磁共振T2-mapping技術(shù)評估腰椎間盤及椎小關(guān)節(jié)運動負荷的研究

楊少民 胡秋根* 陳海雄 岑玉堅 歐陽裕鋒

椎間盤由髓核、纖維環(huán)及軟骨終板組成，其組織化學(xué)成分主要為蛋白多糖(proteoglycan，PG)和膠原蛋白；PG主要位于髓核內(nèi)，維持椎間盤含水量及彈性，膠原蛋白則主要位于纖維環(huán)，維持纖維環(huán)的完整性[1-3]。生理負荷(如屈曲和伸展)導(dǎo)致軟骨基質(zhì)中水分含量降低伴隨著PG和膠原蛋白含量的增加。軟骨基質(zhì)含水量的下降是通過滲入關(guān)節(jié)間隙而發(fā)生，由PG的負電荷水分子被吸收回軟骨基質(zhì)中，以維持軟骨功能。椎小關(guān)節(jié)是具有軟骨表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其可以降低關(guān)節(jié)表面的摩擦力，從而維持脊柱正常狀態(tài)下的運動[4-6]。腰椎間盤及椎小關(guān)節(jié)是腰椎的主要承重結(jié)構(gòu)，由于其特定的幾何形狀和活動功能，雙側(cè)椎小關(guān)節(jié)可以減緩、限制脊柱的運動。

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)中T2弛豫時間圖(T2-mapping)采用多回波自旋序列，T2弛豫是T2信號的衰減常數(shù)，通過測量感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的T2值，能夠早期反映椎間盤內(nèi)含水量的變化[7-8]。為此，本研究通過使用T2-mapping成像技術(shù)測量腰椎間盤和椎小關(guān)節(jié)生理負荷后其基質(zhì)的水含量變化，來闡明其相互作用的機制。

1 資料與方法

1.1 一般資料

將2016年6月至2017年6月在南方醫(yī)科大學(xué)順德醫(yī)院28名健康志愿者納入本研究，男性和女性各14名；年齡18～25歲，平均年齡(22.14±1.67)歲；28名健康志愿者L1～S1間共140個椎間盤(28×5=140)。本研究均取得健康志愿者知情同意。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：年齡≤25歲的健康志愿者。

(2)排除標準：患有長期腰背痛、脊柱外傷史或手術(shù)史、骨關(guān)節(jié)疾病及畸形、代謝性疾病和自身免疫性疾病。

1.3 儀器設(shè)備

采用雙梯度Achieva 1.5T磁共振掃描儀(荷蘭飛利浦公司)進行磁共振掃描。

1.4 掃描方法

(1)使用兩種序列對腰椎進行檢查。首先使用標準自旋回波成像序列獲得常規(guī)T2加權(quán)圖像。掃描參數(shù)：重復(fù)時間(repetition time，TR)為3300 ms，回波時間(echo time，TE)為130 ms； 視野(field of view，F(xiàn)OV)為320 mm，矩陣448×448，層間距為3.0 mm； 層厚為5.0 mm。

(2)行T2-mapping掃描。掃描參數(shù)：TR為2000 ms，TE為20 ms； FOV為240 mm，層厚為5.0 mm，矩陣256×256。掃描前先進行勻場，并在椎體前方添加飽和帶。

(3)掃描兩次，第1次掃描前囑志愿者平躺1 h，然后行第1次掃描。掃描結(jié)束后志愿者出核磁儀，在60 s內(nèi)進行15次腰椎屈曲、伸展和旋轉(zhuǎn)運動，由醫(yī)師具體指導(dǎo)志愿者完成。在上述動作結(jié)束之后，志愿者回磁共振儀中重新定位并第2次次掃描。

1.5 圖像處理

T2-mapping使用Image J軟件計算。選取L1/2～L5/S1的每個椎間盤的中心層面，由2名放射科醫(yī)師在每個層面中的髓核中心處、椎間盤前纖維環(huán)處、椎間盤后纖維環(huán)處及雙側(cè)椎小關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨處，按照標準方案繪制所有感興趣區(qū)。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 19.0軟件計算并比較3個腰椎間盤區(qū)域的T2測量值和腰椎運動前后雙側(cè)小關(guān)節(jié)區(qū)域的變化情況。T2值以(±s)表示，T2值之間的差異采用Student'st檢驗進行方差分析比較。以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤T2弛豫時間值比較

腰椎運動后L1/2～L5/S1椎間盤髓核T2弛豫時間值下降，每個腰椎間盤T2弛豫時間值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.36，t=4.65，t=5.64，t=4.39，t=4.87；P＜0.05)，見表1，如圖1所示。

圖1 腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤T2弛豫時間值比較MRI圖像

2.2 腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤前纖維環(huán)T2弛豫時間值比較

腰椎運動后L1/2～L5/S1椎間盤前纖維環(huán)較運動前T2弛豫時間值略有下降，每個腰椎間盤T2弛豫時間值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(t=1.42，t=1.38，t=0.96，t=1.35，t=1.25；P＞0.05)，見表2。

表1 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤髓核T2弛豫時間值變化(±s)

表1 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤髓核T2弛豫時間值變化(±s)

運動時間(ms) L1/2 L2/3 L3/4 L4/5 L5/S1運動前 125.3±35.49 136.85±38.63 137.8±21.5 136.83±28.17116.68±20.83運動后 113.73±25.42132.55±31.86 134.3±38.9 124.25±25.73107.35±22.38 t值 4.36 4.65 5.64 4.39 4.87 P值 0.031 0.038 0.019 0.015 0.035

表2 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤前纖維環(huán)T2弛豫時間值變化(±s)

表2 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤前纖維環(huán)T2弛豫時間值變化(±s)

運動時間(ms) L1/2 L2/3 L3/4 L4/5 L5/S1運動前 56.82±11.36 53.48±15.34 55.44±13.23 54.91±18.17 51.66±17.71運動后 54.68±13.53 50.36±13.17 54.89±15.86 53.28±13.54 50.78±10.43 t值 1.42 1.38 0.96 1.35 1.25 P值 0.238 0.358 0.216 0.246 0.156

表3 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤后纖維環(huán)T2弛豫時間值變化(±s)

表3 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤后纖維環(huán)T2弛豫時間值變化(±s)

運動時間(ms) L1/2 L2/3 L3/4 L4/5 L5/S1運動前 56.82±11.36 53.48±15.34 55.44±13.23 54.91±18.17 51.66±17.71運動后 54.68±13.53 50.36±13.17 54.89±15.86 53.28±13.54 50.78±10.43 t值 1.42 1.38 0.96 1.35 1.25 P值 0.238 0.358 0.216 0.246 0.156

表4 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤左側(cè)椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值變化(±s)

表4 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤左側(cè)椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值變化(±s)

運動時間(ms) L1/2 L2/3 L3/4 L4/5 L5/S1運動前 52.36±10.48 56.36±15.68 54.67±12.94 52.74±11.83 51.38±15.18運動后 47.85±16.04 47.65±14.56 44.52±16.68 42.13±17.35 46.83±14.06 t值 4.67 4.23 4.74 5.28 5.16 P值 0.026 0.031 0.016 0.028 0.018

表5 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤右側(cè)椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值變化(±s)

表5 28名受檢者腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤右側(cè)椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值變化(±s)

運動時間(ms) L1/2 L2/3 L3/4 L4/5 L5/S1運動前 58.47±14.68 60.17±15.74 58.13±12.97 61.85±18.36 57.86±11.53運動后 49.26±16.37 51.38±12.46 49.17±15.97 51.36±13.85 50.25±10.46 t值 4.52 4.68 4.87 5.39 5.26 P值 0.025 0.016 0.028 0.014 0.025

2.3 腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎間盤后纖維環(huán)T2弛豫時間值比較

腰椎運動后L1/2～L5/S1椎間盤后纖維環(huán)較運動前T2弛豫時間值增加，僅有L4/5椎間盤差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.86，P＜0.05，余椎間盤無統(tǒng)計學(xué)意義(t=1.37，t=0.63，t=1.25，t=1.58；P＞0.05)，見表3。

2.4 腰椎運動前后左側(cè)L1/2～L5/S1椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值比較

腰椎運動后左側(cè)椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值下降，每個椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.67，t=4.23，t=4.73，t=5.28，t=5.16；P＜0.05)，見表4，如圖2所示。

圖2 腰椎運動前后L1/2～L5/S1椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值比較MRI圖像

2.5 腰椎運動前后右側(cè)L1/2～L5/S1椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值比較

腰椎運動后L1/2～L5/S1椎間盤右側(cè)椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值下降，每個椎小關(guān)節(jié)T2弛豫時間值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.52，t=4.68，t=4.87，t=5.39，t=5.26；P＜0.05)，見表5。

3 討論

MRI技術(shù)早已用于椎間盤退變的診斷，但傳統(tǒng)的MRI并不能檢測≤25歲的成年人椎間盤的早期變性。MRI近期發(fā)展起來的T2-mapping技術(shù)可以早期觀察、量化椎間盤細胞外基質(zhì)的變化[9]。因此，本研究通過MRI T2-mapping這項新技術(shù)評估人體生理負荷后腰椎間盤和椎小關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)中的含水量變化。

椎間盤是由包含膠原蛋白、PG和水的細胞外基質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)，有兩個形態(tài)和生物力學(xué)上不同的區(qū)域：即纖維環(huán)和髓核。腰椎間盤在力學(xué)傳導(dǎo)中起到一個減震器的作用，其通過纖維環(huán)和髓核結(jié)構(gòu)之間的相互作用，在椎體之間起到緩沖作用[9]。PG的負電荷負責(zé)保持椎間盤的特定含水量，這是正常椎間盤所必需的功能特性。在生理負荷、特別是軸向運動負荷導(dǎo)致含水量減少，同時在人體松弛時疏導(dǎo)水分返回到椎間盤中。椎小關(guān)節(jié)是表面覆有軟骨的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其提供低摩擦界面以保證健康脊柱正常狀態(tài)下的運動。椎小關(guān)節(jié)的軟骨細胞外基質(zhì)由膠原纖維、PG和水分子組成。生理負荷(如屈曲和伸展)導(dǎo)致軟骨基質(zhì)中水分含量降低，伴隨著PG和膠原蛋白含量的增加。軟骨基質(zhì)含水量的下降是通過滲入關(guān)節(jié)間隙而發(fā)生的，由于PG的負電荷，在人體松弛過程中被再吸收回到軟骨基質(zhì)中，以維持軟骨功能[10]。腰椎間盤及椎小關(guān)節(jié)是人體主要的承重結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在負荷時起到分擔(dān)重量的重要作用，然而過度的負荷可能導(dǎo)致通過軟骨基質(zhì)中的保水能力喪失，從而導(dǎo)致退化和不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)破壞[11]。

在椎間盤和纖維環(huán)中，在下位腰椎水平T2弛豫時間值趨于降低，在上位腰椎水平T2弛豫時間值趨于升高。因椎間盤機械負荷導(dǎo)致含水量的下降，其反映了上位腰椎和中位腰椎受到比下位腰椎更少的機械負荷，在髓核組織中這種趨勢更為顯著。此外，髓核比纖維環(huán)的T2弛豫時間值高，可能因為髓核更富含PG，可以提供椎間盤抵抗壓力符合所需的滲透特性。雖然L5/S1的T2弛豫時間值是所有脊柱水平的最低值，但其他層面的T2弛豫時間值在本研究中未見顯著的趨勢。

腰椎運動負荷后，各椎間盤髓核及椎小關(guān)節(jié)軟骨含水量顯著下降，但動態(tài)負荷后的前、后纖維環(huán)水分含量下降無統(tǒng)計學(xué)意義，這些相互作用的變化似乎在維持椎間盤髓核和椎小關(guān)節(jié)軟骨中的基質(zhì)中起重要作用[12]。有文獻報道，腰椎的75%～97%的壓力負荷由椎間盤承擔(dān)，3%～25%的側(cè)方壓力由脊柱的后部承擔(dān)[13]。在承受壓縮、拉伸和壓力負荷的同時，覆蓋椎小關(guān)節(jié)表面的軟骨能夠有助于減少運動時的摩擦，這是由于軟骨組織的特定結(jié)構(gòu)和軟骨基質(zhì)的機械性質(zhì)所決定[14]。

腰椎是人們?nèi)粘Ｉ钪蓄l繁活動的一部分，動態(tài)生理負荷后椎小關(guān)節(jié)和椎間盤中含水量的定量分析有助于指導(dǎo)防止椎間盤和椎小關(guān)節(jié)損傷。此外，這些結(jié)果可能是預(yù)防椎間盤和椎小關(guān)節(jié)病變，如椎間盤突出、椎管狹窄、退行性脊椎滑脫以及退行性脊柱側(cè)彎的關(guān)鍵。

本研究仍有一些局限性：①運動測試方法，每次腰椎運動的姿勢以及每次腰椎重復(fù)次數(shù)并未規(guī)范，在今后的研究中可以觀察腰椎運動負荷的姿勢與椎間盤和椎小關(guān)節(jié)T2-mapping圖像之間的關(guān)系；②關(guān)于椎間盤含水量的晝夜變化，并未有使用T2-mapping方法檢查這種晝夜變化的報道，為了消除本研究早晨和晚上差異的影響，本試驗檢查在下午同樣時間進行。

本研究發(fā)現(xiàn)，腰椎運動負荷后腰椎間盤髓核及椎小關(guān)節(jié)軟骨含水量顯著下降，提示椎間盤中的髓核基質(zhì)和椎小關(guān)節(jié)中的軟骨以相互作用的方式維持著重要的作用，這種相互作用的認知作為承載結(jié)構(gòu)可以為臨床干預(yù)、康復(fù)訓(xùn)練及物理治療提供重要信息。