表觀彌散系數(shù)在腰痛患者腰椎間盤退變評估中的應(yīng)用價值

張青波，李偉，曹云，楊慶國

(安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院脊柱外科，安徽 合肥 230022)

下腰痛已成為全球最大的公共衛(wèi)生問題之一，約有2/3的成人曾經(jīng)出現(xiàn)過不同程度的下腰痛[1-2]。下腰痛與椎間盤退變的關(guān)系目前還未完全明確，盡管如此，繼發(fā)于椎間盤退變的盤源性疼痛是下腰痛最主要的原因[3]。椎間盤退變是一個復(fù)雜的過程，涉及膠原蛋白和蛋白多糖的降解及水分的丟失及纖維化[4-5]。目前臨床上診斷腰椎間盤退變的常用方法有X線，CT及MRI，其中X線和常規(guī)CT是評價椎間盤形態(tài)和反應(yīng)性骨改變的常用影像學(xué)檢查方法[5]。標準的X線片上，椎間隙狹窄、椎體形變以及椎體邊緣形成骨贅是腰椎間盤退變的指標，CT診斷腰椎間盤退變則是依靠其橫斷面上腰椎間盤的輪廓[6]。MRI作為一種無創(chuàng)、無輻射的檢查方法，已廣泛應(yīng)用于人體疾病的診斷，隨著MRI技術(shù)的不斷發(fā)展，如高場強、高分辨率的磁共振儀的研發(fā)及應(yīng)用，MRI已成為診斷腰椎間盤退變最常用、最精確的檢查方法。臨床上通常采集T1WI、T2WI等常規(guī)序列影像，比如Pfirrmann分級系統(tǒng)依據(jù)T2WI序列正中矢狀位椎間盤的信號強度、椎間盤形態(tài)及椎間隙改變等指標評價椎間盤的退變。盡管如此，普通的X線、CT及常規(guī)的MRI檢查技術(shù)均不能發(fā)現(xiàn)形態(tài)學(xué)改變之前的早期椎間盤退變。其次，Pfirrmann分級系統(tǒng)是一種主觀評價體系，易受人為因素的影響而不能很客觀的評價椎間盤的退變[7]。因此，需要更敏感和精準的方法來評價椎間盤的退變。

彌散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging，DWI)是一種以水分子的布朗運動為基本原理的成像技術(shù)，是目前唯一一種可以檢測活體組織中水分子彌散特征的技術(shù)手段[8]。腰椎間盤是人體最大的無血管結(jié)構(gòu)，其髓核的營養(yǎng)供應(yīng)及代謝產(chǎn)物的清除均通過擴散的形式來完成[9]。椎間盤退變的早期，髓核細胞外水分的丟失及蛋白多糖的降解導(dǎo)致椎間盤內(nèi)水分子擴散能力減弱。DWI的參數(shù)表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值作為一個定量測量指標，可以客觀的反應(yīng)椎間盤組織中水分子的彌散能力。因此DWI技術(shù)被用于早期椎間盤退變的評估。

近年來，學(xué)者的研究多是對新鮮標本或志愿者不同退變程度的椎間盤ADC值的測量比較[10-11]，而系統(tǒng)評估ADC值在診斷早期腰椎間盤退變中的價值的研究較少。本研究的主要目的是通過分析腰痛患者的腰椎間盤ADC值，評價椎間盤退變的程度及其影響因素與ADC值的相關(guān)性，從而評估ADC值在椎間盤退變評估中的應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入標準：a)腰部無明顯外傷史；b)腰痛反復(fù)發(fā)作，無明顯下肢放射性疼痛。排除標準：a)腰部手術(shù)及外傷史；b)病理性損傷如骨腫瘤、脊柱結(jié)核、脊柱感染、復(fù)合型脊髓損傷；c)全身疾病如自身免疫性疾病、糖尿病及繼發(fā)性肥胖；d)不能接受的MRI檢查，如幽閉恐懼癥患者和依從性差的患者。所有受者均簽署知情同意書。共納入2016年12月至2017年4月我院脊柱外科接診符合上述標準的腰痛患者60例，其中男26例，年齡26～66歲，平均(49.6±10.9)歲；女34例，年齡26～68歲，平均(48.2±10.2)歲。

1.2 MRI成像 應(yīng)用GE Medical Systems Signa HDxt 3.0T磁共振儀對所有入選患者行MRI掃描，取仰臥位，頭先進。選擇專用脊柱線圈行T1WI、T2WI常規(guī)掃描及DWI掃描。脊柱掃描常規(guī)選用矢狀位快速自旋回波序列(fast spin echo，F(xiàn)SE)T1WI、快速恢復(fù)快速自旋回波序列(fast recovery FSE，F(xiàn)RFSE)T2WI及平面回撥序列(echo-planar imaging，EPI)DWI掃描。T1WI參數(shù)：重復(fù)時間(repetition time，TR)=640 ms，回波時間(echo time，TE)=12.2 ms，層厚=4 mm，層距=4 m，層數(shù)=11，掃描野(field of view，F(xiàn)OV)=320 mm，脈沖重復(fù)激發(fā)次數(shù)(number of excitations，NEX)=2。T2WI參數(shù)：TR=2 500 ms，TE=109.84 ms，層厚=4 mm，層距=4 mm，層數(shù)=11，F(xiàn)OV=320 mm，NEX=2。DWI參數(shù)：TR=4 000 ms，TE=67.4 ms，b值=600 s/mm2，層厚=4mm，層距=4 mm，層數(shù)=11，NEX=4，F(xiàn)OV=320 mm。

1.3 圖像后處理及數(shù)據(jù)采集

1.3.1 椎間盤Pfirrmann分級 全部掃描后獲得原始數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)傳入GE AW5工作站處理。由兩名經(jīng)驗豐富的MRI診斷醫(yī)師選取T2正中矢狀位圖像，根據(jù)矢狀位T2像椎間盤髓核的信號、形態(tài)及椎間盤高度等分級標準(見表1)進行Pfirrmann分級[12-13]。觀察者獨立審閱L1～2～L5S1的每一個椎間盤，并進行分級(見表2)，意見不一致時，經(jīng)討論后取得一致意見。

表1 腰椎間盤退變的Pfirrmann分級標準

1.3.2 感興趣區(qū)的設(shè)置(regions of interest，ROI) 數(shù)據(jù)傳入GE AW5工作站的Functool軟件，由一位MRI診斷醫(yī)師選取DWI圖像行ADC值的測量。測量時選取掃描的中心層面放置橢圓形ROI，大小為25～30 mm2。ROI放置在椎間盤的中間層面，避開上下終板及前后纖維環(huán)。每個椎間盤由前向后依次放置3個ROI，分別代表髓核前部，髓核中部和髓核后部，放置ROI后軟件自動計算出ADC值，最終取3個ROI的平均值作為椎間盤的ADC值來做數(shù)據(jù)分析。測量每個患者的L1～2～L5S1椎間盤的ADC值，記錄數(shù)據(jù)。

1.3.3 BMI收集 收集每位患者身高及體重，根據(jù)體重/身高2(kg/m2)計算每個患者的身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)[14]，并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.4 視覺模擬評分 根據(jù)視覺模擬評分法采集納入患者的疼痛評分。0分：無痛；3分以下：有輕微的疼痛，能忍受；4～6分：疼痛并影響睡眠，尚能忍受；7～10分：有漸強烈的疼痛，疼痛難忍，影響食欲，影響睡眠。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計學(xué)軟件進行數(shù)據(jù)分析。兩位醫(yī)師之間Pfirrmann分級的一致性用Kappa檢驗進行評估[15]；采用ANOVA隨機區(qū)組設(shè)計分析不同退變等級、不同節(jié)段間ADC值差異，如有差異進一步行Student-Newman-Keuls(SNK)法兩兩檢驗；Spearman等級相關(guān)用于檢驗不同Pfirrmann分級與ADC值間的相關(guān)性，Pearson相關(guān)檢驗VAS、體重指數(shù)與ADC之間的相關(guān)性；采用多元線性回歸分析體重指數(shù)，年齡對ADC值的影響。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

本研究60例患者均行MRI掃描，共300個椎間盤全部納入研究。兩名影像醫(yī)師獨立行椎間盤Pfirrmann分級，兩者之間K值為0.852，P<0.05，兩觀察者Pfirrmann分級一致性較好。

2.1 各級別椎間盤個數(shù)的年齡分布(見表2) 椎間盤分級大多為Ⅱ～Ⅳ級，除男女20～39年齡組，其余所有年齡組均發(fā)現(xiàn)少數(shù)Ⅴ級椎間盤。退變級別高的椎間盤多見于年齡大的患者，患者年齡越大，椎間盤退變分級越高。

表2 男、女不同年齡組腰椎間盤Pfirrmann分級

2.2 不同Pfirrmann分級椎間盤ADC值比較(見表3) 不同級別椎間盤的ADC值比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=125.315，P<0.05)。Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅳ級與Ⅴ級間比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，其余各級間比較，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。ADC值與Pfirrmann分級呈明顯負相關(guān)(r=-0.796，P<0.05)。

表3 Pfirrmann分級與ADC值

2.3 VAS評分與Pfirrmann分級、ADC值的相關(guān)性 Pfirrmann分級與VAS評分呈正相關(guān)(r=0.573，P<0.05)，ADC值與VAS評分呈高度負相關(guān)(r=-0.826，P<0.05)。

2.4 不同節(jié)段椎間盤ADC值比較(見表4) 60例患者不同節(jié)段ADC值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。按照體重指數(shù)分類標準[15]分為正常19例(BMI=18.5～23.9 kg/m2)，超重21例(BMI=24.0～27.9 kg/m2)和肥胖20例(BMI≥28.0 kg/m2)。同一體重分組內(nèi)L1～2與L2～3、L4～5與L5S1間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，其余各節(jié)段間比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。相同節(jié)段內(nèi)不同體重分組間ADC值比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，體重指數(shù)越大，腰椎間盤退變越明顯。

表4 不同節(jié)段椎間盤ADC值比較

2.5 腰痛患者腰椎間盤ADC值影響因素分析 多元回歸分析顯示，體重、年齡均影響ADC值的大小，與ADC值的大小均呈明顯的負相關(guān)(見表5)。

表5 多元線性回歸分析結(jié)果

2.6 典型病例 25歲男性患者，“腰痛6個月余”來我院門診就診，既往無腰部外傷史、無脊柱結(jié)核及腫瘤病史，查體示雙下肢肌力及肌張力正常，腱反射正常；腰椎棘突壓痛陰性、叩擊痛陽性，Lasegue征(-)，影像學(xué)資料見圖1～4。

3 討 論

椎間盤是位于相鄰的兩個椎骨之間的纖維軟骨墊，由中心凝膠狀的髓核、外圍的纖維環(huán)及上下具有毛細血管床的軟骨終板構(gòu)成，是脊柱運動單位的部分。纖維環(huán)由約15～25層膠原纖維薄片組成，圍繞著凝膠狀的髓核排列成同心圓，主要為I型膠原蛋白。纖維環(huán)承受著脊柱在屈伸或扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的髓核膨脹張力所需的張應(yīng)力，外層纖維環(huán)與上下椎骨相連，維持著脊柱的穩(wěn)定性，也有較強的抗壓及抗拉能力。而中心的髓核主要由Ⅱ型膠原蛋白、多聚蛋白聚糖和水組成，多聚蛋白聚糖的親水性使髓核具有較高的溶脹力，其功能是緩沖及分散椎間盤的壓縮負荷，并維持椎間盤的高度[9，16-17]。椎間盤髓核、內(nèi)層纖維環(huán)及部分外層纖維環(huán)的營養(yǎng)供應(yīng)主要通過終板下毛細血管網(wǎng)的擴散進入椎間盤內(nèi)部，而外層纖維環(huán)的營養(yǎng)則依靠其周圍的血管網(wǎng)直接供應(yīng)。椎間盤退變的確切機制尚不清楚，但營養(yǎng)物質(zhì)滲透所依賴的水分子擴散的改變被認為是椎間盤退行性變的最后共同途徑。營養(yǎng)的減少影響細胞外基質(zhì)的代謝，導(dǎo)致纖維環(huán)的脫水、髓核基質(zhì)多聚蛋白聚糖的降解、水分的丟失和纖維化[18-19]。MR DWI技術(shù)是一種以組織細胞中水分子的布朗運動為基本原理的檢測技術(shù)，可以敏感的檢測到組織中水分子分布及彌散的特征。本研究利用MRI彌散加權(quán)成像序列的參數(shù)表觀彌散系數(shù)值來定量描述椎間盤內(nèi)水分子的含量及彌散狀況。退變的早期，椎間盤內(nèi)水分子含量減少，MRI成像上信號變低。同時，彌散能力下降，彌散加權(quán)成像信號相應(yīng)增高，對應(yīng)的表觀彌散系數(shù)值下降[8]。實驗結(jié)果表明椎間盤的退變程度與ADC值明顯相關(guān)(r=-0.796，P<0.05)，ADC值隨退變的加重而降低。

圖1 T1WI矢狀面示椎間盤形態(tài)及信號正常 圖2 T2WI矢狀面示L1～2～L5S1椎間盤均為均勻的高信號，Pfirrmann分級全部為Ⅱ級 圖3 DWI序列矢狀面，b值=600 s/mm2 圖4 ADC偽彩圖示L4～5椎間盤中央水平放置3個ROI，大小為25 mm2

本實驗結(jié)果顯示，每個年齡段患者的椎間盤都存在不同程度的退變，且隨著年齡的增大，椎間盤退變分級越高。多元線性回歸分析結(jié)果也表明，年齡與ADC值呈明顯負相關(guān)(t=-5.864，P=0.000)。椎間盤退變被認為最早開始于十幾歲[20]，但年齡相關(guān)的椎間盤退變機制目前尚不明確。研究表明，年齡相關(guān)的椎間盤退變除了與遺傳，機械因素等相關(guān)，還包括椎間盤細胞的衰老、增殖減少、自我修復(fù)能力下降、炎癥反應(yīng)、基質(zhì)分解代謝增強等因素。椎間盤是無血管結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)供應(yīng)主要依靠終板毛細血管網(wǎng)的擴散。隨著年齡增長，椎間盤逐漸老化，導(dǎo)致終板變薄、鈣化及毛細血管減少，從而使擴散能力下降，影響營養(yǎng)的供給，營養(yǎng)的減少使基質(zhì)合成受限。終板的鈣化還會影響氧的供應(yīng)，氧供減少使細胞進行無氧代謝，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)因椎間盤的無血管結(jié)構(gòu)而排出受阻，椎間盤內(nèi)PH降低，導(dǎo)致基質(zhì)的合成減少，分解代謝增強。親水性的多聚蛋白聚糖減少使椎間盤失去水合作用，椎間盤內(nèi)滲透壓降低和水分減少。椎間盤的脫水又導(dǎo)致彌散能力下降，營養(yǎng)供應(yīng)減少，從而形成惡性循環(huán)。另一方面，衰老的細胞隨年齡增高逐漸增多，無血管結(jié)構(gòu)損害了累積在椎間盤細胞中的衰老細胞的免疫清除，惡化了椎間盤的微環(huán)境，從而加劇了椎間盤的退變[19，21-22]。

本研究還比較了相同部位不同體重指數(shù)的ADC值，結(jié)果表明正常組、超重組和肥胖組之間存在統(tǒng)計學(xué)差異，體重指數(shù)越大，ADC值越小，存在明顯負相關(guān)。另外，對于椎間盤不同節(jié)段的ADC值也進行了比較，除L1～2與L2～3、L4～5與L5S1間差異無統(tǒng)計學(xué)意義，其余各節(jié)段之間ADC值均有差異，且尾端椎間盤ADC值明顯小于頭端，表明椎間盤退變程度更高，與Pfirrmann分級系統(tǒng)評價結(jié)果相同[13]。本組研究發(fā)現(xiàn)5個V級椎間盤均位于L5S1，其ADC值較其他椎間盤明顯減低，分析原因可能與解剖及力學(xué)因素有關(guān)。L5S1椎間盤位于腰椎的最下端，處于腰椎與骶椎交界處，其剪切力最大，尤其在運動時，L5S1椎間盤承載的負菏顯著大于頭端椎間盤。Casey等[23]通過體外實驗，研究了不同載荷下動態(tài)壓縮對椎間盤的機械和生物學(xué)狀態(tài)的影響，結(jié)果表明高強度的負荷會造成椎間盤損傷和分解代謝的增加。高強度負荷及循環(huán)的機械性應(yīng)力通過影響分解代謝基因的表達，促進基質(zhì)金屬蛋白酶等生物合成，同時使髓核和纖維環(huán)細胞產(chǎn)生更多的腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1等炎性介質(zhì)，加速了細胞外基質(zhì)的降解。循環(huán)的機械應(yīng)力也會影響營養(yǎng)物質(zhì)的擴散，導(dǎo)致早期細胞死亡和基質(zhì)降解，加速了椎間盤的退變[17，19，24]。肥胖和超重引起的椎間盤退變機制除機械負荷因素外，機體的系統(tǒng)因素也備受關(guān)注。肥胖被認為是一種全身炎癥性疾病[25]，脂肪細胞分泌繼發(fā)性炎性介質(zhì)如脂肪細胞因子、IL-1β、IL-6、C反應(yīng)蛋白及腫瘤壞死因子-α等，促進椎間盤髓核基質(zhì)降解，導(dǎo)致椎間盤退變。

本組研究結(jié)果顯示患者腰痛疼痛程度與其平均ADC值呈明顯負相關(guān)，ADC值越低，疼痛程度越高。說明腰痛受椎間盤退變程度的影響。椎間盤退變導(dǎo)致腰痛具體機制仍不明確，研究指出椎間盤退變使基質(zhì)含量及水分減少，椎間盤的生物力學(xué)特性發(fā)生變化，在機械應(yīng)力的反復(fù)作用下容易發(fā)生纖維環(huán)撕裂，從而引起損傷修復(fù)的炎癥反應(yīng)。同時變性的髓核組織作為抗原刺激機體產(chǎn)生免疫反應(yīng)、釋放炎性介質(zhì)，這些炎癥介質(zhì)通過退變椎間盤的放射狀裂隙到達外層纖維環(huán)，刺激神經(jīng)引起疼痛[17，26]。

本研究所測的ADC值要高于Zhang等[4]的報道，其所使用的b值為800 s/mm2，而本實驗的b值取600 s/mm2，即提高了對水分子擴散運動的敏感性，又保證組織信號強度，降低偽影的影響。ROI的選取也有所不同，本實驗通過選取掃描列正中矢狀位像椎間盤的中間層面，避開上下終板及前后纖維環(huán)，每個椎間盤由前向后依次放置3個ROI，取其平均值納入數(shù)據(jù)分析，這樣極大程度上減小周圍纖維環(huán)及軟骨終板的影響所造成的誤差。該實驗也存在一定的局限性。手動繪制感興趣區(qū)時，可能會造成主觀偏見，特別是Pfirrmann分級為Ⅲ～Ⅴ的椎間盤，中間髓核與周圍纖維環(huán)分界不清楚，繪制ROI可能包含部分終板及纖維環(huán)影響髓核ADC的測量。另外，實驗選取的樣本量較少，患者的入選指標較局限，異質(zhì)性較大，可能使研究結(jié)果存在一定的假陽性相關(guān)。實驗表明腰椎間盤的退變程度與ADC值呈顯著負相關(guān)，ADC值可以很好的評估早期椎間盤的退變，但該研究未能制定基于ADC值的椎間盤退變的分期標準，而理想的標準是通過生物化學(xué)和組織學(xué)方法來評估，這也是以后的研究需要解決的問題。

綜上所述，MRI彌散加權(quán)成像作為一種無創(chuàng)的影像學(xué)檢查手段，能夠敏感地反映水分子的擴散特性，評價水分子的動態(tài)分布狀況。ADC值可以敏感、精準、客觀地反應(yīng)腰痛患者椎間盤的退變，相比于Pfirrmann分級系統(tǒng)等傳統(tǒng)評估方法，降低了觀察者間的差異，增加了診斷的敏感性，對椎間盤退變的診斷具有重要的價值。

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