磁共振T2 mapping 成像評估腰椎間盤退行性變的研究進展*

沈 望 戴工華 劉 峰 張金源 王祥瑞△

（同濟大學附屬東方醫(yī)院1 疼痛科；2 醫(yī)學影像科，上海 200120）

椎間盤 (intervertebral disc, IVD) 是連接上下椎體的重要纖維軟骨結(jié)構(gòu)，具有緩沖減震、維持椎體彎曲度、保持脊椎活動度等作用。腰椎間盤退行性變 (intervertebral disc degeneration, IVDD) 被認為是慢性腰痛的主要原因之一，是疼痛醫(yī)學診療實踐中常見的問題，其發(fā)病與年齡、吸煙、職業(yè)、肥胖、心理及遺傳因素相關(guān)[1]。據(jù)報道，至少有26%～42%的腰背痛來源于IVDD[2]。相比較其他肌肉或骨骼組織，椎間盤組織的退變通常發(fā)生得更早，有20%的人在青春期即開始出現(xiàn)無癥狀性的椎間盤退變[3]。年齡增長是IVDD 重要的獨立危險因素，在50 歲男性人群中有10%受到IVDD 相關(guān)腰背痛的影響，這一比例在70 歲男性人群中為50%[3]。此外，IVDD 的進展還可能引發(fā)腰椎間盤突出、腰椎管狹窄和腰椎退行性滑脫等疾病，甚至導致癱瘓[2]。IVDD 對于病人的生活、工作、社交及經(jīng)濟情況有著顯著影響，并對社會造成了嚴重的醫(yī)療資源消耗和經(jīng)濟生產(chǎn)損失[4]。磁共振成像 (magnetic resonance imaging, MRI) 是評估IVDD 的首選方法[5]，但有報道稱常規(guī)MRI 檢查在椎間盤早期病變的敏感性、評估分級方法的客觀性以及不同觀察者之間的一致性等方面存在不足[6,7]。因此目前亟須探尋更加客觀、敏感和精確的影像學技術(shù)改變現(xiàn)狀，優(yōu)化當下IVDD 的評估與診斷策略。

T2 mapping 是通過描述組織橫向磁化衰減來反映組織特性的一種多回波磁共振序列，相比較傳統(tǒng)MRI 序列，T2 mapping 可以定量地評估組織的含水量、膠原成分與膠原排列方向等，對于腰椎間盤退行性變的解剖學與組織學改變有著較好的分辨能力，且能夠敏感地發(fā)現(xiàn)腰椎間盤的早期病變[8]，目前已逐漸被應(yīng)用于IVDD 的評估及腰椎間盤疾病治療的療效評價中。本文將簡要概述磁共振T2 mapping 對腰椎間盤成像的原理，并對其在IVDD 中的應(yīng)用進行綜述。

一、T2 mapping 評估椎間盤退變的機制

1. T2 mapping 的成像原理

T2 值即橫向弛豫時間值，其數(shù)學定義是：90°射頻脈沖后受激發(fā)組織的橫向磁化矢量衰減到最大值的37%時所需要的時間。T2 值在一定的磁場強度與溫度下恒定，是組織的固有參數(shù)，主要用于反映組織內(nèi)含水量、膠原含量及其構(gòu)象[9]。傳統(tǒng)的磁共振T2 加權(quán)圖像是采集單個回波時間下，各個被觀察組織橫向弛豫時間后殘余受激發(fā)能量的比值所編碼的灰度圖，并不能定量測量組織的實際橫向弛豫時間。而目前測量T2 值的常用T2 mapping 序列是多回波自旋回波序列 (multi-echo spin echo, MSE)，其方法是在同一個重復時間 (repetition time, TR) 內(nèi)，多次采集回波時間(echo time, TE) 從而獲得兩幅或兩幅以上的T2 加權(quán)對比度圖像，在不同的回波時間下測得相應(yīng)的信號強度(signal intensity, SI)，并根據(jù)相應(yīng)公式計算出每一像素點的T2 值，經(jīng)過軟件處理，將上述結(jié)果擬合生成灰色圖或偽彩圖，即T2圖?？筛鶕?jù)需要在圖中勾畫興趣區(qū) (region of interest,ROI) 以獲得相應(yīng)組織的T2 值。

在成像技術(shù)方面，常規(guī)的T2 mapping 成像采用的CPMG (CarrPurcell-Meiboom-Gill) 序列盡管使用上非常簡易，但由于需要對不同的回波時間進行采樣，因此十分耗時，這也是T2 mapping 在臨床上使用受限的原因之一[10]。Jiang 等[10]的研究提出應(yīng)用合成磁共振成像 (synthetic MRI) 優(yōu)化T2 mapping 成像在評估腰椎間盤方面的應(yīng)用策略，結(jié)果表明由合成磁共振成像測得的T2 值與CPMG 測得的T2 值無顯著性差異。此外，近年來有研究提出了一種加速T2 mapping 序列，即GRAPPATINI 序列，將T2 mapping 采集椎間盤圖像的時間從13 分18 秒縮短到了2 分27 秒，提高了檢查效率[11]。Li 等[12]應(yīng)用新型Q-Dixon 聯(lián)合GRAPPATINI 序列對骨質(zhì)疏松與IVDD 的關(guān)系進行了定量分析，表明了T2 mapping在全面評估脊柱生化成分方面的巨大潛力。由此可見，T2 mapping 作為近年來已受到較廣應(yīng)用的定量磁共振成像技術(shù)，其臨床應(yīng)用的策略仍在改進，相關(guān)臨床研究仍在不斷發(fā)展與創(chuàng)新，因此T2 mapping在IVDD 的評估方面具有廣闊前景。

2.椎間盤退變與T2 值的關(guān)系

椎間盤由髓核、纖維環(huán)及軟骨終板構(gòu)成。IVDD的主要微觀表現(xiàn)有：①髓核蛋白聚糖降解、保水能力減低以及周圍膠原纖維成分和含量發(fā)生改變；②纖維環(huán)的膠原纖維片層及其之間的膠原連接網(wǎng)絡(luò)遭到破壞；③軟骨終板由于受到機械應(yīng)力、老化變性等因素的影響而產(chǎn)生硬化或鈣化，導致椎間盤營養(yǎng)供給不足，繼而使得椎間盤內(nèi)呈低氧、低糖及高酸性環(huán)境[2,13]。

通過T2 mapping 成像對椎間盤各部分進行ROI 分析可顯示出上述變化所對應(yīng)的T2 值改變。纖維環(huán)各層與髓核的膠原纖維排列及分布密度各不相同，因此在T2 偽彩圖上可以顯示出椎間盤不同層次的色階。T2 值與組織內(nèi)水含量呈正相關(guān)，與蛋白聚糖水平呈負相關(guān)[14]。在健康的椎間盤中，髓核T2 值較高，纖維環(huán)T2 值較低，而隨著椎間盤的退變，髓核T2 值因含水量損失而下降，纖維環(huán)T2 值則因含水量增加及膠原各向異性的喪失而增加[15]。近年來還有研究發(fā)現(xiàn)椎間盤的T2值存在晝夜變化，由于白天椎間盤負荷增加導致液體移位和滲透膨脹壓力增加，椎間盤日間T2 值較夜間降低[16]。

二、腰椎間盤退行性變的評估

基于矢狀位T2 加權(quán)序列的Pfirrman 分級是目前對IVDD 進行評估與分級的最常用方法，該分級根據(jù)髓核與纖維環(huán)的信號差異及椎間隙高度的不同，將椎間盤退變程度分為I 至V 級[17]。但Pfirrman分級是一種基于醫(yī)師主觀判斷的評價方法，且對于診斷IVDD 的早期病變?nèi)狈γ舾行訹6]。相較而言，T2 mapping 成像具有定量評估、敏感度高、客觀性強等優(yōu)點。

1.髓核及纖維環(huán)退變的評估

Takashima 等[17]對60 例病人（共300 個椎間盤）進行MRI 成像，首先根據(jù)矢狀位T2 加權(quán)序列將椎間盤分為Pfirrmann I 至V 級，再進行T2 mapping成像獲取每一椎間盤前纖維環(huán)、髓核及后纖維環(huán)的T2 值。發(fā)現(xiàn)隨著Pfirrmann 分級的增加，椎間盤各部分的T2 值都趨于下降。通過傳統(tǒng)的磁共振圖像，較難清晰地發(fā)現(xiàn)同一椎間盤內(nèi)部各區(qū)域退變程度的不同，但由于前后纖維環(huán)及髓核的膠原排列各向異性、含水量及蛋白聚糖含量等各不相同，在T2偽彩圖上可以清晰地顯現(xiàn)各層次的色階，因此T2 mapping 可以為臨床評估提供更多信息，適合用于對退行性變的椎間盤各部分進行更細致地評估[18]。

溫群等[19]應(yīng)用T2 mapping 成像對100 例病人（共475 個椎間盤）進行掃描，測量了每個椎間盤髓核、前纖維環(huán)及后纖維環(huán)的T2 值，結(jié)果表明髓核的T2 值與Pfirrmann 分級呈高度負相關(guān)，纖維環(huán)的T2 值則相關(guān)性較弱。如前所述，纖維環(huán)退變的表現(xiàn)主要是膠原纖維成分與排列的破壞，而髓核退變的表現(xiàn)主要是蛋白聚糖水解和含水量的降低，同時也伴有II 型膠原纖維的破壞，T2 mapping 對組織內(nèi)含水量的變化最為敏感[20]，這可能是導致髓核T2 值與IVDD 程度相關(guān)性明顯高于纖維環(huán)的原因。

T2 mapping 還被應(yīng)用于分析慢性腰背痛的潛在 機 制。Ogon 等[21]應(yīng) 用T2 mapping 對IVDD 相關(guān)慢性腰背痛進行了分析，他們首先基于病理學特征將慢性腰背痛劃分為傷害感受性疼痛 (nociceptive pain) 和神經(jīng)病理性疼痛(neuropathic pain, NP)，然后對兩組腰椎間盤進行T2 mapping 成像，結(jié)果顯示NP 組后纖維環(huán)的T2 值明顯低于傷害感受性疼痛組，且后纖維環(huán)的組間差異相較于前纖維環(huán)和髓核更加顯著。該研究通過T2 mapping 顯示了后纖維環(huán)退變與神經(jīng)病理性腰背痛之間的內(nèi)在聯(lián)系，表明T2 mapping 可能有助于評估IVDD 相關(guān)NP。

2.終板退變的評估

椎間盤是無血管組織，主要的營養(yǎng)供應(yīng)依靠軟骨終板中心擴散，既往大量研究已證實，軟骨終板的病變（如鈣化和終板炎）會引起終板滲透能力下降，可能是引起椎間盤退變的因素之一。通過MRI可發(fā)現(xiàn)，在退變的腰椎間盤附近存在終板及終板下骨質(zhì)的信號改變，這種改變被稱為Modic 改變，Modic改變類似于骨關(guān)節(jié)炎中出現(xiàn)的軟骨下骨硬化，可能與IVDD 存在重要關(guān)聯(lián)，因而目前通常認為Modic 改變是脊柱退變這一涉及椎間盤、椎體和椎旁肌肉組織的“整體性”疾病中的一部分[22]。

龔靜山等[23]通過T2 mapping 研究了腰椎終板Modic 改變與IVDD 的關(guān)系，結(jié)果表明與正常終板相比，Modic II 型（磁共振表現(xiàn)為終板T1WI 及T2WI 均為高信號）的椎間盤Pfirrmann 評分升高，T2 值明顯下降，這表明腰椎終板Modic 改變與IVDD之間存在相關(guān)性。Lagerstrand 等[24]在對27 例腰背痛病人的終板進行T2 mapping 掃描后發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，腰背痛病人終板的T2 值明顯升高，且低位節(jié)段終板的T2 值升高得更為顯著。終板的炎癥或其他結(jié)構(gòu)性改變，包括硬化、缺損或斷裂等，會改變其對液體的通透性，T2 值的增加可能意味著終板的早期炎性病變或營養(yǎng)運輸障礙。

3.腰椎間盤突出癥的評估

IVDD 發(fā)展到一定程度后，可能會導致腰椎間盤突出癥 (lumbar disc herniation, LDH)[5]。T2 mapping作為定量磁共振技術(shù)，在傳統(tǒng)MRI 通過形態(tài)學表現(xiàn)對LDH 進行評估的基礎(chǔ)上，有助于提高診斷LDH的準確性和有效性。T2 mapping 除了可以清晰觀察椎間盤的形態(tài)外，還可以通過水分含量和膠原分布來區(qū)分出異常椎間盤，當后纖維環(huán)的T2 值顯著升高時，可能表明后纖維環(huán)膠原結(jié)構(gòu)變得脆弱或含水量增高[15]。Messner 等[25]對64 例腰背痛病人的椎間盤進行T2 mapping 掃描后分析，認為后纖維環(huán)最后側(cè)10%區(qū)域的T2 值越高，發(fā)生腰椎間盤突出的可能性越大，因此后纖維環(huán)的T2 mapping 有助于診斷一些臨床上較難辨別的LDH。

4.腰椎間盤退行性變的早期診斷

腰椎間盤相比較其他節(jié)段的椎間盤負重更大，退變開始得更早。早期IVDD 的病理變化主要為組織學改變而非形態(tài)學改變，因此T2 mapping 較傳統(tǒng)MRI 而言對椎間盤早期退變的敏感性可能更高。

祁艷梅等[26]對35 名年輕的健康志愿者行腰椎IDEAL 和T2 mapping 成像，結(jié)果表明在Pfirramnn分級為I 或II 的無癥狀人群中，T2 mapping 聯(lián)合IDEAL 成像可作為評估腰椎間盤退行性變的早期依據(jù)。Watanabe 等[27]應(yīng)用T2 mapping 在橫斷面上建立新的IVDD 磁共振分級系統(tǒng)，根據(jù)T2 值的區(qū)間將椎間盤分級，他們的研究表明，在檢測健康志愿者的早期IVDD 方面，軸向T2 mapping 可能比Pfirrmann 分級更有用。而另一項應(yīng)用定量MRI 技術(shù)評估IVDD 與腰椎骨髓脂肪沉積的研究發(fā)現(xiàn)，在IVDD的早期即存在鄰近椎體骨髓脂肪沉積的增加，椎體骨髓脂肪分數(shù)與髓核T2 值呈顯著負相關(guān)[28]。這些研究表明T2 mapping 作為一種可靠的定量影像學技術(shù)，在IVDD 早期診斷方面具有應(yīng)用潛力，有可能在將來成為IVDD 早期診斷的重要手段。

三、療效的評價

T2 mapping 可以敏感地發(fā)現(xiàn)椎間盤細微結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)ROI 分析得出的T2 值可作為臨床治療效果的一項客觀評價指標。目前已有多項臨床研究應(yīng)用T2 mapping 評價不同治療手段對腰椎間盤退變及相關(guān)腰背痛的療效。

1.腰椎牽引

腰椎牽引是常用于緩解腰椎間盤源性腰背痛的非手術(shù)治療方法，Liu 等[29]應(yīng)用T2 mapping 對48例IVDD 病人腰椎牽引治療前后的椎間盤進行評估，在這項研究中，實驗人員通過多回波的快速自旋回波 (fast spin echo, FSE) 序列進行成像并通過數(shù)字擬合得出T2 值，結(jié)果表明腰椎牽引治療在短期內(nèi)提升了椎間盤，尤其是髓核的T2 值。腰椎牽引可降低椎間盤內(nèi)的壓力，減輕局部充血水腫等炎癥反應(yīng)，并通過反滲透作用增加椎間盤，尤其是髓核的水分水平和營養(yǎng)吸收能力[30]。椎間盤T2 值在治療前后的變化從客觀上說明了腰椎牽引在減輕椎間盤內(nèi)壓力、改善腰椎間盤內(nèi)的含水量等方面的有效性。此外，這項研究中T2 值與Oswestry 功能障礙指數(shù)及視覺模擬評分等臨床評分之間存在強相關(guān)性。

2.椎間盤三氧化學溶解術(shù)

T2 mapping 還被應(yīng)用于預測椎間盤三氧化學溶解術(shù)治療腰椎間盤突出癥療效的研究中。Bruno 等[31]對30 例病人行CT 引導下腰椎間盤三氧化學溶解術(shù)，并通過T2 mapping 分析了病人的預后。該研究發(fā)現(xiàn)，在治療前髓核的T2 值越高，經(jīng)三氧化學溶解術(shù)治療后臨床癥狀的改善越明顯。椎間盤注射三氧的主要作用機制是通過使髓核內(nèi)的蛋白聚糖氧化，導致髓核脫水，進而使突出的椎間盤收縮，減少對神經(jīng)的壓迫。該研究認為，治療前椎間盤的T2 值高代表水合能力越強，三氧的脫水作用便更易發(fā)揮，因而治療效果更加顯著。而治療前后的T2 值對比的結(jié)果顯示，僅髓核的T2 值在治療后顯著升高，而纖維環(huán)則無顯著差異。出現(xiàn)T2 值升高的原因可能是三氧誘導蛋白聚糖分解的過程中存在繼發(fā)于水分子釋放的空泡變性[32]。因此，T2 mapping 可能是預測椎間盤收縮功能及三氧注射療效的有效手段。

3.經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)

經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù) (percutanous kyphoplasty,PKP) 是針對骨質(zhì)疏松性腰椎骨折的一種微創(chuàng)治療方法，因其有效性及安全性高而廣為應(yīng)用，然而有關(guān)PKP 這一擴大與強化椎體的治療手段對鄰近椎間盤的影響的研究甚少。Pachowsky 等[33]對PKP 術(shù)后2 年病人的椎間盤進行T2 mapping 成像，并著重比較了PKP 手術(shù)椎體相鄰椎間盤與非相鄰椎間盤之間T2 值的差異，研究結(jié)果顯示，鄰近手術(shù)椎體的椎間盤T2 值顯著低于非相鄰椎間盤。研究認為，PKP 對脊柱靜態(tài)力學及組織學結(jié)構(gòu)的影響會加速椎間盤的退行性變。T2 mapping 相較于傳統(tǒng)形態(tài)學MRI，更加顯著地顯示了PKP 術(shù)后椎間盤的超微變化。

4.激光治療

經(jīng)皮激光椎間盤減壓術(shù)等激光療法是常用的微創(chuàng)介入治療，通過汽化髓核使椎間盤的體積和壓力降低，從而緩解癥狀，而從長期療效角度來看，激光治療可以引起椎間盤內(nèi)蛋白結(jié)構(gòu)的變性及復性，促進退變椎間盤的修復再生，增加髓核的含水量[34]。一項回顧性研究應(yīng)用T2 mapping 評估了接受了椎間盤激光治療的病人多年后椎間盤情況[35]，該研究在MRI 矢狀位圖像上將椎間盤五等分并進行ROI 分析，結(jié)果表明從經(jīng)激光治療的髓核T2 值顯著增加，且與臨床癥狀的改善相一致。因此T2 mapping 可作為一種客觀的長期監(jiān)測手段，用于評估退變椎間盤的再生情況。

5.生物工程治療

盡管IVDD 的發(fā)病率很高，但是目前的臨床治療方法大部分限于緩解癥狀，而不是解決退變的根本原因和修復椎間盤的結(jié)構(gòu)與功能。近年來的研究應(yīng)用T2 mapping 探索了生物工程治療在椎間盤再生方面的應(yīng)用前景。Cai 等[36]報道，在進行骨髓間充質(zhì)干細胞移植后，髓核的T2 值隨著細胞外基質(zhì)表達的增加而增加。Ying 等[37]在犬IVDD 模型上評估了椎間盤內(nèi)注射由聚乙二醇二丙烯酸酯微凍膠給藥系統(tǒng) (PEGDA-microcryogel delivery system) 包裹的間充質(zhì)干細胞對髓核再生的效果，結(jié)果表明T2 mapping 有效地評估了生物工程治療對退變椎間盤的長期修復效果。

此外，最新的一項研究基于T2 mapping 評估了低速率循環(huán)載荷 (low rate cyclic loading) 促進椎間盤再生的可能性[38]。與干細胞注射療法不同，這一非侵入性療法主要通過誘導椎間盤內(nèi)小分子運輸增強從而加強代謝活動，進而促進椎間盤內(nèi)生物合成與再生，研究結(jié)果表明T2 值與其他的髓核評估指標呈現(xiàn)相似的變化趨勢[38]。

四、總結(jié)與展望

T2 mapping 具有定量評估、對早期病變敏感性高以及能反映組織學變化等諸多優(yōu)點，是一種可行性高的無創(chuàng)影像學技術(shù)。通過T2 mapping 獲取的T2 值主要反映組織內(nèi)的含水量和膠原成分排列，目前臨床上主要應(yīng)用在膝關(guān)節(jié)、心肌等部位，在椎間盤的評估中也逐漸得到推廣。T2 mapping 為臨床診斷提供了新的策略，尤其是在早期診斷中能夠彌補傳統(tǒng)MRI 的缺陷。但是T2 mapping 目前也存在一些不足，T2 值大小易受體位變化、磁場強度、魔角效應(yīng)等因素的干擾，從而產(chǎn)生假陽性；此外T2 值變化的分子生物學機制尚未明確闡明，仍需要進一步的探索。

IVDD 及其引起的腰背痛是疼痛科醫(yī)師在臨床上常遭遇的棘手問題，常規(guī)序列的MRI 檢查對于椎間盤內(nèi)的早期病理改變辨別能力較弱，因而僅行常規(guī)MRI 檢查可能會錯過早期治療的最佳時機。T2 mapping 這一定量MRI 技術(shù)適用于檢測IVDD 的形態(tài)學和組織學改變，但到目前為止，T2 mapping 在椎間盤疾病中的應(yīng)用還不夠廣泛，未來T2 mapping可以在腰椎間盤疾病乃至其他疼痛性疾病中開展更為廣泛的應(yīng)用，如疼痛科常見疾病的鑒別診斷、疼痛科?？浦委煹寞熜гu估等。隨著影像學技術(shù)的發(fā)展，T2 mapping 以及其他新型的磁共振檢查方法將逐漸在實踐中得到推廣，從而幫助疼痛科醫(yī)師更好地進行臨床診治。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。