腰椎间孔MRI和CT三维测量的对比分析

高浩源 朱新炜 韩建龙 邱思强 左金良 臧睿

腰椎间孔是神经根源性疾病的高发部位和腰椎疾病微创治疗的重要通道，其影像学测量需要精准和全面[1-2]。以往腰椎间孔的测量主要采用二维测量，测量结果不能全面反映腰椎间孔的三维数据[3]，可能存在一定的测量误差。本研究通过测量和对比分析腰椎退变病人及腰椎正常者的腰椎间孔MRI和CT三维模型的差异，旨在为腰椎间孔三维模型的开发提供参考依据，以利于临床诊断腰椎间孔狭窄和准确评估微创治疗通道。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性纳入济南市第四人民医院2013年8月—2016年8月间的56例腰椎退变病人[男 24 例，女 32 例，年龄 39～72 岁，平均（56.5±7.6）岁]和41名腰椎体检正常者[男18名，女23名，年龄 25～36 岁，平均（31.4±5.2）岁]。每位参与者均于同日内完成腰椎MRI和CT检查。腰椎退变病人纳入标准：腰背部疼痛且伴有坐骨神经痛；腰背部软组织有明显压痛；下肢神经症状如下肢麻木、肌力下降和腱反射改变。排除标准：有腰骶椎畸形、腰椎外伤及腰椎手术史者。本研究获得医院伦理委员会批准，所有参与者均签署知情同意书。

1.2 设备与参数 采用Philips Achieva 1.5 T MR扫描设备和Philips Brilliance 64排螺旋CT设备进行扫描，所有参与者均取仰卧位，扫描范围从L1至S5水平。扫描参数：①MRI采用自旋回波（SE）序列，T1WI：TR 650 ms，TE 9.3 ms；T2WI：TR 3 000 ms，TE 88 ms；抑脂序列：TR 35 00 ms，TE 82 ms，层厚2 mm，层间距 3 mm，FOV 320 mm×320 mm，矩阵1.33 mm×1.00 mm×4.00 mm。②CT：管电压 120 kV，曝光量280 mAs，层厚 2 mm，层间距 2 mm，螺距 1。

1.3 腰椎间孔三维模型建立与数据测量 将MRI和CT图像数据以Dicom3.0格式导入三维重建软件Mimics19.0（Materialise，比利时）中，通过提取、分割、光滑等处理，保留腰椎骨性结构及韧带组织，剔除脊髓、神经根、脂肪组织等椎管内容物，生成腰椎间孔的三维模型（图1）。由2名骨科医师（工作9年和10年）和1名影像科副主任医师（工作15年）采用双盲法测量MRI和CT腰椎间孔模型的三维数据，包括腰椎间孔容积、矢状面最小面积及冠状面长径 （以矢状面最长径和最短径的交叉点为中心点，最内侧矢状面中心点与最外侧矢状面中心点连线为椎间孔冠状面长径）。每位医生各自测量一次，取3人测量的平均值作为最终数据。

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0统计软件对数据进行分析。符合正态分布的计量资料以（x±s）表示。采用SPSS统计软件的信度分析计算组内相关系数 （ICC）评价不同测量者之间的一致性，ICC≤0.4表示一致性较低，0.4＜ICC≤0.75表示一致性中等，ICC＞0.75表示一致性较高。2种成像方法三维模型数据间比较采用配对样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

图1 腰椎间孔三维模型。

2 结果

2.1 不同测量者之间的一致性 3名测量者在测量腰椎间孔容积、矢状面最小面积及冠状面长径的CT和MRI数据之间存在较高的一致性（均ICC＞0.9），详见表 1、2。

表1 不同测量者之间CT数据测量的一致性分析

表2 不同测量者间MRI数据测量的一致性分析

2.2 腰椎正常者腰椎间孔MRI与CT三维数据比较 MRI模型上测得的L1～S1各节段椎间孔容积及L1/L2、L2/L3、L3/L4、L4/L5节段的矢状面最小面积均小于CT测量结果（均P＜0.05），其余测量值差异均无统计学意义（均 P＞0.05），详见表 3。

表3 腰椎正常者腰椎间孔MRI与CT三维数据比较

2.3 腰椎退变病人腰椎间孔MRI与CT三维数据比较 MRI模型上测得的L1～S1各节段的椎间孔容积以及L1/L2和L2/L3节段的椎间孔矢状面最小面积均小于CT模型所测量的结果（均P＜0.05），其余测量值差异均无统计学意义（均P＞0.05），详见表4。

表4 腰椎退变病人腰椎间孔MRI与CT三维数据比较

3 讨论

腰椎间孔由相邻2个椎体的上下切迹围成，其内包括神经根及其伴行血管、脂肪组织和韧带组织。近年关于MRI和CT测量腰椎间孔尺寸的比较均为二维数据的对比[3-4]，而腰椎间孔为三维立体通道，单纯二维测量不能全面准确地评估腰椎间孔。随着对腰椎间孔狭窄疾病的重视和椎间孔镜应用技术的发展，对腰椎间孔的测量要求更加准确。由于腰椎间孔三维重建软件尚不成熟，目前发表的文献未见有关进行腰椎间孔MRI和CT三维测量对比的报道。本研究对基于MRI和CT数据的腰椎间孔三维模型进行测量和对比分析，旨在能够更加准确地测得临床病人腰椎间孔数据，为腰椎间孔三维模型软件的开发应用提供参考。

本研究所收集的样本均为同一参与者在同日进行的腰椎MRI和CT检查数据，均采取仰卧位。腰椎退变病人均有腰背疼痛症状，而腰椎正常者均无腰部疼痛症状，这样保证了每组样本的一致性，建立三维模型以及测量数据均由有经验的骨科医师和放射科医师双盲完成，测量者之间数据结果存在较高一致性，保证了MRI和CT数据的准确性和可比性，本研究旨在对比MRI和CT腰椎间孔三维测量的差异，故参与者性别、年龄以及是否出现症状等因素在此未做进一步分析。

椎间孔是由上下椎弓根、前方部分椎体后壁和椎间盘以及后方关节突关节围成的内口小、外口大的漏斗形通道，部分样本黄韧带自椎管内延伸到椎间孔出口与关节突关节囊融合，参与构成了椎间孔的后壁。在建模过程中发现，椎间孔的前壁主要由部分椎体和椎间盘后壁构成，上壁为上位椎弓根下壁，下壁为下位椎弓根的上壁，CT和MRI均能准确定位。椎间孔后壁主要结构为关节突关节囊，有时会有黄韧带延伸至此，并且发现有韧带组织延伸至上位椎弓根的下壁，参与构成了椎间孔后上壁。CT影像上，骨皮质呈高密度，椎管内软组织呈低密度，清晰的椎间孔后壁显示为附着于关节突表面的低密度条带样结构，通过与椎间孔内容物的密度差异识别后壁边界。MR T1WI上，脑脊液和纤维结缔组织均呈高信号，不易辨别椎间孔后壁边界；T2WI上，脑脊液呈高信号，纤维结缔组织和骨质呈低信号，根据信号对比可清晰显示椎间孔轮廓，椎间孔后壁显示为关节突表面连接于上下椎弓根的低T2信号条带样结构。MRI对于后壁软组织的识别定位优于CT，特别当腰椎间孔壁的软组织厚度＜1 mm时，CT影像上无法显示和识别。本研究结果显示腰椎退变病人和腰椎正常者L1~S1各节段MRI椎间孔模型容积均小于CT模型所测得的结果，这可能与椎间孔周壁软组织在未发生退变增生时组织密度低，CT对其成像较差有关。以往文献[5-6]报道的椎间孔影像学测量，多数是测量椎间孔投影的横径和纵径，是对椎间孔矢状面最小面积的间接测量，反映椎间孔的狭窄程度。本研究直接测量了腰椎间孔矢状面最小面积，并进行MRI和CT对比，发现腰椎退变病人在L1/L2和 L2/L3节段差异有统计学意义，在 L3/L4、L4/L5、L5/S1节段差异无统计学意义，考虑与本研究选取的样本人群有关，本研究中的样本均有不同程度腰椎退变，伴有骨质增生、椎间盘突出或黄韧带肥厚等，在建立三维模型中发现椎间孔后壁软组织厚度＞1 mm（MRI测量结果）时，CT上能够准确识别，因此呈现L3/L4、L4/L5、L5/S1节段腰椎间孔矢状面最小面积MRI和CT比较差异无统计学意义。MRI和CT均能识别骨质及椎间盘组织，但对于腰椎间孔未发生退变的后壁软组织，CT的显示较MRI差，椎间孔后壁软组织厚度＜1 mm（MRI测量结果）时CT上不能准确识别，因此与腰椎退变病人相比，腰椎正常者有更多节段（L1/L2、L2/L3、L3/L4和 L4/L5节段）测得的矢状面最小面积在2种成像方法间差异有统计学意义。在L5/S1节段后壁软组织厚度大于其他节段，可能是由于力学传导使L5/S1节段软组织发育性增厚，或者是样本虽无神经症状但该节段已发生退变，CT能够识别椎间孔后壁软组织，故2种成像方法测量数据间差异无统计学意义。通过比较2种成像方法对腰椎退变病人和腰椎正常者的测量结果，可以发现在腰椎没有发生退变，即椎间孔后壁软组织没有发生增生肥厚时，CT测量值普通大于MRI，而在腰椎发生退变时，MRI和CT测量数据无显著差异。

黄韧带是腰椎间孔组成的重要结构之一，黄韧带的肥厚是腰椎间孔狭窄的重要因素。黄韧带上端附着于上位椎板下缘的前面，下端止于下位椎板上缘的后面，向前可达腰椎侧隐窝的后缘和关节突关节的内侧缘，与椎弓板间隔交替排列，共同组成椎管后壁，具有限制脊柱过度前屈以及维持身体直立姿势的作用[7-8]，椎间孔内黄韧带的解剖特点在个体间存在较大差异，是测量椎间孔必须要考虑的因素，Worth等[9]利用多层螺旋CT建立腰椎间孔三维模型，通过表面遮蔽显示重组方法建立的椎间孔骨性通道，忽略了骨表面关节囊、韧带等软组织的存在，有可能造成测量结果大于实际值。张等[10]报道MRI具有较高的软组织分辨力，使MRI对椎间孔的测量较CT更加准确，但由于神经根与韧带组织密度相近，且两者多有相连，另外背根神经节在椎间孔的位置变化以及与神经根汇合方式的变化，使MRI三维重组目前尚不能实现自动化运行，需要手动操作，限制了其临床应用。本研究通过Mimics软件建立三维模型，可以发现椎间孔前壁椎体后缘骨性结构以及高密度结缔组织的纤维环，椎间孔上下壁大部分为骨性结构；在构建MRI和CT模型时对两者边界的识别差异较小，而在构建三维模型后壁时发现在MRI上显示存在一些纤维组织连接于上下椎弓根后端之间，当这些纤维结构横径＜1 mm时，在CT影像上仅能显示关节突关节，不能显示这些贴近关节突关节表面的纤维结构，这使得2种椎间孔三维模型测量的矢状面面积产生差异，这可能是MRI和CT对腰椎间孔测量存在差异的主要原因。在腰椎退变时这些纤维组织增厚与关节囊融合，使MRI和CT测量的椎间孔矢状面面积差异减少或消失。另外黄韧带向椎间孔的延伸走行在个体间也存在差异，有的黄韧带延伸至椎间孔，与关节突关节囊融合共同构成后壁结构，有的黄韧带没有延伸至椎间孔，椎间孔后壁的构成没有黄韧带，当后壁软组织厚度＜1 mm（MRI测量结果）时CT上不能区分软组织与骨质结构，因此要建立准确的腰椎间孔三维模型必须解决对其后壁边界准确识别这一技术难题。另有尸体解剖研究发现椎间孔的中央区是椎间孔各部分中相对狭窄的区域，横韧带可将椎间孔出口区分为上下2个间隔，神经根从横韧带下间隔中穿出，该通道要比中央区还要狭窄[11]。但本研究发现无论是在MRI还是CT影像上，均未能明确定位椎间孔横韧带。

本研究通过对比MRI和CT腰椎间孔三维模型发现，目前CT尚不能精确显示未发生显著退行性改变的后壁软组织，而MRI能够更加清晰地显示腰椎间孔后壁软组织，对腰椎间孔的三维测量更加准确，并且对诊断单纯腰椎间孔狭窄可能更加敏感。但本研究也存在不足，本研究是对活体状态下腰椎间孔MRI和CT三维模型数据的对比研究，并不是真实测量样本数据，研究结果存在一定的局限性，无法准确评估MRI和CT三维数据与真实数据之间的差异，为了弥补该不足，在后续研究中我们将对新鲜尸体脊柱标本进行实体测量，并与影像数据进行对比研究，为椎间孔数据的测量提供参考依据。