腰椎间盘突出症的MRI研究进展

闫春丽，陈兴灿

（中国人民解放军第117医院 医学影像科，浙江 杭州 310012）

腰椎间盘突出症（lumbar intervertebral disc herniation，LDH）是骨科常见病和多发病，好发于L4/L5及L5/S1椎间盘，是腰腿痛最常见的原因之一，目前LDH的诊断主要依赖临床表现及影像学诊断。随着影像学技术的快速发展，CT和MRI已经成为LDH的主要诊断方法，由于MRI无辐射，对软组织分辨力较高，不受硬化伪影干扰，可做矢状位、冠状位、横断位任意层面扫描等优点，对腰椎病变的诊断起到非常重要的作用，因此腰椎MRI的研究最为迅速，有关LDH的最新MRI检查的研究主要集中在椎间盘和腰骶神经根两方面。

1 L D H的椎间盘MR I

1.1 LDH的MRI动态成像 常规仰卧位腰椎MRI检查都是静态的，所反映的也是LDH的静态成像，但对其治疗方法的选择最好能显示LDH的动态成像，其研究主要集中在两个方面：①立位腰椎MRI检查或仰卧位轴向加压MRI检查：人体处于仰卧位时，腰大肌放松，腰椎失去了正常的压力，故常规仰卧MRI检查所得到的图像不能真实反映生理状态下腰椎的状态，部分腰椎间盘突出和一些较隐匿的椎管狭窄无法显示。KUBOSCH等[1]利用0.25T开放式磁共振仪进行多体位的立位腰椎MRI的研究，立位MRI显示同一水平的椎间孔直径和面积较常规仰卧位上所测值小以及椎体移位等，认为立位MRI可以克服常规MRI的一些缺点为临床提供必要诊断信息。陈兴灿等[2]利用自制腰椎纵轴加压器进行腰椎纵轴加压MRI研究，其原理是通过腰椎纵轴加压模拟腰椎站立位及伸髋状态，行腰椎MRI检查，从而发现一些较隐匿的腰椎及椎管病变，近似立位MRI检查的效果，研究发现部分患者腰椎间盘突出程度加重、椎间盘水平椎间孔狭窄、小关节半脱位、椎体滑脱等情况，因此，他们认为仰卧位纵轴加压MRI较传统腰椎MRI提供更多附加信息，对诊断腰椎疾病具有重要意义。②俯卧过屈位腰椎MRI检查：随着LDH微创治疗方法的广泛应用，临床工作中发现椎间盘纤维环及后纵韧带完全破裂、突出物与硬膜囊粘连、固定、髓核嵌顿及老化程度重等因素与术后疗效不理想关系密切。在骨科临床工作中，有些患者术前CT/MRI明确LDH，而术中却看不到突出的椎间盘，导致部分患者未能得到正确、合理、彻底的治疗，其原因主要与术中采用俯卧过屈位使突出椎间盘回复有关。陈兴灿等[3]对LDH患者进行常规MRI和俯卧过屈位腰椎MRI检查对照研究，通过显示腰椎间盘突出程度的变化，发现俯卧过屈位腰椎MRI可以改变仰卧位LDH的临床分型，从而使其临床分型更为精确，可作为LDH手术选择病例的客观指标，因此对临床手术方案的选择具有指导意义。

1.2 LDH的功能MRI MRI是诊断LDH的首选方法，可以提供椎间盘突出、Schmorl结节、终板下骨质改变等形态学信息；然而对于无明显形态学改变的腰椎间盘退变，可以采用Pfirrmann分级。Pfirrmann分级是通过矢状位T2WI上椎间盘信号强度来判断椎间盘的退变程度的方法，因此Pfirrmann分级主观偏差较大，无法准确反映椎间盘结构及生物分子含量的细微变化。随着磁共振的发展，功能MRI（fMRI）如扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、T2映射（T2 mapping）技术、MRI-T1ρ成像等将椎间盘退变的诊断带入量化分析的新阶段，这些技术可以定量检测椎间盘组织的生化改变。

1.2.1 DTI：DTI是基于水分子弥散原理的成像方式，是DWI的改进和发展，通过在多个方向上施加弥散敏感梯度测量水分子扩散的速度和方向，其常用参数为表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值和各项异性分数（fractional anisotropy，FA）值。ADC值可以反映水分子的弥散能力，高弥散区域具有高ADC值，而低ADC值表示水分子弥散能力低。FA值是定量分析各向异性程度的最常用参数，反映水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例。腰椎间盘髓核（nucleus pulposus，NP）富含蛋白多糖和I I型胶原纤维，具有较强的吸水及储水功能，水分子的弥散方式主要表现为各向同性；纤维环（annulus fibrosus，AF）的层状结构使得水分子在AF中的扩散主要表现为各向异性，因此DTI可通过腰椎间盘内水分子扩散情况的变化，反映椎间盘的NP和AF的改变，是目前能够描述水分子弥散方向特征的新技术。

目前DTI对于椎间盘的研究主要体现在定量化和可视化。定量化研究指利用DTI的相关参数如ADC值、FA值等定量评价椎间盘的微观改变。俎金燕等[4]和褚相乐等[5]分别进行了横断位和矢状位DTI研究椎间盘，测量相关DTI的参数并获得纤维示踪图，认为Pfirrmann分级与DTI的参数之间具有很好的相关性（与ADC值呈负相关，与FA值呈正相关），有助于椎间盘退变定量的研究。祝静雅等[6]利用DTI探讨健康人腰椎间盘与年龄及解剖部位的相关性，研究表明L1-S1椎间盘ADC值随着年龄的增长而下降，FA值与年龄不相关，但是随着位置的下移有增高趋势；ADC值在不同位置并没有显著差异，因此认为对于椎间盘的退变FA值较ADC值更为敏感。但研究样本量不足，且无法排除年龄、性别、生活习惯等差异，仍需要更大样本，更加严格的纳入标准进行研究。可视化研究是通过纤维示踪（fiber tracking，FT）技术重建出椎间盘的AF，可直观显示其形态结构特点。HSU等[7]通过扩散张量纤维技术，观察猪的椎间盘AF结构，研究中发现正常AF在ADC图和FA图上连续完整呈环形，AF的扩散为各向异性，FT图下的AF板层几何形态与光镜显示一致。杨海涛等[8]和龙厚清等[9]通过DTI轴位扫描及后处理获得FT图，观察FT图上AF形态，发现FT图能够显示AF内纤维束板层形态、排列情况，局部不连续甚至断裂等，认为DTI-FT技术能够无创地显示椎间盘AF的形态和完整性，是常规MRI的有效补充。DTI作为诊断LDH的新型技术具有很大的研究前景。

1.2.2 自旋锁定T1ρ成像技术：自旋锁定T1ρ成像技术是一种新的MRI成像方式，已经广泛运用于关节软骨的研究。T1ρ弛豫主要反映水分子与周围大分子之间相互作用，与组织中的蛋白聚糖（proteoglycans，PG）含量具有很强的相关性。T1ρ弛豫时间又称旋转坐标系中的自旋晶格弛豫时间，T1ρ是射频脉冲磁场中显示磁自旋弛豫特征的时间常数，该成像技术用一个“自旋锁定”脉冲施加于横向磁化，即在自旋回波序列的基础上，用大量高频脉冲锁住横断面磁场，而伴随高频脉冲来驱动纵轴恢复。王伟等[10]利用3.0T MRI-T1ρ技术对退变椎间盘进行研究，发现T1ρ值与Pfirrmann分级呈显著负相关（r=-0.542，P＜0.001）。有研究[11]对无症状的运动员和正常人腰椎间盘进行T1ρ对照，发现尽管组间Pfirrmann分级差异无统计学意义，可是运动员椎间盘的T1ρ明显低于正常人，认为T1ρ技术可以作为临床检测早期腰椎间盘退变的有效手段。综上，T1ρ弛豫时间与椎间盘退变程度密切相关，与Pfirrmann分级方法相比，T1ρ值可以更客观、更敏感地检测椎间盘的早期退变情况。

1.2.3 T2 mapping技术：选用SE序列设置多个TE，可以得到一组T2WI图像，再根据这组T2WI图像的数据计算出靶组织的T2值，自动生成T2 mapping伪彩图，这种测量组织T2弛豫时间的MR技术称为T2 mapping技术。椎间盘退变时，椎间盘内的水分、蛋白质多糖、胶原等成分丢失，T2值可以反映这些化学成分的改变，并可在T2 mapping图上进行显示，并且T2 mapping成像简单易行，因此T2 mapping成像可以通过T2值的测量来定量检测早期腰椎间盘的退变。WATANABLE等[12]于2007年制定一个基于轴位T2 mapping成像的椎间盘退变分级标准是目前唯一利用功能成像制定的椎间盘分级方法。国内外有研究表明常规MR上健康的椎间盘（Pfirrmann I、I I级）在T2 mapping成像上有较明显的差异，且随着Pfirrmann分级的增高，T2值呈下降趋势[13-14]，这说明T2值是椎间盘早期退变的一个敏感指标。陈江波等[15]利用恒河猴模拟人类椎间盘退变进行实验，证明T1ρ值和T2-mapping值能客观敏感地反映恒河猴的腰椎间盘退变。谢光友等[16]用新西兰大白兔模拟椎间盘的退变过程，分时段行磁共振T2 mapping成像并通过HE和masson染色观测相应阶段的椎间盘变化，证明T2 mapping成像技术可以实时定量监测腰椎间盘的退变进程。

作为定量检测椎间盘早期退变的手段，DTI的ADC值和FA值易受扩散方向、测量方法、设备和b值、负荷以及运动等影响；而且ADC值与解剖部位有相关，它们之间的关系却存在一定的争议，与椎间盘退变分级有相关关系，但是不同退变分级之间存在较大的交叉重叠，故其目前无法实现椎间盘退变的定量分析。而T1ρ和T2 mapping技术可以为早期退变的椎间盘提供更加敏感和合适的方案，特别是作为检测无症状的年轻人腰椎间盘早期退变的手段。

2 L D H的腰骶神经根成像（magnetic resonance neurography，MRN）

LDH的临床表现主要是由突出的椎间盘刺激或者压迫腰骶神经或者马尾神经等组织结构所引起。常规MRI能够准确地判断出LDH，可以在轴位上显示某段神经根，却无法直观连贯地显示神经根的走形。如何直观连贯地显示腰骶神经形态、走行、分支及其病变已成为影像诊断LDH研究的热点。腰骶神经成像技术随着MR技术的发展已日益成熟，且越来越多样化，可清楚直观连贯地显示LDH患者腰骶神经与周围结构的解剖关系及其改变情况。腰骶MRN在临床工作中有助于LDH患者术前合理选择手术方式，术中避免误伤神经根，减少微创手术失败率。2.1 重T2加权脂肪抑制技术 重T2加权脂肪抑制技术的成像基础是利用神经纤维内部及周围结构间含水量的差异以及脂肪抑制技术对外周神经进行选择性成像，使神经呈高信号，周围肌肉及脂肪组织呈低信号，从而较清晰、完整地显示腰骶神经分支及神经内部束状的细微结构。目前此类MRN序列包括3D-STIR、IDEAL，3D-FIESTA、SPACE等。李勇等[17]回顾性分析72例腰椎间盘病变患者时，分别用常规MRI与3D-STIR神经成像技术诊断责任椎间盘病变及受压的脊神经根，通过验证MR诊断与手术病理结果的一致性，评价两种技术的敏感性和正确指数，该研究认为3D-STIR序列神经成像技术能直观地显示腰骶部脊神经根走行及受压情况，与MRI常规序列联合应用，对LDH的定性及定位诊断有重要参考价值。IDEAL技术是经过改进的DIXON技术，其采用的非对称采集方式可以充分克服传统三点式DIXON方法的缺点，保证水脂分离的完全性和结构的清晰性，3次扫描3次采集可以得4种图像，即水像、脂像、同相位及反相位。孙莉华等[18]对LDH患者分别行常规序列、FIESTA序列和IDEAL序列扫描，通过对3种成像方式所得图像进行后处理重建、评分进行比较，认为FIESTA序列扫描时间短，对观察神经根受压及对比受压神经根治疗前后的情况较有优势，而IDEAL序列对于受压神经根的定位、神经根受压及损伤程度的诊断更有优势。

2.2 选择性水激励脂肪抑制技术（principle of selective excitation technique，PROSET） PROSET是一种选择性激励技术，基于层选二项式原理，利用水和脂肪中的质子在相同磁场共振频率不同的现象，通过对水的选择性激发达到抑制脂肪的目的，目前主要用于神经根、关节软骨、胰腺及血管成像，冉鹏程等[19]研究证明3D-MR PROSET序列能够完整、清晰地显示腰骶神经根（节），并通过测量腰椎间盘突出时相应水平脊神经节面积的变化来评价相应水平脊神经节受累情况，他们认为PROSET对腰骶神经的显示有利于LDH所致腰腿痛的诊断和疗效评价。王红等[20]对37例LDH患者行PROSET检查，研究表明PROSET可以直观地显示出硬膜囊前缘的椎间盘压迹、局部神经根鞘受压移位、椎旁小静脉增粗迂曲和局部椎管狭窄等征象，认为PROSET能够直观地判断术后神经根及硬膜囊受压恢复情况，尤其对部分椎间孔型LDH更有优势。

虽然重T2加权脂肪抑制技术和PROSET都可以直观连贯地显示LDH腰骶神经根的走形、受压、移位等形态学的改变，却无法反映突出椎间盘及游离髓核组织对腰骶神经压迫及非压迫性刺激造成的神经损伤，如神经水肿和神经炎等。T2 mapping、DWI和DTI能够定量反映受检组织内水分含量多少及其弥散运动情况，理论上可以用于LDH所致的神经根损伤及修复的监测及判定。

2.3 T2 mapping技术 由于T2值的改变可反映组织中水分子含量的微小变化，T2 mapping技术具有定量研究LDH引起压迫下或者非压迫性的腰骶神经根损伤的理论基础。对下腰痛患者行T2 mapping检查并测量腰骶神经根T2值，发现疼痛侧的背根神经节T2值显著高于对侧背根神经节，认为T2值能够为神经根炎性改变、水肿及缺血等改变提供定量信息[21]。T2 mapping技术仅可以定量检测腰骶神经根的水肿情况，但急性损伤中易受出血影响，且无法区别其他类型的损伤及修复，因此不能单纯利用T2值变化监测对神经再生及神经根炎性改变进行判断；且T2 mapping无法连贯地显示LDH的腰骶神经根的形态特点，需与其他腰骶神经MRN联合方可。2.4 DWI-MRN技术 DWI主要应用于中枢神经系统疾病的研究，应用于脊柱则多是利用ADC值研究椎间盘退变，也可以用于对腰骶神经根的研究。弥散加权MRN的基础是神经纤维内部水分子布朗运动受限的方向和程度的差异。EGUCHI等[22]对下腰痛患者行DWI检查并测量椎间孔内神经根的ADC值，发现受压神经根ADC值较对侧正常神经根明显升高。牛翔科等[23]对12只中国小型猪进行腰椎间盘非压迫性神经炎的造模，术前及术后相应时间进行相应的MRI扫描，之后处死动物并取相应双侧神经根行免疫组织化学检查，通过分析于术前及术后相应时间段神经根ADC值及神经根CD8阳性T淋巴细胞计数评分的变化，来探讨DWI对LDH所致的非压迫性神经根炎不同微创治疗术后变化定量评价的价值，认为ADC值可客观反映神经根炎症程度的变化，无创且定量地评价的神经根炎转归，有可能成为LDH微创治疗术后无创定量监测神经根恢复情况的手段。

由于不同方向上水分子扩散运动的差异形成了神经纤维与背景信号衰减的差异[24]，最终融合DWI和STIR等技术使图像背景组织的信号被抑制，神经呈高信号，神经节呈更高信号，可以观察神经节及节前神经根，这就是背景信号抑制扩散加权体部成像序列（diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression，DWIBS）的原理。王晓雯等[25]对正常志愿者及腰骶丛病变损伤者行磁共振腰骶丛神经成像（包括DWIBS、PROSET及3D STIR序列），对DWIBS及3D STIR原始图像行最大信号强度投影（MIP）后处理重建，对所得图像质量分级并分别进行统计分析，认为这3种序列均可完整的显示腰骶神经的解剖细节，而DWIBS及PROSET序列对背景组织的抑制更加充分，更利于观察神经走行的变化、判断神经受损的部位和范围，DWIBS序列MIP后处理图像可以多方位多角度旋转观察腰骶神经，为术前制定手术方案提供可靠的影像学依据，弥补了常规磁共振序列的不足。

2.5 DTI DTI是目前对腰骶神经根判断较有价值的无创性可视化研究方法，不仅可以通过ADC值和FA值对神经进行定量研究，评估神经损伤情况，还可通过纤维示踪技术追踪纤维束方向重建出腰骶神经根的纤维束。目前研究表明受压神经与未受压神经的ADC值和FA值差异有统计学意义[26-28]，更有研究进一步证明了受压神经的FA值低于未受压神经根FA值[26-27]。相比于DWI和其他腰骶神经MRN，DTI可提供更为丰富信息，由于FA值是向量值，代表与神经纤维束走行方向一致的水分子扩散能力，因此其变化可间接反映神经纤维束的排列情况、密度、结构的完整性等信息。研究[28-30]表明病变侧神经根可出现局部移位、缺失、排列结构稀疏、走行欠规则等变化。也有研究[31]表明STIR、DWIBS和DTI都均能提供较好的图像质量，但是DTI成像追踪神经束更完整、图像分辨率更高，对远端神经束显示更有优势。DTI不仅可以通过正常神经根与受压神经根的ADC值和FA值的变化定量地反映神经根损伤的情况，也可以直观地显示受压神经根的形态改变，对纤维束的追踪具有优势。

3 总结及展望

目前，MRI对LDH的研究已不再局限于形态学，而是越来越多的从分子生物学水平定量反映椎间盘的代谢及生化改变。如DTI不仅可以观察腰椎间盘突出的形态位置，还可以微观反映椎间盘的退变，直观地表现AF的形态特点和结构完整度，并可多方位立体地观察腰骶神经根受压情况。此类MRI技术使LDH的影像学诊断从单一的形态学诊断发展为多元化诊断，有助于实现对LDH的早期诊断和精准诊疗。随着人们健康意识及对疾病认知的不断提高，疾病的早期诊断、提前预防及精准诊疗成为了当前的研究重点。定量化MRI对于椎间盘的研究或将取代原来的分级诊断形式，fMRI研究技术如DTI等在未来的LDH的研究中的潜力巨大。

由于一些fMRI扫描时间长，对呼吸运动和脑脊液波动、磁场的不均匀性极为敏感，患者配合不佳等原因，容易产生伪影，因此，如何调整参数，尽量缩短扫描时长，优化、联合使用MRI序列降低磁场的不均匀性等需进一步研究；同时一些定量指标如ADC值、FA值、T1ρ值及临床所需的相应阈值的设定等研究需要反复的研究及大样本的临床数据积累。

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