基于UTE成像技術(shù)評(píng)估軟骨終板損傷的可行性研究

紀(jì)執(zhí)琳，時(shí) 寅，鄒月芬

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，江蘇 南京 210029

下腰痛嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量，引起下腰痛的因素包括椎間盤退變、創(chuàng)傷、代謝性疾病及良惡性腫瘤等，其中椎間盤退變?yōu)橹饕蛩兀?］，軟骨終板（cartilage endplate，CEP）是椎間盤組成中較脆弱的結(jié)構(gòu)，其損傷被認(rèn)為是引起椎間盤退變最重要的原因之一。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在觀察腰椎退變中應(yīng)用廣泛，MRI上所顯示的CEP病變?cè)诓±砩献C實(shí)，主要包括變薄、缺損和鈣化等［2］，Rajasekaran 等［3］在MRI 中T1 加權(quán)成像的基礎(chǔ)上，將所觀察患者的終板依據(jù)完整程度分為6級(jí)，并據(jù)此計(jì)算終板總分，進(jìn)而輔助臨床治療。然而，他們觀察的是終板整體，而未明確區(qū)分出CEP及骨性終板（bony vertebral endplate，VEP）。Chen 等［4］推測(cè)CEP 的損傷會(huì)導(dǎo)致鄰近的VEP 損傷，因此，細(xì)致地區(qū)分出CEP及VEP是必要的，這有助于觀察損傷是否累及VEP，并能較早地預(yù)測(cè)Modic改變的發(fā)生，進(jìn)而提早采取臨床干預(yù)。CEP 是具有超短T2 弛豫時(shí)間的組織，其在傳統(tǒng)MR序列上表現(xiàn)為低信號(hào)，與同樣表現(xiàn)為低信號(hào)的VEP 難以區(qū)分［5］。目前，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道超短回波序列（ultra-short echo time，UTE）能夠清晰顯示CEP 的形態(tài)［6-7］，但尚未有UTE相關(guān)以終板分級(jí)為基礎(chǔ)細(xì)化CEP損傷表現(xiàn)的研究，本文旨在探討利用UTE 成像特點(diǎn)結(jié)合終板分級(jí)探究其顯示CEP 損傷程度的可行性，并對(duì)Modic 改變的分布情況加以分析。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象

本研究納入2020年4月—2020年12月36例下腰痛患者，包括男18例，女18例，年齡：20～85歲，平均年齡（47±19）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：患者無脊柱手術(shù)及放療史，無脊柱畸形、無外傷、無良性或惡性椎體腫瘤、無血液病及其他全身疾病，無MR檢查禁忌證，排除不符合要求者。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（2014-SR-050），所有入組患者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 MR掃描方法及序列

采用GE MR750w 3.0T MR 掃描儀，8 通道大型柔性陣列線圈。受檢者取仰臥位，行常規(guī)腰椎矢狀位FSE 序列T1WI，矢狀位、脂肪抑制矢狀位FSE 序列T2WI 及含有長(zhǎng)、短TE 時(shí)間的UTE 序列掃描，各序列掃描均包含L1-S1椎體。

UTE序列參數(shù)如下：FOV 360 mm×360 mm，短、長(zhǎng)TE分別為0.03 ms和6 ms，TR 12.5 ms，矩陣360×360，層厚4.0 mm，掃描20 層，NEX 1，帶寬83.33 Mhz，翻轉(zhuǎn)角15°，掃描時(shí)間為2 min 48 s。矢狀位FSE 序列T1WI：FOV 320 mm×320 mm，TE 85 ms，TR 472 ms，矩陣320×320，層厚4.0 mm，掃描15層，帶寬62.50 Mhz；矢狀位FSE 序列T2WI：FOV 320 mm×320 mm，TE 120 ms，TR 2 588 ms，矩陣320×320，層厚4.0 mm，掃描15層，帶寬31.25 Mhz。矢狀位脂肪抑制FSE序列T2WI：FOV 256 mm×256 mm，TE 85 ms，TR 2 000 ms，矩陣256×256，層厚2.0 mm，掃描15 層，NEX 2，帶寬41.67 Mhz，總掃描時(shí)間為6 min 2 s。

1.2.2 終板分級(jí)

參考Rajasekaran 等［3］在T1 加權(quán)成像基礎(chǔ)上的終板分級(jí)（表1）。為方便后續(xù)討論，將該分級(jí)命名為Rajasekaran 分級(jí)。本研究在UTE 圖像基礎(chǔ)上細(xì)致觀察CEP完整程度及VEP受累程度后，參考并細(xì)化Rajasekaran分級(jí)得出6級(jí)終板形態(tài)表現(xiàn)。

表1 Rajasekaran分級(jí)Table 1 Rajasekaran grading

Ⅰ級(jí)為正常的CEP，CEP 及VEP 連續(xù)性好，無Modic改變；Ⅱ級(jí)為CEP局部或整體變薄，但連續(xù)性可，無中斷或缺損，VEP連續(xù)性好，無Modic改變；Ⅲ級(jí)為CEP 局部凹陷，但連續(xù)性尚完整，VEP 連續(xù)，無Modic 改變；Ⅳ級(jí)CEP 開始出現(xiàn)缺損，CEP 連續(xù)性中斷，其損傷面積小于總面積的25%，VEP此時(shí)可能受累，伴或不伴有Modic改變；Ⅴ級(jí)CEP損傷面積小于總面積的50%，VEP受累，Modic改變出現(xiàn)；Ⅵ級(jí)CEP損傷面積大于總面積的50%或累及整個(gè)CEP，VEP受累，伴隨Modic改變。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

所有獲得的UTE 圖像均在GE 醫(yī)療系統(tǒng)的ADW4.6工作站進(jìn)行分析。

采用雙回波技術(shù)，通過剪影法（即短TE 圖像減去長(zhǎng)TE 圖像）獲得了對(duì)比度更清晰的UTE CEP 圖像，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)估以結(jié)合水為主的CEP。為評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量，UTE圖像的信噪比（signal to noise ratio，SNR）和對(duì)比噪聲比（contrast to noise ratio，CNR）計(jì)算應(yīng)用公式如下：

Sx、Sy和S背景分別表示CEP最清晰區(qū)域感興趣區(qū)的均值x、鄰近CEP選取最大對(duì)比度區(qū)域的均值y和背景的信號(hào)強(qiáng)度均值，s為背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。

兩名肌骨方向放射科醫(yī)師在UTE CEP 圖像上獨(dú)立進(jìn)行雙盲分析評(píng)估CEP及VEP的形態(tài)，并根據(jù)上述細(xì)化后的Rajasekaran 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估終板整體損傷的嚴(yán)重程度［3］，當(dāng)結(jié)果不一致時(shí)，由兩名醫(yī)師共同商議決定。

1.2.4 Modic改變

Modic Ⅰ型為骨髓水腫期，在MRI 上終板呈現(xiàn)為T1 低信號(hào)，T2 高信號(hào)；Modic Ⅱ型為脂肪組織所代替，T1、T2 序列均表現(xiàn)為高信號(hào)；Modic Ⅲ型為終板軟骨硬化，T1、T2 序列均表現(xiàn)為低信號(hào)。評(píng)估終板Modic 改變主要依據(jù)有無以上改變，若不存在任意一型，即判斷為無Modic改變。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 26.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用Cohen’s Kappa 分析兩名放射科醫(yī)師在獨(dú)立評(píng)估CEP 損傷程度的一致性。采用Cochran-Armitage 檢驗(yàn)分析終板損傷程度與Modic 改變分布情況的關(guān)系。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 可行性分析

篩除存在偽影及質(zhì)量不佳的部分圖像后，本研究在36 例患者的63 個(gè)椎間盤中篩選了85 個(gè)終板。UTE CEP 圖像清晰顯示了CEP 的形態(tài)結(jié)構(gòu)（圖1），平均SNR 33.06±2.92，平均CNR 9.4±2.08，SNR 和CNR高，證明圖像質(zhì)量高。

圖1 正常終板UTE圖像Figure 1 UTE images of normal endplates

以細(xì)化后的Rajasekaran 分級(jí)為基礎(chǔ)，根據(jù)UTE CEP 圖像顯示的CEP 完整程度及VEP 受累程度評(píng)估終板整體，兩位肌骨方向放射科醫(yī)師對(duì)終板的6 級(jí)評(píng)估結(jié)果如下。醫(yī)師1：Ⅰ級(jí)15 例；Ⅱ級(jí)15 例；Ⅲ級(jí)14例；Ⅳ級(jí)16例；Ⅴ級(jí)11例；Ⅵ級(jí)14例。醫(yī)師2：Ⅰ級(jí)17 例；Ⅱ級(jí)15 例；Ⅲ級(jí)15 例；Ⅳ級(jí)13 例；Ⅴ級(jí)11 例；Ⅵ級(jí)14 例。評(píng)估結(jié)果不一致的終板經(jīng)兩位醫(yī)師討論得出最終分級(jí)，最終85個(gè)終板評(píng)估結(jié)果為：Ⅰ級(jí)15例；Ⅱ級(jí)15例；Ⅲ級(jí)14例；Ⅳ級(jí)16例；Ⅴ級(jí)11例；Ⅵ級(jí)14例（圖2）。兩位醫(yī)師評(píng)估終板損傷的一致性較高［Cohen’s kappa系數(shù)為0.816（95%CI：0.724～0.908），P＜0.001］。

圖2 UTE圖像上6級(jí)終板典型表現(xiàn)Figure 2 Representative subtracted UTE images of 6 endplate grades

2.2 終板損傷與Modic改變的關(guān)聯(lián)性

Modic 改變?cè)u(píng)估結(jié)果如下：85 個(gè)終板中51 個(gè)終板無Modic 改變，34個(gè)終板存在Modic 改變；參照本研究細(xì)化后的Rajasekaran分級(jí)評(píng)估結(jié)果，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)終板均不存在Modic 改變，Ⅴ、Ⅵ級(jí)終板均存在Modic 改變；在16 例Ⅳ級(jí)終板中，7 個(gè)不存在Modic改變，9 個(gè)存在Modic 改變。Cochran-Armitage 檢驗(yàn)分析示P＜0.000 5，說明終板損傷程度與Modic 改變存在線性趨勢(shì)，即終板損傷程度越重，越容易出現(xiàn)Modic改變（表2）。

表2 85個(gè)終板Modic改變分布情況Table 2 Distribution of Modic changes of 85 endplates

3 討論

CEP病變被認(rèn)為是引起椎間盤退變進(jìn)而引起下腰痛的主要原因之一［8］。CEP在椎間盤與椎體之間運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)發(fā)揮重要作用［9］，當(dāng)CEP 發(fā)生病變（包括變薄、缺損和鈣化）時(shí)會(huì)阻礙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向椎間盤輸送，其損傷后引起的椎間盤內(nèi)營(yíng)養(yǎng)供給減少被認(rèn)為是椎間盤退變發(fā)生的主要因素。MRI是一種評(píng)估腰椎病變的理想技術(shù)，能夠清晰展示椎間盤的解剖結(jié)構(gòu)，在組織間具有良好對(duì)比度，沒有輻射［10］。Rajasekaran 等［3］根據(jù)傳統(tǒng)磁共振T1WI 將終板分為6 個(gè)等級(jí)（表1），并據(jù)此計(jì)算終板總分，以5 分作為“臨界點(diǎn)”，當(dāng)總分超過5分，椎間盤的機(jī)械環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)途徑被破壞，此時(shí)將不再適合干細(xì)胞、基因及合成生長(zhǎng)因子這些生物治療及新興治療措施，僅能采用手術(shù)治療，然而他們觀察的是整個(gè)終板，并未區(qū)分CEP 和VEP。Chen 等［4］認(rèn)為VEP 病變可能與相鄰的CEP 病變有關(guān)，CEP 的完整性在一定程度上可反映VEP 的完整性。CEP 具有短T2 弛豫時(shí)間的特征，在傳統(tǒng)MRI上呈現(xiàn)為類似VEP的低信號(hào)［11］，若僅存在CEP缺損而未累及VEP，那么常規(guī)T1、T2加權(quán)圖像不能清晰區(qū)分兩者并導(dǎo)致錯(cuò)誤的終板評(píng)估分級(jí)，后續(xù)將錯(cuò)誤計(jì)算終板總分，從而可能延誤治療。

本研究使用UTE 成像技術(shù)來顯示CEP 這一具有短T2 弛豫時(shí)間結(jié)構(gòu)，并將所得到的短TE 圖像減去長(zhǎng)TE圖像，獲得高質(zhì)量、對(duì)比度強(qiáng)的UTE CEP 圖像，在此圖像上，以結(jié)合水為主的CEP 為高信號(hào)，VEP 為低信號(hào)，應(yīng)用后處理剪影技術(shù)去除了相鄰髓核、纖維環(huán)的影響，清晰顯示CEP 和VEP，且易于區(qū)分，本研究中兩位放射醫(yī)師間一致性的高評(píng)估系數(shù)證明UTE成像技術(shù)評(píng)估CEP具有可行性。

Chen 等［4］研究表示，CEP 損傷是VEP 損傷的啟動(dòng)因素，當(dāng)損傷累及到VEP 時(shí)，髓核突出表現(xiàn)為特征性的schmorl 結(jié)節(jié)，并可同時(shí)累及椎體骨髓（可有骨髓水腫等表現(xiàn)），此時(shí)可有Modic 改變，此為Rajasekarank分級(jí)中Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)的區(qū)分點(diǎn)。

Rajasekarank 分級(jí)Ⅲ級(jí)定義為終板雖有局灶性損傷但輪廓完好，此類病例在本研究UTE CEP圖像上顯示為CEP有局部凹陷，但整體尚連續(xù)且VEP未受累（圖2C），因此椎體骨髓水腫未見，未出現(xiàn)Modic改變。

Rajasekarank 分級(jí)Ⅳ級(jí)定義為終板缺損面積小于終板總面積的25%，且伴有Modic 改變。此類病例在本研究UTE 圖像上顯示為CEP 損傷面積小于總面積的25%，VEP 受累并累及椎體骨髓，Modic 改變出現(xiàn)（圖2D）。UTE 圖像顯示本研究IV 級(jí)中還有7例CEP損傷面積小于25%，甚至僅為局灶性損傷，這類CEP局灶性損傷病例在使用T1WI圖像觀察時(shí)均呈陰性表現(xiàn)，但可以在UTE 圖像上明確顯示出CEP 的局部中斷（圖3），并可見尚未累及或未完全累及VEP，未出現(xiàn)Modic 改變。筆者推測(cè)此時(shí)可能處于損傷早期，即CEP 損傷至VEP 損傷的過渡期，此時(shí)VEP并未或并未完全累及，故無Modic改變，因此本研究Modic 改變并不作為Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)的區(qū)分點(diǎn)。由此也可以反映出應(yīng)用UTE 成像技術(shù)不僅可以觀察到常規(guī)T1WI 中被忽略的病變，正確計(jì)算終板損傷總分，還可以較早觀測(cè)VEP及椎體骨髓即將受累的征象，進(jìn)而較早地采取臨床干預(yù)，減輕或減免患者的下腰痛癥狀。

圖3 CEP局灶性缺損UTE圖像及常規(guī)MR圖像表現(xiàn)Figure 3 UTE and conventional MR images of focal defect in CEP

Chen 等［4］在UTE 圖像上觀察CEP 損傷的形態(tài)，然而他們僅是描述CEP形態(tài)上的不規(guī)則、變薄及缺損等表現(xiàn)，而未區(qū)分CEP 損傷的嚴(yán)重程度，也未對(duì)損傷面積具體量化。本研究在UTE圖像上觀察CEP的損傷程度、評(píng)估損傷面積，并觀察VEP及椎體骨髓是否受累，是對(duì)Rajasekaran 分級(jí)的細(xì)致探討。M??tt?等［12］在Rajasekaran 分級(jí)基礎(chǔ)上研究了Modic改變與終板損傷的關(guān)聯(lián)性，而本研究使用UTE成像技術(shù)不僅區(qū)分出了CEP 與VEP，且可以看到Modic改變形成伴VEP 損傷，對(duì)Modic 改變形成過程有所補(bǔ)充。

最后，本研究還評(píng)估了85 個(gè)終板中Modic 改變存在的情況（表2）。Modic 改變與下腰痛相關(guān)［13-14］，終板損傷后引起的Modic改變也是下腰痛患者的病因之一［15-16］。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)終板均不存在Modic改變，Ⅴ、Ⅵ級(jí)終板均存在Modic改變，Cochran-Armitage分析示損傷越嚴(yán)重的終板越容易出現(xiàn)Modic 改變，但在Ⅳ級(jí)終板損傷的病例中，7 例不存在Modic 改變，9 例存在Modic改變，本研究通過UTE圖像發(fā)現(xiàn)這7例無Modic改變的病例均是僅累及CEP，但VEP未有或并未完全累及，椎體骨髓未受累（圖3）。

為了針對(duì)性地觀察CEP 損傷以及對(duì)應(yīng)終板與Modic 改變間的關(guān)系，本研究排除了其他腰椎實(shí)質(zhì)性病變及外傷等，以消除其他因素對(duì)CEP 的影響。本研究的局限性主要在于未獲得與分級(jí)相對(duì)應(yīng)的組織學(xué)病理結(jié)果，并且樣本量不大，后續(xù)研究將繼續(xù)擴(kuò)大樣本量。此外，將計(jì)算椎間盤上下終板損傷總分并評(píng)估對(duì)應(yīng)椎間盤的退變程度，觀察兩者之間的關(guān)系，以期獲得新發(fā)現(xiàn)。

綜上所述，UTE 成像技術(shù)觀察CEP 具有可行性，可輔助臨床評(píng)估CEP 損傷程度，量化CEP 損傷面積。此外，評(píng)估Modic 改變的分布情況發(fā)現(xiàn)損傷越嚴(yán)重的終板越容易出現(xiàn)Modic改變。