腰椎終板Modic改變與椎間盤退變的相關(guān)性的定量MRI研究

龔靜山，梅東東，朱進(jìn)，周陽泱

腰椎終板Modic改變與椎間盤退變的相關(guān)性的定量MRI研究

龔靜山*，梅東東，朱進(jìn)，周陽泱

目的探討腰椎終板Modic改變與相鄰椎間盤退變的相關(guān)。材料與方法于66例腰椎結(jié)構(gòu)和定量MR圖像上，采用Pfirrmann分級半定量和測量椎間盤T2和T2*值定量評價椎間盤退變程度，比較腰椎終板Modic改變與椎間盤Pfirrmann評分、T2和T2*值的相關(guān)性。結(jié)果66例患者中，14例患者(21.2%)終板有19個椎間盤相鄰的終板有Modic改變，包括2個椎間盤相鄰的終板為Modic 1型改變，17個椎間盤相鄰的終板為Modic 2型改變。正常終板、Modic 1型終板和Modic 2型終板相鄰椎間盤的Pfirrmann評分分別為2.40±0.96、4.00±1.41和4.12±1.27，T2值分別為(95.38±51.88)、(70.50±36.06)和(58.65±38.47) ms，T2*值分別為(34.43±19.16)、(24.00±1.41)和(28.65±23.39) ms，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P值分別為0.000、0.000和0.023)。Modic 2型終板相鄰的椎體伴有嚴(yán)重的椎間盤退變(Pfirrmann評分升高，T2和T2*值降低)，與正常終板相鄰的椎間盤比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P值分別為0.000、0.000和0.006)。結(jié)論腰椎終板Modic改變與相鄰的椎間盤退變具有相關(guān)性，終板改變和椎間盤退變應(yīng)作為腰椎退變的整體改變。

椎間盤退化；腰椎；磁共振成像

下腰痛是十分常見影響勞動生產(chǎn)力的疾患，約2/3的成年人一生中經(jīng)歷過下腰痛[1]。隨著MRI的普及，腰椎MRI檢查是臨床醫(yī)生確定下腰痛病因最常用的檢查方法。椎間盤退變是常見腰椎MRI檢查的異常征象，也是引起下腰痛的常見原因之一[2]。有嚴(yán)重椎間盤退變的成人發(fā)生下腰痛的風(fēng)險是椎間盤無結(jié)構(gòu)異常的兩倍[3]，但1/3無癥狀女性MRI檢查可以檢出腰椎椎間盤退變[4]。近年研究表明，椎間盤、終板和脊旁肌在脊柱退變中應(yīng)作為一個“整體-器官”，退變的椎間盤鄰近的終板經(jīng)常伴有MRI信號改變，即Modic改變[5-6]。筆者假設(shè)腰椎終板Modic改變是腰椎退變的一部分，與椎間盤退變有相關(guān)性。為驗證這一假設(shè)，特設(shè)計本研究探索腰椎終板Modic改變與椎間盤退變的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 一般資料

2015年3月至2015年6月間，75例因下腰痛患者在我院采用3.0 T MR掃描儀行結(jié)構(gòu)和定量MR成像。2例患者M(jìn)RI檢出腰椎腫瘤并累及椎間盤，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例患者不能耐受額外T2和T2*mapping序列掃描，1例患者檢出腰椎結(jié)核，共9例患者排除本研究，最終66例患者入選本研究。入選的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 結(jié)構(gòu)和定量MR成像

全部患者M(jìn)RI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(jìn)行。掃描方案見文獻(xiàn)[7]，掃描參數(shù)見表1。T2和T2*mapping 由在線商業(yè)軟件MapIt (Siemens Healthcare，Germany)自動生成。

1.3 圖像分析

由1名有多年MRI讀片經(jīng)驗的放射診斷醫(yī)師在正中矢狀面T2 map和T2*map上并參照正中矢狀面T2WI手動繪制盡可能包含髓核和內(nèi)層纖維環(huán)的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)測量椎間盤的T2和T2*值。由2名有多年MRI讀片經(jīng)驗的放射診斷醫(yī)師在不知道椎間盤的T2和T2*值的情況下，基于矢狀面T2加權(quán)圖像對腰椎椎間盤進(jìn)行Pfirrmann分級。Pfirrmann分級標(biāo)準(zhǔn)為：Ⅰ級，椎間盤為均勻高信號；Ⅱ級，椎間盤信號不均勻伴或不伴水平低信號帶；Ⅲ級，椎間盤呈不均勻灰信號，高度正?；蜉p度降低，纖維環(huán)和髓核分界不清；Ⅳ級，椎間盤為不均勻灰信號，高度正?；蛑卸冉档?，髓核和纖維環(huán)界限消失；Ⅴ級，椎間盤為黑信號并且塌陷[8]。根據(jù)矢狀面T1WI和T2WI終板信號改變分為4型：Modic 0型(即正常終板)，T1WI和T2WI無異常信號；Modic 1型，T1WI低信號，T2WI高信號；Modic 2型，T1WI和T2WI均為高信號；Modic 3型，T1WI和T2WI均為低信號[9]。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

采用Kruskal-Wallis H檢驗比較腰椎終板改變間相鄰椎間盤Pfirrmann評分差異。如差異有統(tǒng)計學(xué)意義，采用Mann-Whitney U檢驗行兩兩比較。統(tǒng)計軟件采用IBM SPSS Statistics 24，P＜0.05認(rèn)為有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

全部66例患者中，14例患者(21.2%)有19個椎間盤相鄰的終板有Modic改變(34.8%)，其中3例患者有2個椎間盤相鄰的終板有Modic改變，1例患者有3個椎間盤相鄰的終板伴有Modic改變，無一例患者有3個以上的椎間盤相鄰的終板伴有Modic改變。19個椎間盤相鄰終板Modic 改變中1型2個，2型17個，3型0個。330個椎間盤的相鄰的終板Modic 改變與Pfirrmann評分、T2和T2*值見表2，不同Modic改變的相鄰椎間盤Pfirrmann評分、T2和T2*值間差異存在統(tǒng)計學(xué)意義。由于與Modic 1型終板相鄰的椎間盤僅2個和無Modic 3型終板，故未對這兩型進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理。與正常終板(Modic 0型)相鄰椎間盤比較，Modic 2型改變終板相鄰的椎間盤的Pfirrmann評分升高、T2和T2*值下降(圖1，2)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(z值分別為5.436，4.328，2.754；P值分別為0.000，0.000，0.006)。

表1 T2和T2* mapping掃描參數(shù)Tab. 1 Parameters of T2 and T2* mapping

表2 終板Modic改變與相鄰椎間盤Pfirrmann評分、T2和T2*值相關(guān)性Tab. 2 Association of endplate Modic changes with Pfirrmann scores, T2 and T2* values of the adjacent interveterbral discs

3 討論

腰椎退變是引起下腰痛的最為常見原因，以往研究都關(guān)注椎間盤退變。在其他關(guān)節(jié)退變?nèi)缦リP(guān)節(jié)的研究中發(fā)現(xiàn)，軟骨、關(guān)節(jié)骨和周圍軟組織作為一個整體均會被累及[10]。膝關(guān)節(jié)退行性骨關(guān)節(jié)病中，伴隨軟骨損傷有軟骨下骨硬化和MRI上出現(xiàn)水腫樣信號，而且水腫樣信號的增大與關(guān)節(jié)痛和軟骨退變相關(guān)[10-11]。近年研究也表明，椎間盤、終板和脊旁肌肉也會作為一個整體會在脊椎退變中同時有改變[5-6]。在脊柱椎間盤關(guān)節(jié)，終板類似軟管下骨，盡管終板改變也被認(rèn)為是脊柱退變的征象之一，但其與椎間盤退變的關(guān)系尚不是十分明了。

與膝關(guān)節(jié)的軟骨、軟骨下骨、周圍韌帶和肌肉作為一個整體維系膝關(guān)節(jié)的功能處于一個動態(tài)變化一樣，脊柱關(guān)節(jié)的椎間盤、終板和脊旁肌也作為一個整體處于一個相互影響的動態(tài)變化中。椎間盤作為承載人體軸向壓力椎體關(guān)節(jié)的纖維軟骨，特別是下腰椎的椎間盤，而且缺乏血管，營養(yǎng)主要靠終板彌散，因此較早出現(xiàn)退變[12-13]。退變的椎間盤2型膠原纖維含量增加和含水量降低，同時髓核的蛋白多糖降低，這樣椎間盤的纖維含量增加，而且失去結(jié)構(gòu)[12]。退變的椎間盤失去其應(yīng)有的結(jié)構(gòu)和功能，使椎體關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低和緩沖軸向壓力的能力降低，從而終板和脊旁肌受力增加，因此，退變的椎間盤也會使鄰近的終板退變加劇。Modic等[9]根據(jù)椎體終板在MRI信號改變將終板分為3型。對照組織病理學(xué)改變，Modic 1型改變終板出現(xiàn)裂隙，鄰近的骨髓內(nèi)出現(xiàn)帶血管的纖維組織，從而使得T1和T2延長；Modic 2型改變代表終板黃骨髓化，從而使得T1縮短和T2延長；Modic 3型改變代表骨質(zhì)硬化，T1 和T2均縮短[13]。終板退變降低彌散，使椎間盤獲得的營養(yǎng)減少，進(jìn)而會加劇椎間盤退變。本研究結(jié)果也驗證這一假設(shè)，終板Modic改變與椎間盤Pfirrmann評分、T2和T2*值有相關(guān)性，其中Modic 2型終板伴有椎間盤Pfirrmann評分升高、T2和T2*值降低，說明椎體終板改變常伴有或加劇相鄰椎間盤退變。雖然有文獻(xiàn)報道終板Modic改變與椎間盤Pfirrmann評分有相關(guān)性[6，14]，但據(jù)筆者所知，終板Modic改變與椎間盤T2和T2*值相關(guān)性尚未見相關(guān)報道，因此，本研究為首次報道Modic改變與椎間盤T2和T2*值有相關(guān)性。

定量MRI對關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤退變的研究結(jié)果表明，T2和T2*值與關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤變性有較好的相關(guān)性，可以定量評價退變的程度，并且能較結(jié)構(gòu)MRI早期發(fā)現(xiàn)退變[7，14-15]。早期發(fā)現(xiàn)椎間盤退變，可以指導(dǎo)臨床及時干預(yù)，避免椎間盤進(jìn)一步發(fā)展成為膨出或突出，引起嚴(yán)重的下腰痛和神經(jīng)根癥狀，降低患者的勞動力，有重要的臨床和社會意義。本研究初步報道Modic改變與椎間盤T2和T2*值有相關(guān)性，說明腰椎終板Modic改變是脊柱退變的征象之一，可以伴隨椎間盤退變發(fā)生，并提示椎間盤退變的嚴(yán)重程度。

本研究存在的一些缺陷。由于對Modic改變還沒有統(tǒng)一的分級標(biāo)準(zhǔn)，本研究未對Modic改變的程度進(jìn)行評價，這樣未能探討Modic改變嚴(yán)重程度與椎間盤退變的程度相關(guān)性。其次，本研究未對病人進(jìn)行隨訪，沒有對終板改變和椎間盤退變隨時間變化是否相關(guān)進(jìn)行研究。本組資料樣本量較少，以至于Modic改變中1型僅2個，沒有3型改變。此外，文獻(xiàn)報道終板Modic改變與下腰痛有相關(guān)性[16]，由于本組資料缺乏相關(guān)臨床資料，未能對兩者相關(guān)性進(jìn)行研究。

圖1 男，35歲，L4終板Modic 1型改變。A：矢狀面T2WI示L4椎體下緣終板斑片狀高信號灶(箭)。B：矢狀面T1WI示L4椎體下緣終板相應(yīng)部位呈低信號(箭)改變。C：矢狀面T2 map示L4-5椎間盤T2值降低(箭)(T2值：L1-2，150 ms；L2-3，140 ms；L3-4，99 ms；L4-5，53 ms；L5-S1，52 ms)。D：矢狀面T2* map示L4-5椎間盤T2值降低(箭)(T2*值：L1-2，26 ms；L2-3，23 ms；L3-4，29 ms；L4-5，19 ms；L5-S1，21 ms)圖2 男，49歲，L5和S1終板Modic 2型改變。A：矢狀面T2WI顯示L5椎體上緣終板長條狀高信號灶(長箭)和S1上緣終板短條狀高信號灶(短箭)。B：矢狀面T1WI 終板相應(yīng)部位呈高信號改變(長箭和短箭)。C：矢狀面T2 map顯示L4-5(長箭)和L5-S1(短箭)椎間盤T2值降低(T2值：L1-2，122 ms；L2-3，148 ms；L3-4，151 ms；L4-5，76 ms；L5-S1，51 ms)。D：矢狀面T2* map顯示L4-5 (長箭)和L5-S1 (短箭)椎間盤T2值降低(T2*值：L1-2，29 ms；L2-3，28 ms；L3-4，58 ms；L4-5，26 ms；L5-S1，25 ms)Fig. 1 A 35-year-old man with Modic type 1 change at the endplate of L4. A: Sagital T2WI shows that there is patch of high signal (arrow) at the lower endplate of L4. B: Sagital T1WI shows that it is of hypointense (arrow). C: Sagital T2 map demonstrates that the T2 values of L4-5 disc are decreased (arrow)(T2 values: L1-2, 150 ms. L2-3, 140 ms. L3-4, 99 ms. L4-5, 53 ms. L5-S1, 52 ms). D: Sagital T2* map shows the T2* values of L4-5 disc are decreased also(arrow) (T2* values: L1-2, 26 ms. L2-3, 23 ms. L3-4, 29ms. L4-5, 19 ms. L5-S1, 21 ms). Fig. 2 A 49-year-old man with Modic type 2 change at the endplates of L5 and S1. A: Sagital T2WI shows a hyperintense long strip (long arrow) at the upper endplate of L5 and a hyperintense short strip (short arrow) at the upper endplate of S1. B: Sagital T1WI shows that they are of hyperintense (long arrow and short arrow). C: Sagital T2 map reveals that the T2 values of L4-5 (long arrow) and L5-S1 (short arrow) discs are decreased (T2 values: L1-2, 122 ms. L2-3, 148 ms. L3-4, 151 ms. L4-5, 76 ms. L5-S1, 51 ms). D: Sagital T2* map shows the T2* values of L4-5 (long arrow) and L5-S1 (short arrow) discs (T2* values: L1-2, 29 ms. L2-3, 28 ms. L3-4, 58 ms. L4-5, 26 ms. L5-S1, 25 ms).

綜上所述，本研究通過比較腰椎終板Modic改變與椎間盤退變的結(jié)構(gòu)和定量MRI的相關(guān)性，結(jié)果表明，腰椎終板改變與椎間盤退變具有相關(guān)性，Modic 2型改變的終板相鄰的椎間盤退變嚴(yán)重。腰椎終板改變可能是腰椎作為一個“整體-器官”在發(fā)生退變時的征象之一。在評價下腰痛患者M(jìn)RI時，終板和椎間盤改變都應(yīng)引起放射診斷醫(yī)師的重視。

[References]

[1] Andersson GB. Epidemiological features of chronic low-back pain.Lancet, 1999, 354(9178): 581-585.

[2] Luoma K, Riihimaki H, Luukkonen R, et al. Low back pain in relation to lumbar disc degeneration. Spine, 2000, 25(4): 487-492.

[3] Hicks GE, Morone N, Weiner DK. Degenerative lumbar disc and facet disease in older adults: prevalence and clinical correlates. Spine(Phila Pa 1976), 2009, 34(12): 1301-1306.

[4] Powell MC, Wilson M, Szypryt P, et al. Prevalence of lumbar disc degeneration observed by magnetic resonance in symptomless women. Lancet,1986, 2(8520): 1366-1367.

[5] Farshad-Amacker NA, Hughes A, Herzog RJ, et al. The intervertebral disc, the endplates and the vertebral bone marrow as a unit in the process of degeneration. Eur Radiol, 2017, 27(6): 2507-2520.

[6] Teichtahl AJ, Urquhart DM, Wang Y, et al. Lumbar disc degeneration is associated with Modic change and high paraspinal fat content: a 3.0 T magnetic resonance imaging study. BMC Musculoskelet Disord,2016, 17(1): 439.

[7] Gong JS, Ling RN, Zhou YY, et al. T2 and T2*mapping to evaluate lumbar intervertebral disc degeneration in patients with low back pain using 3.0 tesla MR. Chin J CT MRI, 2016,14(10): 113-116.龔靜山, 凌人男, 周陽泱, 等. 采用3.0 T MRI T2和T2*mapping評價下腰痛患者腰椎間盤退變. 中國CT和MRI雜志, 2016, 14(10):113-116.

[8] Pfirrmann CW, Metzdorf A, Zanetti M, et al. Magnetic resonance classification of lumbar intervertebral disc degeneration. Spine, 2001,26(17): 1873-1878.

[9] Modic MT, Masaryk TJ, Ross JS, et al. Imaging of degenerative disk disease. Radiology, 1988, 168(1): 177-186.

[10] Teichtahl AJ, Wluka AE, Davies-Tuck ML, et al. Imaging of knee osteoarthritis. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2008, 22(6):1061-1074.

[11] Felson DT, Niu J, Guermazi A, et al. Correlation of the development of knee pain with enlarging bone marrow lesions on magnetic resonance imaging. Arthritis Rheum, 2007, 56(9): 2986-2992.

[12] Modic MT, Ross JS. Lumbar degenerative disk disease. Radiology,2007, 245(1): 43-61.

[13] Stokes IA, Iatridis JC. Mechanical conditions that accelerate intervertebral disc degeneration: overload versus immobilization.Spine, 2004, 29(23): 2724-2732.

[14] Cao GM, Zhao B. Quantitative assessment of lumber facet joints and intervertebral discs with axial MR T2 star mapping. J Med Imag,2014, 24(11): 1993-1997.曹觀美, 趙斌. 軸面MR T2*mapping對腰椎小關(guān)節(jié)和椎間盤的定量研究. 醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志, 2014, 24(11): 1993-1997.

[15] Huang YQ, Zhao XM, Wu QH, et al. Comparative study of MR T2 relaxation time and apparent diffusion coefficient for assessing lumbar intervertebral disc degeneration. Radiol Pract, 2016, 31(8):773-777.黃耀渠, 趙曉梅, 伍瓊慧, 等. 磁共振 T2 弛豫時間和 ADC評估腰椎間盤退變的對比研究. 放射學(xué)實(shí)踐, 2016, 31(8): 773-777.

[16] Mok FP, Samartzis D, Karppinen J, et al. Modic changes of the lumbar spine: prevalence, risk factors, and association with disc degeneration and low back pain in a large-scale population-based cohort. Spine J, 2016, 16(1): 32-41.

Quantitative MR imaging study of association between lumbar vertebral endplate Modic changes and intervertebral disc degeneration

GONG Jing-shan, MEI Dong-dong, ZHU Jin, ZHOU Yang-yang
Department of Radiology, Shenzhen People’s Hospital, the Second Clinical Medical College of Jinan University, Shenzhen 518020, China

Objective:To investigate the relationship between vertebral endplate Modical changes and adjacent intervertebral disc degeneration.Materials and Methods:Lumbar structure and quantitative MR images of 66 patients were retrospectively analyzed. Disc degeneration was semi-quantitatively assessed using Pfirrmann grading system and quantitatively assessed using T2 and T2*values.Association between Pfirrmann scores, T2 and T2*values of intervertebral discs with adjacent endplate Modic changes was analyzed.Results:Nineteen intervertebral discs with adjacent endplate Modic changes were detected in fourteen patients (14/66,21.2%), which included 2 discs with Modic type 1 changes and 17 discs with type 2 changes. Pfirrmann scores of the discs adjacent to normal endplates, Modic type 1 endplates and Modic type 2 endplates were 2.40±0.96、4±1.41 and 4.12±1.27,respectively. T2 values were (95.38±51.88) ms, (70.50±36.06) ms and (58.65±38.47) ms. T2*values were (34.43±19.16) ms, (24.00±1.41) ms and (28.65±23.00) ms.The differences of disc Pfirrmann scores, T2 and T2*values among different endplate changes were statistical significant withPvalues of 0.000, 0.000 and 0.023,respectively. Comparing to discs adjacent to normal endplates, discs adjacent to Modic type 2 endplates had severe degeneration with increased Pfirrmann scores and decreased T2 and T2*values. The differences were statistical significant (Pvalues were 0.000, 0.000 and 0.006, respectively).Conclusions:Modic changes of vertebral endplate are associated with adjacent intervertebral disc degeneration. Both of them should be regarded as a facet of the "whole-organ" pathologic conditions in the procession of spinal degeneration.

Intervertebral disc degeneration; Lumbar vertebrae; Magnetic resonance imaging

深圳市科技計劃項目(編號：JCYJ2014041622811967)

深圳市人民醫(yī)院(暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院)放射科，深圳 518020

龔靜山，E-mail：jshgong@sina.com

2017-04-13

接受日期：2017-05-03

R445.2；R681.53

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.07.007

龔靜山, 梅東東, 朱進(jìn), 等. 腰椎終板Modic改變與椎間盤退變的相關(guān)性的定量MRI研究. 磁共振成像, 2017, 8(7):514-518.*Correspondence to: Gong JS, E-mail: jshgong@sina.com

Received 13 Apr 2017, Accepted 3 May 2017

ACKNOWLEDGMENTSThis work was supported by Shenzhen Science &Technology Program (No. JCYJ2014041622811967).