MR体素内不相干运动弥散加权成像评估腰椎间盘退变程度

刘 晨，陈基明，李 勇，谷士康，孙 陈，陈亮亮

(皖南医学院弋矶山医院医学影像中心，安徽 芜湖 241001)

腰椎间盘退变是下腰痛的主要原因之一[1]。常规MRI可显示椎间盘信号强度及形态学改变、定性评价椎间盘退变，但难以准确评估椎间盘微观结构变化及椎间盘退变级别等。T2 mapping、弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)等MR功能成像有助于了解椎间盘退变的病理生理机制，为临床决策提供影像学依据[2-4]。体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)成像可通过多b值成像区分组织中单纯水分子的弥散与灌注效应并进行量化分析[5]，已广泛用于多种疾病相关研究[6-7]。本研究观察IVIM-DWI定量评估腰椎间盘退变程度的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性收集2021年11月—2022年4月皖南医学院弋矶山医院收治的90例腰部疼痛并接受腰椎MRI患者，男44例、女46例，年龄22～74岁，平均(52.7±10.5)岁。纳入标准：①年龄18～75岁，既往无腰椎手术史；②无腰椎骨折、炎症、肿瘤及代谢性骨病等器质性病变；③接受常规腰椎MR及IVIM-DWI检查，扫描范围包括T12～S2。排除标准：①MR禁忌证或无法配合检查；②图像质量不符合测量要求。本研究经院伦理委员会批准[批准号：(2022)伦审研第(77)号]，检查前患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Magneton Avanto 1.5T MR扫描仪、8通道高分辨率颈胸腰一体化脊柱相控阵线圈扫描T12～S2；参数：矢状位T2WI，TR 3 000 ms，TE 100 ms，层厚4 mm，层间距0.4 mm，FOV 30 cm×30 cm，矩阵224×320；矢状位T1WI，TR 600 ms，TE 11 ms，层厚4 mm，层间距0.4 mm，FOV 30 cm×30 cm，矩阵224×320；矢状位IVIM-DWI，采用多次激发平面自旋回波序列，b值=0、50、100、150、200、250、300、400、500、800、1 000 s/mm2，TR 2 600 ms，TE 83 ms，层厚6 mm，层间距1.1 mm，FOV 22 cm×26 cm，矩阵160×95。

1.3 图像分析 将原始数据导入Siemens工作站，由分别具有5年及15年工作经验的影像科主治及主任医师各1名独立分析图像，以MITK-Diffusion软件于IVIM-DWI(图1A)及自动生成的表观弥散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)图(图1B)中的相同层面手动勾画L1-2～L5-S1各椎间盘髓核及前、后纤维环ROI，将面积为40～80 mm2的髓核ROI置于椎间盘中间1/3区域，面积30～50 mm2的前、后纤维环ROI分置于椎间盘前、后1/5区域，测量ADC、慢速弥散系数(D)、快速弥散系数(D*)及灌注分数(f)；重复测量3次，取高年资医师测量结果的均值进行分析，并生成相应伪彩图(图1C～1E)。间隔2周后由上述2名医师以相同方法再次测量。

图1 患者女，56岁，腰椎间盘退变，PfirrmannⅡ级 A～E.分别为腰椎矢状位IVIM-DWI、ADC图，D值、f值及D*值伪彩图 (红圈为髓核ROI；绿圈为前纤维环ROI；黄圈为后纤维环ROI)

1.4 评估腰椎间盘退变Pfirrmann分级 由具有5年及10年MRI诊断经验的主治及主任医师各1名根据矢状位T2WI表现对L1-2～L5-S1椎间盘退变行Pfirrmann分级，意见不一致时经协商决定。分级标准：Ⅰ级，椎间盘高度正常，髓核呈均质、脑积液样高信号，与纤维环分界清楚；Ⅱ级，椎间盘高度正常，髓核呈不均质、脑积液样高信号，中间可有水平带，髓核与纤维环分界清楚；Ⅲ级，椎间盘高度正常或轻度减低，髓核呈不均质、灰色信号，与纤维环分界模糊；Ⅳ级，椎间盘高度正常到中度减低，髓核呈不均质、灰或黑色信号，与纤维环分界消失；Ⅴ级，椎间盘间隙塌陷，髓核呈不均质、黑色信号，与纤维环分界消失。

1.5 统计学分析 采用SPSS 26.0及MedCalc 20.112统计分析软件。采用Kolmogorov-Smirnov检验对计量资料行正态性检验，以±s表示符合正态分布者，以中位数(上下四分位数)表示不符合正态分布者，采用单因素方差分析或Kruskal-WallisH检验行组间总体比较，以Bonferroni检验或Nemenyi法比较相邻Pfirrmann分级间定量参数的差异。采用组间相关系数(inter-class correlation coefficients,ICC)评价2名医师测量IVIM-DWI相关定量参数的一致性：0

2 结果

450个椎间盘中，21个PfirrmannⅠ级，168个Ⅱ级，152个Ⅲ级，87个Ⅳ级，22个Ⅴ级。

2.1 不同Pfirrmann分级椎间盘IVIM-DWI定量参数比较 观察者内及观察者间测量髓核(ICC=0.90～0.94)和后纤维核(ICC=0.82～0.89)ADC、D、D*及f值的一致性极佳，测量前纤维环上述参数的一致性较好(ICC=0.72～0.79)。

不同Pfirrmann分级椎间盘髓核D*值、前纤维环D*值及f值总体差异均无统计学意义(P均>0.05)，其余参数总体差异均有统计学意义(P均<0.05)。两两比较，PfirrmannⅠ与Ⅱ级间髓核ADC、D值及前纤维环ADC，Ⅱ与Ⅲ级间髓核ADC、D和f值及前和后纤维环ADC、D值，Ⅲ与Ⅳ级间髓核ADC、D和f值、前纤维环ADC和D值及后纤维环ADC，Ⅳ与Ⅴ级间髓核ADC和D值及后纤维环D值差异均有统计学意义(P均<0.05)。相邻Pfirrmann分级椎间盘间其余IVIM-DWI定量参数差异均无统计学意义(P均>0.05)。见表1。

表1 不同Pfirrmann分级退变腰椎间盘IVIM-DWI定量参数比较(n=450)

2.2 IVIM-DWI定量参数评估效能 将相邻级别间差异有统计学意义的IVIM-DWI定量参数纳入有序logisitc回归分析，结果显示髓核ADC[β=-10.882，OR=1.879,95%CI(3.660,9.649)]及D值[β=-15.324，OR=2.212,95%CI(1.062,3.152)]均为腰椎间盘退变Pfirrmann分级相关因素(P均<0.001)。

ROC曲线分析结果显示，髓核ADC及D值评估不同Pfirrmann分级的效能均较佳(图2及表2)。髓核D值评估PfirrmannⅠ与Ⅱ级的AUC高于ADC (Z=2.775，P=0.018)，髓核D值与ADC评估PfirrmannⅡ与Ⅲ级、Ⅲ与Ⅳ级、Ⅳ与Ⅴ级的AUC差异均无统计学意义(Z=0.051、0.289、0.177，P=0.959、0.773、0.859)。

表2 髓核ADC及D值评估腰椎间盘退变Pfirrmann分级的效能

图2 以髓核ADC及D值评估PfirrmannⅠ级与Ⅱ级(A)、Ⅱ级与Ⅲ级(B)、Ⅲ级与Ⅳ级(C)、Ⅳ级与Ⅴ级(D)腰椎间盘退变的ROC曲线

3 讨论

早期检出腰椎椎间盘退变对临床及时干预、改善预后具有重要意义。传统DWI反映的是组织水分子弥散和微循环灌注的综合效应[8]，而IVIM-DWI可区分组织中单纯水分子弥散及微循环灌注，更准确地反映组织病理生理状况。

本研究以IVIM-DWI定量评估腰椎间盘退变，发现PfirrmannⅠ级至Ⅴ级髓核ADC及D值，前、后纤维环ADC及D值均呈降低趋势，与ANTONIOU等[9]的DWI研究结果相符。ADC及D值与蛋白多糖和水含量密切相关。椎间盘退变过程中，水分子和大分子蛋白多糖含量随其程度加重逐渐减少，使椎间盘完整性降低，进而降低组织弥散能力，故ADC及D值与之呈正相关。f值代表组织微循环产生的弥散效应占总体弥散效应的百分比。本研究中，髓核及后纤维环f值随椎间盘退变程度加重呈升高趋势，可能与椎间盘退变过程纤维环及终板产生裂隙或微骨折，修复过程中生成新生毛细血管而提高了髓核及纤维环的灌注效应有关[10]；不同Pfirrmann分级间前纤维环f值差异无统计学意义，可能因受腹主动脉搏动伪影影响，使结果准确性较低[11]。测量乏血供病变灌注参数的准确性较低，D*值的稳定性明显低于D值与ADC[12]。椎间盘相比其他组织乏血供，故其D*值准确性相对较低。本研究髓核及前、后纤维环D*值在相邻Pfirrmann分级间差异均无统计学意义，可能与D*值稳定性差有关。

本研究发现髓核ADC及D值与腰椎间盘退变Pfirrmann分级相关，二者评估Pfirrmann分级的效能均较佳，而髓核D值鉴别PfirrmannⅠ与Ⅱ级的AUC高于ADC，提示其对早期椎间盘退变更敏感，与既往研究[13]结果相符，提示IVIM-DWI定量参数可用于评估椎间盘退变。本组中髓核ADC与D值鉴别Pfirrmann Ⅱ与Ⅲ级、Ⅲ与Ⅳ级、Ⅳ级与Ⅴ级的效能相当。

综上，IVIM-DWI可有效评估椎间盘退变程度，其定量参数髓核D值对早期椎间盘退变更为敏感。但本研究样本量较少，未纳入健康正常人群行对照分析，且缺少评估腰椎间盘退变各定量参数的标准及组织病理金标准，对于Pfirrmann Ⅳ级及Ⅴ级腰椎间盘，勾画ROI时难以区分髓核与纤维环，可能影响结果的准确性，有待进一步观察。