无症状成人腰椎间盘退变磁化传递率与椎间盘退变分级的相关性研究

郭安娜 严志汉 李清萍 章智敬 陈少卿 黄荧荧 叶佩佩 何家维

下腰痛是临床常见病和多发病之一，常见原因为椎间盘退变[1]。已有研究发现椎间盘退变早在无症状阶段就可发生，常规影像学方法无法提供早期、定量的诊断依据[2,3]。早期定量诊断椎间盘退变，有助于临床尽早地采用生物学疗法等非手术方法进行干预，以延缓椎间盘退变的进展[4,5]。磁共振磁化传递技术(magnetization transfer magnetic resonance imaging， MT-MRI)是一种选择性组织信号抑制技术，磁化传递率(magnetization transfer ratio， MTR)值可以定量地反映椎间盘内胶原含量的改变[6]。本研究旨在评估较大样本无症状成人腰椎间盘髓核的MTR值与椎间盘退变分级的相关性，探讨 MT-MRI技术对椎间盘退变的定量诊断价值。

对象与方法

1.研究对象：本项研究是前瞻性影像学研究，共纳入2016年12月～2018年12月期间招募的290名无症状志愿者，其中，男性125名，女性165名，年龄22～74岁，平均年龄43.2±13.5岁。纳入标准：无症状成人(≥18周岁)；扫描图像完整、清晰，扫描范围包括L1～S1。排除标准：有急慢性腰痛者；脊柱侧凸等脊柱畸形；腰椎肿瘤、感染等可能会引起椎间盘病变的疾病；既往有重体力劳动相关职业史，脊柱骨折、手术或放化疗史；妊娠、幽闭恐惧症及有磁共振检查禁忌证者。

2.扫描方法：采用3.0T GE Discovery MR750扫描仪，标准8通道CTL脊柱相控阵线圈，扫描序列包括：(1)矢状位MT SPGR脉冲序列： TR 200ms，TE minimum，翻转角10°，带宽15.63kHz，层厚3 mm，矩阵256×256， FOV 24cm×24cm， NEX为2次。每例受试者进行两次扫描，一次不采用MT(MTR off)，一次采用MT(MTR on)，MT偏共振饱和脉冲频率为1.2kHz。(2)常规序列：矢状位FSE-T1WI序列(TR 1050ms，TE7ms)、FSE-T2WI序列(TR 2500ms，TE120ms)，横断位FSE-T2WI序列(TR 3000ms，TE120ms)。

3.腰椎间盘退变分级标准：椎间盘退变分级依据国际通用的Pfirrmann分级标准，根据椎间盘的高度、T2WI序列的信号强度变化等标准划分为Ⅰ～Ⅴ级[3]。参考既往研究，将Pfirrmann分级Ⅰ～Ⅱ级的椎间盘归为生理性退变范围，Pfirrmann分级Ⅲ～Ⅴ级椎间盘归为退变椎间盘[7，8]。由两名超过5年经验的放射诊断医生，独立评估所有椎间盘的Pfirrmann分级，结果有异议时经协商达成一致。

4.腰椎间盘磁化传递率(MTR)测定：通过GE专用AW4.6后处理工作站，获得MTR减影图(off-on)。根据矢状面椎间盘的长径五等分，取中间的约3/5作为髓核ROI，手动勾画ROI， ROI的形状选择椭圆形，勾画时避开椎体的软骨终板、血管和骨赘。根据公式MTR(%)=(MTR off-MTR on)/MTR off×100%，计算出各椎间盘感兴趣区的MTR值[6]。MTR值由两名放射诊断医生分别测量，结果取平均值，并计算测量值的观察者间组内相关性系数(ICC)，详见图1。

图1 腰椎间盘矢状位T2WI序列及MT序列图像A.T2WI图像；B.MTR on图；C.MTR off图；D.MTR减影图(off-on)，C图上勾画各椎间盘的ROI复制到D图

结 果

1.腰椎间盘退变分级结果：根据Pfirrmann分级标准， 1450个椎间盘中，Pfirrmann分级Ⅰ级77个(5.31%)，Ⅱ级906个(62.48%)，Ⅲ级317个(21.86%)，Ⅳ级140个(9.66%)，Ⅴ级10个(0.69%)。正常生理性退变范围的Ⅰ～Ⅱ级椎间盘约占67.79%(983/1450)，退变的Ⅲ～Ⅴ级椎间盘约占32.21%(467/1450)。

2.髓核MTR值测量的重复性评价：两名放射诊断医生MTR(off-on)测量值的组内相关性系数(ICC)为0.964(P=0.000)，变异系数(CV)为3.38%，MTR off测量值的ICC为0.944(P=0.000)，CV为2.85%，测量值的观察者间可信度良好。

3.髓核MTR值的性别差异及与年龄的相关性：将志愿者分为20～29岁、30～39岁、40～49岁、50～59岁和≥60岁年龄组，在20～29岁及≥60岁这两个年龄组男性、女性之间的髓核MTR值比较，差异无统计学意义(P=0.702，P=0.106)，其余年龄分组的髓核MTR值均存在性别差异(P=0.004，P=0.000，P=0.000)，且各个年龄组女性的髓核MTR值均高于男性,详见表1。男性、女性的髓核MTR值与年龄均呈正相关(r=0.366，P=0.000；r=0.416，P=0.000)。

表1 不同性别、年龄分组的MTR值

4.髓核MTR值与BMI、椎间盘节段的相关性:腰椎间盘髓核MTR值与BMI、节段均呈正相关(r=0.206，P=0.000；r=0.233，P=0.000)。上位椎间盘节段(L1/2、L2/3)与下位椎间盘节段(L4/5、L5/S1)的髓核MTR值比较，差异有统计学意义(P=0.000)，详见表2。

表2 不同腰椎间盘节段之间髓核MTR值的比较

5.髓核MTR值与Pfirrmann分级的相关性:Pfirrmann分级Ⅰ级的髓核MTR值约为24.44%±5.30%；Ⅱ级约为24.45%±4.23%； Ⅲ级约为29.08%±4.09%；Ⅳ级约为31.27%±4.81%；Ⅴ级约为31.93%±6.36%。随着Pfirrmann分级升高，髓核MTR值逐渐增高，髓核MTR值与Pfirrmann分级呈中度正相关(r=0.503，P=0.000)。Bonferroni事后检验结果显示Pfirrmann分级Ⅰ和Ⅱ级之间，Ⅲ和Ⅴ级之间以及Ⅳ和Ⅴ级之间的髓核MTR值比较，差异无统计学意义(P=1.000、P=0.407、P=1.000)，其余各组间比较，差异有统计学意义(P=0.000)。生理性退变的椎间盘(Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ级)和退变椎间盘(Pfirrmann Ⅲ～Ⅴ级)的髓核MTR值比较，差异有统计学意义(P=0.000)，详见表3。

表3 不同Pfirrmann分级之间髓核MTR值的比较

6.髓核MTR值评价椎间盘退变的效能:使用髓核MTR值评价退变椎间盘，绘制ROC曲线，计算曲线下面积(AUC)。ROC曲线的AUC为0.820，髓核MTR值的cut-off值为26.75%，其评价退变椎间盘的敏感度为0.786，特异性为0.724。

讨 论

本研究中Pfirrmann Ⅱ～Ⅲ级椎间盘所占比例最高(约占84.34%)，Ⅴ级的椎间盘所占比例最低，Ⅰ级椎间盘的比例也较低，说明了在无症状人群中椎间盘退变的发生率较高，这也与Hiroaki等[2]的研究结果一致。椎间盘退变早在无症状阶段就已经发生，早期诊断，早期治疗，对于延缓椎间盘退变的进展以及改善患者的预后至关重要。

1.髓核MTR值评价椎间盘退变的效能：本研究发现髓核MTR值与Pfirrmann分级呈中度正相关(r=0.503，P=0.000)。Pfirrmann分级是国际通用的椎间盘退变分级方法，髓核MTR值与Pfirrmann分级较好的相关性证明了髓核MTR值可以有效地量化评价椎间盘退变。虽然本研究中Pfirrmann分级Ⅰ和Ⅱ级，Ⅲ和Ⅴ级以及Ⅳ和Ⅴ级之间的髓核MTR值比较差异无统计学意义(P=1.000，P=0.407，P=1.000)，但本研究中Pfirrmann Ⅰ级椎间盘仅占5.31%，Ⅴ级仅占0.69%，这可能是导致这些组间比较差异无统计学意义的原因，而其余组间比较差异均有统计学意义(P=0.000)，这证实了MTR值可以较好地区分不同Pfirrmann分级椎间盘之间的差异。笔者还发现正常生理性退变椎间盘(Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ级)和退变椎间盘(Pfirrmann Ⅲ～Ⅴ级)的髓核MTR值比较，差异有统计学意义(P=0.000)，ROC曲线的AUC为0.820， cut-off值为26.75%，其评价退变椎间盘的敏感度为0.786，特异性为0.724，证明了髓核MTR值具有较好的定量评价椎间盘退变的效力。本研究是目前较大样本的腰椎间盘MT-MRI研究，研究结果有力证实了MT-MRI技术用于定量评估椎间盘退变的可行性，下一步或可进行多中心的大样本研究来制定通用的量化分级标准，应用于椎间盘退变的诊断与治疗中。

2.基于MTR分析无症状成人腰椎间盘的退变规律：本研究发现了髓核的MTR值与年龄、BMI、椎间盘节段的相关性及变化规律。本研究中髓核MTR值与年龄呈正相关，随着年龄增长，髓核MTR值逐渐增高，说明年龄是椎间盘退变的一项重要影响因素，这与何杰等[9]的研究结果相符合。Han等[10]开展的一项颈胸段椎间盘MT-MRI研究也发现，颈胸段椎间盘髓核的MTR值与年龄呈正相关。早期一项关于供体腰椎间盘的MT-MRI研究证实磁化传递效应(MT)与胶原含量呈正相关， MTR值可定量反映椎间盘内胶原含量的改变[6]。研究表明椎间盘变性的早期，椎间盘髓核出现蛋白多糖含量减低、水含量减少，同时伴有Ⅱ型胶原蛋白合成减少、Ⅱ型胶原变性和Ⅰ型胶原合成增多，也就是说椎间盘变性过程中髓核内胶原成分的种类和含量会发生改变，胶原可作为椎间盘退变的一项重要生物学标志物，这也是髓核MTR值随年龄变化的主要原因[11,12]。

本研究中髓核MTR值存在性别差异(P=0.000)，并且各年龄分组女性的髓核MTR值均高于男性。Müller-Lutz等[13,14]研究发现，男性、女性的髓核gagCEST值及T2弛豫时间存在差异。这些研究结果均提示在椎间盘退变的过程中男性、女性的椎间盘生化改变可能有所差异，但这需要联合椎间盘退变相关病理生理学研究来进一步证实。

本研究发现髓核MTR值与BMI呈正相关(r=0.206，P=0.000)，这项研究结果提示BMI是椎间盘退变的一项危险因素，BMI的升高可能加速椎间盘的退变。Teraguchi等[15]开展的一项关于椎间盘退变影响因素的研究中发现，肥胖与Pfirrmann分级有关。Müller-Lutz等[13,14]研究发现，BMI与gagCEST值以及T2弛豫时间均呈负相关。BMI升高可能会增加腰椎的受力、从而加速椎间盘的退变，因此笔者认为在椎间盘退变的预防和治疗中需考虑到BMI的影响。

本研究还发现髓核MTR值与椎间盘节段呈正相关(r=0.233，P=0.000)，下位腰椎间盘的髓核MTR值高于上位腰椎间盘(P=0.000)，随着解剖节段的降低，椎间盘退变的数量增加、程度加重，与李丹等[16]的报道相符。这可以从生物力学的角度解释，下位腰椎负荷的重力更大，并且位于腰骶部交界处、活动度较大，这些因素都会加速椎间盘的退变。本研究证实髓核MTR值可以较敏感地反映下位腰椎间盘与上位腰椎间盘之间的退变差异，可以早期定量地诊断下位腰椎间盘的退变。

本研究尚存在一些不足，没有结合T2图像、DTI成像等其他定量磁共振技术进行对比研究，另外腰椎间盘髓核ROI的勾画不够精准，下一步应开发更精确的自动分割ROI软件。

综上所述，本研究证实了腰椎间盘髓核MTR值与椎间盘退变分级的相关性，并基于髓核MTR值分析了无症状成人腰椎间盘退变的影响因素及变化规律，腰椎间盘MT-MRI技术可作为椎间盘退变的一项重要的定量检测工具。