腰椎間孔MRI和CT三維測量的對(duì)比分析

高浩源 朱新煒 韓建龍 邱思強(qiáng) 左金良 臧睿

腰椎間孔是神經(jīng)根源性疾病的高發(fā)部位和腰椎疾病微創(chuàng)治療的重要通道，其影像學(xué)測量需要精準(zhǔn)和全面[1-2]。以往腰椎間孔的測量主要采用二維測量，測量結(jié)果不能全面反映腰椎間孔的三維數(shù)據(jù)[3]，可能存在一定的測量誤差。本研究通過測量和對(duì)比分析腰椎退變病人及腰椎正常者的腰椎間孔MRI和CT三維模型的差異，旨在為腰椎間孔三維模型的開發(fā)提供參考依據(jù)，以利于臨床診斷腰椎間孔狹窄和準(zhǔn)確評(píng)估微創(chuàng)治療通道。

1 資料與方法

1.1 一般資料 前瞻性納入濟(jì)南市第四人民醫(yī)院2013年8月—2016年8月間的56例腰椎退變病人[男 24 例，女 32 例，年齡 39～72 歲，平均（56.5±7.6）歲]和41名腰椎體檢正常者[男18名，女23名，年齡 25～36 歲，平均（31.4±5.2）歲]。每位參與者均于同日內(nèi)完成腰椎MRI和CT檢查。腰椎退變病人納入標(biāo)準(zhǔn)：腰背部疼痛且伴有坐骨神經(jīng)痛；腰背部軟組織有明顯壓痛；下肢神經(jīng)癥狀如下肢麻木、肌力下降和腱反射改變。排除標(biāo)準(zhǔn)：有腰骶椎畸形、腰椎外傷及腰椎手術(shù)史者。本研究獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有參與者均簽署知情同意書。

1.2 設(shè)備與參數(shù) 采用Philips Achieva 1.5 T MR掃描設(shè)備和Philips Brilliance 64排螺旋CT設(shè)備進(jìn)行掃描，所有參與者均取仰臥位，掃描范圍從L1至S5水平。掃描參數(shù)：①M(fèi)RI采用自旋回波（SE）序列，T1WI：TR 650 ms，TE 9.3 ms；T2WI：TR 3 000 ms，TE 88 ms；抑脂序列：TR 35 00 ms，TE 82 ms，層厚2 mm，層間距 3 mm，F(xiàn)OV 320 mm×320 mm，矩陣1.33 mm×1.00 mm×4.00 mm。②CT：管電壓 120 kV，曝光量280 mAs，層厚 2 mm，層間距 2 mm，螺距 1。

1.3 腰椎間孔三維模型建立與數(shù)據(jù)測量 將MRI和CT圖像數(shù)據(jù)以Dicom3.0格式導(dǎo)入三維重建軟件Mimics19.0（Materialise，比利時(shí)）中，通過提取、分割、光滑等處理，保留腰椎骨性結(jié)構(gòu)及韌帶組織，剔除脊髓、神經(jīng)根、脂肪組織等椎管內(nèi)容物，生成腰椎間孔的三維模型（圖1）。由2名骨科醫(yī)師（工作9年和10年）和1名影像科副主任醫(yī)師（工作15年）采用雙盲法測量MRI和CT腰椎間孔模型的三維數(shù)據(jù)，包括腰椎間孔容積、矢狀面最小面積及冠狀面長徑 （以矢狀面最長徑和最短徑的交叉點(diǎn)為中心點(diǎn)，最內(nèi)側(cè)矢狀面中心點(diǎn)與最外側(cè)矢狀面中心點(diǎn)連線為椎間孔冠狀面長徑）。每位醫(yī)生各自測量一次，取3人測量的平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以（x±s）表示。采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的信度分析計(jì)算組內(nèi)相關(guān)系數(shù) （ICC）評(píng)價(jià)不同測量者之間的一致性，ICC≤0.4表示一致性較低，0.4＜ICC≤0.75表示一致性中等，ICC＞0.75表示一致性較高。2種成像方法三維模型數(shù)據(jù)間比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 腰椎間孔三維模型。

2 結(jié)果

2.1 不同測量者之間的一致性 3名測量者在測量腰椎間孔容積、矢狀面最小面積及冠狀面長徑的CT和MRI數(shù)據(jù)之間存在較高的一致性（均ICC＞0.9），詳見表 1、2。

表1 不同測量者之間CT數(shù)據(jù)測量的一致性分析

表2 不同測量者間MRI數(shù)據(jù)測量的一致性分析

2.2 腰椎正常者腰椎間孔MRI與CT三維數(shù)據(jù)比較 MRI模型上測得的L1～S1各節(jié)段椎間孔容積及L1/L2、L2/L3、L3/L4、L4/L5節(jié)段的矢狀面最小面積均小于CT測量結(jié)果（均P＜0.05），其余測量值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均 P＞0.05），詳見表 3。

表3 腰椎正常者腰椎間孔MRI與CT三維數(shù)據(jù)比較

2.3 腰椎退變病人腰椎間孔MRI與CT三維數(shù)據(jù)比較 MRI模型上測得的L1～S1各節(jié)段的椎間孔容積以及L1/L2和L2/L3節(jié)段的椎間孔矢狀面最小面積均小于CT模型所測量的結(jié)果（均P＜0.05），其余測量值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），詳見表4。

表4 腰椎退變病人腰椎間孔MRI與CT三維數(shù)據(jù)比較

3 討論

腰椎間孔由相鄰2個(gè)椎體的上下切跡圍成，其內(nèi)包括神經(jīng)根及其伴行血管、脂肪組織和韌帶組織。近年關(guān)于MRI和CT測量腰椎間孔尺寸的比較均為二維數(shù)據(jù)的對(duì)比[3-4]，而腰椎間孔為三維立體通道，單純二維測量不能全面準(zhǔn)確地評(píng)估腰椎間孔。隨著對(duì)腰椎間孔狹窄疾病的重視和椎間孔鏡應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)腰椎間孔的測量要求更加準(zhǔn)確。由于腰椎間孔三維重建軟件尚不成熟，目前發(fā)表的文獻(xiàn)未見有關(guān)進(jìn)行腰椎間孔MRI和CT三維測量對(duì)比的報(bào)道。本研究對(duì)基于MRI和CT數(shù)據(jù)的腰椎間孔三維模型進(jìn)行測量和對(duì)比分析，旨在能夠更加準(zhǔn)確地測得臨床病人腰椎間孔數(shù)據(jù)，為腰椎間孔三維模型軟件的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

本研究所收集的樣本均為同一參與者在同日進(jìn)行的腰椎MRI和CT檢查數(shù)據(jù)，均采取仰臥位。腰椎退變病人均有腰背疼痛癥狀，而腰椎正常者均無腰部疼痛癥狀，這樣保證了每組樣本的一致性，建立三維模型以及測量數(shù)據(jù)均由有經(jīng)驗(yàn)的骨科醫(yī)師和放射科醫(yī)師雙盲完成，測量者之間數(shù)據(jù)結(jié)果存在較高一致性，保證了MRI和CT數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性，本研究旨在對(duì)比MRI和CT腰椎間孔三維測量的差異，故參與者性別、年齡以及是否出現(xiàn)癥狀等因素在此未做進(jìn)一步分析。

椎間孔是由上下椎弓根、前方部分椎體后壁和椎間盤以及后方關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)圍成的內(nèi)口小、外口大的漏斗形通道，部分樣本黃韌帶自椎管內(nèi)延伸到椎間孔出口與關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)囊融合，參與構(gòu)成了椎間孔的后壁。在建模過程中發(fā)現(xiàn)，椎間孔的前壁主要由部分椎體和椎間盤后壁構(gòu)成，上壁為上位椎弓根下壁，下壁為下位椎弓根的上壁，CT和MRI均能準(zhǔn)確定位。椎間孔后壁主要結(jié)構(gòu)為關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)囊，有時(shí)會(huì)有黃韌帶延伸至此，并且發(fā)現(xiàn)有韌帶組織延伸至上位椎弓根的下壁，參與構(gòu)成了椎間孔后上壁。CT影像上，骨皮質(zhì)呈高密度，椎管內(nèi)軟組織呈低密度，清晰的椎間孔后壁顯示為附著于關(guān)節(jié)突表面的低密度條帶樣結(jié)構(gòu)，通過與椎間孔內(nèi)容物的密度差異識(shí)別后壁邊界。MR T1WI上，腦脊液和纖維結(jié)締組織均呈高信號(hào)，不易辨別椎間孔后壁邊界；T2WI上，腦脊液呈高信號(hào)，纖維結(jié)締組織和骨質(zhì)呈低信號(hào)，根據(jù)信號(hào)對(duì)比可清晰顯示椎間孔輪廓，椎間孔后壁顯示為關(guān)節(jié)突表面連接于上下椎弓根的低T2信號(hào)條帶樣結(jié)構(gòu)。MRI對(duì)于后壁軟組織的識(shí)別定位優(yōu)于CT，特別當(dāng)腰椎間孔壁的軟組織厚度＜1 mm時(shí)，CT影像上無法顯示和識(shí)別。本研究結(jié)果顯示腰椎退變病人和腰椎正常者L1~S1各節(jié)段MRI椎間孔模型容積均小于CT模型所測得的結(jié)果，這可能與椎間孔周壁軟組織在未發(fā)生退變增生時(shí)組織密度低，CT對(duì)其成像較差有關(guān)。以往文獻(xiàn)[5-6]報(bào)道的椎間孔影像學(xué)測量，多數(shù)是測量椎間孔投影的橫徑和縱徑，是對(duì)椎間孔矢狀面最小面積的間接測量，反映椎間孔的狹窄程度。本研究直接測量了腰椎間孔矢狀面最小面積，并進(jìn)行MRI和CT對(duì)比，發(fā)現(xiàn)腰椎退變病人在L1/L2和 L2/L3節(jié)段差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在 L3/L4、L4/L5、L5/S1節(jié)段差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，考慮與本研究選取的樣本人群有關(guān)，本研究中的樣本均有不同程度腰椎退變，伴有骨質(zhì)增生、椎間盤突出或黃韌帶肥厚等，在建立三維模型中發(fā)現(xiàn)椎間孔后壁軟組織厚度＞1 mm（MRI測量結(jié)果）時(shí)，CT上能夠準(zhǔn)確識(shí)別，因此呈現(xiàn)L3/L4、L4/L5、L5/S1節(jié)段腰椎間孔矢狀面最小面積MRI和CT比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。MRI和CT均能識(shí)別骨質(zhì)及椎間盤組織，但對(duì)于腰椎間孔未發(fā)生退變的后壁軟組織，CT的顯示較MRI差，椎間孔后壁軟組織厚度＜1 mm（MRI測量結(jié)果）時(shí)CT上不能準(zhǔn)確識(shí)別，因此與腰椎退變病人相比，腰椎正常者有更多節(jié)段（L1/L2、L2/L3、L3/L4和 L4/L5節(jié)段）測得的矢狀面最小面積在2種成像方法間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在L5/S1節(jié)段后壁軟組織厚度大于其他節(jié)段，可能是由于力學(xué)傳導(dǎo)使L5/S1節(jié)段軟組織發(fā)育性增厚，或者是樣本雖無神經(jīng)癥狀但該節(jié)段已發(fā)生退變，CT能夠識(shí)別椎間孔后壁軟組織，故2種成像方法測量數(shù)據(jù)間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。通過比較2種成像方法對(duì)腰椎退變病人和腰椎正常者的測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在腰椎沒有發(fā)生退變，即椎間孔后壁軟組織沒有發(fā)生增生肥厚時(shí)，CT測量值普通大于MRI，而在腰椎發(fā)生退變時(shí)，MRI和CT測量數(shù)據(jù)無顯著差異。

黃韌帶是腰椎間孔組成的重要結(jié)構(gòu)之一，黃韌帶的肥厚是腰椎間孔狹窄的重要因素。黃韌帶上端附著于上位椎板下緣的前面，下端止于下位椎板上緣的后面，向前可達(dá)腰椎側(cè)隱窩的后緣和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)緣，與椎弓板間隔交替排列，共同組成椎管后壁，具有限制脊柱過度前屈以及維持身體直立姿勢的作用[7-8]，椎間孔內(nèi)黃韌帶的解剖特點(diǎn)在個(gè)體間存在較大差異，是測量椎間孔必須要考慮的因素，Worth等[9]利用多層螺旋CT建立腰椎間孔三維模型，通過表面遮蔽顯示重組方法建立的椎間孔骨性通道，忽略了骨表面關(guān)節(jié)囊、韌帶等軟組織的存在，有可能造成測量結(jié)果大于實(shí)際值。張等[10]報(bào)道MRI具有較高的軟組織分辨力，使MRI對(duì)椎間孔的測量較CT更加準(zhǔn)確，但由于神經(jīng)根與韌帶組織密度相近，且兩者多有相連，另外背根神經(jīng)節(jié)在椎間孔的位置變化以及與神經(jīng)根匯合方式的變化，使MRI三維重組目前尚不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，需要手動(dòng)操作，限制了其臨床應(yīng)用。本研究通過Mimics軟件建立三維模型，可以發(fā)現(xiàn)椎間孔前壁椎體后緣骨性結(jié)構(gòu)以及高密度結(jié)締組織的纖維環(huán)，椎間孔上下壁大部分為骨性結(jié)構(gòu)；在構(gòu)建MRI和CT模型時(shí)對(duì)兩者邊界的識(shí)別差異較小，而在構(gòu)建三維模型后壁時(shí)發(fā)現(xiàn)在MRI上顯示存在一些纖維組織連接于上下椎弓根后端之間，當(dāng)這些纖維結(jié)構(gòu)橫徑＜1 mm時(shí)，在CT影像上僅能顯示關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，不能顯示這些貼近關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)表面的纖維結(jié)構(gòu)，這使得2種椎間孔三維模型測量的矢狀面面積產(chǎn)生差異，這可能是MRI和CT對(duì)腰椎間孔測量存在差異的主要原因。在腰椎退變時(shí)這些纖維組織增厚與關(guān)節(jié)囊融合，使MRI和CT測量的椎間孔矢狀面面積差異減少或消失。另外黃韌帶向椎間孔的延伸走行在個(gè)體間也存在差異，有的黃韌帶延伸至椎間孔，與關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)囊融合共同構(gòu)成后壁結(jié)構(gòu)，有的黃韌帶沒有延伸至椎間孔，椎間孔后壁的構(gòu)成沒有黃韌帶，當(dāng)后壁軟組織厚度＜1 mm（MRI測量結(jié)果）時(shí)CT上不能區(qū)分軟組織與骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此要建立準(zhǔn)確的腰椎間孔三維模型必須解決對(duì)其后壁邊界準(zhǔn)確識(shí)別這一技術(shù)難題。另有尸體解剖研究發(fā)現(xiàn)椎間孔的中央?yún)^(qū)是椎間孔各部分中相對(duì)狹窄的區(qū)域，橫韌帶可將椎間孔出口區(qū)分為上下2個(gè)間隔，神經(jīng)根從橫韌帶下間隔中穿出，該通道要比中央?yún)^(qū)還要狹窄[11]。但本研究發(fā)現(xiàn)無論是在MRI還是CT影像上，均未能明確定位椎間孔橫韌帶。

本研究通過對(duì)比MRI和CT腰椎間孔三維模型發(fā)現(xiàn)，目前CT尚不能精確顯示未發(fā)生顯著退行性改變的后壁軟組織，而MRI能夠更加清晰地顯示腰椎間孔后壁軟組織，對(duì)腰椎間孔的三維測量更加準(zhǔn)確，并且對(duì)診斷單純腰椎間孔狹窄可能更加敏感。但本研究也存在不足，本研究是對(duì)活體狀態(tài)下腰椎間孔MRI和CT三維模型數(shù)據(jù)的對(duì)比研究，并不是真實(shí)測量樣本數(shù)據(jù)，研究結(jié)果存在一定的局限性，無法準(zhǔn)確評(píng)估MRI和CT三維數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的差異，為了彌補(bǔ)該不足，在后續(xù)研究中我們將對(duì)新鮮尸體脊柱標(biāo)本進(jìn)行實(shí)體測量，并與影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，為椎間孔數(shù)據(jù)的測量提供參考依據(jù)。