0 3 . 1 ± 2 7 . 6 6 2 . 8 ± 1 7 . 1 5 3 . 6 ± 1 5 . 1 5 4 . 8 ± 2 1 . 6 T 2* 值( m s ) 4 7 . 5 ± 2 4 . 5 3 6 . 6 ± 2 1 . 2 2 9 . 5 ± 1 1 . 3 2 5 . 4 ± 7 . 1 2 1 . 4 ± 1 2 . 3

2 結 果

66例患者中，共測量和分析330個腰椎IVD。Pfirrmann分級為：Ⅰ級46個(13.9%)，Ⅱ級153 個(46.4%)，Ⅲ級68個(20.6%)，Ⅳ級47個(14.2%)，Ⅴ級16個(4.8%)。各Pfirrmann分級的T2和T2*值見表2和圖4-5。圖4-5顯示PfirrmannⅠ級到Ⅲ級T2值和T2*值顯著降低，Ⅲ級到Ⅴ級下降變緩。Pearson相關分析顯示T2與Pfirrmann分級呈中等負相關(r=-0.612，P＜0.001)，T2*值均與Pfirrmann 分級呈弱負相關相關(r=-0.354，P＜0.001)。相鄰的Pfirrmann 分級的T2和T2*值比較見圖6-7，除Ⅳ級與Ⅴ級IVD的T2 和T2*值差別沒有統(tǒng)計學意義外，其他均有統(tǒng)計學意義。

3 討 論

IVD是椎體間關節(jié)的重要組成部分，能在脊椎長軸發(fā)揮椎體間6度自由活動和承載人體負荷和分配壓力，因此，在人類直立活動中起著重要作用[11]。由于成人IVD缺乏血供和富含細胞外間質，細胞成分較少，缺乏營養(yǎng)供應的少量細胞要維持大量的細胞外間質，使得IVD在生命的早期就容易發(fā)生退變[12]。退變影響IVD的功能，并發(fā)后部改變造成神經病理改變，產生下腰痛等癥狀影響患者的生活質量和使患者喪失勞動力，并有可能致殘。由于IVD退變有較高的發(fā)病率和致殘率，有嚴重的社會經濟學影響。對IVD退變晚期患者，臨床僅能通過椎體融合術來減輕患者下腰痛，而早期可以通過細胞治療和生長素治療得到改善[13-15]。因此，IVD退變的研究，特別是無創(chuàng)手段早期診斷和正確分級有重要的臨床和社會意義。

隨著年齡增長和退變，髓核的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原含量減少，導致其對水分子束縛能力下降，髓核水含量減少可達70%[6,16]。另外，蛋白聚糖生化結構的改變，使它與膠原的結合減低，從而降低IVD的抗拉伸能力。最終退變的IVD含有較多的纖維和結構混亂，在退變晚期表現為無形態(tài)的纖維軟骨，髓核和纖維環(huán)沒有明確的分界，IVD塌陷高度降低，并且可以并發(fā)纖維環(huán)破裂髓核突出產生相應的神經病理改變[4]。MRI有優(yōu)良的組織分辨力和多方位成像以及無創(chuàng)無輻射等優(yōu)點，為診斷IVD退變的首選影像學檢查手段，被廣泛應用于臨床IVD退變診斷和分級。Pfirrmann分級通過對IVD的T2信號和形態(tài)改變的半定量評價被臨床廣泛認可。雖然Pfirrmann分級能夠較好地評價IVD退變的形態(tài)學改變，但由于早期IVD退變主要是生化結構的改變，而不是形態(tài)學改變[2]，因此，對IVD退變的早期診斷存在局限性[17-19]，較多研究嘗試尋找能準確評價IVD退變的影像學生物標記[7-10]。IVD退變是一個連續(xù)的過程，而非一步一步的跳躍過程，此外，半定量分級受放射診斷醫(yī)生主觀因素的影響也很大，因此，Pfirrmann分級存在天生不足。本研究采用3.0 T MR對下腰痛患者行IVD的T2 和T2* mapping，測量IVD的T2和T2*值。結果表明IVD的T2和T2*值與Pfirrmann 分級呈負相關，隨著IVD退變程度的加劇，T2和T2*值均下降，說明T2和T2*值具有成為定量評價IVD退變的影像學生物標記的潛能。以往研究表明，IVD 的T2信號強度與水和蛋白聚糖的含量有關，T2*值與膠原的完整性有關，因此[10,16,20]，因此，T2和T2*值具有反映IVD退變早期的生化改變的潛能，有望應用于IVD退變早期診斷。本研究也觀察到Pfirrmann分級中，Ⅰ級到Ⅲ級T2值和T2*值降低較明顯，提示T2值和T2*值可能能更好的區(qū)分IVD退變的早期改變。此外，本研究在比較相鄰的Pfirrmann分級的T2和T2*值時觀察到Ⅳ級與Ⅴ級IVD的T2和T2*值差別沒有統(tǒng)計學意義，Ⅲ級到Ⅴ級的T2和T2*值下降變緩，說明IVD退變的后期生化成分和結構的改變趨于平穩(wěn)，而主要為繼發(fā)的形態(tài)學改變，因此，對IVD退變的評價，特別是晚期，要結合IVD的MR定量參數和形態(tài)學改變。

圖1-3 參照正中矢狀位T2WI在正中矢狀位T2 map和T2* map上手動繪制ROI測量IVD的T2和T2*值。圖4 下腰痛患者IVD的T2值與Pfirrmann分級的相關性。圖5 下腰痛患者IVD的T2*值與Pfirrmann分級的相關性。圖6 相鄰Pfirrmann分級的IVD的T2值比較。圖7 相鄰Pfirrmann分級的IVD的T2*值比較。

本研究存在缺陷有：1.由于進入本研究均為有下腰痛的患者，大部分椎間盤存在后部改變，難以對纖維環(huán)和髓核的T2和T2*值進行分別測量，因此，所測量的主要為髓核和內層纖維環(huán)的T2和T2*值，不能很好的反映纖維環(huán)的改變；2.沒有獲得IVD退變病理資料并與T2和T2*值進行比較，因此，也未能對T2和T2*值的生物學意義進行解釋，有待遇進一步的研究。

綜上所述，IVD的T2和T2*值與Pfirrmann分級具有相關性，并能更好區(qū)分早期IVD退變，可以作為影像學生物標記定量評價IVD退變，有助于IVD退變早期診斷和客觀評價，為臨床IVD退變的診斷與治療提供指導。晚期IVD退變T2和T2*值降低變緩，而以形態(tài)學改變?yōu)橹?，因此，對晚期IVD退變評價還需要結合形態(tài)學改變。

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(本文編輯: 汪兵)

T2 and T2* Mapping to Evaluate Lumber Intervertebral Disc Degeneration in Patients with Low Back Pain Using 3.0 Tesla MRI*

GONG Jing-shan, LIN Ren-nan, ZHOU Yang-yang, et al．, Department of Radiology, Shenzhen People's Hospital, Second Clinical Medical College of Jinan University, Shenzhen 518020, Guangdong Province, China

ObjectiveTo correlate T2 and T2? value of intervertebral disc (IVD) with Pfirrmann grades of IVD degeneration in patients with low back pain, in order to identify whether T2 and T2? value can be imaging biomarkers for quantitative assessment of IVD degeneration．MethodsSixty-six patients with low back pain underwent conventional structure imaging and quantitative imaging (T2 and T2? mapping) of lumber IVD using 3 Tesla MR system． Pfirrmann grades were performed by two diagnostic radiologists in concensus on the basis of the sagittal T2-weighted images． T2 and T2? values of IVD were measured by one diagnostic radiologist through manual drawing region-of-interest (ROI) on midsagittal T2 and T2? maps to cover the nucleus pulposus and inner annulus fibrosus． The correlation between Pfirrmann grades and the two quantitative parameters of IVD was assessed by Pearson correlation test． The difference in T2 and T2? values of contiguous Pfirrmann grades were compared using t test．ResultsT2 and T2? values of IVD were of negative correlation to Pfirrmann grades with correlation coefficients of -0．612 and -0．354 (P＜0．001), respectively． Except grades Ⅳ andⅤ, T2 and T2? values of contiguous Pfirrmann grades showed statistical significant differences．ConclusionT2 and T2? values of IVD could be potential imaging biomarkers for quantitative assessment of IVD degeneration, which might be helpful of early diagnosis and objective evaluation of degeneration． For the end stage degeneration, the decrease of T2 and T2? values is slow down, and morphological changes become obvious．

Intervertebral Disc; Degeneration; Quantitative Magnetic Resonance Imaging; T2 Mapping; T2? Mapping

R274.34

A

深圳市科技計劃項目(JCYJ20140416122811967)

10.3969/j.issn.1672-5131.2016.10.036

2016-08-24