T2 mapping对腰椎间盘退行性变的定量研究

张啸波ZHANG Xiaobo

孙维荣2SUN Weirong

张 肖1ZHANG Xiao

杜 鹏1DU Peng

何晓锋1HE Xiaofeng

张 欣1ZHANG Xin

肖越勇1XIAO Yueyong

T2 mapping对腰椎间盘退行性变的定量研究

张啸波1ZHANG Xiaobo

孙维荣2SUN Weirong

张 肖1ZHANG Xiao

杜 鹏1DU Peng

何晓锋1HE Xiaofeng

张 欣1ZHANG Xin

肖越勇1XIAO Yueyong

作者单位
1.解放军总医院放射科 北京 100853 2.解放军316医院 北京 100093

目的 基于T2WI的Pfirrmann得分仅能对椎间盘进行定性评价，极易受到周围环境和成像参数的影响，本研究拟通过3.0T MRI T2 mapping序列对腰椎间盘退行性变进行定量评估，为腰椎间盘退行性变的准确诊断提供一定的依据。资料与方法 对53例腰痛患者（265个腰椎间盘）行T1FSE、T2FSE及T2 mapping序列扫描，分析扫描图像并按照Pfirrmann得分进行分级，计算并比较各椎间盘T2弛豫时间的差异，分析椎间盘T2弛豫时间的相关性。结果 265个椎间盘中，Pfirrmann I级5个（1.9%），Pfirrmann II级153个（57.7%），Pfirrmann III级86个（32.3%），Pfirrmann IV级20个（7.5%），Pfirrmann V级1个（0.38%）。前纤维环各Pfirrmann分级的T2弛豫时间差异无统计学意义（P＞0.05）。后纤维环各Pfirrmann分级的T2弛豫时间差异有统计学意义（P＜0.05）。前纤维环Pfirrmann II～IV级的T2弛豫时间短于后纤维环，Pfirrmann I级的T2弛豫时间显著高于后纤维环（P＜0.05）。髓核Pfirrmann I～IV级的T2弛豫时间组间比较差异有统计学意义（P＜0.05）。髓核各分区（ROI2/ROI3、ROI3/ROI4、ROI2/ROI4）的T2弛豫时间呈显著正相关（r=0.86、0.76、0.63，P＜0.05），前纤维环与后纤维环的T2弛豫时间无显著相关（r=0.09，P＜0.05），髓核T2弛豫时间与椎间盘Pfirrmann分级呈显著负相关（ r=－0.78，P＜0.05）。结论MR T2 mapping能对腰椎间盘进行T2弛豫时间定量评估，且与其退变等级显著相关。

腰椎；椎间盘移位；磁共振成像

目前，临床上依据椎间盘的Pfirrmann得分对椎间盘的退变程度进行评价，Pfirrmann得分的主要依据为髓核MR信号强度、椎间盘结构、髓核和纤维环之间的边界以及椎间隙的宽度[1]。然而，基于T2WI的Pfirrmann得分仅能对椎间盘进行定性评价，极易受到周围环境和成像参数的影响[2]。T2 mapping序列能对椎间盘进行定量研究，测量出感兴趣区（ROI）的T2弛豫时间，进而更加准确地评价椎间盘的物质组成[3]。本研究通过测量腰背痛患者椎间盘的T2弛豫时间，定量评价腰椎间盘退行性变，并和传统定性研究进行对比，评价MR T2 mapping序列对腰椎间盘退行性变早期诊断的价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2013年1—9月以腰痛症状就诊于解放军总医院骨科的53例患者，其中男36例，女17例；年龄17～66岁，平均（37.5±10.3）岁。排除脊柱显著畸形、外伤或手术史及显像欠佳患者。本研究经本院伦理委员会批准，所有患者均知情同意。

1.2 仪器与方法 患者取仰卧位。采用GE Signa HDx 3.0T MRI扫描仪，选用脊柱扫描线圈，分别对患者进行矢状位T1FSE、矢状位和轴位T2FSE以及矢状位T2 mapping序列扫描，扫描序列及参数见表1。

表1 MRI扫描序列及其参数

1.3 图像分析 将扫描图像传至GE ADW后处理工作站，选取各个序列图像质量较好的层面进行分析。由2名分别有10年和15年MRI诊断经验的影像科主治医师和主任医师独立对所有患者的L1～2、L2～3、L3～4、L4～5和L5～S1椎间盘进行分析，并基于各椎间盘在矢状位T2WI图像上的解剖和信号特点，对各椎间盘进行Pfirrmann分级，其标准为[1]：①I级：信号均匀，呈高亮信号影，与脑脊液等信号，髓核和纤维环边界清晰，椎间隙未变窄；②II级：信号不均匀，高亮信号影中混杂或不混杂水平带状灰色信号影，与脑脊液等信号，髓核和纤维环边界清晰，椎间隙未变窄；③III级：信号不均匀，呈中等信号且混杂有不连续灰色信号影，髓核和纤维环边界不清晰，椎间隙未变窄或轻微变窄；④IV级：信号不均匀，呈中等信号或低信号，夹杂灰色或黑色信号影，髓核和纤维环边界消失，椎间隙未变窄或中度变窄；⑤V级：信号不均匀，呈黑色低信号，髓核和纤维环界限消失，椎间隙消失。当医师意见分歧时经讨论达成共识。

1.4 图像后处理 使用后处理工作站Functool软件包对T2 mapping图像进行处理。取中间矢状位层面，将椎间盘从前至后平均分为5等份，依次为前纤维环（ROI1）、前髓核（ROI2）、中髓核（ROI3）、后髓核（ROI4）及后纤维环（ROI5）（图1），测量腰椎间盘各等份ROI的T2值，并单独测量髓核区域（包括前、中、后髓核）的T2值。

图1 椎间盘ROI划分。1、5分别为前、后纤维环；2、3、4分别为前髓核、中髓核、后髓核

1.5 统计学方法 采用SPSS 13.0软件；先进行正态分布检验及方差齐性检验，应用Pearson相关系数对各腰椎间盘T2值的相关性进行分析，Pfirrmann分组的比较采用单因素方差分析和Tukey post-hoc分析，采用Spearman等级相关对髓核T2值和Pfirrmann分级进行相关性分析，前后纤维环T2值的比较采用配对t检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 Pfirrmann分级结果 265个椎间盘中，Pfirrmann I级5个（1.9%），Pfirrmann II级153个（57.7%），Pfirrmann III级86个（32.3%），Pfirrmann IV级20个（7.5%），Pfirrmann V级1个（0.38%），见图2～5。Pfirrmann I～IV级患者的平均年龄分别为（19.5±4.5）岁、（36.8±8.9）岁、（43.8±11.2）岁、（45.9±9.5）岁，1例Pfirrmann V级患者的年龄为66岁。

图2 男，32岁，腰痛2个月余。L3～4椎间盘矢状位T2图像，Pfirrmann分级I级（A）；相应层面T2mapping图像，所测量前纤维环、髓核及后纤维环T2弛豫时间分别为59.4 ms、253.8 ms和32.3 ms（B）

图3 女，43岁，腰痛1年。L1～2椎间盘矢状位T2图像，Pfirrmann分级II级（A）；右图为相应层面T2 mapping图像，所测量前纤维环、髓核及后纤维环T2弛豫时间分别为48.6 ms、140.5 ms和58.4 ms（B）

图4 男，48岁，腰痛伴右腿疼痛1年余，活动后加重1个月。L3～4椎间盘矢状位T2图像，Pfirrmann分级III级（A）；相应层面T2 mapping图像，所测量前纤维环、髓核及后纤维环T2弛豫时间分别为51.6 ms、78.5 ms和43.6 ms（B）

图5 男，58岁，腰痛伴右腿疼痛、麻木2年。Pfirrmann分级IV级（A）；L2～3椎间盘矢状位相应层面T2 mapping图像，所测量前纤维环、髓核及后纤维环T2弛豫时间分别为36.4 ms、48.3 ms和34.9 ms（B）

2.2 不同Pfirrmann分级椎间盘T2弛豫时间比较 不同Pfirrmann分级椎间盘的平均T2弛豫时间见表2。前纤维环的T2弛豫时间随着Pfirrmann 分级的变化改变不明显，组间差异无统计学意义（P＞0.05），其平均值为（44.8±14.8） ms。后纤维环T2弛豫时间随着Pfirrmann 分级的增高呈先升高后下降的趋势，Pfirrmann II级时后纤维环的T2弛豫时间为最大值，为（65.5±20.1）ms，后纤维环各Pfirrmann分级的T2弛豫时间差异有统计学意义（P＜0.05）。前纤维环Pfirrmann II～IV级的T2弛豫时间短于后纤维环，而前纤维环Pfirrmann I级的T2弛豫时间显著高于后纤维环（P＜0.05）。腰椎间盘前、中、后髓核Pfirrmann I～ IV级的T2弛豫时间呈逐级下降的趋势，组间比较差异有统计学意义（P＜0.05）。见图6。

表2 不同Pfirrmann分级椎间盘的平均T2弛豫时间（ms）

2.3 椎间盘T2弛豫时间的相关性分析 髓核各分区（ROI2/ROI3、ROI3/ROI4、ROI2/ROI4）的T2弛豫时间呈显著正相关（r=0.86、0.76、0.63，P＜0.05），前纤维环与后纤维环的T2弛豫时间无显著相关（r=0.09，P＜0.05）。髓核T2弛豫时间与椎间盘Pfirrmann分级呈显著负相关（r=－0.78，P＜0.05）。

图6 Pfirrmann分级I～IV级椎间盘各部分的T2弛豫时间比较。腰椎间盘髓核的T2值从Pfirrmann I～IV级呈逐级下降的趋势。各级椎间盘纤维环的T2值呈现不同的变化趋势，前纤维环的T2值随着Pfirrmann分级的变化改变不明显；后纤维环T2值随着Pfirrmann分级的增高呈先升高后下降的趋势

3 讨论

椎间盘由软骨板、纤维环和髓核组成。软骨板分为上下两块，紧贴在椎骨的上下面，为椎间盘的上下密封盖。上下软骨板中间包括外面由多层纤维软骨环按同心圆排列而成的纤维环和位于中央的富含弹性胶状物质的髓核。髓核中含有黏多糖蛋白复合体、硫酸软骨素和大量水分，而纤维环主要由I型胶原蛋白组成[4-5]。腰椎间盘的结构、代谢和营养状况逐渐发生变化，导致髓核和纤维环的组织构成的改变，其中最为显著的是水分和黏多糖蛋白复合体的丢失。这些病理改变最终导致腰椎间盘能承受的弯曲和扭转负荷逐渐下降，发生退行性病变，在自身体重和外力的作用下，纤维环破裂，髓核突出，引起背痛等一系列临床症状[6-7]。

MRI的T2 mapping序列能对腰椎间盘进行T2弛豫时间定量测量，而腰椎间盘的T2弛豫时间与组成椎间盘的水分、胶原纤维及其他溶质微环境有关，不同的T2时间能反应腰椎间盘不同的水分、胶原含量及其排列方向，因此，T2 mapping序列能较早地对腰椎间盘退行性病变进行诊断[8]。本研究结果表明T2 mapping序列图像能较好地区分腰椎间盘的纤维环和髓核，正常髓核和纤维环的T2值差异明显。随着腰椎间盘Pfirrmann评级的增高，髓核的T2值逐渐降低，呈显著的负相关。这主要是由于不同的组织有不同的成分组成，随着评级的增高，其水分含量逐渐减少，且结构紊乱。对腰椎间盘不同分区的T2值进行对比发现，髓核的各个分区T2值相近，但是前后纤维环的T2值相差较大，这可能是由于前后纤维环的纤维排列和走向不一致导致的。此外，后纤维环较前纤维环薄，这也是后部更容易出现椎间盘突出的一个主要原因。

对不同Pfirrmann分级椎间盘前、后纤维环T2弛豫时间进行分析，发现不同分级腰椎间盘前纤维环的T2值变化不明显，而后纤维环T2值随着Pfirrmann分级的增高呈先增大后降低的趋势，I～II级的T2值逐渐增高，III～IV级的T2值反而逐渐下降，这可能与前、后纤维环机械负荷的不同有关[9-10]。此外，导致后纤维环T2值先升后降的原因可能与Pfirrmann分级的年龄组成有关[11]。在本研究纳入对象的年龄组成中，Pfirrmann I级的平均年龄为（19.5±4.5）岁，Pfirrmann II级的平均年龄为（36.8±8.9）岁，且既往研究表明正常青少年比正常成人后纤维环的纤维排列紊乱，其T2值较成人低。随着腰椎间盘Pfirrmann分级的增高，后纤维环T2值反而下降，原因可能是随着腰椎间盘Pfirrmann分级的进一步增高，后纤维环变薄、结构紊乱，从而导致T2值降低[12]。

总之，MRI的T2 mapping序列能对组织器官的具体横向弛豫时间进行表征，能评价其组成成分，进而评估其功能变化，为临床医师提供了大量解剖、功能信息。既往研究采用MRI T2 mapping序列对肝脏的铁超载[13]、大脑的铁沉积[14]和关节软骨的退行性变进行定量研究[15]，取得了较大的成功。本研究采用T2弛豫时间定量评估的方法对腰椎间盘的退变进行定量评价，提供了处于不同评级腰椎间盘在3.0 T MRI扫描仪上的具体T2弛豫时间数值。研究结果提示T2 mapping序列能很好地反映腰椎间盘组成的改变，同时具有高分辨率的优点，通过T2 mapping序列对腰椎间盘进行定量T2值评价是一种有效的方法，对临床的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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（本文编辑冯婕）

新书讯

影像解剖与临床图解丛书已出版

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Lumbar Intervertebral Discs Degeneration: A Quantitative Evaluation by Using T2 Mapping

Purpose Pfirrmann scoring based on T2WI can only evaluate intervertebral disc qualitatively and is easily affected by the surrounding environment and imaging parameters. The present study attempted to make a quantificational study on lumbar intervertebral disc degeneration by using MR T2 mapping sequence so as to improve its diagnosis. Materials and Methods Sagittal T1FSE, sagittal and axial T2FSE, sagittal T2 mapping sequence were performed on 265 lumbar intervertebral discs from 53 subjects. The MR imaging was analyzed and all the discs were classified according to Pfirrmann scoring. T2 relaxation time of the discs was calculated and statistical analysis was conducted on its correlation. Results Among the 265 discs, 5 (1.9%) were scored as Pfirrmann I, 153 (57.7%) were scored as Pfirrmann II, 86 (32.3%) were scored as Pfirrmann III, 20 (7.5%) were scored as Pfirrmann IV, 1 (0.38%) were scored as Pfirrmann V. The average anterior annulus T2 values showed no difference between every Pfirrmann grade (P＞0.05), while the difference of average posterior annulus T2 values was significant between groups (P＜0.05). The relaxation time of anterior annulus was significantly shorter than that of posterior annulus in the discs of Pfirrmann II-IV, whilst the reverse occurred in the discs of Pfirrmann I (P＜0.05). The differences of the relaxation time of nucleus pulposus T2 values were significant between groups of Pfirrmann grade I to IV (P＜0.05). The T2 relaxation time of each partition of nucleus pulposus (ROI2/ROI3, ROI3/ROI4, ROI2/ROI4) was significantly correlated (r=0.86, 0.76 and 0.63, P＜0.05), the T2 relaxation time of anterior annulus and posterior annulus had no correlation (r=0.09, P＜0.05), and the nucleus pulposus T2 values and Pfirrmann grade were negatively correlated (r=－0.78, P＜0.05). Conclusion MR T2 mapping can quantitatively evaluate the T2 relaxation time of lumbar intervertebral discs, and is significantly correlated with Pfirrmann grades.

Lumbar vertebrae; Intervertebral disk displacement; Magnetic resonance imaging

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.07.018

肖越勇

Department of Radiology, PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Address Correspondence to: XIAO Yueyong

E-mail: xiaoyueyong@vip.sina.com

R445.2；R681.5

2015-06-04

2015-06-25

中国医学影像学杂志

2015年 第23卷 7期：544-548

Chinese Journal of Medical Imaging

2015 Volume 23(7): 544-548