腰椎间盘退变的T2mapping定量分析

周洁,詹勇,张衡,李钦海,向子云

深圳市龙岗区人民医院 影像科,广东 深圳 518172

[摘 要] 目的探讨1.5 T MRI T2*mapping 成像定量评估腰椎间盘退变的可行性及其诊断价值。方法对195例腰腿痛患者行腰椎常规磁共振扫描及矢状位T2*mapping成像,并应用AW4.5工作站进行数据处理,采用Pfirrmann标准对纳入研究的732个椎间盘进行退变分级,定量分析不同分级间椎间盘的T2*值变化特点,分析T2*值与椎间盘退变分级间的相关性。结果732个椎间盘中,Pfirrmann Ⅰ级26个(3.6%)、Ⅱ级47个(6.4%)、Ⅲ级233个(31.8%)、Ⅳ级390个(53.3%)、Ⅴ级36个(4.9%)。腰椎间盘髓核及纤维环T2*值均随分级增加而减小;除Ⅰ级与Ⅱ级椎间盘髓核及纤维环、Ⅱ级与Ⅲ级纤维环T2*值差异无统计学意义(P>0.05),其余各级间差异均有统计学意义(P<0.05)。椎间盘髓核及纤维环T2*值与Pfirrmann分级呈负相关(r=-0.68,P<0.05;r=-0.54,P<0.05)。结论1.5 T MRI T2*mapping能对腰椎间盘退变进行客观、定量评估,腰椎间盘T2*值与Pfirrman分级负相关。

[关键词]腰椎;磁共振成像;椎间盘退变;MRI;T2*mapping成像

引言

腰椎间盘是人体最早发生退变的器官之一,临床上约半数的腰痛与腰椎间盘退变的发生、发展有关[1-2]。基于常规MRI(T2WI)的Pfirrmann标准虽然能从形态学上评价腰椎间盘退变,但缺乏量化指标,且极易受到成像参数及周围环境影响[3]。寻找准确、易行的方法定量评价腰椎间盘退变程度临床意义重大。本研究通过测量腰痛患者椎间盘T2*值,探讨1.5 T MRI T2*mapping成像定量评估腰椎间盘退变的可行性及其诊断价值。

1 资料与方法

1.1 临床资料

收集195例腰痛患者的腰椎常规MRI检查及T2*mapping扫描资料。195例患者中,男性85例,女性110例,年龄17~90岁,平均(48.37±12.65)岁。排除标准:腰椎畸形、腰椎手术史、阳性腰椎外伤史、腰椎及椎管内肿瘤或肿瘤样病变、图像质量不佳者。

1.2 MRI成像参数

采用GE 1.5 T Signa HDe磁共振扫描仪并应用脊柱线圈行常规矢状位T2WI及T1WI、轴位T2WI及矢状位T2*mapping扫描。T2WI成像参数:TR 2000~2500 ms,TE 110 ms,层厚4.0 mm,层间距1.0 mm,FOV 35 cm×35 cm,回波链 21,NEX 4,矩阵 320×224。T2*mapping成像参数 :TR 100 ms,TE 3.7、9.4、15.0、20.7、26.3 、32.0、37.6和43.3 ms,层厚4 mm,层间距1 mm,FOV 32 cm×32 cm,NEX 2,矩阵256×256,翻转角30°。

1.3 图像后处理及分析

根据Pfirrmann标准,将纳入的椎间盘分为Ⅰ~Ⅴ级,为保证分级的准确性,由两名经验丰富的主治医师独立阅片,分级不一致时共同阅片并讨论后确定最终分级。在AW 4.5后处理工作站上对T2*mapping原始图像进行处理、分析(设定阈值,要求在尽可能包全椎间盘组织的基础上最大程度地减少图像背景噪声)。由两位有7年以上工作经验的主治医师共同选取感兴趣区(ROI),即在矢状位正中层面将椎间盘前后分为5等份,于第1、第2~4、第5等份各绘制一个ROI(即 ROI1、ROI2~4及 ROI5)并记录 T2*值。ROI2~4测得的是髓核(Nucleus Pulposus,NP)的T2*值,ROI1与ROI5的平均T2*值即为纤维环(Annulus Fibrosus,AF)的T2*值。

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0软件进行统计学处理,计量资料均以中位数(P25,P75)表示;采用Kruskal-Waillis检验(秩和检验)分析不同Pfirrmann分级椎间盘NP、AF T2*值的差异性,组间两两比较均采用Tamhane’s T2法(检验水准为双侧0.05);应用Spearman等级相关分析评价椎间盘NP、AF的T2*值与Pfirrmann分级的关系,并应用非参数法绘制受试者工作特征曲线(Receiver Operation Characteristic Curves,ROC), 记 录 曲 线 下 面 积(Area Under Curve,AUC),确定诊断界值并记录敏感度及特异度。同一椎间盘NP与AF T2*值的比较采用两个相关样本的Wilcoxon检验。P<0.05即为有显著统计学差异。

2 结果

2.1 Pfirrmann分级

共纳入732个椎间盘,PfirrmannⅠ级26个(3.6%)、Ⅱ级47个(6.4%)、Ⅲ级233个(31.8%)、Ⅳ级390个(53.3%)、Ⅴ级36个(4.9%),见图1。PfirrmannⅠ~Ⅴ受试者年龄分别为(29.3±6.1)、(35.2±9.0)、(45.7±10.7)、(52.4±11.8)、(52.8±11.9)岁。

2.2 不同Pfirrmann分级椎间盘 T2值比较及相关分析

椎间盘NP及AF T2*值均随Pfirrmann分级增加而减低,且NP较AF T2*值下降趋势更明显(表1,图2)。经Tamhane’s T2检验,除Ⅰ级与Ⅱ级椎间盘NP及AF T2*值、Ⅱ级与Ⅲ级椎间盘AF T2*值的差异无统计学意义外(NP:PⅠ与Ⅱ=0.50;AF:PⅠ与Ⅱ=0.99;AF:PⅡ与Ⅲ=0.13),其余各级间差异均有统计学意义(P均<0.05),见图3,Spearman等级相关分析表明:椎间盘NP T2*值与Pfirrmann分级呈中度负相关(r=-0.68,P<0.05);椎间盘AF T2*值与Pfirrmann分级呈中度负相关(r=-0.53,P<0.05)。NP及AF T2*值鉴别不同Pfirrmann分级椎间盘的ROC曲线见图4,相关参数见表2。

图1 两例下腰痛患者的腰椎T2WI及T2*mapping伪彩图(矢状位)

注:a为女性,43岁,L1/2及L2/3椎间盘为PfirrmannⅢ级:NP信号不均、呈灰色,NP与AF分界不清,椎间盘高度正常;L3/4及L4/5为PfirrmannⅣ级:NP信号减低呈黑色,NP与AF分界消失,椎间盘高度正常;L5/S1为PfirrmannⅤ级:NP信号减低呈黑色,NP与AF分界消失,椎间盘高度明显减低。b为女性,29岁,L1/2椎间盘为PfirrmannⅠ级:NP信号均匀、呈高信号,NP与AF分界清楚,椎间盘高度正常;L2/3及L3/4椎间盘为PfirrmannⅡ级:NP信号不均、见横行条状低信号影,NP与AF分界清楚,椎间盘高度正常。c为b图患者的T2*mapping伪彩图,图像后处理时要求在尽可能包全椎间盘组织的基础上最大程度地减少图像背景噪声,L1/2-L5/S1椎间盘NP T2*值高于AF T2*值。

图2 各Pfirrmann分级椎间盘T2*值均值及95%置信区间误差条图注:T2*值均随Pfirrmann分级增加而减低,且NP较AF T2*值下降趋势更明显。

图3 T2*值与Pfirrmann分级相关性

注:a.NP T2*与Pfirrmann分级呈中度负相关(r=-0.68,P<0.05);b.AF T2*值与Pfirrmann分级呈中度负相关(r=-0.53,P<0.05)。

表1 各Pfirrmann分级椎间盘的T2*值 [ms, (95%CI)]

图4 Ⅱ级与Ⅲ级NP T2*值ROC曲线

注:a.Ⅱ级与Ⅲ级NP T2*值ROC曲线;b.Ⅲ级与Ⅳ级NP T2*值ROC曲线;c.Ⅲ级与Ⅳ级AF T2*值ROC曲线;d.Ⅳ级与Ⅴ级NP T2*值ROC曲线;e.Ⅳ级与Ⅴ级AF T2*值ROC曲线。

表2 不同分级T2*值ROC曲线的相关参数

3 讨论

椎间盘是由上下覆盖的软骨终板、周围的AF及中间的NP所构成的一种纤维软骨组织。软骨终板除通过渗透作用向NP供给营养外,还通过缓冲压力负荷而减轻对椎体的损伤[4]。AF分内、外两层,其主要成分是Ⅰ型胶原纤维,其对弯曲、旋转等负荷有较强的承受力,在防止椎间盘向周围膨出及向局部突出中起着至关重要的作用[5]。NP为透明半胶状体,其主要成分是水和蛋白多糖,其产生的内流体静压力较大而使得椎间盘能够承受一定的脊柱的压力负荷。椎间盘退变是由营养、遗传、外伤、正常老化等诸种因素导致的病理改变[6]。退变早期主要表现为NP生化成分改变(最显著的变化是粘多糖蛋白复合体与水分的丢失),后期则出现AF撕裂、NP脱出/突出以及椎间盘高度降低等形态学改变[7]

MRI图像分辨率高,可无创清晰显示椎间盘的AF和NP等结构。基于T2WI矢状位正中层面椎间盘的高度及信号特点,Pfirrmann标准将椎间盘退变分为Ⅰ~Ⅴ级[8],其虽然能从形态学上评价腰椎间盘退变,但缺乏量化指标,且极易受到成像参数影响。近年来,应用MRS、DWI、T2*mapping 成像等功能磁共振成像客观并量化评价腰椎间盘退变已成为研究热点[9]

T2*mapping成像是一种能够量化反映组织生化改变(微磁敏感效应基础上组织内大分子含量的变化)的新技术,其与T2 mapping成像成像原理基本相同,但却具有信噪比高、扫描时间短以及图像对比度清晰等优点,已广泛被应用于关节软骨病变早期软骨成分的定量评价中[10-13]。我们发现椎间盘NP及AF T2*值均随Pfirrmann分级增加而减低,且NP较AF T2*值下降趋势更明显(NP T2*值与椎间盘退变分级相关系数r=-0.68,AF T2*值与椎间盘退变分级相关系数r=-0.53)。笔者认为这可能与椎间盘不同结构的组织成分以及椎间盘的退变机制有关:椎间盘退变早期蛋白多糖含量下降继而水分丢失,胶原类型发生改变(Ⅰ型胶原含量持续上升,Ⅱ型胶原含量持续下降,二者总量不变)及纤维网状结构的破坏,随分级升高这种变化越来越明显,而这种变化以椎间盘NP最显著[14-15],T2*mapping成像技术对大分子及水含量、结构的变化较敏感,因此NP的T2*值能反映出腰椎间盘的退变程度、二者具有很好的相关性;AF退变主要表现为胶原纤维结构的破坏且其含水量小,因此AF T2*值变化不如NP明显。除Ⅰ级与Ⅱ级椎间盘NP及AF、Ⅱ级与Ⅲ级椎间盘AF T2*值的差异无统计学意义外,其余各级间差异均匀显著统计学差异。这可能与Ⅰ级椎间盘样本量小且部分Ⅱ级椎间盘未发生退变有关[16-17]。我们通过ROC曲线证实:NP及AF T2*值诊断椎间盘Pfirrman分级具有不同程度准确性,其中NP T2*值对Ⅲ级与Ⅳ级、AF T2*值对Ⅳ级与Ⅴ级椎间盘的诊断具有相对高的诊断价值。

总之,腰椎间盘T2*值与Pfirrman分级负相关,应用1.5 T MRI T2*mapping成像对腰椎间盘退变程度进行定量评估可行,能在一定程度上为临床医生提供腰椎间盘退变的定性、定量信息。本研究的局限性:① 无各级椎间盘的组织病理学对照;② Ⅰ级、Ⅱ级及Ⅴ级椎间盘的样本量相对小,与Ⅲ级或Ⅳ级样本量相差较大;③ 未与无腰痛症状的正常青年人进行对比研究。今后,我们会增大正常或退变早期椎间盘样本量,并分节段研究腰椎间盘T2*值与Pfirrmann分级的相关性。

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Quantitative Assessment of Lumbar Intervertebral Disk Degeneration by Using T2mapping

ZHOU Jie, ZHAN Yong, ZHANG Heng, LI Qinhai, XIANG Ziyun
Department of Diagnostic Radiology, Shenzhen Longgang People’ Hospital, Shenzhen Guangdong 518172, China

Abstract: ObjectiveTo investigate the clinical value of T2*mapping in detecting lumbar intervertebral disk degeneration (IVDD).MethodsT2WI, T1WI and T2*mapping were scanned in 195 patients with low back pain. All data were transfered to the AW4.5 workstation for processing. According to Pfirrmann standard, 732 lumbar intervertebral discs were graded. T2*values of lumbar intervertebral discs in different grades were measured and quantitativly analyzed. Correlations between T2*values and Pfirrmann grades were further tested.ResultsTotally 732 intervertebral discs were finally selected in the study, including 26 in gradeⅠ, 47 in in gradeⅡ, 233 in grade Ⅲ, 390 in grade Ⅳ, and 36 in grade Ⅴ. T2*values of intervertebral discs decreased while the IVDD grade increased. Significant differences of T2*values of NP or AF were found between different grades (P<0.05) except that between gradeⅠandⅡ, and gradeⅡand Ⅲ. T2*values of nucleus pulposus (NP) and annulus fibrosus (AF) were negatively correlated with the Pfirrmann grades.ConclusionT2*mapping at 1.5 T MRI can objectively and quantitatively evaluate the degeneration of the lumbar intervertebral disc. T2*values of the lumbar intervertebral disc were negatively related to the Pfirrman grades.

Key words:lumbar spine; magnetic resonance imaging; intervertebral disc degeneration; MRI; T2*mapping imaging

[中图分类号]R681.53;R455.2

收稿日期:2018-05-07

修回日期:2018-05-22

基金项目:深圳市科技计划项目(JCYJ20150402164314701);深圳市龙岗区科技发展资金项目(YLWS20150513163259372)。

通讯作者:向子云,主任医师,主要研究方向为胸部及骨关节影像诊断。

通讯作者邮箱:szlgxzy@163.com

[文献标识码]]B

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2018.08.020

[文章编号]1674-1633(2018)08-0083-04

 

本文编辑 王静