1.5T与3.0T MRI弥散加权成像对腰椎间盘退变诊断价值的比较

马晓晖　张伟　刘栋　赵建　李石玲　张旭静　赵振江　高宇

作者单位: 050051石家庄市，河北医科大学第三医院CT室，河北省骨科生物力学重点实验室(马晓晖、张伟、赵建、李石玲、张旭静、赵振江、高宇) ;河北省石家庄市刘增位中医诊所(刘栋)

1.5T与3.0T MRI弥散加权成像对腰椎间盘退变诊断价值的比较

马晓晖张伟刘栋赵建李石玲张旭静赵振江高宇

作者单位: 050051石家庄市，河北医科大学第三医院CT室，河北省骨科生物力学重点实验室(马晓晖、张伟、赵建、李石玲、张旭静、赵振江、高宇) ;河北省石家庄市刘增位中医诊所(刘栋)

【摘要】目的比较不同场强磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)设备诊断腰椎间盘退变的价值。方法120例腰椎间盘退变患者的600个椎间盘，分别采用1.5T和3.0T超导磁共振仪扫描，测得椎间盘表观系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值;依据Pfirrmann标准对腰椎间盘进行分级。结果1.5T MR椎间盘Pfirrmann分级:Ⅰ级31个，Ⅱ级94个，Ⅲ级86个，Ⅳ级78个，Ⅴ级11个;3.0T MR椎间盘Pfirrmann分级:Ⅰ级41个，Ⅱ级80个，Ⅲ级81个，Ⅳ级91个，Ⅴ级7个。不同级别椎间盘ADC值比较，1.5TMR的Ⅳ和Ⅴ级椎间盘ADC值均分别小于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级，Ⅴ级椎间盘ADC值明显低于Ⅳ级盘(P＜0.05)。3.0TMR组Ⅰ和Ⅱ级盘ADC值差异无统计学意义(P＞0.05)，其余椎间盘随分级增高，ADC值明显减低(P＜0.05)。同一级别椎间盘3.0TMR组ADC值明显低于1.5TMR 组(P＜0.05)。同水平同级别椎间盘2组MR设备ADC值比较，L1/2的各级椎间盘，3.0TMR组ADC值明显小于1.5TMR(P＜0.05) ; L2/3的Ⅱ和Ⅲ～Ⅴ级盘3.0 TMR组ADC值明显小于1.5TMR组(P＜0.05) ; L3/4和L4/5的Ⅲ和Ⅳ～Ⅴ级盘3.0TMR组ADC值明显低于1.5TMR(P＜0.05) ; L5/S1的Ⅰ～Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ～Ⅴ级盘3.0TMR组ADC值明显低于1.5TMR组(P＜0.05)。结论MR测得的ADC值可用于腰椎间盘退变评估，椎间盘Pfirrmann分级越高，其对应的ADC值越低;与1.5TMR设备比较，3.0TMR对诊断早期轻度腰椎间盘退变更加敏感。

【关键词】1.5T磁共振;3.0T磁共振;表观弥散系数;腰椎间盘退变

项目来源:河北省医学科学研究重点课题(编号: 20120344)

E-mail: zw77988@163.com

下腰痛是一种临床常见病，疼痛症状主要是由于腰间盘退变，周围痛觉感受器受刺激引起。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)作为一种无创、无辐射检查技术，现已成为诊断椎间盘退变的最佳方法之一［1］。MRI的T2加权成像及T2脂肪抑制序列目前常作为诊断椎间盘退变的主要依据，但存在一定主观性，不能对椎间盘退变进行定量评估［2］。弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)能反映组织中水分子弥散运动信息［3］，从分子水平研究疾病变化。DWI常采用表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值作为参数进行测量，近年来已成为研究椎间盘退变的热门技术［4］。本文拟通过对120例下腰痛患者椎间盘进行研究，分别在1.5T及3.0TMR设备上进行常规MRI及DWI检查，比较不同场强MR设备对腰间盘退变分级诊断及二者ADC值的差异，旨在探讨一种临床上可用于早期诊断腰椎间盘退变的更敏感的影像学方法。

1　资料与方法

1.1一般资料2012年7月至2013年6月河北医科大学第三医院就诊的腰椎间盘退变患者，共120例600个椎间盘，随机分为2组，分别在1.5T或3.0TMR设备上行腰椎1/2～腰5/骶1(L1/2～L5/S1)常规MRI及DWI检查。入选患者均排除以下情况:腰椎手术史、急性腰部外伤、腰椎肿瘤、腰椎弥漫性转移瘤、腰椎结核、血液病累及腰椎、严重腰椎先天发育不良、重度腰椎压缩骨折及MRI图像有伪影者。

1.2方法MRI及DWI采用SIEMENS Avanto 1.5T 和SIEMENS Verio 3.0T超导磁共振设备。1.5TMR矢状位T2WI参数: TR/TE=3 500 ms/88 ms，FOV 280× 280 mm，层厚4 mm，层数11层，矩阵384×288，采集次数2次，采集时间124 s。矢状位DWI参数: TR/TE=2 900 ms/73 ms，FOV 280×280 mm，层厚4 mm，层数11层，矩阵128×128，采集次数8次，采集时间102 s。3.0T MR矢状位T2WI参数: TR/TE=3 000 ms/101 ms，FOV280×280 mm，层厚4 mm，层数11层，矩阵384×288，采集次数2次，使用并行采集技术，加速因子为2，采集时间80 s。矢状位DWI参数: TR/TE=5 842 ms/83 ms，FOV 281×281 mm，层厚4 mm，层数11层，矩阵160×128，采集次数6次，使用并行采集技术，加速因子为2，采集时间156 s。两台MR的DWI序列均使用自动匀场及频率选择法脂肪抑制技术，椎体前缘设置预饱和带。b值均选择0和800 s/mm2，扫描结束自动生成ADC图。

1.3图像分析参考Pfirrmann椎间盘退变分级标准［5］，由两名影像科副主任医师分别对600个椎间盘独立分级后汇总分析，诊断不一致协商解决。在正中矢状面ADC图上进行ADC值测量。圆形兴趣区(ROI)选择在髓核中央信号分布均匀位置，面积35～40 mm2。每个椎间盘测量两次取平均值记录。

1.4统计学分析应用SPSS 13.0统计软件，计量资料以±s表示，行单因素方差分析，两独立样本采用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.11.5T和3.0T MR测定椎间盘Pfirrmann分级结果见表1。

表1　1.5T和3.0TMR2组患者椎间盘分级　例

2.2按Pfirrmann分级2组MR测定椎间盘ADC值比较1.5TMR患者Ⅳ和Ⅴ级盘ADC值明显小于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级;Ⅴ级盘ADC值明显低于Ⅳ级(P＜0.05)。3.0TMR患者Ⅰ和Ⅱ级盘之间差异无统计学意义(P ＞0.05)，其余各椎间盘随级别增高，ADC值明显减低(P＜0.05)。同一级别椎间盘比较，3.0TMR组ADC值明显低于1.5T组(P＜0.05)。见表2。

表2　不同级别椎间盘1.5T和3.0T MR的ADC值比较×10－3mm2/s，±s

表2　不同级别椎间盘1.5T和3.0T MR的ADC值比较×10－3mm2/s，±s

Pfirrmann分级1.5TMR椎间盘数量(例)　ADC值3.0TMR椎间盘数量(例)　ADC 值　t值　P值Ⅰ级31　1.86±0.15　41　1.75±0.14　3.07　0.003Ⅱ级　94　1.87±0.14　80　1.75±0.16　5.27　0.000Ⅲ级　86　1.79±0.15　81　1.62±0.21　5.40　0.000Ⅳ级　78　1.41±0.35　91　1.16±0.33　4.65　0.000Ⅴ级　11　1.21±0.26　7　0.82±0.31　3.00　0.008 F值69.83　62.62 P值0.000　0.000

2.3同水平同级别椎间盘ADC值比较2组患者L1/2的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ～Ⅴ级椎间盘比较，3.0 TMR测得的ADC值明显小于1.5T(P＜0.05)。L2/3的Ⅱ和Ⅲ～Ⅴ级盘3.0 TMR组ADC值明显小于1.5T组(P＜0.05)。L3/4和L4/5的Ⅲ和Ⅳ～Ⅴ级盘3.0T MR组ADC值明显低于1.5T(P＜0.05)。L5/S1的Ⅰ～Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ～Ⅴ级盘3.0T MR组ADC值明显低于1.5T组(P＜0.05)。见表3。

2.4典型病例1.5T MR扫描男性患者，34岁。T1WI序列矢状位示椎体形态正常，椎间盘未见明显异常信号。T2WI-STIR序列矢状位示L5/S1信号减低，Pfirrmann分级为Ⅲ级。MRI序列和ADC图示L5/S信号减低，ADC图ROI大小为35～40 mm2。见图1 A～D。

3.0T MR扫描女性患者，28岁。T1WI序列矢状位示椎体形态正常，椎间盘未见明显异常信号。T2WI-STIR序列矢状位示L4/5和L5/S信号减低，Pfirrmann分级均为Ⅲ级。DWI序列和ADC图示L4/5 和L5/S1信号减低，ADC图ROI大小为35～40 mm2。见图2A～D。

表3　同水平同级别椎间盘1.5T和3.0T MR的ADC值比较　×10－3mm2/s，±s

表3　同水平同级别椎间盘1.5T和3.0T MR的ADC值比较　×10－3mm2/s，±s

注: (1) 1.5TMR组L1/2、L2/3的Ⅳ和Ⅴ级盘样本量较小，2组MR设备L1/2、L2/3的Ⅲ～Ⅴ级合并分析; (2) 2组患者L3/4、L4/5和L5/S1的Ⅰ和Ⅴ级样本量较小，将上述部位的Ⅰ～Ⅱ级和Ⅳ～Ⅴ级合并分析

椎间盘水平　Pfirrmann分级1.5TMR椎间盘数量(例)　ADC值3.0TMR椎间盘数量(例)　ADC值t值　P值L1/2　Ⅰ级37　1.35±0.35　33　1.15±0.36　2.32　0.023 17　1.87±0.17　20　1.72±0.14　3.09　0.003Ⅱ级　29　1.82±0.19　22　1.68±0.16　2.61　0.010Ⅲ～Ⅴ级　14　1.72±0.21　18　1.44±0.27　2.59　0.016 L2/3　Ⅰ级　12　1.84±0.08　13　1.79±0.16　0.77　0.452Ⅱ级　24　1.86±0.13　22　1.74±0.16　2.85　0.007Ⅲ～Ⅴ级　24　1.67±0.25　25　1.36±0.38　3.41　0.001 L3/4　Ⅰ～Ⅱ级　19　1.88±0.11　23　1.86±0.13　0.52　0.607Ⅲ级　26　1.79±0.17　20　1.68±0.19　2.07　0.045Ⅳ～Ⅴ级　15　1.40±0.24　17　1.17±0.33　2.07　0.047 L4/5　Ⅰ～Ⅱ级　14　1.94±0.07　10　1.87±0.12　1.93　0.066Ⅲ级　16　1.86±0.15　19　1.68±0.22　2.77　0.009Ⅳ～Ⅴ级　30　1.43±0.39　31　1.08±0.37　3.50　0.001 L5/S1　Ⅰ～Ⅱ级　10　1.94±0.06　11　1.70±0.05　10.37　0.000Ⅲ级　13　1.79±0.13　16　1.61±0.21　2.69　0.012Ⅳ～Ⅴ级

图1　1.5T MR设备扫描的男性患者，34岁。图1　A为T1WI序列矢状位示椎体形态正常，椎间盘未见明显异常信号;图1　B为T2WI-STIR序列矢状位示L5～S1信号减低，Pfirrmann分级为Ⅲ级;图1　C、D为弥散加权成像序列(DWI)和表观扩散系数(ADC)，图示L5-S1信号减低，ADC图ROI大小为35～40 mm2

图2　3.0T MR设备扫描的女性患者，28岁。图2　A为T1WI序列矢状位示椎体形态正常，椎间盘未见明显异常信号;图2　B为T2WI-STIR序列矢状位示L4～5及L5～S1信号减低，Pfirrmann分级均为Ⅲ级;图2　C、D为弥散加权成像序列(DWI)和表观扩散系数(ADC)图示L4～5及L5～S1信号减低，ADC图ROI大小为35～40 mm2

3　讨论

椎间盘没有血管，髓核的营养供应主要依靠软骨终板毛细血管床的弥散渗透作用获得［6］。研究表明，椎间盘营养物质的缺失及应力的异常对椎间盘退变起重要作用［7］。椎间盘退变主要表现为髓核的退变，即髓核内水分的缺失及蛋白多糖含量的减少。磁共振弥散加权成像可以反映组织中水分子弥散信息，从而对椎间盘髓核退变程度作出评判。

DWI是在常规序列中加入一对弥散敏感梯度，目的是观察因髓核内水分子及蛋白多糖扩散运动改变而引起的信号变化。当间盘未发生退变时，髓核内蛋白多糖及水分子含量保持相对稳定，形成大分子结合水，弥散受限，表现为高信号。当发生退变时，髓核内水分减少，蛋白多糖含量降低而发生成分改变，表现为低信号。由此得到反映间盘退变的DWI及ADC图像。

DWI中反映弥散运动敏感程度的参数是扩散敏感因子，即b值，它是一个可选择参数。目前尚没有关于b值选择的最佳标准。研究认为，b值选择1 000 s/mm2时，髓核与纤维环显示清晰，测得的ADC值更稳定［8］。亦有学者认为，b值选择取决于组织的TE时间，椎体DWI常采用低b值，多应低于500 s/mm2［9，10］。本研究结合两台设备性能指标，b值选择为800 s/mm2，这样既能真实反映组织扩散程度，又能得到信噪较好的图像质量。测量兴趣区放置于正中矢状面的髓核中心位置，尽量避开软骨终板所导致的容积效应影响，利于获取准确数据。

本研究中两种场强MR均表现为椎间盘Pfirrmann分级(Ⅰ、Ⅱ级除外)越高，对应ADC值越低，符合文献报告［10］，提示MRI的DWI序列测得的ADC值可用于评估椎间盘退变程度。但两种场强MR测定的Ⅰ、Ⅱ级椎间盘ADC值均未见明显差别，也与已往研究结果一致［11］，分析原因可能与Ⅰ、Ⅱ级椎间盘髓核均无明显病变有关。进一步研究发现1.5T MR设备测定腰椎间盘ADC值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级与Ⅳ、Ⅴ级存在统计学差异，而3.0T MR设备除上述差异外，Ⅰ、Ⅱ级与Ⅲ级盘ADC值也存在统计学差异，按照Pfirrmann分级标准，Ⅲ级属于间盘轻度退变或表述为退变早期阶段，提示3.0T MR设备对间盘轻度退变的ADC值测量比1.5T MR设备更加敏感。由此看出，场强越高的MR设备对间盘早期退变的ADC值测量更具优势。

同水平椎间盘按Pfirrmann分级后进行比较，发现L2～3水平的Ⅰ级盘和L3～4、L4～5水平的Ⅰ～Ⅱ级盘在两台MR设备测定的ADC值没有统计学差异，说明场强不同的MR设备对于正常椎间盘ADC值测量无明显差别。但L1～2、L5～S1正常椎间盘ADC值存在统计学差异，分析原因可能是正常腰椎间隙解剖从L1～2至L4～5逐渐增大，而到L5～S1又减小，L1～2和L5～S1间隙较窄，兴趣区内ADC值的测量受椎体上下缘软骨终板容积效应的影响所致。两台MR设备之间相同节段高分级椎间盘的比较结果差异有统计学意义，更进一步证明高场MR设备对退变椎间盘的ADC值测量更加敏感。

本研究两台MR设备的同一级别腰椎间盘平均ADC值，3.0T MR设备均小于1.5T MR。分析原因主要是磁场强度的不同，磁场强度越高，梯度磁场的幅度及切换率也越高，对水分子扩散运动的检测越敏感。因此，在选取相同b值的情况下，高场MR设备上ADC值测量数值较低。

综上，本研究得到以下结论: (1) MRI的DWI序列测得的ADC值可用于评估椎间盘退变，椎间盘的Pfirrmann分级越高，其对应的ADC值越低; (2) 3.0T MR设备对间盘早期轻度退变的ADC值测量比1.5T MR更加敏感。相信随着高场MR设备的使用，DWI序列的进一步完善及对ADC值的进一步研究，水分子扩散的量化指标对椎间盘退变的诊断，尤其是间盘的早期退变以及间盘退变的预防和预后判断将提供更多的依据及可行性。

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Comparative study on 1.5T and 3.0T MRI diffusion weighted imaging in diagnosis of lumbar intervertebral disc degeneration

MA Xiaohui*，ZHANG Wei*，LIU Dong，et al.*
Department of CT/MRI，Hebei Provincial Key Laboratory of Orthopedic Biomechanics，The Third Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050051，China

【Abstract】Objective To explore the diagnosis value of different magnetic resonance imaging (MRI) equipment for lumbar intervertebral disc degeneration.Methods The 600 discs of 120 cases of lumbar disc degeneration were divided into 2 groups，the data were obtained by using 1.5T (Avanto; Siemens，Erlangen，Germany) and 3.0 T MRI scanner (Verio; Siemens，Erlangen，Germany)，apparent diffusion coefficient (ADC) was obtained by Diffusion Weighted Imaging (DWI)，using the Pfirrmann’s grading system in 600 discs.Results 1.In 1.5T group: gradeⅠdisc 31，gradeⅡdisc 94，gradeⅢdisc 86，gradeⅣ78，and gradeⅤ11;3.0T group: gradeⅠ41，gradeⅡ80，gradeⅢ81，gradeⅣ91，and gradeⅤ7.2.In 1.5T group，there were significant differences in mean ADC values between gradeⅣ，Ⅴdiscs and gradeⅠ，Ⅱ，Ⅲdiscs.As compared with gradeⅣdisc，the gradeⅤdiscs had a lower ADC values (P＜0.05).In 3.0TMR group，there were significant differences in ADC values of every grade discs except for gradeⅠandⅡdiscs (P＜0.05).Furthermore，there were significant differences in ADC values of every level discs between the two kinds of MRI，the higher grade disc had lower ADC values (P＜0.05).3.At L1/2 level disc，as compared with 1.5TMR，the ADC values were significantly decreased in every grade in 3.0TMR (P ＜0.05) ; at L2/3 level，as compared with 1.5TMR，lower ADC values were found in gradeⅡandⅢ～Ⅴdiscs in 3.0TMR (P＜0.05) ; at L3/4 and L4/5 level，as compared with 1.5TMR，ADC values were significantly decreased in gradeⅢ和Ⅳ～Ⅴin 3.0TMR (P＜0.05) ; at L5/S1 level，as compared with 1.5TMR，lower ADC values were found in gradeⅡ，Ⅲ，andⅣ～Ⅴdiscs in 3.0TMR (P＜0.05).ConclusionADC values detected by DWI can assess lumbar intervertebral disc degeneration，the higher Pfirrmann classification of intervertebral disc，the lower ADC values.As compared with 1.5TMR，3.0TMR is more sensitive in the diagnosis of lumbar intervertebral disc degeneration.

【Key words】1.5T magnetic resonance; 3.0T magnetic resonance; apparent diffusion coefficient; lumbar disc degeneration

(收稿日期:2014－11－08)

通讯作者:张伟，050051石家庄市，河北医科大学第三医院;

doi:10.3969/j.issn.1002－7386.2015.07.005

【文章编号】1002－7386(2015) 07－0981－04

【文献标识码】A

【中图分类号】R 814.46