磁共振T2弛豫时间和ADC评估腰椎间盘退变的对比研究

黄耀渠， 赵晓梅， 伍琼慧， 秦红卫



·骨骼肌肉影像学·

磁共振T2弛豫时间和ADC评估腰椎间盘退变的对比研究

黄耀渠， 赵晓梅， 伍琼慧， 秦红卫

目的：探讨MRI定量测量T2弛豫时间和表观扩散系数(ADC)对腰椎间盘退变的诊断价值和临床意义。方法：46例无症状青年志愿者行腰椎常规MRI、T2-mapping和DWI检查。由两位医师分别对椎间盘进行Pfirrmann分级，并间隔一周2次测量髓核的T2值和ADC值。结果：同一观察者或不同观察者间测量的T2值和ADC值的一致性均较好(ICC=0.86～0.93，P<0.01)。髓核T2值及ADC值均与Pfirrmann分级呈负相关，但以T2值相关性更佳(rT2=-0.70，P<0.01；rADC=-0.60，P<0.01)。髓核T2值和ADC值在不同Pfirrmann分级之间的差异均有统计学意义(F=60.6和72.3，P<0.01)；各级间两两比较，T2值的差异均有统计学意义(P<0.05)。但ADC值在PfirrmannⅠ级与Ⅱ级间的差异无统计学意义(P>0.05)。T2值和ADC值鉴别Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅲ级与Ⅳ级椎间盘的ROC曲线下面积分别为0.86、0.92和0.80(P均<0.01)；0.69(P<0.01)、0.90(P<0.01)和0.74(P<0.05)。结论：T2值和ADC值均能定量评估腰椎间盘退变，二者相互结合能更全面地观察椎间盘早期退变的特征。

椎间盘退变； 髓核； T2弛豫时间； 扩散加权成像； 磁共振成像

腰椎间盘退变是一种临床常见且明显影响患者劳动能力和生活质量的疾病。虽然病理学检查是诊断椎间盘退变的“金标准”，但是在术前检查和术后随访中常规进行椎间盘病理学检查是不可能实现的，因此如何利用影像学手段量化评估椎间盘退变对临床诊断、治疗方案的制订和预后评估有重要意义。近年来发展起来的一些MR新方法，如T1-mapping、T2-mapping、DWI等[1-8]，具有能定量诊断椎间盘退变和动态监测、评估治疗效果等优势，正越来越受到临床的重视。T2-mapping和DWI是其中最为常用的两种定量方法，已有研究证实它们在评估椎间盘退变方面的应用潜力[1-6]，但二者对椎间盘退变尤其是对早期退变的诊断价值尚有争议[3,4]。本文通过比较2种方法在同一组受试者中的应用价临床意义，为量化评估早期椎间盘退变提供参考。

材料与方法

1.临床资料

根据以下纳入和排除标准选择无症状的青年志愿者入组研究。纳入标准：①16～35岁；②无腰痛和/或下肢放射痛症状；③既往无腰椎外伤史、手术史。排除标准：①存在脊柱肿瘤、压缩骨折、脊柱畸形或其他影响椎间盘观察的疾病；②女性患者节育环伪影明显干扰椎间盘者；③重体力劳动者。最后共有46例纳入研究。其中男25例，女21例，年龄16～34岁，平均24.5±4.0岁。

2.MRI检查

使用Siemens Avanto 1.5T超导型磁共振仪和脊柱相控阵线圈。为避免昼夜、负荷等因素对椎间盘测量值的影响[9]，检查均在20:30～22:30时间段进行，扫描前避免剧烈运动并平躺30 min。受试者仰卧位，基本扫描参数：①常规矢状面TSE T2WI：TR 3000 ms，TE 102 ms，视野28 cm×28 cm，层厚3 mm、间隔20%，并在椎体前设置饱和带，扫描重复次数2次。②矢状面T2-mapping：采用多回波SE序列，TR 1200 ms，TE13.8～69.0 ms，TI 13.8 ms，激励次数3，视野、层厚及饱和带设置同常规T2WI。③矢状面DWI：采用平面回波序列，使用自动匀场和脂肪抑制技术，TR 2200 ms，TE 80 ms，激励次数10，b值=0、400 s/mm2，视野、层厚及饱和带设置同常规T2WI。

3.图像分析和数据测量

以常规矢状面T2WI图像(图1a)为主参照Pfirrmann分级系统对椎间盘进行分级，分级标准[10]：Ⅰ级，髓核呈均匀高信号，髓核与纤维环界限清晰，椎间隙正常；Ⅱ级，髓核呈不均匀高信号，髓核与纤维环界限清晰，椎间隙正常；Ⅲ级，髓核呈灰色，信号不均匀，髓核及纤维环界限不清晰，椎间隙正常或轻度狭窄；Ⅳ级，髓核呈不均匀的灰色或黑色，髓核与纤维环界限消失，椎间隙中度狭窄；Ⅴ级，髓核呈黑色，髓核与纤维环分界不清，椎间隙重度狭窄。由两位具有10年以上诊断经验的MRI医师独立完成，分级结果不一致者通过商议后确定，仍不能统一者予以剔除。

在Syngo工作站进行图像后处理，获得腰椎正中矢状面T2加权伪彩图(图1b)。以髓核中部为中心设置面积80～100 mm2的椭圆形感兴趣区(图1c)，测量髓核的T2值(即T2弛豫时间)。在Syngo工作站进行图像后处理，重建出正中矢状面ADC图(图1d)，以髓核中部为中心设置椭圆形ROI(面积80～100 mm2)测量ADC值(图1e)。T2和ADC值的测量由同一位高年资MRI医师完成，每一椎间盘测量3次取其平均值。

随机选择15例受试者，由2位具有10年以上诊断经验的MRI医师(观察者A、观察者B)分别独立测量相应75个腰椎间盘髓核的T2值和ADC值，每一椎间盘分别测量3次取其平均值。间隔1周后，2位医师用相同方法进行重复测量并记录数据。

4.统计学分析

采用SPSS 16.0软件进行统计学分析，P<0.05为差异有统计学意义。①对于同一观察者不同时间及不同观察者的测量值，运用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)评估结果的可重复性，ICC<0.4提示重复性差，0.4≤ICC≤0.75提示重复性较好，ICC>0.75提示有非常好的重复性。②采用Spearman相关分析评价椎间盘T2值、ADC值与Pfirrmann分级的相关性，计算相关系数r值，其中r≥0.7为高度相关，0.5≤r<0.7为中度相关，r<0.5为弱相关。③采用单因素方差分析比较不同Pfirrmann分级之间椎间盘髓核的T2值和ADC值的差异，对方差分析有统计学意义者进一步利用LSD法进行组间两两比较。④利用受试者工作特征(receiver operator characteristic，ROC)曲线分析T2值和ADC值鉴别相邻两个Pfirrmann分级椎间盘的价值，并计算其曲线下面积(area under curve，AUC)，AUC≥0.9为诊断准确性高，0.7≤AUC<0.9为诊断准确性中度，AUC<0.7为诊断准确性低。

结　果

230个腰椎间盘中20个Pfirrmann分级结果不一致者及6个存在明显伪影无法测量者予以剔除，最后共有204个纳入分析，包括Ⅰ级23个，Ⅱ级141个，Ⅲ级29个，Ⅳ级11个，本组无Ⅴ级椎间盘。T2和ADC伪彩图采用深浅色阶直观显示T2值和ADC值(自蓝色至红色代表数值由低到高)，随着Pfirrmann分级的增高，相应髓核红色区(数值高)减少，而蓝色区(数值低)增多(图1b、d)。

同一观察者2次观察结果及不同观察者间腰椎间盘T2值和ADC值测量结果一致性分析结果见表1，各次测量间的ICC均大于0.75(0.86～0.93，P均<0.01)，提示可重复性好。

表1　同一观察者2次测量及不同观察者间T2和ADC值的ICC

注：A1、A2分别指观察者A的第一次和第二次测量值，B1、B2为观察者B的第一次和第二次测量值。

不同Pfirrmann分级椎间盘的髓核T2值见表2。髓核的T2值随分级的增高而减低，Spearman相关分析显示二者呈高度负相关且有统计学意义(r=-0.70，P<0.01)。不同Pfirrmann分级间髓核T2值的差异具有统计学意义(F=60.6，P<0.01)；LSD法两两比较，Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅰ级与Ⅲ级、Ⅰ级与Ⅳ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅱ级与Ⅳ级间的差异具有统计学意义(P<0.01)； Ⅲ级与Ⅳ级间的差异也有统计学意义(P=0.03)。T2值鉴别Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅲ级与Ⅳ级椎间盘的ROC曲线(图2～4)下面积分别为0.86、0.92和0.80(P<0.01)。

不同Pfirrmann分级的髓核ADC值见表2。髓核的ADC值也存在随分级增高而减低趋势，Spearman相关分析显示二者呈中度负相关且有统计学意义(r=-0.60，P<0.01)。不同Pfirrmann分级间髓核ADC值的差异具有统计学意义(F=72.3，P<0.01)。两两比较结果显示，Ⅰ级与Ⅱ级间差异无统计学意义(P=0.06)，其余各级间两两比较，差异均有统计学意义(P<0.01)。ADC值鉴别Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅲ级与Ⅳ级椎间盘的ROC曲线(图2～4)下面积分别为0.69(P<0.01)、0.90(P<0.01)和0.74(P=0.02)。

表2　不同分级腰椎间盘髓核的T2值和ADC值测量结果

讨　论

1.T2值评估椎间盘退变的可行性

在本组中，PfirrmannⅠ～Ⅳ级椎间盘的髓核平均T2值分别为138.8、111.0、74.6及57.9 ms，与Marinelli等[5]的研究结果基本一致，他们测量了一组Ⅱ级～Ⅳ级椎间盘，髓核的平均T2值分别为108、69和54 ms；而Niu等[4]的研究中Ⅰ级和Ⅱ级椎间盘的T2值分别为166和128 ms，略高于本研究，可能的原因是Niu等的研究中采用的是双回波序列而本研究中使用的是多回波序列。研究表明T2值变化主要受到水含量的影响[11]，当椎间盘退变时，髓核的含水量减少，导致其T2值减低，因此T2值与退变程度呈明显负相关。本研究中进一步分析显示，Ⅰ～Ⅳ级椎间盘的髓核T2值存在明显的统计学差异，表明测量T2值可以评估椎间盘的退变程度[1,4,5]。

2.ADC值评估椎间盘退变的可行性

椎间盘髓核是无血管但富含水分的组织，成人髓核的营养物质依靠水分子扩散来供应[12]，因此扩散能力下降被认为是椎间盘退变的早期标志。DWI通过测量ADC值量化反映髓核内水分子扩散及相应微环境的变化，可以评价椎间盘的退变情况[9]。本组研究结果与既往的研究结果相似[1,3,4,6]，即随着退变的出现和进展，髓核的ADC值也呈下降趋势，相关性分析进一步显示ADC值与椎间盘退变的程度呈中度负相关，也进一步证实了ADC值定量评估椎间盘退变的可行性。

3.T2值和ADC值评估早期椎间盘变化的价值比较及临床意义

健康人群在青少年时期即开始出现椎间盘退变，如果进行早期治疗是有可能延缓甚至逆转椎间盘的退变进程[13]。但早期椎间盘退变常无明显的症状，因此如何借助影像学手段进行诊断是临床所关心的问题。本研究中选择无症状青年人群来探讨T2值和ADC值在监测椎间盘退变自然病程中的价值和临床意义，研究结果显示，T2值与Pfirrmann分级的负相关程度更为明显，并且能很好地区分Ⅰ级、Ⅱ级及Ⅲ级椎间盘，而ADC值则不能有效鉴别Ⅰ级和Ⅱ级椎间盘，其ROC曲线下面积亦低于T2值，提示T2值的诊断效能更佳，对监测椎间盘早期变化(如椎间盘从Ⅰ级向Ⅱ级演变)可能更为敏感。从成像机制上看，ADC值反映的是椎间盘内自由水的微观弥散程度差异，虽然与信号变化相关但并非一致[7]；而T2值主要反映的是髓核内水含量的差异[11]，是T2WI信号的量化表现，因此能更好的区分不同Pfirrmann分级的椎间盘组织(Pfirrmann分级以T2WI信号变化为主要分级依据)。我们的上述研究结果与Niu等[4]的研究结果基本一致。Takashima等[2]的研究也证实了T2值在区分PfirrmannⅠ～Ⅲ级椎间盘中的价值，其ROC曲线下面积超过0.8，与本组的ROC曲线分析结果一致，提示T2值在鉴别正常与早期退变时有中等偏高的价值。

Zhou等[8]的组织学研究显示，Pfirrmann Ⅱ级椎间盘的成分变化较为轻微，而发展至Ⅲ级时则出现明显的营养物质供应减少，化学成分较Ⅱ级出现明显的变化。本组不同Pfirrmann分级椎间盘的T2值和ADC值演变规律很好地反映了上述组织学变化情况。本组椎间盘的自然演变过程中，出现Ⅰ级和Ⅱ级椎间盘的T2值和ADC值不匹配现象，提示了椎间盘在该时期虽然存在水含量的轻度变化，但其扩散能力仍属正常范围，髓核获得营养的途径未受到损害，可能是一种过渡期的改变，也很好地解释了为何成年人中大部分椎间盘在MRI上表现为Pfirrmann Ⅱ级但无明显的临床症状，也无明显的椎间盘膨出及突出等继发异常，也提示了Ⅱ级椎间盘可能是一种生理性改变。但当椎间盘演变至Pfirrmann Ⅲ级时，本组T2值和ADC值均显示了测量值的急剧下降，提示椎间盘进入了退变的进展期，ROC曲线显示2种测量值的曲线下面积相似，提示二者诊断进展期椎间盘的价值较为相近，也说明进展期椎间盘的含水量下降和扩散受限是较为同步发展。从椎间盘退变的上述规律可见，椎间盘退变是一个连续性的过程，但不是匀速的，因此通过影像学手段无创性观察其变化情况对临床治疗前评估和治疗后监测有重要的指导意义。Pfirrmann分级等半定量的方法存在数据不连续、受主观影响较大等缺点，尚无法满足临床精准诊断的要求。本组研究显示，磁共振T2弛豫时间和表观扩散系数测量值的可重复性好，具有较高的信度，通过连续定量测量有望量化监测椎间盘化学成分的变化情况，其临床应用潜力是可以预见的。更重要的是，由于T2值和ADC值从不同的侧面反映了椎间盘退变的退变机制，相互结合可以从不同的角度全面评估和监测椎间盘退变过程和规律特征，尤其是对于探讨椎间盘退变的可逆转期和阈值有重要的启发价值。虽然目前的技术条件下，T2值和ADC值的精准性尚有待提高，但随着技术的发展，这些技术必将在椎间盘早期病变的监测和治疗中发挥更重要的作用。

4.研究的局限性

本研究的局限性在于：①以Pfirrmann分级为参照标准。Pfirrmann分级为半定量分类标准，虽然可靠性较高[10]，但仍是一种非客观性的评估指标，并且其精准度也有欠缺，因此要比较T2值及ADC值与髓核早期退变的更精确关系，还有待与组织学"金标准"的进一步对照研究。②本组为无症状志愿者的研究，其中部分Pfirrmann分级椎间盘的样本量相对较小，可能存在一定的选择偏倚，需要今后搜集更大样本量和更多类型的受试者进一步深入研究。

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Comparative study of MR T2relaxation time and apparent diffusion coefficient for assessing lumbar intervertebral disc degeneration

HUANG Yao-qu,ZHAO Xiao-mei,WU Qiong-hui,et al.Room of MRI,Foshan Hospital of Traditional Chinese Medicine,Guangdong 528000,China

Objective:To study the value and clinical significance of MR quantitative measurement of T2relaxation time and apparent diffusion coefficient (ADC) in detecting intervertebral disc degeneration.Methods:Forty-six asymptoma-tic young volunteers underwent conventional MRI,T2-mapping and diffusion weighted imaging (DWI) examination.MRI data of all subjects were evaluated by two experienced radiologists,Pfirrmann grading system was used to evaluate the degree of degeneration (Ⅰ～Ⅳ) of intervertebral disc,and T2and ADC values of nucleus pulposus were measured twice with time interval of one week.Results:The inter- and intra-observer agreement for T2and ADC values was good to excellent (ICC was 0.86 to 0.93,P<0.01).Significant negative correlation was observed between Pfirrmann grade and T2value (r=-0.70,P<0.01),as well as ADC (r=-0.60,<0.01).There was significant difference in T2and ADC values among different Pfirrmann grades (F=60.6 and 72.3,P<0.01),and significant differences of T2values were showed between each two grades (P<0.05),no significant difference of ADC values was demonstrated between grade Ⅰand Ⅱ (P>0.05).For differentiating gradeⅠwith Ⅱ,Ⅱ with Ⅲ, and Ⅲ with Ⅳ,the area under ROC curve (AUC) of T2value was 0.86,0.92 and 0.80 (P<0.01) respectively,and corresponding AUC of ADC value was 0.69 (P<0.01),0.90 (P<0.01) and 0.74 (P<0.05).Conclusion:Both T2and ADC are valuable quantitative parameters in assessing intervertebral disc degeneration,and combination of them may be more comprehensive in observing the characteristics of early degeneration.

Intervertebral disc degeneration； Nucleus pulposus； T2relaxation time； Diffusion weighted imaging； Magnetic resonance imaging

528000佛山，广东省佛山市中医院MRI室

黄耀渠(1979-)，男，广东高州人，硕士，副主任医师，主要从事磁共振影像诊断工作。

广东省医学科研基金课题(A2013680)；佛山市科技局医学攻关课题(201308015)

R445.2； R681.5

A

1000-0313(2016)08-0773-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.08.023

2015-09-28

2016-02-28)