1.5 T 磁共振 T2值定量测定在评价腰椎间盘退行性变中的价值研究

温群 孟凡华 钱亭 魏春晓 刘军 肖菁 林祥明

1.5 T 磁共振 T2值定量测定在评价腰椎间盘退行性变中的价值研究

温群 孟凡华 钱亭 魏春晓 刘军 肖菁 林祥明

目的 探讨 MRI T2弛豫时间在腰椎间盘退行性变中的研究价值。方法 前瞻性纳入2013年10月至2015年5月，因腰背部疼痛来我院就诊的患者 50 例（248 个椎间盘），其中男 24 例，女 26 例，年龄18～78 岁，平均（42±15）岁。行腰椎 1.5 T MRI 检查，常规矢状位 T1WI 及 T2WI、横断位 T2WI，并行正中矢状位 T2mapping 成像，根据 Pfirrmann 标准将 248 个腰椎间盘分级，并测量髓核及纤维环前、后缘的 T2值。采用单因素方差分析分别比较各级髓核（nucleus pulposus，NP）和纤维环（annulus fibrosus，AF）前、后缘 T2弛豫时间差异有无统计学意义，并测量 T2值与年龄、分级的 Pearson 相关性，分级与年龄的 Pearson 相关性。结果 共计测量 248 个椎间盘，统计结果示：（1）腰椎间盘各分级 NP 的 T2值随分级的增高而减小；（2）腰椎间盘各分级 AF 前缘 T2值随分级的增高无明显变化；（3）腰椎间盘各分级 AF 后缘随 T2值分级的增高呈下降趋势；（4）50 例腰痛患者年龄与腰椎间盘分级呈弱正相关，年龄与椎间盘 AF 前、后缘 T2值呈弱负相关，年龄与 NP T2值呈中度负相关。腰椎间盘 AF 前、后缘 T2值与各分级均呈弱负相关；腰椎间盘 NP T2值与各分级呈高度负相关。结论 腰椎间盘 T2值可以很好地体现其退行性变的程度，并可以进行量化分析，T2mapping 成像技术可以为诊断腰椎间盘早期退行性变提供影像学依据。

腰椎；椎间盘退行性变；磁共振成像；纤维环；髓核

腰椎间盘退行性变及其继发性改变被认为是引起腰背痛的最重要的原因之一［1］。引起腰椎间盘退行性变的原因很多，包括遗传、机械、外伤及营养等，其中最主要的原因是年龄，约有 20% 的青少年存在轻度的腰椎间盘退行性变，且退行性变随年龄增大而增多［2］。椎间盘退行性变早期的表现是其生化成分的改变，包括蛋白聚糖的丢失、渗透压的下降［3］，椎间盘退行性变晚期则表现为形态学的改变，包括椎间盘变扁、突出、膨出和纤维环撕裂等［4］。

临床上评价腰椎间盘退行性变常用的方法包括X 线片、CT 以及 MRI 传统 T1WI、T2WI，但是一般只能发现中、晚期的椎间盘退行性变，对于发现早期椎间盘退行性变有局限性。而 T2mapping 成像通过非侵入性地测量椎间盘的 T2弛豫时间，定量分析腰椎间盘基质成分的变化，可以发现腰椎间盘退行性变的早期生化改变。本研究前瞻性纳入2013年10月至2015年5月，因腰背部疼痛来我院就诊的患者50例，通过测量腰椎间盘的T2值，量化的分析腰椎间盘退变的生化改变，探讨应用 T2mapping成像技术诊断腰椎间盘退行性变的可行性。

资料与方法

一、一般资料

本组 50 例，其中男 24 例，女 26 例，年龄18～78 岁，平均（42±15）岁。病例纳入标准：出现腰痛症状或反复发作者；MRI 检查能够得到满意的 T2mapping，并且能测得合理的 T2值。病例排除标准：下肢有神经功能障碍者；有脊柱畸形、外伤、肿瘤及手术史；有 MRI 检查禁忌证。所有参与本研究的患者，在 MRI 检查前均已告知本检查的目的及危险性，并签署了知情同意书。

二、MRI 扫描方法及序列

受检者取仰卧位，采用 GE Signa 1.5 T HD 磁共振仪行腰椎常规矢状位 T1WI 及 T2WI、横轴位T2WI 检查及 T2mapping 矢状位扫描。正中矢状位T2mapping 采用多回波 SE 序列，成像参数：TR 1000 ms，TE 8.4～67.2 ms，视野 220 mm×220 mm，矩阵 256×256，采集带宽 31.25，层厚 4 mm，扫描层数 10，扫描时间 5 分 10 秒。扫描后通过随机软件采用最小二乘法获得 T2mapping 图像（图 1），并测量 L1～S1椎间盘 T2值。

三、腰椎间盘 Pfirrmann 分级评分

Pfirrmann 分级标准［5］主要是基于矢状位 T2WI髓核信号的改变、髓核与纤维环的界限以及椎间隙高度的改变将椎间盘分为 5 级（表 1）。本研究由2 名影像诊断医师独立阅片，参照 Pfirrmann 标准对所有受试者 L1～S1椎间盘进行分级。2 名影像诊断医师分别 2 次独立阅片，每次间隔 3 周，如果出现分级不一致，最终需要 2 人同时阅片，讨论后取得一致意见。

四、图像后处理、感兴趣区的设定和 T2值的测量

将扫描所得原始数据上传到 GE ADW 4.4 后处理工作站，应用 Functool 软件对原始图像进行后处理，生成 T2mapping，在正中矢状位 T2mapping 上由前向后将椎间盘 5 等分，选择 5 个感兴趣区（region of interest，ROI）：前部、前中部、中部、中后部、后部，分别测量每个 ROI 的 T2值，其中前部为纤维环（annulus fibrosus，AF）前缘，后部为 AF 后缘，取前中部、中部、后中部的平均值为髓核（nucleus pulposus，NP）（图 2）。

五、统计学处理

分别测量各椎间盘 NP 和 AF 前、后缘 T2值，测量结果以± s 表示，所得数据采用 SPSS 18.0 软件进行统计学分析。采用单因素方差分析分别比较不同分级间 NP 及 AF 前、后缘 T2值的差异，P＜0.05 为差异有统计学意义。评价腰椎间盘 T2值与分级、年龄的相关性，分级与年龄的相关性。采用Pearson 及 Spearman 秩相关分析：r＞0.7 高度相关，0.5＜r≤0.7 中度相关，r≤0.5 弱相关，P＜0.01 为差异有统计学意义。

图1　矢状位 T2WI 及相应层面 T2mapping，根据Pfirrmann 分级标准，L1～2、L2～3、L3～4、L4～5椎间盘属于II 级，L5～S1属于 III 级Fig.1 T2-weighted sagittal fast spine echo image was compared with a color-coded T2mapping. Based on the Pfirrmann score， L1-2， L2-3， L3-4and L4-5were graded as Pfirrmann score II， L5- S1were graded as Pfirrmann score III

图2　将椎间盘由前向后分为 5 等分，分别测量每个 ROI 的 T2值，其中前部为 AF 前缘，后部为纤维环 AF 后缘，前中部、中部、中后部为 NPFig.2 Schematic illustration of region-of-interest（ROI）evaluation. Each region measures 20% of the midsagittal disc diameter. The most anterior and most posterior ROIs were interpreted as AF tissues，and the space between was interpreted as nucleus tissues

结 果

本研究对 50 例腰痛患者共 250 个腰椎间盘行T2mapping 成像，其中 248 个腰椎间盘获得清晰、满意的图像，2 个因图像不清晰排除。根据 Pfirrmann分级标准将 248 个椎间盘分为 5 级：I 级 35 个，II 级 87 个，III 级 64 个，IV 级 48 个，V 级 14 个。248 个腰椎间盘 NP 的 T2值范围 45.03～164.96 ms，AF 前缘的 T2值范围 34.86～73.04 ms，AF 后缘的T2值范围 37.14～104.26 ms，各分级腰椎间盘 NP 及AF 前、后缘 T2值见表 2。椎间盘 T2值从 AF 前缘到NP 呈上升趋势，从 NP 到 AF 后缘呈下降趋势，但这种趋势在 I～III 级椎间盘明显，IV、V 级椎间盘不明显。

不同分级间腰椎间盘 NP、AF 前、后缘 T2值比较见图 3：（1）腰椎间盘各分级 NP 的 T2值随分级的增高而减小，各分级 T2值除 IV 级与 V 级间差异无统计学意义外，其余各级间差异均有统计学意义（P＜0.05）；（2）腰椎间盘各分级 AF 前缘 T2值随分级的增高无明显变化，各分级 T2值除 I 级与 III 级、IV 级间差异有统计学意义外，其余各级间差异均无统计学意义（P＞0.05）；（3）腰椎间盘各分级 AF 后缘随T2值分级的增高呈下降趋势，除 I 级与 II、III 级、II 级与 III 级、IV 级与 V 级间差异无统计学意义外，其余各级间差异均有统计学意义（P＜0.05）。

表1　Pfirrmann椎间盘退变分级Tab.1 Classification of intervertebral disc degeneration as reported by Pfirrmann

表2　腰椎间盘各分级髓核与纤维环 T2值（± s，ms）Tab.2 T2values for discs with different Pfirrmann grades（± s， ms）

表2　腰椎间盘各分级髓核与纤维环 T2值（± s，ms）Tab.2 T2values for discs with different Pfirrmann grades（± s， ms）

分级　数量　NP T2弛豫时间 AF 前缘 T2弛豫时间 AF 后缘 T2弛豫时间I　 35　137.07±27.89　57.31±15.73　72.43±27.34 II　 87　104.25±23.92　47.50±12.64　75.72±28.54 III　 64　 91.03±25.64　44.83± 8.08　68.33±25.24 IV　 48　 57.34±11.56　45.02± 9.33　46.70± 8.15 V　 14　 52.62± 7.59　45.25±10.04　44.89± 7.75合计　248　 93.48±34.10　47.59±12.05　65.99±26.51

T2值、年龄、分级间相关性：50 例腰痛患者年龄与腰椎间盘分级呈弱正相关，r=0.495，P＜0.01（图 4）；与 AF 前、后缘 T2值呈弱负相关，r 值分别为 -0.212、-0.373，P＜0.01；与 NP T2值呈中度负相关，r=-0.529，P＜0.01（图 5）。椎间盘 AF前、后缘 T2值与各分级均呈弱负相关，r 值分别为-0.261、-0.387，P＜0.01；椎间盘 NP T2值与各分级呈高度负相关，r=-0.734，P＜0.01（图 6）。

图3　不同分级间 NP 和 AF 前、后缘 T2值分布Fig.3 NP and AF T2values in different Pfirrmann groups（different stages of degeneration）

图4　腰痛患者年龄与腰椎间盘分级呈弱正相关（P ＜ 0.01）Fig.4 A weak positive correlation was shown between the Pfirrmann score and age（P ＜ 0.01）

讨 论

腰背痛是危害人类健康的常见病和多发病。这种症状不仅造成患者身心的痛苦，也增加了患者的医疗负担。大多数腰背痛的原因不完全清楚，一般认为，腰背痛可能与椎间盘、椎旁肌肉、椎间小关节、椎体和神经根的疼痛有关，椎间盘退行性变及其继发性改变被认为是最重要的原因之一［1］。

目前，临床上用于评价腰椎间盘退行性变的方法很多，其中 Pfirrmann 分级作为公认的标准，得到了较为广泛的应用，Pfirrmann 分级标准主要是基于矢状位 T2WI NP 信号的改变、NP 与 AF 的界限以及椎间隙高度的改变将椎间盘分为 5 级，但是观察者对信号描述受主观因素影响较大，从而可能导致不同观察者之间出现误差，甚至同一观察者在不同时间段对同一幅图像的观察也发生偏差。Pfirrmann 分级的另一个不足之处是其属于非定量分级方法，因此存在一定的误差。

图5　腰痛患者年龄与 AF 前、后缘及 NP T2值相关性Fig.5 Relationship between age and T2value

图6　椎间盘 AF 前、后缘及 NP T2值与各分级相关性（P ＜ 0.01）Fig.6 Relationship between grade and T2value（P ＜ 0.01）

T2mapping 成像技术是通过测量组织中每个体素的横向磁化矢量衰减，从而反映组织的特性，对组织中水分子含量的变化较为敏感，能够量化地反映关节软骨的形态未发生明显变化之前软骨内生化成分的变化［6］，从而评价关节软骨的构成，因此，其在关节软骨方面的研究较多［7-10］。近年来，国内外已经成功应用 T2mapping 技术对关节软骨的损伤进行早期诊断。腰椎间盘的生化成分与关节软骨类似，因此，T2mapping 技术也可用于评价腰椎间盘退行性变，而且 T2mapping 技术所获得的 T2值是连续性定量变量，不受观察者主观因素的影响［11-12］。

腰椎间盘的含水量根据椎间盘的部位、年龄及负荷程度而不同，NP 内含有具有亲水性的大分子物质糖胺聚糖，其导致了 NP 的水化，从而使椎间盘具有承重的特性［13-14］。因此椎间盘 NP 含水量较高，而 AF 的含水量低于 NP。腰椎间盘退行性变主要表现为纤维环出现不同程度的裂隙或破裂，NP 内糖胺聚糖成分减少和进行性脱水，从而影响椎间盘的 T2值。Marinelli 等［15］研究发现，椎间盘 AF 和 NP 的T2弛豫时间与椎间盘内含水量呈显著相关，而与蛋白聚糖的含量有轻微关系。近年来，还有一些学者对腰椎间盘成分的昼夜变化进行研究，发现日常活动也能影响椎间盘的 T2值［16-17］。

本研究通过测量人群中腰椎间盘的 T2值，量化地分析椎间盘退变的生化改变，探讨应用 T2mapping成像技术诊断腰椎间盘退行性变的可行性。本研究收集的病例年龄跨越范围较大，包括 18～78 岁腰痛患者的人群，因此既包含了椎间盘退行性变早期的病例，也包含了晚期病例。本研究提示腰椎间盘NP 的 T2值随分级的增高呈下降趋势，且椎间盘 NP T2值与各分级呈高度负相关，笔者分析可能是因为椎间盘内糖胺聚糖和水分的减少、纤维环的破裂。因此腰椎间盘 T2值可以反映腰椎间盘退行性变的程度。一些学者认为椎间盘 NP 的 T2值随分级的增高而降低，而且 I～IV 级间 T2值差异有显著性，这与本研究结果相同［12，18］。葛涌钱等［19］用不同的方法选择椎间盘 NP 的感兴趣区，测量 L2～S1NP 的 T2值，也发现随着椎间盘分级级别的提高，NP T2值逐渐减小，且除了 IV 级与 V 级间 T2值差异无统计学意义外，其余各级别间差异均有统计学意义，与本研究结果一致。Niinimäki 等［20］认为 I、II 级椎间盘为正常椎间盘，牛刚等［21-22］认为 I 级椎间盘属正常椎间盘，但 II 级涵盖正常和早期退变的椎间盘。笔者认为只有 I 级为正常椎间盘，这与 Rajasekaran 等［23］的观点相同。本研究中腰椎间盘各分级 NP 的 T2除 IV级与 V 级间差异无统计学意义外，余各级间差异均有统计学意义，因 IV 级与 V 级均属于严重退行性变的腰椎间盘，因此，笔者认为测量腰椎间盘 NP 的T2值对评价其早期退行性变有意义。

本研究同时测量了 AF 前、后缘的 T2值，发现AF 前缘 T2值随分级的增高无明显变化，各分级 T2值除 I 级与 III 级、IV 级间差异有统计学意义外，其余各级间差异均无统计学意义。AF 后缘 T2值随分级的增高呈下降趋势，除 I 级与 II 级、III 级、II 级与 III 级、IV 级与 V 级间差异无统计学意义外，其余各级间差异均有统计学意义。进一步比较发现，I～IV 级的椎间盘，AF 后缘的 T2值均低于前缘的T2值，这与王建伟等［24］的研究结果相反，赵晓梅等［25］则认为不同分级椎间盘 AF 前、后部 T2值差异无统计学意义。分析导致 AF T2值各家差异较大的主要原因是对 AF 感兴趣区的定义不同，且人为测量存在误差，Stelzeneder 等［18］认为，椎间盘 AF 后部T2值随分级增高而降低可能与 NP T2值降低有关，NP T2值降低导致 AF 后缘变扁、结构发生变化。因此，笔者认为腰椎间盘 AF 的 T2值不易评价其退行性变。

本研究的不足之处在于缺乏金标准，发生退变的腰椎间盘没有组织学结果，因而不能明确地评估腰椎间盘实际上的退变程度和笔者采用的退变分级系统之间的关系。另一个不足之处是缺乏其它可以和 T2mapping 比较的成像技术，如弥散加权成像、T2*mapping。

总之，NP T2值能够较好地反映腰椎间盘分级间的差异，特别是对于 I～IV 级椎间盘，T2值能够对其进行定量且与退变等级相关，因此 T2mapping 成像技术对腰椎间盘退行性变的临床早期诊断和治疗后的随访疗效观察有重要的作用。

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（本文编辑：王萌）

Quantitative T2evaluation at 1.5 T in the evaluation of lumbar intervertebral disc degeneration

WEN Qun，MENG Fan-hua， QIAN Ting， WEI Chun-xiao， LIU Jun， XIAO Jing， LIN Xiang-ming. The fifth People's Hospital of Shanghai， Fudan University， Shanghai， 200240， PRC

LIU Jun， Email： lj7275@126.com

Objective To assess the value of MRI T2relaxation times to evaluate the lumbar intervertebral disc degeneration（IVDD）. Methods Fifty patients（24 males， 26 females， 248 discs）with the mean age of（42 ± 15）years（range： 18 - 78 years）with low back pain were prospectively enclosed between October 2013 and May 2015. All patients were examined by MRI at 1.5 T（sagittal T1WI， T2WI， axial T2WI， multi-echo spin echo for T2mapping）. All discs were classified on the basis of Pfirrmann grading system into 5 stages of disc degeneration. T2value of all nucleus pulposus（NP）， anterior and posterior annulus fibrosus（AF）were measured and their variances in different grades were analyzed with one-way ANOVA test. Correlations between T2value and age， grades， age and grades were analyzed with Pearson correlation test. Results （1）T2value of NP decreased while the IVDD grade increased；（2）T2value of anterior AF showed no obvious changes with the increasing of IVDD grade；（3）T2value of posterior AF decreased with the increasing of IVDD grade；（4）Linear regression analysis between T2value of NP and grades revealed significant negative verse correlation（P ＜ 0.01）. Conclusions T2value supports the feasibility of quantitatively assessing lumbar intervertebral disc degeneration. T2mapping provides image reference for the early diagnosis of disc degeneration.

Lumbar vertebrae； Intervertebral disc degeneration； Magnetic resonance imaging； Annulus fibrosus； Nucleus pulposus

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.08.006 中图分类号：R681， R445

200240 上海，复旦大学附属上海市第五人民医院

刘军，Email: lj7275@126.com

（2015-05-09）