T2 mapping 及IDEAL 技术在腰椎间盘退变定量评估中的应用

张宏霞，董馥文，马文玲，祁艳梅，王闻奇，周 晟

（1.甘肃省中医院放射影像科，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000）

椎间盘退变是椎间盘的形态、生化和生物力学经历一系列复杂而连续的变化，退变早期主要包括蛋白多糖和水分的丢失，后期为形态变化包括椎间盘高度丧失，髓核突出、脱出等，导致椎管狭窄和脊髓神经根受压，引起下腰痛［1-3］。若不及时干预，将严重影响患者生活质量。近年来，一系列阻断、延缓或逆转椎间盘退变的生物疗法逐步兴起［4-5］。目前临床迫切需要一种对椎间盘治疗前后进行评估的精准影像学检查手段。MRI 能较好地显示椎间盘形态及信号变化，及其与硬膜囊、神经的关系。MRI 虽能诊断椎间盘退变，但常规T2WI 无法有效区分椎间盘退变水肿期（Ⅰ～Ⅱ期）与椎间盘退变纤维化期（Ⅳ与Ⅴ期）［6］。T2mapping 以T2WI 为基础，定量测量横向弛豫时间，并通过后处理生成空间对应的伪彩图，测量其T2值。近几年T2mapping 技术在椎间盘退变研究中的应用较多，但部分结果仍存在差异［7-9］。非对称回波的最小二乘估算法迭代水脂分离（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetric and least squares estimation，IDEAL）技术一次扫描可获得同相位、反相位、水相图及脂相图，缩短了扫描时间，可测量椎间盘水含量，但目前其在椎间盘退变中的应用较少［10］。因此，本研究对下腰痛患者行T2mapping 及IDEAL 技术扫描，探讨两者在腰椎间盘退变评估中的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性选取2020 年1—6 月甘肃省中医院收治行MRI 腰椎间盘常规序列扫描和IDEAL序列、T2mapping 序列扫描的40 例下腰痛患者，男23 例，女17 例；年龄20～66 岁，平均（40.7±14.99）岁；体质量指数（body mass index，BMI）17.21～27.10 kg/m2，平均（22.64±3.03）kg/m2。纳入标准：①无MRI 检查禁忌证；②年龄18～70 岁；③反复多次或慢性持续性下腰痛6 个月以上；④无脊柱外伤史及手术史，无风湿免疫类疾病，无脊柱感染性疾病；⑤无脊柱先天性发育异常。排除标准：图像质量无法满足诊断需求。所有患者均签署知情同意书。本研究经医院伦理委员会批准（批号：2020-080-01）。

1.2 仪器与方法 采用GE Healthcare Signa HDxt 3.0 T 超导全身MRI 扫描仪，8 通道高分辨颈胸腰一体化脊柱相控阵线圈。患者检查前12 h 禁止剧烈运动，扫描前仰卧30 min，检查时间均为早上8～10 时。患者取仰卧位，头先进，定位于L3水平，扫描范围为T12～S3椎体，扫描前匀场，在S1椎体前后缘放置2 个平行预饱和带。行常规腰椎成像、8 回波的矢状位T2mapping、矢状位T2IDEAL 成像，扫描参数见表1。

表1 腰椎间盘MRI 扫描参数

1.3 ROI 设定及测量 在GE ADW 4.6 工作站通过Functool/T2mapping 软件对T2mapping 序列进行伪彩化处理，并测量T2值。通过IDAEL 水相图及脂相图信号强度［水信号强度（water phase signal，WPS）、脂信号强度（fat phase signal，FPS）］计算椎间盘水信号分数（water signal faction，WSF），公式为WSF=WPS/（WPS+FPS）。由同一医师在每位受检者L2～3至L5～S1椎间盘的连续3 幅T2mapping图像、IDAEL 的水相图及脂相图的中间层面绘制ROI，并测量T2值、WPS、FPS 3 次，取均值。髓核的ROI 大小为15～40 mm2，前、后纤维环的ROI 大小为5～20 mm2，ROI 尽可能包括完整的椎间盘，避开上下椎体的终板及前后纵韧带（图1）。

图1 腰椎间盘ROI 勾画示意图 注：图1a～1d分别为T2WI、T2 mapping伪彩图、IDEAL 水相图、IDEAL 脂相图 图2～6 椎间盘Pfirrmann 分级图像 注：图2～6 分别代表椎间盘Pfirrmann 分级Ⅰ～Ⅴ级，图a～c分别为同一椎间盘T2WI、IDEAL 水相图、T2 mapping 伪彩图

1.4 Pfirrmann 分级 参照Pfirrmann 分级标准（表2），由2 名具有5 年以上工作经验的影像科医师在T2WI 图像及IDEAL 水相图正中矢状位分别对椎间盘行Pfirrmann 分级，分级结果不一致时，通过协商达成一致。其中Ⅰ级为正常椎间盘，Ⅱ、Ⅲ级为椎间盘退变早期，Ⅳ、Ⅴ级为椎间盘退变晚期（图2～6）。T2WI 图像与IDEAL 水相图Pfirrmann 分级间隔2 周，避免因记忆引起的分级误差。

表2 腰椎间盘退变的Pfirrmann 分级标准

1.5 统计学分析 采用SPSS 21.0 软件进行数据分析。患者年龄、BMI、椎间盘T2值、WSF 值符合正态分布，以表示。若满足方差齐性，行单因素方差分析及LSD 检验，若方差不齐则行Welch’s 分析及Games-Howell 检验，以评估同一T2WI Pfirrmann 分级的椎间盘前纤维环、髓核、后纤维环T2值及WSF值之间的差异。用Kappa 一致性分析评估T2WI 图像上与IDAEL 水相图上椎间盘Pfirrmann 分级的一致性。K＜0.40，为一致性差；0.40≤K＜0.75，为一致性中等；K≥0.75，为一致性高。采用Spearman 相关性分析评估T2WI Pfirrmann 分级与椎间盘T2值、WSF 值的相关性，以P＜0.05 为差异有统计学意义。利用ROC 曲线分析T2值及WSF 值鉴别相邻T2WI Pfirrmann 分级椎间盘髓核的诊断效能。

2 结果

2.1 T2WI 图像与IDAEL 水相图上椎间盘Pfirrmann分级的一致性纳入40例患者的L2～3、L3～4、L4～5、L5～S1腰椎间盘，共160 个椎间盘。T2WI Pfirrmann 分级中，Ⅰ级28 个，Ⅱ级49 个，Ⅲ级45 个，Ⅳ级22 个，Ⅴ级16 个。IDAEL 水相图上椎间盘Pfirrmann 分级中，Ⅰ级33 个，Ⅱ级49 个，Ⅲ级45 个，Ⅳ级21 个，Ⅴ级12 个。Kappa 一致性分析显示，T2WI 与IDAEL水相图Pfirrmann 分级一致性高（K=0.780，P＜0.001）。

2.2 T2WI Pfirrmann 分级的椎间盘T2值、WSF 值的分析（表3）前纤维环、髓核及后纤维环的T2值及WSF 值与Pfirrmann 分级均呈负相关（均P＜0.01）。

表3 不同T2WI Pfirrmann 分级的腰椎间盘的T2 值与WSF 值结果及其相关性分析（）

表3 不同T2WI Pfirrmann 分级的腰椎间盘的T2 值与WSF 值结果及其相关性分析（）

注：WSF，水信号分数。P1、P2、P3 分别为前纤维环与髓核、前纤维环与后纤维环、髓核与后纤维环结果比较的P 值。

除Pfirrmann Ⅳ级椎间盘髓核T2值与前、后纤维环T2值，以及Pfirrmann Ⅴ级椎间盘髓核T2值、WSF 值与前、后纤维环T2值、WSF 值差异均无统计学意义（均P＞0.05）外；余同一分级椎间盘髓核T2值、WSF 值与前、后纤维环T2值、WSF 值差异均有统计学意义（均P＜0.05）；同一分级椎间盘前纤维环与后纤维环T2值及WSF 值比较，差异均无统计学意义（均P＞0.05）。

2.3 髓核T2值及WSF 值鉴别相邻Pfirrmann 分级椎间盘退变的AUC 比较（图7）髓核的T2值在鉴别Ⅰ与Ⅱ级、Ⅱ与Ⅲ级、Ⅲ与Ⅳ级、Ⅳ与Ⅴ级的AUC分别 为0.738、0.854、0.811、0.531；WSF值分别为0.688、0.802、0.676、0.727。

图7 T2 mapping 与水信号分数（WSF）鉴别相邻Pfirrmann 分级椎间盘髓核退变的ROC 曲线 注：图7a～7d 分别为鉴别Pfirrmann 分级Ⅰ与Ⅱ级、Ⅱ与Ⅲ级、Ⅲ与Ⅳ级、Ⅳ与Ⅴ级椎间盘髓核的ROC 曲线

3 讨论

在椎间盘退变过程中，细胞发生死亡或功能异常，椎间盘脱水［11］。在临床工作中，T2WI Pfirrmann分级仍是评估腰椎间盘退变的主要方法，但其对椎间盘退变的分子生物学改变有局限性，无法准确客观地反映椎间盘的病理生理变化。本研究采用T2mapping 及IDEAL 技术定量评估椎间盘退变情况。T2mapping 序列根据T2弛豫时间的不同反映椎间盘的水分、蛋白多糖含量的不同，从微观结构定量评估椎间盘退变程度［12-13］。IDEAL 技术对磁场的不均匀性不敏感，有更好的鲁棒性和高SNR，可定量体素内的脂肪分数和水分数，保证水脂分离的完全性和结构显示的清晰性，从而无创地定量评估活体椎间盘的微环境变化。

Hoppe 等［14］使用T2mapping 评估椎间盘退变，结果表明水含量随负荷及昼夜时间变化而改变，因此，本研究中所有受试者均在同一时间段静息状态下完成检查。本研究发现，IDEAL 水相图椎间盘Pfirrmann分级与常规T2WI 椎间盘Pfirrmann 分级一致性很高，这一结果在一定水平上反映了IDEAL 水相图Pfirrmann 分级可在一定程度上代表T2WI Pfirrmann分级。以往研究发现IDEAL 水相位SNR 明显高于传统FSE 脂肪抑制T2WI 图像［15］；李静等［16］发现IDEAL对眶内及眶周结构的显示效果优于化学饱和法和STIR 序列。IDEAL 技术可同时获得水相位、脂相位、同相位及反相位4组图像，可清晰显示椎间盘、椎体及椎管结构，缩短检查时间，优化检查方案，其在一定程度上可代替常规T2WI 图像，但该结论仍需更多的研究论证。

研究发现，椎间盘前纤维环、髓核、后纤维环的T2值及WSF 值随着Pfirrmann 分级升高而降低，其中以椎间盘髓核的T2值与WSF 值最显著；这主要是由于随着椎间盘Pfirrmann 分级升高，椎间盘的结构、代谢和营养状况逐渐发生变化，其中蛋白多糖和水分的丢失最明显，而髓核中的蛋白多糖和水分含量最高；这一实验结果与理论依据与以往研究结果［17-19］相似。本研究发现，T2mapping 无法鉴别PfirrmannⅣ、Ⅴ级椎间盘髓核与纤维环，IDEAL 技术无法鉴别Pfirrmann Ⅴ级椎间盘髓核与纤维环，余Pfirrmann分级的椎间盘T2mapping 及IDEAL 技术均能准确辨别纤维环与髓核；原因为水含量是决定T2值与WSF 值的主要因素，Pfirrmann Ⅳ、Ⅴ级是椎间盘退变晚期（即纤维化期），椎间盘髓核水含量明显减少，与纤维环水含量接近导致无法鉴别。这说明T2mapping及IDEAL 技术对椎间盘的早、中期变化更敏感，弥补了常规T2WI Pfirrmann 分级对早期椎间盘退变的迟钝性，与以往研究结果［20］相似。椎间盘前、后纤维环T2值及WSF 值与Pfirrmann 分级均呈负相关，同一Pfirrmann 分级椎间盘前纤维环与后纤维环T2值、WSF 值相近，差异均无统计学意义（均P＞0.05）；主要因为前、后纤维环的组成成分基本一致；这一结果间接反映了T2mapping 及IDEAL 技术评估椎间盘退变的准确性及可用性。

本研究发现，髓核的T2值与WSF 值具有一定鉴别相邻Pfirrmann 分级椎间盘的能力。除在Ⅳ、Ⅴ级鉴别中，髓核WSF 值的AUC 大于髓核T2值的AUC，余各相邻Pfirrmann 分级椎间盘鉴别中，髓核T2值的AUC 均略大于髓核WSF 值的AUC。导致这种结果的原因可能是Ⅳ、Ⅴ级均属于严重退行性变，椎间盘髓核内的蛋白多糖和含水量减少情况较接近，其T2弛豫时间差异较小，进一步说明了T2mapping 对早、中期椎间盘变化更敏感，为早期干预提供可靠依据，与以往结果［17］一致；WSF 值反映的是椎间盘水含量，该结果一定程度上表明在评估腰椎椎间盘退变中，T2mapping 及IDEAL 技术可相互补充。

本研究的不足之处：①依据Pfirrmann 分级诊断腰椎间盘退变可能存在主观性，对诊断早期腰椎间盘退变有一定局限性，缺乏相应的椎间盘病理组织结果对照，今后有必要开展椎间盘动物模型研究；②本院日常工作中，T2WI 轴位扫描常规不包括L1～2椎间盘轴位成像，未纳入L1～2椎间盘，后续应将L1～2椎间盘纳入研究；③样本量相对较小，不能准确得出各分级的T2值及WSF 界值，此外，未行男、女对比分析研究，后续研究可增大样本量提高结果的可靠性；④ROI 的划分存在一定的主观性，期待后续研究中有更加精准的划分方式。

总之，MRI T2mapping 及IDEAL 技术是一种无创定量评估椎间盘退变的检查技术，特别是对退变早期、中期的椎间盘，可作出早期诊断。