后纤维环T2弛豫时间与腰椎间盘突出的相关性

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(陆军军医大学第二附属医院放射科，重庆 400037)

随着生活方式的改变和生活节奏的加快，腰痛的发病率越来越高，且呈年轻化趋势，已经成为影响现代人生活质量非常重要的一个因素[1-3]。引起腰痛的原因较多，到目前为止其确切机制还没有被完全揭露，但是研究表明，椎间盘退行性变和椎间盘突出等是引起腰痛的主要因素[4-5]。因此对椎间盘退行性变和椎间盘突出的早期诊断和干预对保持腰椎正常形态、降低腰痛的发生非常重要。在常规的临床工作中，医生多是根据Pfirrmann得分对椎间盘的退变和突出进行评价。但是，该评价方法具有较强的主观性，而且Pfirrmann得分是基于MRI T2WI图像上的形态学改变得出，对椎间盘的早期退变缺乏敏感性，存在较大的局限性[6-8]。

众所周知，椎间盘退行性变或椎间盘突出在引起形态学改变之前，其水含量和胶原分布会出现明显的改变[9-10]。因此，采用MRI T2mapping序列对椎间盘进行扫描，定量测量椎间盘的T2弛豫时间，能对其水含量、水流动性和胶原分布进行定量评估，从而实现椎间盘退变的早期诊断。已经有研究表明椎间盘髓核的T2值和Pfirrmann评分存在明显的负相关，且和椎间盘退变之间存在明显的相关性[11-13]。随着研究的深入，我们发现影响髓核T2弛豫时间的因素较多，单纯基于髓核T2弛豫时间对椎间盘退行性变进行评估存在一定的局限性。同时，研究表明椎间盘后纤维环的结构稳定性对于椎间盘突出的发生至关重要[14]。正常椎间盘的后纤维环由大量的胶原蛋白和少量的水分组成，硬度从内向外逐渐增加，T2弛豫时间较短，其T2值的增高提示其胶原蛋白结构的紊乱或者水含量的上升，对诊断和预测椎间盘突出具有较大的意义。因此，相对于髓核，后纤维环T2弛豫时间的改变似乎更能提示椎间盘退行性变[14]。基于以上理论，本研究拟对入组患者进行MRI T2WI和T2mapping序列扫描，测量椎间盘的髓核及后纤维环的T2弛豫时间，并根据Pfirrmann标准对椎间盘进行评分，评估椎间盘后纤维环T2值和椎间盘Pfirrmann评分之间的相关性。

1 资料与方法

1.1 临床资料

收集2016年11月至2017年11月在本院就诊的单次或者反复腰痛患者54例作为研究对象，共256个腰椎间盘纳入本次研究。其中男21例，女33例；年龄18～65岁，平均(38.3±10.5)岁。排除标准：神经根痛、下肢神经性缺陷、有脊椎手术史、腰椎骶化、骶椎腰化和存在MRI禁忌证的患者。

1.2 MRI检查

检查设备为3.0T磁共振成像系统(型号：GE Signa HDx)，选用脊椎线圈。成像序列包括矢状位和轴位FSE T1WI和T2WI及矢状位T2mapping，成像参数如下：TR=1500 ms、TE=8.3、17.0、26.5、34.2、42.8、49.9、57.6、66.8 ms；FOV=320 mm×320 mm；矩阵256×256；层间距1 mm。

1.3 MRI图像分析

将扫描所得图像传至GE ADW4.5后处理工作站，选取各个序列中心层面进行分析。矢状位和轴位T1WI和T2WI图像用于椎间盘的形态学评估。所有图像均由2位经验丰富、具有高级职称的放射科医师独立审阅并依据椎间盘的病理指南对其进行分级。参考Fardon和Milette的椎间盘病理分级指南，将椎间盘突出组织占据少于椎间盘圆周1/2的定义为突出，超过椎间盘圆周1/2的称为椎间盘膨出[15]。根据椎间盘的形态对其进行分组：G1组为正常椎间盘；G2组包括Fardon和Milette分级系统中被认为存在侧面突出和膨出的椎间盘；G3组包含Fardon和Milette评分系统中存在正中、中间侧面和旁正中局限性后部突出的椎间盘。同时，基于Pfirrmann分级评估各椎间盘的退变程度：Ⅰ级，呈与脑脊液等信号的高亮均匀信号影，髓核和纤维环分界清晰，椎间隙未窄；Ⅱ级，呈与脑脊液等信号的高亮不均匀信号影，其中混杂或不混杂水平带状灰色信号影，髓核和纤维环分界清晰，椎间隙未窄；Ⅲ级，呈中等不均匀信号且混杂有不连续灰色信号影，髓核和纤维环分界不清晰，椎间隙未窄或轻微变窄；Ⅳ级，呈不均匀中等或低信号，夹杂灰色或黑色信号影，髓核和纤维环分界消失，椎间隙未窄或中度变窄；Ⅴ级，呈黑色不均匀低信号，髓核和纤维环界限消失。当存在意见分歧时经讨论达成共识。

选取感兴趣区，在T2mapping序列上测量纤维环的T2弛豫时间。为了更好地显示纤维环和髓核，所有的测量都是在矢状位最中间层面上进行。将椎间盘从前到后平均分为5等分，将后1/5标记为后20%椎间盘(posterior annulus fibrosus 20%,PAF-20)，后1/5的1/2标记为后10%椎间盘(posterior annulus fibrosus 10%,PAF-10)，见图1。分别测量上述两个区域及髓核的T2弛豫时间。

图1 ROI划分示意图

1.4 统计学分析

统计分析用SPSS 19.0软件进行。不同区域的平均T2值用单因素方差分析进行比较。PAF-20和髓核以及PAF-10和髓核T2弛豫时间之间的相关性用Pearson相关分析进行。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 椎间盘形态学表现

256个椎间盘中共有104个(40.6%)正常椎间盘，113个(44.1%)膨出椎间盘和39个(15.3%)突出椎间盘。其中突出椎间盘中24个(61.5%)椎间盘突出出现在正中层面，10个(25.6%)出现在中间外侧层面，2个(5.1%)出现在旁正中层面，3个(7.7%)出现在侧面区域(图2)。因此，G1组、G2组和G3组的入组椎间盘数分别为104个(40.6%)、116个(45.3%)和36个(14.1%)。

基于Pfirrmann评分系统，5个(2.0%)椎间盘为Ⅰ级，148个(57.8%)椎间盘为Ⅱ级，78个(30.5%)椎间盘为Ⅲ级，24个(9.4%)椎间盘为Ⅳ级，1个(0.4%)椎间盘为Ⅴ级。G1组椎间盘的Pfirrmann的得分为(2.16±0.55)分，G2组(2.59±0.71)分，G3组(3.21±0.74)分。

图2 各组椎间盘的T2WI和T2mapping MRI表现

2.2 椎间盘T2 mapping测量结果

在椎间盘PAF-10和PAF-20的T2弛豫时间上， G1组为(32.6±5.6)ms/(67.8±12.3)ms，G2组为(34.2±5.4)ms/(55.6±10.2)ms，G3组为(40.2±7.2)ms/(46.9±9.8)ms。PAF-20的T2值从G1组到G3组逐渐降低，而PAF-10的T2弛豫时间呈现相反的变化趋势，从G1组到G3组逐渐升高(图3)。单因素方差分析发现，G3组椎间盘PAF-10的T2值明显高于G2组(P=0.038)和G1组(P=0.059)，G1组和G2组椎间盘PAF-10的T2值非常接近(P=0.95)。G1组椎间盘PAF-20的T2弛豫时间均显著高于G2组和G3组(P<0.05)。G2组椎间盘PAF-20的T2值与G3组比较差异无统计学意义(P=0.159)。相关性分析显示PAF-10和髓核的T2值之间无相关性(r=0.05，P=0.36)，而PAF-20和髓核存在较强相关性(r=0.448，P<0.05),见图4。

图3 各组椎间盘的PAF-20和PAF-10平均T2弛豫时间

图4 髓核、PAF-20和PAF-10的T2弛豫时间

3 讨论

椎间盘是由上下面的软骨板、周围的纤维环和中间的髓核三部分组成。软骨板紧贴在椎骨的上下面，为椎间盘上下面的密封盖。纤维环由多层纤维软骨环按同心圆排列而成，主要成分为Ⅰ型胶原蛋白。髓核中含有黏多糖蛋白复合体、硫酸软骨素和大量水分，为富有弹性的胶状物质。随着年龄的增加、生活节奏的加快和生活方式的改变，腰椎间盘的代谢和营养状况逐渐发生变化，致使软骨板、纤维环和髓核的组分逐渐改变，最终导致纤维环破裂、髓核突出，引起包括背痛在内的一系列临床症状[16-17]。

目前，临床上通常依据Pfirrmann得分对腰椎间盘进行评价，主要依据是MRI T2WI图像上髓核MR信号强度的改变。但是该评价方法具有较强的主观性，且对椎间盘的早期退变缺乏敏感性，存在较大的局限性。MRI T2mapping序列能对椎间盘的T2弛豫时间进行精确测量，对其水含量、水流动性和胶原分布进行定量评估，从而实现椎间盘退变的早期诊断。已经有研究通过对椎间盘髓核进行T2mapping成像，基于髓核T2弛豫时间对椎间盘退变进行早期诊断，取得了较大成功[18-19]。但是，这种评价方法忽略了后纤维环在椎间盘突出发生中的重要作用。正常情况下，后纤维环由大量的胶原蛋白和少量的水分组成，硬度从内向外逐渐增加，是阻止椎间盘突出的主要力量。当后纤维环胶原蛋白的结构出现紊乱，并且其水含量逐渐上升后，其硬度逐渐降低，最终出现破裂，发生椎间盘突出。因此，通过MRI T2mapping成像能对后纤维环的T2弛豫时间进行定量评估，从而评价其胶原蛋白结构的紊乱或者水含量的上升，将有可能提高对椎间盘突出预测和诊断的准确性[20-22]。

因此，基于以上理论，本研究就后纤维环T2mapping成像能否预测椎间盘突出进行了探讨，结果显示突出椎间盘、膨出椎间盘和正常椎间盘之间后纤维环的T2值差异有统计学意义。进一步分析不同分组椎间盘PAF-10和PAF-20的T2弛豫时间，发现PAF-20的平均T2弛豫时间显著高于PAF-10。不同分组椎间盘PAF-20的T2弛豫时间差异也有统计学意义，G2组和G3组明显低于正常椎间盘组，但G2组和G3组之间差异没有统计学意义。这和之前的相关研究结果相似，即膨出或突出椎间盘PAF-20的平均T2弛豫时间显著低于正常椎间盘[23]。相关性分析结果显示PAF-20和髓核T2弛豫时间之间存在较强相关性，这充分证明PAF-20的T2弛豫时间不能作为椎间盘突出的独立预测及诊断因素。不同于PAF-20，PAF-10 T2弛豫时间和髓核之间没有相关性，且G3组PAF-10的平均T2弛豫时间明显高于G2组。因此，我们可以推论，突出椎间盘的PAF-10存在特征性的T2弛豫时间改变，能作为一个独立参数描述后纤维环的状态、预测椎间盘突出。

综上所述，当后纤维环的后部出现结构破坏时更容易发生椎间盘突出，对后纤维环PAF-10进行MRI T2mapping成像能定量评价腰椎间盘后纤维环的结构破坏，从而对椎间盘突出进行预测。