磁共振T2WI直方图在腰椎间盘退变中的应用价值研究*

王成均，侯 洪，曾幸萍，陈 京，游述琴，欧阳祖彬

1.重庆市东南医院放射科(重庆401336)；2.重庆市东南医院急救部(重庆401336)；3.重庆医科大学附属第一医院放射科(重庆400016)

腰椎间盘退变(Intervertebral disc degeneration, IDD)是引起腰痛最常见的原因，目前MRI是评价腰椎IDD退变及其治疗效果最常用的影像检查方法之一[1]，主要是基于T2加权像(T2-Weighted images,T2WI)椎间盘的形态学及信号变化的非定量评估，但观察者的主观因素干扰较强，并且有研究显示椎间盘在T2WI相出现信号减低之前，就可能已经存在早期退行性改变[2]。因此定量诊断椎间盘退变对于临床动态监测、评估治疗效果具有重要意义。近年来基于T2WI一阶纹理分析直方图逐渐成为评价整个组织信号值、像素数-信号变化的重要方法之一，可更好提取病变组织内部纹理特征，提供肉眼无法观察到的信息，已为肿瘤的诊断、预后评估提供重要的参考信息[3-5]。本研究旨在探T2WI直方图量化参数值在评价腰椎间盘退变可行性的价值。

资料和方法

1 一般资料 收集我科2017年5月以来接受椎间盘MRI检查的患者43例，其中男25例,女18例；平均25～74岁，平均(46.3±11.1)岁。有腰腿疼痛症状26例，无症状17例。所有患者均无压缩骨折、金属植入物、脊柱畸形、脊柱肿瘤等影响椎间盘观察的疾病，所有患者均签署知情同意书。

2 检查方法 所有患者采用Siemens Avanto 1.5T超导型磁共振仪和脊柱相控阵线圈，扫描范围包括L1-S1椎体。为避免昼夜、负荷等因素对椎间盘测量值的影响，检查均在21:00～22:00时间段进行，扫描前避免剧烈运动并平躺30 min。基本扫描参数：①矢状面FSE T2WI:TR 4500ms,TE 100ms,FOV 280 mm×280 mm,层厚3 mm;②矢状面FSE T1 WI:TR 500 ms, TE 9 ms, FOV 330 mm×330 mm,层厚4 mm; ③横断面FSE T2WI:TR 2500 ms, TE 120 ms, FOV 210 mm×210 mm,层厚4 mm。

3 椎间盘Pfirrmann分级评价 以矢状面T2WI 图像为基础参照Pfirrmann分级系统对椎间盘进行分级[6]。Ⅰ级：髓核呈均匀的高信号，髓核与纤维环界限清晰，椎间隙正常：Ⅱ级：髓核呈不均匀的高信号(伴有或不伴有水平低信号带)，髓核与纤维环界限清晰失，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，椎间隙轻度或中度狭窄；Ⅴ级：髓核呈黑色，髓核与纤维环界限消失，椎间隙重度狭窄。由2位10年以上诊断经验的MRI 医师完成，对分级不一致者通过商议后确定。

4 图像分析 所有图像从PACS系统导出并储存，使用Image J(National Institutes of Health, Bethesda, Md)软件进行分析。利用Image J 软件，在正中矢状位T2WI序列连续3层上勾画椎间盘髓核最大边界。由1位经过培训的高年资MRI医师完成测量肿瘤T2WI信号直方图参数值，包括平均值、标准差、峰度值、偏度值。

5 统计学方法 采用SPSS 19.0软件进行统计学分析，P<0.05为差异有统计学意义。①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信号直方图参数(平均值、标准差、偏度、峰度)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。②采用Spearman相关分析评价椎间盘T2信号直方图参数与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对于有统计学意义的直方图参数，通过绘制直方图参数受试者工作特征(Receiver operator characteristic，ROC)分析各参数在鉴别相邻两个Pfirrmann分级椎间盘的价值，并计算其曲线下面积(Area under curve, AUC)，AUC<0.7为诊断准确性低，0.7≤AUC<0.9为诊断准确性中度，AUC≥0.9为诊断准确性高。

结果

1 T2WI SI直方图各参数值比较及与Pfirrmann分级的相关性 43例患者的215个腰椎间盘中，包括PfirrmannⅠ级椎间盘39个，Ⅱ级椎间盘59个，Ⅲ级椎间盘54个，Ⅳ级椎间盘47个，Ⅴ级椎间盘16个。不同Pfirrmann分级椎间盘髓核T2WI SI直方图各参数值，见表1。随着Pfirrmann分级的增高，T2WI SI平均值、标准差逐渐降低，Spearman相关分析显示T2WI SI平均值、标准差与Pfirrmann分级分别呈高度负相关(r=-0.83,P<0.01)、中度负相关(r=-0.66,P<0.01)。LSD法两两比较，平均值、标准差在Ⅳ级与Ⅴ级间无统计学差异(P>0.5)，在其余各级间均有统计学差异(P<0.01)。偏度与Pfirrmann分级呈中度正相关(r=0.69,P<0.01)，LSD法两两比较，偏度在所有各级间均存在统计学差异(P<0.01)；峰度与Pfirrmann分级呈弱正相关(r=0.28,P<0.01)，LSD法两两比较，峰度在Ⅰ～Ⅲ级间均无统计学差异(P >0.5)，在其余各级间比较均存在统计学差异(P<0.01)。

表1 不同Pfirrman分级腰椎间盘髓核T2WI直方图参数值测量结果

2 T2WI SI直方图形态分布及在不同Pfirrmann分级椎间盘的鉴别效能 PfirrmannⅠ～Ⅲ级椎间盘T2WI SI直方图为负偏态分布，呈双峰改变，高峰较为平缓，且信号值跨度较大(图1A，图1B)。Ⅳ～Ⅴ级椎间盘T2WI SI直方图为正偏态分布，呈单峰改变，高峰值较为陡峭，信号值跨度较小(图2A，图2B)。ROC曲线分析显示T2WI SI平均值曲线对于鉴别Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级具有中等效能(图3A，图3B)，AUC分别为0.76、0.86 (P均<0.01)，而对于Ⅲ级与Ⅳ级椎间盘鉴别效能最佳(图3C)，其AUC为0.90(P<0.01)。标准差对于鉴别Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ及Ⅲ级与Ⅳ级均具有中等效能(图3A-C)，AUC分别为0.74、0.74、0.84(P均<0.01)。偏度对于鉴别Ⅰ～Ⅴ级依次两两比较均具有中等效能，AUC分别为0.73(P<0.01)、0.73(P<0.01)、0.72(P<0.01)、0.73(P<0.05)。峰度能鉴别Ⅲ与Ⅳ级、Ⅳ级与Ⅴ级，均具有中等效能，AUC分别为0.71、0.75(均P<0.01)。

图1、2 患者MR T2WI图和直方图[男，56岁，体力劳动者，间断性腰痛半年。1A、1B：L2/L3椎间盘为PfirrmannⅡ级，直方图示椎间盘T2WI信号值较高，呈双峰(箭头)，高峰较为平缓，且信号值跨度较大，呈负偏态分布。2A、2B：L5/S1椎间盘为Pfirrmann Ⅴ级，直方图示椎间盘T2WI信号值较低且集中，呈单峰(箭头)，高峰值较为陡峭，呈正偏态分布]

图3 T2平均值及标准差鉴别相邻Pfirrmann分级椎间盘ROC曲线(A:Ⅰ级和Ⅱ级,ROC曲线下面积分别为0.76和0.74;B:Ⅱ级和Ⅲ级,ROC曲线下面积分别为0.86和0.74;C:Ⅲ级和Ⅳ级,ROC曲线下面积分别为0.90和0.84)

讨论

腰椎间盘退变病理改变主要为髓核内水分丢失并逐渐胶原纤维化，目前评价腰椎间盘退变的Pfirrmann分级，是基于T2WI相椎间盘的信号及形态的变化，但当椎间盘退变处于早期，或T2WI信号改变不明显时，放射医师则难以通过MRI图像对椎间盘进行准确的评价。与传统的经验性影像分析相比，纹理分析优势在于不依赖放射医师的主观信息及临床经验，只对图像本身的灰度水平等客观信息进行评价[7]。本研究为国内较早有关T2WI直方图在评价腰椎间盘退变中的研究报道。

本研究结果发现随着椎间盘Pfirrmann分级的增加，相应椎间盘髓核T2WI SI平均值逐渐降低，Spearman相关性分析显示平均值与Pfirrmann分级呈显著负相关(r=-0.829，P<0.01)，这表明T2WI SI平均值可以对腰椎间盘退变进行定量评价，这主要是由于T2WI SI平均值反映的是髓核内水含量及胶原纤维含量的差异[8]，是T2WI信号的量化表现，但最主要因素是髓核内自由水含量的丢失[9]。郝定均等[10]研究认为椎间盘髓核MRI高信号(Ⅰ级)胶原纤维退变程度较轻，其内部超微结构明显好于MRI低信号(Ⅲ级)的胶原纤维结构，而椎间盘MRI中低信号(Ⅱ级)的髓核超微结构病理改变介于Ⅰ级和Ⅲ级二者之间。而Zhou等[11]组织学研究表明PfirrmannⅡ级椎间盘内水含量及胶原纤维变化较为轻微，当椎间盘退变至Ⅲ级时营养物质供应减少，导致化学成分较Ⅱ级出现明显的变化。本研究显示Ⅰ～Ⅲ级T2WI SI平均值两两比较均存在统计学差异, ROC曲线对于鉴别Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级椎间盘均具有中度效能(AUC分别为0.76、0.86)，这说明T2WI SI平均值在一定程度上能监测腰椎间盘早期退变，这对于提示临床早期治疗，达到延缓甚至逆转椎间盘具有重要的价值[12]。本研究发现PfirrmannⅣ级与Ⅴ级间椎间盘髓核T2WI SI平均值无统计学差异，这可能与Ⅳ级与Ⅴ级椎间盘属于退变晚期，髓核内水分子丢失及胶原纤维化程度相似有关，与以往T2 mapping定量评估腰椎间盘退变结论相同[13-14]。

标准差主要用于表示数值的离散程度，标准差增大代表大部分数值偏离其平均值。本研究显示随着椎间盘Pfirrmann分级的增加，椎间盘髓核T2WI SI标准差逐渐减小，与Pfirrmann分级存在中度负相关(r=-0.66,P<0.01)。腰椎间盘在退变早期或过度期时，主要为髓核内部水含量减少及胶原纤维含量增多的改变，因此可能会使得T2WI SI标准差增大，当椎间盘退变到晚期时，椎间盘髓核完全被胶原纤维成分所取代，T2WI图像呈显著低信号，因此使得T2WI SI标准差减小。ROC曲线显示鉴别Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ及Ⅲ级与Ⅳ级均具有中等效能，因此标准差能间接反映椎间盘髓核T2WI信号不均匀情况，对于评价腰椎间盘退变具有一定的可行性。

偏度和峰度是用于描述直方图曲线形态分布的参数，目前多用于反映肿瘤内异质性的较好指标[15-16]。偏度代表着变量值分布的对称性情况，表明相对于平均值的非对称性程度，当偏度系数大于0时，该分布为右偏，即正偏度，反之亦然。偏度的绝对值越大，表示曲线分布偏移程度越大。而峰度是代表变量值分布曲线形态陡缓程度的统计值，反映与正态分布相比某一曲线分布的相对尖峭或平坦程度。正峰度表示比正态分布陡峭的分布，而负峰度表示比正态分布平坦的分布。本研究显示随着Pfirrmann分级的增加，椎间盘T2WI SI偏度及峰度值逐渐由负值向正值转变，偏度在所有各级间均存在统计学差异(P<0.01)，而峰度除在Ⅰ～Ⅲ级间，在其余各级间均存在统计学差异(P<0.01)。笔者认为偏度与峰度的变化可能与不同分级腰椎间盘内结构有关：分级较低的椎间盘髓核，内部水含量丰富，结构相对较疏松、细胞周围胶原纤维排列规则[10]，异质性较低，髓核T2WI相主要由较大的T2值占据大多数，因此直方图曲线中心向右偏移，曲线形态相对平缓(峰度较小，如图1)。而分级较高的椎间盘髓核内纤维化程度较重，内部结构较致密、细胞周围胶原纤维变性、排列紊乱、出现融合、钙化[10]，异质性较高，髓核T2WI相主要由较小的T2值占据大多数，直方图曲线中心向左偏移，形成负偏态分布且曲线形态相对陡峭(峰度较大，如图2)。值得一提的是，本研究结果提示偏度及峰度在鉴别Ⅳ与Ⅴ椎间盘均具有中等效能，这相对于以往单纯通过定量T2值而不能很好鉴别Ⅳ与Ⅴ椎间盘[13-14]，具有一定的价值。

本研究的局限性在于：①本研究中的各定量参数值的比较均以Pfirrmann分级为参照标准，而Pfirrmann分级为非定量标准[6]，是一种人为非客观性评价，其精准度有所欠缺，因此要获得各参数值与腰椎间盘退变的更精确关系，还有待于与组织学“金标准”进行对照研究。②本研究仅分析椎间盘正中矢状面连续三层最大层面椎间盘特征，未能分析整体椎间盘三维特征的鉴别诊断价值，今后的研究需要借助软件进一步完善。

综上所述，本研究结果初步提示基于一阶T2WI直方图的纹理分析为量化评估腰椎间盘退变提供较为可靠的客观依据，在一定程度上反映腰椎间盘内部生物学信息变化，具有重要的临床参考价值。