T2 mapping 及IDEAL 技術(shù)在腰椎間盤退變定量評估中的應(yīng)用

張宏霞，董馥文，馬文玲，祁艷梅，王聞奇，周 晟

（1.甘肅省中醫(yī)院放射影像科，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000）

椎間盤退變是椎間盤的形態(tài)、生化和生物力學(xué)經(jīng)歷一系列復(fù)雜而連續(xù)的變化，退變早期主要包括蛋白多糖和水分的丟失，后期為形態(tài)變化包括椎間盤高度喪失，髓核突出、脫出等，導(dǎo)致椎管狹窄和脊髓神經(jīng)根受壓，引起下腰痛［1-3］。若不及時干預(yù)，將嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。近年來，一系列阻斷、延緩或逆轉(zhuǎn)椎間盤退變的生物療法逐步興起［4-5］。目前臨床迫切需要一種對椎間盤治療前后進(jìn)行評估的精準(zhǔn)影像學(xué)檢查手段。MRI 能較好地顯示椎間盤形態(tài)及信號變化，及其與硬膜囊、神經(jīng)的關(guān)系。MRI 雖能診斷椎間盤退變，但常規(guī)T2WI 無法有效區(qū)分椎間盤退變水腫期（Ⅰ～Ⅱ期）與椎間盤退變纖維化期（Ⅳ與Ⅴ期）［6］。T2mapping 以T2WI 為基礎(chǔ)，定量測量橫向弛豫時間，并通過后處理生成空間對應(yīng)的偽彩圖，測量其T2值。近幾年T2mapping 技術(shù)在椎間盤退變研究中的應(yīng)用較多，但部分結(jié)果仍存在差異［7-9］。非對稱回波的最小二乘估算法迭代水脂分離（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetric and least squares estimation，IDEAL）技術(shù)一次掃描可獲得同相位、反相位、水相圖及脂相圖，縮短了掃描時間，可測量椎間盤水含量，但目前其在椎間盤退變中的應(yīng)用較少［10］。因此，本研究對下腰痛患者行T2mapping 及IDEAL 技術(shù)掃描，探討兩者在腰椎間盤退變評估中的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 前瞻性選取2020 年1—6 月甘肅省中醫(yī)院收治行MRI 腰椎間盤常規(guī)序列掃描和IDEAL序列、T2mapping 序列掃描的40 例下腰痛患者，男23 例，女17 例；年齡20～66 歲，平均（40.7±14.99）歲；體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）17.21～27.10 kg/m2，平均（22.64±3.03）kg/m2。納入標(biāo)準(zhǔn)：①無MRI 檢查禁忌證；②年齡18～70 歲；③反復(fù)多次或慢性持續(xù)性下腰痛6 個月以上；④無脊柱外傷史及手術(shù)史，無風(fēng)濕免疫類疾病，無脊柱感染性疾病；⑤無脊柱先天性發(fā)育異常。排除標(biāo)準(zhǔn)：圖像質(zhì)量無法滿足診斷需求。所有患者均簽署知情同意書。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)（批號：2020-080-01）。

1.2 儀器與方法 采用GE Healthcare Signa HDxt 3.0 T 超導(dǎo)全身MRI 掃描儀，8 通道高分辨頸胸腰一體化脊柱相控陣線圈?；颊邫z查前12 h 禁止劇烈運(yùn)動，掃描前仰臥30 min，檢查時間均為早上8～10 時。患者取仰臥位，頭先進(jìn)，定位于L3水平，掃描范圍為T12～S3椎體，掃描前勻場，在S1椎體前后緣放置2 個平行預(yù)飽和帶。行常規(guī)腰椎成像、8 回波的矢狀位T2mapping、矢狀位T2IDEAL 成像，掃描參數(shù)見表1。

表1 腰椎間盤MRI 掃描參數(shù)

1.3 ROI 設(shè)定及測量 在GE ADW 4.6 工作站通過Functool/T2mapping 軟件對T2mapping 序列進(jìn)行偽彩化處理，并測量T2值。通過IDAEL 水相圖及脂相圖信號強(qiáng)度［水信號強(qiáng)度（water phase signal，WPS）、脂信號強(qiáng)度（fat phase signal，F(xiàn)PS）］計算椎間盤水信號分?jǐn)?shù)（water signal faction，WSF），公式為WSF=WPS/（WPS+FPS）。由同一醫(yī)師在每位受檢者L2～3至L5～S1椎間盤的連續(xù)3 幅T2mapping圖像、IDAEL 的水相圖及脂相圖的中間層面繪制ROI，并測量T2值、WPS、FPS 3 次，取均值。髓核的ROI 大小為15～40 mm2，前、后纖維環(huán)的ROI 大小為5～20 mm2，ROI 盡可能包括完整的椎間盤，避開上下椎體的終板及前后縱韌帶（圖1）。

圖1 腰椎間盤ROI 勾畫示意圖 注：圖1a～1d分別為T2WI、T2 mapping偽彩圖、IDEAL 水相圖、IDEAL 脂相圖 圖2～6 椎間盤Pfirrmann 分級圖像 注：圖2～6 分別代表椎間盤Pfirrmann 分級Ⅰ～Ⅴ級，圖a～c分別為同一椎間盤T2WI、IDEAL 水相圖、T2 mapping 偽彩圖

1.4 Pfirrmann 分級 參照Pfirrmann 分級標(biāo)準(zhǔn)（表2），由2 名具有5 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師在T2WI 圖像及IDEAL 水相圖正中矢狀位分別對椎間盤行Pfirrmann 分級，分級結(jié)果不一致時，通過協(xié)商達(dá)成一致。其中Ⅰ級為正常椎間盤，Ⅱ、Ⅲ級為椎間盤退變早期，Ⅳ、Ⅴ級為椎間盤退變晚期（圖2～6）。T2WI 圖像與IDEAL 水相圖Pfirrmann 分級間隔2 周，避免因記憶引起的分級誤差。

表2 腰椎間盤退變的Pfirrmann 分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?；颊吣挲g、BMI、椎間盤T2值、WSF 值符合正態(tài)分布，以表示。若滿足方差齊性，行單因素方差分析及LSD 檢驗(yàn)，若方差不齊則行Welch’s 分析及Games-Howell 檢驗(yàn)，以評估同一T2WI Pfirrmann 分級的椎間盤前纖維環(huán)、髓核、后纖維環(huán)T2值及WSF值之間的差異。用Kappa 一致性分析評估T2WI 圖像上與IDAEL 水相圖上椎間盤Pfirrmann 分級的一致性。K＜0.40，為一致性差；0.40≤K＜0.75，為一致性中等；K≥0.75，為一致性高。采用Spearman 相關(guān)性分析評估T2WI Pfirrmann 分級與椎間盤T2值、WSF 值的相關(guān)性，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。利用ROC 曲線分析T2值及WSF 值鑒別相鄰T2WI Pfirrmann 分級椎間盤髓核的診斷效能。

2 結(jié)果

2.1 T2WI 圖像與IDAEL 水相圖上椎間盤Pfirrmann分級的一致性納入40例患者的L2～3、L3～4、L4～5、L5～S1腰椎間盤，共160 個椎間盤。T2WI Pfirrmann 分級中，Ⅰ級28 個，Ⅱ級49 個，Ⅲ級45 個，Ⅳ級22 個，Ⅴ級16 個。IDAEL 水相圖上椎間盤Pfirrmann 分級中，Ⅰ級33 個，Ⅱ級49 個，Ⅲ級45 個，Ⅳ級21 個，Ⅴ級12 個。Kappa 一致性分析顯示，T2WI 與IDAEL水相圖Pfirrmann 分級一致性高（K=0.780，P＜0.001）。

2.2 T2WI Pfirrmann 分級的椎間盤T2值、WSF 值的分析（表3）前纖維環(huán)、髓核及后纖維環(huán)的T2值及WSF 值與Pfirrmann 分級均呈負(fù)相關(guān)（均P＜0.01）。

表3 不同T2WI Pfirrmann 分級的腰椎間盤的T2 值與WSF 值結(jié)果及其相關(guān)性分析（）

表3 不同T2WI Pfirrmann 分級的腰椎間盤的T2 值與WSF 值結(jié)果及其相關(guān)性分析（）

注：WSF，水信號分?jǐn)?shù)。P1、P2、P3 分別為前纖維環(huán)與髓核、前纖維環(huán)與后纖維環(huán)、髓核與后纖維環(huán)結(jié)果比較的P 值。

除Pfirrmann Ⅳ級椎間盤髓核T2值與前、后纖維環(huán)T2值，以及Pfirrmann Ⅴ級椎間盤髓核T2值、WSF 值與前、后纖維環(huán)T2值、WSF 值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05）外；余同一分級椎間盤髓核T2值、WSF 值與前、后纖維環(huán)T2值、WSF 值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）；同一分級椎間盤前纖維環(huán)與后纖維環(huán)T2值及WSF 值比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05）。

2.3 髓核T2值及WSF 值鑒別相鄰Pfirrmann 分級椎間盤退變的AUC 比較（圖7）髓核的T2值在鑒別Ⅰ與Ⅱ級、Ⅱ與Ⅲ級、Ⅲ與Ⅳ級、Ⅳ與Ⅴ級的AUC分別 為0.738、0.854、0.811、0.531；WSF值分別為0.688、0.802、0.676、0.727。

圖7 T2 mapping 與水信號分?jǐn)?shù)（WSF）鑒別相鄰Pfirrmann 分級椎間盤髓核退變的ROC 曲線 注：圖7a～7d 分別為鑒別Pfirrmann 分級Ⅰ與Ⅱ級、Ⅱ與Ⅲ級、Ⅲ與Ⅳ級、Ⅳ與Ⅴ級椎間盤髓核的ROC 曲線

3 討論

在椎間盤退變過程中，細(xì)胞發(fā)生死亡或功能異常，椎間盤脫水［11］。在臨床工作中，T2WI Pfirrmann分級仍是評估腰椎間盤退變的主要方法，但其對椎間盤退變的分子生物學(xué)改變有局限性，無法準(zhǔn)確客觀地反映椎間盤的病理生理變化。本研究采用T2mapping 及IDEAL 技術(shù)定量評估椎間盤退變情況。T2mapping 序列根據(jù)T2弛豫時間的不同反映椎間盤的水分、蛋白多糖含量的不同，從微觀結(jié)構(gòu)定量評估椎間盤退變程度［12-13］。IDEAL 技術(shù)對磁場的不均勻性不敏感，有更好的魯棒性和高SNR，可定量體素內(nèi)的脂肪分?jǐn)?shù)和水分?jǐn)?shù)，保證水脂分離的完全性和結(jié)構(gòu)顯示的清晰性，從而無創(chuàng)地定量評估活體椎間盤的微環(huán)境變化。

Hoppe 等［14］使用T2mapping 評估椎間盤退變，結(jié)果表明水含量隨負(fù)荷及晝夜時間變化而改變，因此，本研究中所有受試者均在同一時間段靜息狀態(tài)下完成檢查。本研究發(fā)現(xiàn)，IDEAL 水相圖椎間盤Pfirrmann分級與常規(guī)T2WI 椎間盤Pfirrmann 分級一致性很高，這一結(jié)果在一定水平上反映了IDEAL 水相圖Pfirrmann 分級可在一定程度上代表T2WI Pfirrmann分級。以往研究發(fā)現(xiàn)IDEAL 水相位SNR 明顯高于傳統(tǒng)FSE 脂肪抑制T2WI 圖像［15］；李靜等［16］發(fā)現(xiàn)IDEAL對眶內(nèi)及眶周結(jié)構(gòu)的顯示效果優(yōu)于化學(xué)飽和法和STIR 序列。IDEAL 技術(shù)可同時獲得水相位、脂相位、同相位及反相位4組圖像，可清晰顯示椎間盤、椎體及椎管結(jié)構(gòu)，縮短檢查時間，優(yōu)化檢查方案，其在一定程度上可代替常規(guī)T2WI 圖像，但該結(jié)論仍需更多的研究論證。

研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤前纖維環(huán)、髓核、后纖維環(huán)的T2值及WSF 值隨著Pfirrmann 分級升高而降低，其中以椎間盤髓核的T2值與WSF 值最顯著；這主要是由于隨著椎間盤Pfirrmann 分級升高，椎間盤的結(jié)構(gòu)、代謝和營養(yǎng)狀況逐漸發(fā)生變化，其中蛋白多糖和水分的丟失最明顯，而髓核中的蛋白多糖和水分含量最高；這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論依據(jù)與以往研究結(jié)果［17-19］相似。本研究發(fā)現(xiàn)，T2mapping 無法鑒別PfirrmannⅣ、Ⅴ級椎間盤髓核與纖維環(huán)，IDEAL 技術(shù)無法鑒別Pfirrmann Ⅴ級椎間盤髓核與纖維環(huán)，余Pfirrmann分級的椎間盤T2mapping 及IDEAL 技術(shù)均能準(zhǔn)確辨別纖維環(huán)與髓核；原因?yàn)樗渴菦Q定T2值與WSF 值的主要因素，Pfirrmann Ⅳ、Ⅴ級是椎間盤退變晚期（即纖維化期），椎間盤髓核水含量明顯減少，與纖維環(huán)水含量接近導(dǎo)致無法鑒別。這說明T2mapping及IDEAL 技術(shù)對椎間盤的早、中期變化更敏感，彌補(bǔ)了常規(guī)T2WI Pfirrmann 分級對早期椎間盤退變的遲鈍性，與以往研究結(jié)果［20］相似。椎間盤前、后纖維環(huán)T2值及WSF 值與Pfirrmann 分級均呈負(fù)相關(guān)，同一Pfirrmann 分級椎間盤前纖維環(huán)與后纖維環(huán)T2值、WSF 值相近，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05）；主要因?yàn)榍?、后纖維環(huán)的組成成分基本一致；這一結(jié)果間接反映了T2mapping 及IDEAL 技術(shù)評估椎間盤退變的準(zhǔn)確性及可用性。

本研究發(fā)現(xiàn)，髓核的T2值與WSF 值具有一定鑒別相鄰Pfirrmann 分級椎間盤的能力。除在Ⅳ、Ⅴ級鑒別中，髓核WSF 值的AUC 大于髓核T2值的AUC，余各相鄰Pfirrmann 分級椎間盤鑒別中，髓核T2值的AUC 均略大于髓核WSF 值的AUC。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是Ⅳ、Ⅴ級均屬于嚴(yán)重退行性變，椎間盤髓核內(nèi)的蛋白多糖和含水量減少情況較接近，其T2弛豫時間差異較小，進(jìn)一步說明了T2mapping 對早、中期椎間盤變化更敏感，為早期干預(yù)提供可靠依據(jù)，與以往結(jié)果［17］一致；WSF 值反映的是椎間盤水含量，該結(jié)果一定程度上表明在評估腰椎椎間盤退變中，T2mapping 及IDEAL 技術(shù)可相互補(bǔ)充。

本研究的不足之處：①依據(jù)Pfirrmann 分級診斷腰椎間盤退變可能存在主觀性，對診斷早期腰椎間盤退變有一定局限性，缺乏相應(yīng)的椎間盤病理組織結(jié)果對照，今后有必要開展椎間盤動物模型研究；②本院日常工作中，T2WI 軸位掃描常規(guī)不包括L1～2椎間盤軸位成像，未納入L1～2椎間盤，后續(xù)應(yīng)將L1～2椎間盤納入研究；③樣本量相對較小，不能準(zhǔn)確得出各分級的T2值及WSF 界值，此外，未行男、女對比分析研究，后續(xù)研究可增大樣本量提高結(jié)果的可靠性；④ROI 的劃分存在一定的主觀性，期待后續(xù)研究中有更加精準(zhǔn)的劃分方式。

總之，MRI T2mapping 及IDEAL 技術(shù)是一種無創(chuàng)定量評估椎間盤退變的檢查技術(shù)，特別是對退變早期、中期的椎間盤，可作出早期診斷。