T2-mapping在椎间盘中的研究现状

鲁朝宣，杨汉丰，杜 勇

（川北医学院附属医院放射科，四川 南充 637000）

腰背痛是危害人类健康的常见病和多发病，这种症状不仅给病人造成了身体不适和心理压力，而且增加了病人的医疗费用。迄今为止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]。临床上评价腰椎间盘退行性变常用X线平片、CT以及MRI传统T1、T2加权成像来描述髄核和纤维环的形态结构变化，如椎间盘T2信号降低、椎间盘高度变化、椎间盘膨出或突出、椎间关节面的增生以及椎管的狭窄等。普通MRI只能发现椎间盘退行性变的中、晚期改变，而T2-mapping成像通过非侵入性的测量T2弛豫时间，定量分析椎间盘基质成分的变化，具有可重复性的特点。由于此技术可以发现椎间盘退行性变的早期生物化学改变，所以它也为临床对椎间盘治疗方案的选择提供帮助，如保守治疗与手术治疗，尤其一些新的治疗方案的选用，如髄核置换术、基因治疗及细胞移植治疗等[2-4]。

T2-mapping最早用于评价四肢关节软骨退变早期的生物化学改变[5-6]。用此项技术评价椎间盘的研究比较少，为此，本文综述了T2-mapping技术在椎间盘中的研究状况，以便进一步研究T2-mapping技术在椎间盘中的应用价值。

1 椎间盘的解剖及退行性变的定义

在宏观上，椎间盘由位于中央的髄核和包绕其周围的纤维环两部分组成，常说的第三部分即上下软骨板，实际上是上下椎体的组成部分，临床上因与椎间盘关系密切，常视为椎间盘的一部分而同时加以描述。椎间盘位于椎体之间，把相邻椎体连接在一起，是脊柱主要的连接方式，占脊柱高度的1/3，它们不断的传送由体重和肌肉活动产生的负载，也使脊柱更具有灵活性。

椎间盘退行性变广泛应用于临床、影像和病理描述中，是指椎间盘随年龄增长发生的结构紊乱、生化组成改变和生物力学功能逐渐丧失的过程。其中纤维环出现不同程度裂隙或破裂为其组织学特点，髓核退行性变的特征为糖胺聚糖成分的减少和进行性脱水。随着椎间盘退变的进展，椎间盘负载能力降低，导致椎间盘高度下降，纤维环撕裂，甚至椎间盘突出症。椎间盘退行性变没有标准的定义，经过综合分析后，Adams等[7]给出了椎间盘退行性变的定义：椎间盘退行性变是一种异常的细胞参与应答的结构破坏的过程，退行性变的椎间盘组织结构异常，伴有正在进行或后期的老化征象，早期退行性变指的是正在进行的与年龄有关的变化，但结构完整；退行性椎间盘病指伴有疼痛症状的椎间盘退行性变。

2 椎间盘的生物化学

椎间盘胞外基质由复杂的、含水量较高的大分子网络构成。椎间盘的含水量依椎间盘的部位、年龄及负荷而不同，总的说来，椎间盘髄核含水量较高，纤维环的含水量低于髄核。胶原是椎间盘主要的大分子成分之一，形成了椎间盘的构架，为其提供了拉伸强度。胶原在外层纤维环内含量较高，在髄核中含量较低，椎间盘内胶原纤维主要为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型主要位于纤维环内，而Ⅱ型主要位于髄核中[8]。椎间盘的胶原网内含有大量的聚集蛋白聚糖。聚集蛋白聚糖是最大的蛋白聚糖，也是椎间盘内主要的大分子，组成了蛋白的核心部分，其侧链上大约吸附了100个糖胺聚糖（GAG），GAG影响椎间盘的膨胀压力和维持椎间盘的含水量[8]。

椎间盘细胞能合成和维持胞外基质大分子，同时也能产生一些复杂的蛋白酶如金属蛋白酶，这些酶能降解基质成分，正常情况下，基质成分的合成和降解保持平衡，椎间盘退行性变后，这种平衡被打破，影响了椎间盘基质的功能，导致临床症状。

椎间盘退行性变与基质大分子的降解有关，降解的分子慢慢弥散出椎间盘，使椎间盘成分浓度降低，损害了基质的完整性，进而引起生物力学改变，最终导致形态学变化。这些改变的因果关系仍然不清楚，但最早和最显著的降解变化是GAG的丢失，并且丢失的程度与椎间盘退行性变的程度呈正比[8]。GAG降解伴随膨胀压力的降低，椎间盘含水量及高度降低，因此，理解影响GAG丢失的因素是关键。退行性变也会导致胶原网的裂解和破坏。胶原网一旦被破坏，椎间盘的机械力学就发生改变，导致纤维环的撕裂和膨出。

3 T2-mapping技术基本原理

T2弛豫时间是横向磁化由最大值衰减至37%时所需的时间，它通过描述组织横向磁化衰减来反映组织特性。椎间盘内不同区域T2弛豫时间不同，纤维含量较高的区域具有较低的T2值，例如髄核裂隙和纤维环，而含水量较高的区域如正常髄核具有较高的T2值。

4 T2-mapping技术应用于椎间盘的研究

4.1 研究T2值与椎间盘内水和蛋白聚糖含量的关系

T2弛豫时间反映了由水、质子、脂肪、胶原和其他溶质创造的分子微环境，主要受组织结构各向异性的影响，与胶原含量、排列方向和水的含量有关[12]。也有学者认为与水和蛋白聚糖的含量相关。Marinelli等[13]采用14具牛尸和5具人尸研究椎间盘生物化学与T2弛豫时间的相关性，结果发现：椎间盘纤维环和髓核的T2弛豫时间与椎间盘内含水量有显著关系，而与蛋白聚糖的含量有轻微关系。增加椎间盘含水量或糖胺聚糖（蛋白聚糖即PG的主要成分）含量后就能增加T2弛豫时间，增加胶原含量就能降低T2弛豫时间。

4.2 研究椎间盘含水量的昼夜变化

椎间盘含水量也会随着姿势和活动发生变化。在白天，由于体重和肌肉的活动导致椎间盘负载增加，椎间盘的含水量减少，而在晚上，椎间盘的负载减小，其含水量会增加[14]。Karakida等[15]采用18个志愿者，研究正常与退变腰椎间盘髄核T2值是否有昼夜变化，结果发现：正常腰椎间盘T2值在统计学上有显著的昼夜改变。作者还首次揭示35岁以后正常椎间盘T2值未见明显昼夜变化（P＜0.001），这种现象被认为与年龄有关，不会发生退行性变。但这项研究仅包括了两名女性，男性与女性正常椎间盘的生物化学和形态特征的差别不甚清楚，另外，这项研究没有用MR测量椎间盘的高度，因此，椎间盘高度的昼夜变化（形态学方面）与T2值的昼夜变化（生理学方面）之间的关系仍然不清楚，这个问题必须用MR成像加以解释。测量T2值的昼夜变化可以获得有价值的正常与老化椎间盘的生理学方面的信息。采用大量样本的进一步研究可能揭示椎间盘退变的发生过程以及椎间盘退变与腰背痛的关系。

Ludescher等[16]运用T2图和ADC图研究椎间盘成分的昼夜变化，结果发现：从早上到晚上，髄核中央T2值降低（P=0.001），纤维环中 T2值增加（P＜0.048）。 这项研究显示 T2图和ADC图在评价椎间盘内不同区域含水量是相当敏感的，此方法能够在常规成像出现征象和临床上出现症状之前探测椎间盘早期退行性变。

4.3 研究椎间盘成熟过程中T2值的变化

T2弛豫时间也随着发育与成熟的过程而改变。Krueger等[17]采用了小于10岁的受试者（第1组）和19～20岁的受试者（第2组）进行研究，结果发现：在第1组每一层椎间盘的T2平均值范围为74～95ms，第2组为91～119ms，两组之间的差异明显（平均值t检验，P=0.0002）。这项研究揭示椎间盘组织在成熟期间含水量增加，T2值也增加。

4.4 区别正常椎间盘与退变椎间盘的相关研究

正常成人椎间盘和发生退行性变椎间盘的T2值明显不同，退行性变的腰椎间盘的T2弛豫时间短于正常椎间盘的T2弛豫时间。Karakida等[15]用2000ms TR值，兴趣区设在髄核的中央，研究发现正常椎间盘T2平均值为75.6ms，退行性变椎间盘的T2值为53.5ms；Perry等[11]的研究显示T2值能鉴别正常成人椎间盘和退行性变椎间盘，这种方法可以在Thompson或Pfirrmann分级影像表现出现之前探测椎间盘的完整性。

4.5 研究T2-mapping对椎间盘退变的分级

椎间盘退行性变的分级常依据矢状位T2加权像髄核的信号强度和结构形态变化，而Watanabe等[18]研究29个健康志愿者椎间盘（男19例，女10例，年龄20～40岁，平均31.8岁），用 L3～L4、L4～L5和 L5～S1获得轴位的 T2-mapping，结果显示：轴位T2-mapping可以作为探测椎间盘早期退行性变的分级系统，它可以非侵入性的评价椎间盘基质成分。轴位T2-mapping对椎间盘早期退行性变分级如下：Ⅰ级：髄核为均匀高T2值，纤维环为均匀低T2值，髄核和纤维环的边界清晰规则；Ⅱ级：髄核T2值轻微降低，分布稍不均匀，纤维环T2值轻微增加，分布稍不均匀，髄核和纤维环的边界清晰但不规则；Ⅲ级：髄核T2值中度降低，分布中等不均匀，纤维环T2中度增加，分布中等不均匀，髄核和纤维环的边界不清晰；Ⅳ级：髄核T2值重度降低，分布重度不均匀，纤维环T2值重度增加，分布重度不均匀，髄核和纤维环的边界消失。轴位T2-mapping分级系统依赖于椎间盘内T2值的变化，它的特别之处在于能精确定量评价椎间盘早期退行性变。而Pfirrmann分级系统主要依赖于矢状位T2加权像髄核的信号强度和结构形态变化[18]，观察者对信号描述有很多主观因素，使信号强度不能被精确评估，这可能导致观察者之间的误差，尤其当信号强度变化很小时更是如此。

这项研究也有不足之处，由于被研究的人员为健康无症状的志愿者，轴位T2-mapping评估的椎间盘退变等级与临床症状（如腰背痛）之间的关系仍然不清楚，对有临床症状的、尤其是椎间盘性疼痛的病人的进一步研究是必要的。

5 T2-mapping在椎间盘中的研究价值及前景

T2-mapping成像可以通过测定T2弛豫时间发现无明显形态学改变的椎间盘早期退行性变的组织成分变化，从而为早期诊断椎间盘退变提供重要参考依据并指导临床进行早期治疗、干预，以防止椎间盘发生不可逆性改变，乃至晚期形成骨性关节炎，严重影响人们的生活质量和健康。因此，T2-mapping成像对诊断早期椎间盘退行性变有很高的临床价值，可以量化评估椎间盘的分子组成和结构的完整性，这项技术是研究椎间盘早期退行性变的一种潜在成像模式，值得进一步研究。

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