MRI T1rho對下腰痛者腰椎間盤退變的定量評估

李丹，王莉霞，吳文駿，孔祥泉，劉定西

下腰痛是臨床的常見病及多發(fā)病之一，嚴重影響患者的生活質(zhì)量，并且隨著年齡的增長其發(fā)病率也會隨之增加[1]。目前認為椎間盤退行性變是下腰痛發(fā)病的最常見原因[2]，但臨床工作中通常很難提供定量及早期診斷依據(jù)。MRI T1rho作為一種新穎的定量檢測方法，通過探測細胞外基質(zhì)中水分子與大分子間的相互慢運動，反映細胞外基質(zhì)中生物化學成分的改變。最新有動物研究表明，T1rho值與椎間盤髓核(nucleus pulposus，NP)中蛋白多糖的含量密切相關[3]，可以定量反映椎間盤的退變程度，因此MRI T1rho可以用于定量檢測椎間盤的退變。本研究主要探討T1rho對腰椎間盤退行性變的定量診斷價值，為臨床提供早期診斷及治療依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究收集38例下腰痛者，男15例，女23例，年齡22～59歲，平均年齡(41.2±14.0)歲，共190個腰椎間盤，納入標準：MR顯示有一個或多個節(jié)段的腰椎間盤退變，且有一次或反復發(fā)作的下腰痛病史；收集28名無癥狀志愿者，男18例，女10例，年齡22～38歲，平均年齡(25.6±3.1)歲，共140個椎間盤，納入標準：無下腰痛及坐骨神經(jīng)痛病史。

所有樣本排除標準：有脊柱外傷及手術病史，有脊柱感染、腫瘤、代謝疾病、自身免疫疾病、骨關節(jié)疾病病史。

1.2 檢查設備及方法

采用GE 750W 3.0 T MR儀，對所有受試者行仰臥位檢查，使用腰椎基本線圈分別采集腰椎矢狀位T2WI及矢狀位T1rho圖像。

矢狀位FSE T2WI序列參數(shù)：TR=2500 ms，TE=120 ms，矩陣=320×288，ETL=21，F(xiàn)OV=24 cm，BW=62.5 kHZ，層厚=3.0 mm，掃描時間1 min 35 s。

矢狀位T1rho序列參數(shù)：自旋鎖定時間(time of spin locking，TSL)1-TSL4=1/10/30/60 ms，矩陣=256×192，自旋鎖功率=500 HZ，ETL=40，F(xiàn)OV=22 cm，BW=62.5 kHZ，層厚=5.0 mm，掃描時間6 min 47 s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由兩名經(jīng)驗豐富的M R 骨關節(jié)診斷醫(yī)師根據(jù)Pfirrmann等[4]提出的IVDD5級分法(表1)通過腰椎間盤矢狀位T2WI進行分級，當意見不一致時再請第三位MR骨關節(jié)診斷醫(yī)師給出意見。

采用GE 750W自帶軟件T2 mapping進行圖像后處理。在腰椎間盤NP中央?yún)^(qū)域取橢圓形感興趣區(qū)，大小20～50 mm2，對T1rho中間層面連續(xù)3幅圖像進行測量，并取平均值。

1.4 統(tǒng)計學方法

采用Kruskal-Wallis檢驗分析各腰椎間盤節(jié)段及不同退變等級腰椎間盤T1rho值的差異性，不同腰椎節(jié)段及退變等級間兩兩比較用Bonferroni法；下腰痛者與無癥狀志愿者各節(jié)段椎間盤T1rho值的差異性采用獨立樣本t檢驗，并用柱狀圖表示；用Spearman相關系數(shù)分析各椎間盤退變程度與T1rho值的相關性，并用散點圖表示；年齡、體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)和NP區(qū)T1rho值的相關性用線性關系圖表示；所有分析都采用雙側(cè)檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。所有數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0軟件分析。

2 結(jié)果

代表性腰椎矢狀位T2WI圖像及相應的T1rho后處理偽彩圖像見圖1。

38例下腰痛者及28名無癥狀志愿者共330個腰椎間盤納入本研究，其各節(jié)段腰椎間盤(L1/2、L2/3、L3/4、L4/5、L5/S1)NP區(qū)T1rho值見表2。下腰痛者L1-S1各節(jié)段椎間盤NP區(qū)T1rho值均比對照組低，且差異存在統(tǒng)計學意義(P＜0.01)，且下腰痛者L4/5、L5/S1椎間盤T1rho值明顯低于L1/2、L2/3(P＜0.05)。

所有研究對象Pfirrmann Ⅰ～Ⅴ級的總個數(shù)分別為24、179、81、41、5，其中下腰痛者Pfirrmann Ⅰ～Ⅴ級的椎間盤個數(shù)分別為5、67、74、39、5，對照組Pfirrmann Ⅰ～Ⅴ級的椎間盤個數(shù)分別為19、112、7、2、0。因Pfirrmann V級椎間盤數(shù)目較少，故未納入統(tǒng)計學分析，Pfirrmann Ⅰ～Ⅳ級NP區(qū)T1rho值分別約(141.5±9.8) ms、(117.1±13.0) ms、(85.6±13.9) ms、(60.5±10.5) ms，椎間盤Pfirrmann等級與T1rho值呈負相關(r=-0.86，P＜0.05)，見圖2，且各Pfirrmann等級間T1rho值差異均存在統(tǒng)計學意義(P＜0.01)，隨著Pfirrmann退變等級增加，椎間盤NP區(qū)T1rho值逐漸減低。

各腰椎間盤NP區(qū)T1rho值與年齡及BMI均呈負相關(r=-0.63，P＜0.01；r=-0.33，P＜0.01)，隨著年齡和BMI的增長，椎間盤NP區(qū)T1rho值呈減低趨勢，見圖3及圖4。

表1 腰椎間盤退行性變的Pfirrmann分級評估Tab. 1 Pfirrmann grading system for the assessment of lumbar disc degeneration

3 討論

椎間盤由髓核、纖維環(huán)及上下的軟骨終板構(gòu)成，其中髓核主要由25%膠原蛋白和50%蛋白多糖構(gòu)成，髓核通過蛋白多糖的滲透作用產(chǎn)生的膨脹壓力來抵抗脊柱的壓力作用。在椎間盤發(fā)生退變的早期，主要是髓核中蛋白多糖的丟失，所以早期發(fā)現(xiàn)及治療可以延緩椎間盤退變的進展[5]。

圖1 A和B為25歲女性無癥狀志愿者T2WI和T1rho偽彩圖，A：L1-S1各椎間盤髓核區(qū)為Ⅱ級，B：各椎間盤髓核區(qū)信號較高為綠色；C和D為35歲男性下腰痛患者T2WI和T1rho偽彩圖，C：L4/5、L5/S1椎間盤髓核區(qū)為Ⅲ級，D：相應椎間盤髓核區(qū)信號減低為淺紅色Fig.1 A and B representative T2WI and T1rho pseudo color image of an asymptomatic 25-year-old female subject. A: L1-S1 each level of the NP shows Pfirrmann grade Ⅱ, B: Each disc of the NP with high signal shows green;C and D representative T2WI and T1rho pseudo color image of a 35-yearold male subject with low back pain. C: L4/5, L5/S1 level of the NP shows Pfirrmann grade Ⅲ, D: corresponding disc of the NP with low signal shows light red.

表2 下腰痛患者及志愿者各節(jié)段椎間盤NP區(qū)T1rho值(ms)及相關性分析Tab. 2 T1rho values (ms) in NP region of intervertebral disc and correlation analysis in the low back pain and volunteers

目前臨床上對于椎間盤退變程度的評估廣泛采用Pfirrmann分級系統(tǒng)[4]，在MRI T2WI上根據(jù)椎間盤的結(jié)構(gòu)、信號強度、椎間盤高度及髓核和纖維環(huán)的分界將椎間盤退變分為Ⅰ～Ⅴ級，其中認為Ⅰ級為正常椎間盤，Ⅴ級為嚴重退變的椎間盤。Pfirrmann分級存在一定的人為主觀因素，并且不能精確地反映椎間盤早期退變時蛋白多糖含量的變化，所以臨床工作中椎間盤髓核中蛋白多糖含量的無創(chuàng)定量檢測方法非常有研究價值。MRI T1rho成像技術作為一種無創(chuàng)定量檢查方法，已有研究報道T1rho可以定量檢測椎間盤髓核中蛋白多糖的含量，對椎間盤的退變程度及早期退變有診斷價值[3，6]。

MRI T1rho是一種旋轉(zhuǎn)坐標系下的自旋-晶格弛豫，用于研究細胞外基質(zhì)中大分子與水分子之間的相互低頻運動，尤其在0～100 kHz的低頻范圍。T1rho序列首先用90°脈沖將Z軸方向的磁化矢量翻轉(zhuǎn)到X-Y平面上，接下來，一串長時間低頻率的脈沖運用于X-Y平面來自旋鎖定磁化矢量，最后再用90°脈沖將X-Y平面的磁化矢量恢復到Z軸，在自旋鎖定脈沖影響下的橫向弛豫即為T1rho弛豫。T1rho值取決于所測量組織的特性和所應用的自旋鎖定脈沖序列的特點[7]，在關節(jié)軟骨的研究中，隨著軟骨退變程度增加其相應區(qū)域T1rho值增加[8]。而在椎間盤的研究中，隨著椎間盤的退變程度增加其T1rho值也隨之減小[6]，雖然這兩種結(jié)構(gòu)中都含有蛋白多糖、水和II型膠原蛋白，但由于其結(jié)構(gòu)的差異及退變時結(jié)構(gòu)變化的差異可能對不同組織T1rho值的變化產(chǎn)生影響。

圖2 椎間盤Pfirrmann等級與NP區(qū)T1rho值相關性散點圖 圖3 年齡與NP區(qū)T1rho值相關性散點圖 圖4 BMI與NP區(qū)T1rho值相關性散點圖Fig.2 The scatter diagram between Pfirrmann grades and T1rho values in NP region. Fig.3 The scatter diagram between age and T1rho values in NP region.Fig.4 The scatter diagram between BMI and T1rho values in NP region.

本研究主要是評估T1rho對腰椎間盤退變的定量診斷價值。在臨床工作中，腰椎CT及MR檢查運用廣泛，主要是提供椎間盤高度減低、椎間盤突出/膨出、纖維環(huán)撕裂等信息，但這些改變通常發(fā)生在椎間盤退變中晚期階段，只能通過手術治療來緩解患者的癥狀，因此椎間盤退變的早期定量診斷非常具有臨床價值。該研究結(jié)果中Pfirrmann Ⅰ～Ⅳ級NP區(qū)T1rho值分別約(141.5±9.8) ms、(117.1±13.0) ms、(85.6±13.9) ms、(60.5±10.5) ms，與最新研究報道的(161.73±17.14) ms、(128.18±12.65) ms、(98.66±13.61) ms、(61.05±11.01) ms呈相應趨勢遞減[9]，即隨著退變等級的增加各椎間盤T1rho值逐漸減低，各Pfirrmann等級間兩兩比較其T1rho值均存在明顯差異。目前臨床上運用廣泛的Pfirrmann分級系統(tǒng)通常認為Ⅰ級為正常椎間盤，Ⅱ～Ⅲ級為早期退變的椎間盤，但Pfirrmann分級系統(tǒng)因為存在一定的主觀差異性，所以不能精確反映椎間盤退行性改變。而T1rho屬于一種定量檢測方法，它對椎間盤中蛋白多糖的含量比較敏感，而蛋白多糖的含量與椎間盤退變密切相關[3]。本研究中Pfirrmann Ⅱ～Ⅲ級的T1rho值區(qū)間范圍較大，說明椎間盤T1rho值對椎間盤早期退變比較敏感，因此T1rho可以作為臨床上評估椎間盤早期退變的評價手段，發(fā)現(xiàn)早期退變并給予相應的非手術治療，來預防椎間盤退變的進展。

腰椎間盤退變是引起下腰痛的常見原因[2]，但椎間盤源性腰痛的發(fā)病機制仍未明確，可能與纖維環(huán)內(nèi)層破裂、髓核外滲等相關。本研究發(fā)現(xiàn)下腰痛者各椎間盤節(jié)段NP區(qū)的T1rho值均明顯低于志愿者，且下腰痛者各椎間盤NP區(qū)T1rho值從L1/2節(jié)段到L5/S1節(jié)段逐漸減低，其中L4/5、L5/S1椎間盤的T1rho值明顯減低，與L1/2、L2/3椎間盤的值存在顯著差異性，研究結(jié)果表明L4/5、L5/S1椎間盤相對于上節(jié)段椎間盤更容易發(fā)生蛋白多糖的丟失而發(fā)生椎間盤退行性變，與之前的研究結(jié)果大致相仿[10]，這可能與脊柱的負重有關，下段腰椎更容易受力。

年齡是腰椎間盤退變的一個重要因素，隨著年齡的增長椎間盤退變程度逐漸加重，椎間盤髓核內(nèi)蛋白多糖及水分的含量也逐漸減低，因此椎間盤NP區(qū)的T1rho值隨著年齡的增長逐漸減低，與文獻的報道相符[11]。

有文獻報道生活方式與腰椎間盤退變也有關，其中肥胖會加重腰椎間盤退變程度[12]。本研究發(fā)現(xiàn)椎間盤NP區(qū)T1rho值與BMI呈負相關，隨著BMI指數(shù)的增加椎間盤髓核的T1rho值呈下降趨勢，說明肥胖者的腰椎間盤更容易發(fā)生退行性變，這可能與肥胖者腰椎受力增加有關，受力通過脊柱傳導，加速了椎間盤中蛋白多糖的降解。

本研究的局限性：(1)樣本量相對較小，以后的研究可以使用更大的樣本量來增加可靠性；(2)本研究結(jié)果缺乏相應的椎間盤病理組織結(jié)果對照，開展椎間盤動物模型研究非常有必要；(3)目前T1rho序列只能采集矢狀位圖形，需要進一步研究能多方位成像。

總之，MRI T1rho作為一種無創(chuàng)的檢查方法，可對腰椎間盤的退變程度達到定量診斷，特別是退變早期無形態(tài)學改變的椎間盤，可以做出早期診斷，從而為臨床醫(yī)生提供早期治療依據(jù)，來延緩及預防椎間盤退變的進展。同時，T1rho對治療后效果評估方面也存在潛在應用價值，值得進一步研究。

利益沖突：無。