MR T2* mapping成像技术定量评价腰椎小关节炎软骨损伤

doi:10.12307/2024.631

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (30): 4866-4870.doi: 10.12307/2024.631

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MR T2* mapping成像技术定量评价腰椎小关节炎软骨损伤

陈吉，张晨，张濒，黄磊涛

南京医科大学第四附属医院骨科，江苏省南京市 210031

收稿日期:2023-06-10 接受日期:2023-07-27 出版日期:2024-10-28 发布日期:2023-12-27
通讯作者: 黄磊涛，硕士，主治医师，南京医科大学第四附属医院骨科，江苏省南京市 210031
作者简介:陈吉，男，1981年生，江苏省南京市人，汉族，副主任医师，主要从事脊柱退行性病变的诊治。
基金资助:
南京医科大学科技发展基金(NMUB20220153)，项目负责人：黄磊涛

Quantitative evaluation of lumbar facet arthritis-induced cartilage injury by MR T2* mapping

Chen Ji, Zhang Chen, Zhang Bin, Huang Leitao

Department of Orthopedics, Fourth Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210031, Jiangsu Province, China

Received:2023-06-10 Accepted:2023-07-27 Online:2024-10-28 Published:2023-12-27
Contact: Huang Leitao, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Fourth Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210031, Jiangsu Province, China
About author:Chen Ji, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Fourth Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing 210031, Jiangsu Province, China
Supported by:
Science and Technology Development Fund of Nanjing Medical University, No. NMUB20220153 (to HLT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

T2* mapping成像技术：在MRI技术的基础上，对机体组织进行T2* mapping扫描成像并测定组织T2*值的一项新成像技术。根据不同病变组织T2*值的差异定量评估组织病变，尤其在关节软骨评价方面具有显著优势。
腰椎小关节炎：腰椎小关节是整个脊柱中唯一的滑膜关节，它与同节段前方的椎间盘构成一个功能单位——三关节复合体，共同承载人体脊柱的负荷，该部位的病变主要起始于关节软骨、关节囊及滑膜组织的炎症，表现为关节软骨的纤维化、腐蚀、微裂及剥脱，最终引起患者一定程度的腰痛等症状。

背景：腰椎小关节炎是引起下腰痛的一个主要原因，目前主要依靠MRI进行初步定性诊断，但仍有一定漏诊、误诊的概率发生，因此MR T2* mapping成像技术有望成为定量检查腰椎小关节炎软骨损伤的重要检测手段。

目的：探讨MR T2* mapping成像技术在定量分析腰椎小关节炎软骨损伤退变中的应用价值。
方法：收集南京医科大学第四附属医院2020年4月至2022年3月门诊或住院合并下腰痛共110例患者，设为病例组；同时招募无症状志愿者80例，设为对照组。对所有纳入对象L1-S1的小关节行3.0 T MR扫描，获取T2* mapping横断位图像和T2WI图像，分别对所有小关节软骨进行Weishaupt分级及T2*值测量，收集数据并行统计学分析。不同小关节Weishaupt分级之间小关节软骨T2*值比较采用单因素方差分析。

结果与结论：①经统计分析发现，病例组腰椎小关节软骨T2*值(17.6±1.5) ms明显较对照组(21.4±1.3) ms降低，差异有显著性意义(P < 0.05)；②在病例组中，随着腰椎小关节Weishaupt分级增加，小关节软骨T2*值也呈逐渐下降趋势，且这种差异有显著性意义(P < 0.05)；③提示T2* mapping能够较好地显示腰椎小关节软骨损伤的早期病理变化，腰椎小关节软骨的T2*值能够定量评估腰椎小关节的软骨损伤程度；T2* mapping成像技术能为影像学诊断腰椎小关节炎软骨早期损伤提供很好的理论依据，具有重要的临床应用价值。

https://orcid.org/0009-0006-7430-9790 (陈吉)；https://orcid.org/0000-0003-0979-1905 (黄磊涛)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 腰椎小关节炎, T2* mapping, T2*值, 小关节软骨退变, 下腰痛

Abstract: BACKGROUND: Lumbar facet arthritis is one of the main causes of low back pain. At present, MRI is mainly used for preliminary diagnosis, and there is still a certain probability of missed diagnosis and misdiagnosis. Therefore, MR T2* mapping imaging technology is expected to become an important means of quantitative detection of cartilage damage in lumbar facet arthritis.
OBJECTIVE: To investigate the application value of MR T2* mapping imaging technique in quantitative analysis of cartilage damage and degeneration of lumbar facet joint.
METHODS: A total of 110 outpatient or inpatient patients with low back pain in Fourth Affiliated Hospital of Nanjing Medical University from April 2020 to March 2022 were collected and set as case group. At the same time, 80 asymptomatic volunteers were recruited as the control group. T2* mapping transectal images and T2WI images were obtained by 3.0T MR Scanning for the facet joints of all included subjects L1-S1. Weishaupt grading and T2* value measurement were performed for all facet joint cartilage, and the data were collected for parallel statistical analysis. The comparison of T2* values of facet joint cartilage between different articular Weishaupt grades was performed by one-way analysis of variance.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Statistical analysis found that the T2* value of lumbar facet joint cartilage in the case group (17.6±1.5) ms was significantly lower than that in the control group (21.4±1.3) ms (P < 0.05). (2) In the case group, with the hierarchical increase of lumbar facet joint Weishaupt, the T2* value of facet joint cartilage also showed a gradual decreasing trend, and the difference was statistically significant (P < 0.05). (3) It is concluded that T2* mapping can better display the early pathological changes of lumbar facet joint cartilage injury, and T2* value of lumbar facet joint cartilage can quantitatively evaluate the degree of lumbar facet joint cartilage injury. T2* mapping imaging technique can provide a good theoretical basis for the imaging diagnosis of the early cartilage injury induced by lumbar facet arthritis and has important clinical application value.

Key words: lumbar facet arthritis, T2* mapping, T2* value, facet joint cartilage degeneration, lower back pain

中图分类号:

陈吉, 张晨, 张濒, 黄磊涛. MR T2* mapping成像技术定量评价腰椎小关节炎软骨损伤[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(30): 4866-4870.

Chen Ji, Zhang Chen, Zhang Bin, Huang Leitao. Quantitative evaluation of lumbar facet arthritis-induced cartilage injury by MR T2* mapping[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(30): 4866-4870.

图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析 MRI共扫描了腰椎小关节1 900个，其中病例组1 100个，对照组800个；病例组纳入研究腰椎小关节998个，其余102个因关节重度退变、软骨面严重缺损或小关节显示模糊而排除；对照组中无脱落。
2.2 试验流程图见图3。

2.3 两组间基本资料的比较两组患者间的年龄、性别、体质量指数比较差异均无显著性意义(P=0.546，0.362，0.267)，具有可比性，见表2。

2.4 T2*值测量的组内一致性和扫描精度误差腰椎小关节的T2*的弛豫时间的组内一致性ICC为0.90(95%CI：0.69-0.99)。测量ROI区域一致性的组内相关系数ICC值为0.95(95%CI：0.83-0.99)，表明所测量的T2*值具有最佳可靠性。腰椎小关节的T2*的短时扫描精度误差CV范围为0.01-0.05，对应的RMS CV为0.04。因而，此次研究ROI区域的精度误差CV及RMS CV变异系数小，测量的稳定性好。
2.5 两组间小关节T2*总体均值比较分析两组间小关节软骨T2*总体均值行单因素方差分析，结果显示病例组腰椎小关节软骨T2*总体均值(17.6±1.5) ms较对照组(21.4±1.3) ms明显减少，差异有显著性意义(P=0.02 < 0.05)。
2.6 病例组不同Weishaupt分级的腰椎小关节软骨间T2*值比较方差分析时采用Levene检验病例组T2*值方差齐性，结果显示Levene统计量=6.357，P=0.069，方差齐同，故病例组各级间T2*值的两两较分析采用LSD检验。结果显示，两组间小关节软骨 T2*值相比，差异均有显著性意义(P < 0.05)，见表3，4。

2.7 不良事件两组患者检查过程中均无不良事件发生。

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引言

下腰痛是一种常见疾病，严重影响患者日常生活，是社会及医疗保健系统的重要经济负担。而腰椎小关节是引起腰痛的一个重要解剖结构，这一点已被广泛接受[1-2]。在腰椎小关节骨关节炎中，患者表现为关节软骨基质的丢失、软骨下骨的形态重建和局部组织炎症的发生。在腰椎间盘退行性变的早期阶段，在X射线片、CT或常规MRI上很难发现腰椎小关节的微小形态学变化[3]。此外，腰椎小关节结构退变在MRI上的形态学分级系统(例如Weishaupt分级)往往具有较差的一致性[4]。目前，正在开发的生物化学MRI技术旨在肉眼病变之前检测出软骨的超微结构变化，其中T2*就是该领域的一个新兴参数，已被应用于距骨关节、膝关节和髋关节，并可能对薄软骨层的评估具有重要参考价值[5-6]。
T2* mapping成像最早于1991年由英国应用于心脏组织检测，主要用于评估临床铁螯合物治疗后(如地中海贫血患者)心肌铁的沉积状态。T2* mapping成像技术不需要对照剂管理，具有良好的组织内部一致性和可靠性，并且对组织间产生信号误差的变化十分敏感[7]。在使用标准T2成像时，软骨组织结果通常显示为深色或黑色结构，T2* mapping成像技术不仅具有T2成像特点，而且用于量化T2*多回波梯度序列的特点是回波时间短及空间分辨率高[8-9]。此外，T2* mapping成像技术还能够根据水分子和胶原纤维网络之间的相互作用来区分软骨成分。然而，与标准T2 mapping不同的是，髋关节和膝关节软骨标本的组织学结果已证实，软骨T2*值降低与软骨退变的严重程度密切相关[10-11]。尽管T2* mapping成像对磁化率敏感，这也使T2* mapping成为准确评估早期退变的薄层弯曲软骨板的合适检查，然而目前尚未见其在腰椎小关节中的可行性研究[12-13]，且目前有关T2* mapping成像技术评价腰椎小关节软骨退变的研究报道
甚少。
此次研究通过以健康人群作为对照组，观察临床诊断为腰痛患者腰椎小关节T2*值的变化，并同时探讨MR T2* mapping成像技术在定量分析腰椎小关节炎软骨损伤退变中的应用价值。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析，两组间计量资料比较采用t检验；计数资料比较采用卡方检验；不同小关节Weishaupt分级之间小关节软骨T2*值比较采用单因素方差分析。
1.2 时间及地点试验于2020年4月至2022年3月在南京医科大学第四附属医院骨科完成。
1.3 对象共收集南京医科大学第四附属医院2020年4月至2022年3月门诊或住院合并下腰痛的患者110例，设为病例组；同时招募无症状志愿者80例，设为对照组。
纳入标准：健康志愿者或其他患有非特异性急性腰痛的成年人，腰痛定义为20-45周岁受试者在< 3个月的时间内每天疼痛持续< 2 h。
排除标准：①慢性腰痛> 3个月、损伤引起的腰痛、目测类比评分(0-10分，0分表示无痛且疼痛感逐渐加重，10分表示最严重)评分4分及以上、椎间盘突出或椎管狭窄、腰椎滑脱、结核、肿瘤或任何其他影响腰椎稳定性和腰椎小关节负荷状态的脊柱疾病；②体质量指数> 25 kg/m2或影像学资料不完整者。
此次研究经南京医科大学第四附属医院研究伦理委员会批准(批准号：202001008)，所有参与此次研究的患者及志愿者均签署知情同意书，并同意将其成像信息用于此次研究分析。
1.4 方法
1.4.1 MRI检查所有研究对象均在早上进行MRI检查，以保持腰椎小关节处于相对稳定的生理状态。
所有MRI检查均采用3.0 T MR设备(Signa HDxt，GE医疗系统，Waukesha，WI，USA)和专用的八通道脊柱线圈。形态学包括矢状位和横断位FSE T2加权成像及T2* mapping成像序列。T2和T2* mapping在横断面分别使用二维多回波自旋回波(Multi echo spin echo，MESE)序列和二维多回波快速扰相梯度回波(Multi echo-fast spoiled gradient echo，ME-FSGRE)序列进行成像。MESE序列：TR 1 000 ms，TE 12.2，24.4，36.6，48.9，61.1，73.3，85.5，97.7 ms，FOV 180 mm×180 mm，体素 0.4 mm×0.4 mm×4.0 mm，层间距0.2 mm，扫描时间4 min 34 s；ME-FSGRE序列：TR 450 ms，TE 5.1，10.6，16.1，21.6，27.1，32.6，38.1，43.6 ms，FOV 180 mm ×180 mm，体素 0 .4 mm×0 .4 mm×4.0 mm，层间距0.2 mm，扫描时7 min 48 s。覆盖腰椎小关节的L1/2-L5/S1共5个节段，每个节段扫描3层，扫描方向与椎间盘平行。

1.4.2 图像获取及T2*值测量获得MR常规序列T2WI横断位及T2* mapping横断位图像，在T2WI横断位图像上对腰椎小关节进行Weishaupt分级(表1及图1)。由2名研究工作者在工作站(Function Software，ADW 4.4工作站，GE Medical Systems，Waukesha，WI，USA)上手动选择感兴趣区域(region of interest，ROI)来测量T2*值。同时选中同一层面的解剖图T2* mapping序列的第1回波图像，在每个腰椎小关节的2个关节面的分别绘制ROI。将所得的原始数据传至A Tim system工作站，自动生成T2* mapping伪彩图，复制及粘贴到对应的T2* mapping伪彩图上即获得相应ROI的T2*值(图2)。T2*值为2次测量值的平均值。

1.4.3 腰椎小关节T2*值的可靠性和精度在此次研究中MRI客观定量评估软骨采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient，ICC)和95%置信区间(confidence interval，CI)。采用双向混合效应模型，同时使用所有参与者的T2*值的绝对一致性来确定作为评估者组内的可靠性。根据既往研究对ICC可靠性程度的定义，0.75-0.89表示足够的可靠性，≥0.90表示最佳的可靠性[15]。
MRI的短时扫描精度误差用变异系数(coefficient of variation，CV)和均方根CV(root mean square CV，RMS CV)作为评价测量误差的一种手段(CV=SD/mean和RMS CV=√((CV12 +…+ CVn2)/n)))，以便与该领域以前的研究进行比较[7，16-17]。通过重复2次T2*值计算误差。
1.5 主要观察指标两组腰椎小关节软骨Weishaupt分级及ROI内的T2*值。
1.6 统计学分析定量资料采用x±s进行统计分析。两组间计量资料，如年龄、体质量指数及T2*值的比较均采用t检验；计数资料，如两组间性别的比较采用卡方检验。所有统计评价采用PASW统计软件(SPSS 23.0，Chicago，IL，USA)进行。检验水准α=0.05，当P < 0.05为差异有显著性意义。文章统计学方法已经南京医科大学生物统计学专家审核。

讨论

3.1 腰椎小关节源性腰痛腰椎小关节又称关节突关节或椎间关节，是双侧对称的滑膜关节，由透明软骨、滑膜及关节囊等组成。目前大部分研究认为，小关节源性腰痛主要由生物力学与机械因素引起[18]。小关节的滑膜分布有大量的神经纤维，对痛觉敏感，当小关节退变时，关节边缘形成的骨赘、关节突肥大、关节囊钙化等使滑膜被牵拉、压迫后可引起腰腿疼痛。腰椎小关节紧邻脊髓、神经根，小关节的肥大、增生、骨赘形成等造成腰椎管狭窄或椎间孔狭窄产生腰痛、下肢放射痛等临床症状。腰椎小关节是与膝关节相似的滑膜关节，因此其骨关节炎与膝关节等滑膜关节相类似，生物学因素如炎性因子等在腰椎小关节炎的发生发展中同样起着非常重要的作用，而小关节软骨退变与炎症因子的过度表达密切相关[19]。目前，可以评估骨关节炎早期阶段相关软骨变化的非侵入性成像的临床检测手段仍然有限，如X射线片通常用于评估与软骨变薄相关的关节间隙大小，但这种方法仅限于中度至重度的弥漫性软骨损伤[20]。传统的MRI可以对软骨进行宏观解剖评估，但对早期骨性关节炎相关的水含量、胶原含量和组织的生化变化不太敏感[21]。最近，定量MRI技术如T2、T2*、软骨延迟钆增强MRI(dGEMRIC)、化学交换饱和转移、扩散加权成像和T1rho成像等已被证明对软骨的生化变化很敏感[22]。对髋关节、膝关节、肩部和踝关节的研究表明，定量成像数值的变化与骨关节炎的不同阶段、手术修复前后及不同病理时期密切相关[23]。在这些序列中，T2* mapping和dGEMRIC目前在临床应用最为广泛，虽然许多研究人员已经发现健康人群和骨关节炎患者的dGEMRIC和T2*值存在差异，但很少在腰椎小关节中应用及研究[24]。
3.2 腰椎小关节软骨在MR T2* mapping成像中的特点 T2*弛豫时间和ROI的相应区域均可获得较好的一致性。腰椎小关节中T2*值的组内相关系数与报道的膝关节软骨估计值和使用其他技术如标准T2成像(即ICC范围为0.8-0.9)相当[25-26]。此外，重新定位后的精度误差CV平均为1%-5%，RMS CV为0.03。考虑到T2*随时间变化的评估，个体差异需要达到至少5%，以增加95%置信度检测变化的可能性[27]。尽管短时扫描精度误差可能受到患者和定位或磁场振荡等因素的影响，但此次研究的精度误差与既往报道的距骨或膝关节的T2或T2*精度误差相一致或更小，包括基于间断重复扫描的评估误差(即距骨软骨的CV范围为2.0-4.7，RMS CV范围为0.01-0.08)[28-30]。因而，此次研究ROI区域T2*测量值的精度误差CV及RMS CV具有变异系数小、测量稳定性好的特点。
此次研究在腰椎小关节的应用中发现T2* mapping成像技术T2*值与既往报道的健康人群距下关节软骨的范围基本一致，显示T2*弛豫时间为16.6-23.3 ms[31-33]。尽管缺乏金标准或互补的生化成像技术来验证腰椎小关节的T2*测量，但越来越多的证据表明，在膝关节和髋关节标本的组织学分析中观察到，T2*值的降低与关节软骨退变的严重程度密切相关[34-36]。此外，此次研究病例组中发现，随着腰椎小关节在MRI上Weishaupt分级的增加，T2*值逐渐降低。这说明T2*值变化与小关节软骨退变的严重程度密切相关，在一定程度上，随着小关节软骨退变越严重则T2*值呈现越低的趋势。同时，还发现了腰椎小关节结构与软骨组成之间存在密切的关系，具体来说，腰椎小关节属于一个三关节复合体，由两侧小关节及前方椎间盘共同组成，与三关节构型相比，融合型或双关节构型的T2*值较单关节更低[37]。
3.3 MR T2* mapping的临床应用价值有研究表明，人体局部的解剖变异可能从出生时就存在，从发育的角度来看，应该允许软骨随着时间的推移而适应[38]。因此，长期的前瞻性研究是必要的，以进一步衡量关节形态作为加速腰椎小关节软骨退变的独立危险因素或减缓因素的临床相关性。尽管如此，此次研究的结果支持T2* mapping作为一种有前景的技术，具有快速评估腰椎小关节软骨质量的潜力，这项技术可能为监测小关节健康和/或识别加速腰椎小关节软骨退变的疾病风险创造新的途径[39]。最终，该标志物可能有助于临床上为腰椎小关节疾病选择合适的保守治疗或外科关节矫形手术提供有效参考价值。T2* mapping成像技术，可以为软骨损伤的诊断、随访评估以及提高软骨治疗和修复的效果提供良好的理论基础和评估标准，并可以提供有关组织组成和软骨修复组织状态的有效价值信息。随着该领域的不断发展，T2* mapping成像技术的可重复性及其临床应用价值意义重大。因此，该项成像技术的潜在临床应用是巨大的，但在临床上能够充分利用这一技术之前，它必须是可重复、自动化、标准化的，并经过长期临床一系列反复测试验证的基础上得以实现的。
综上所述，对于患有腰痛症状的患者，T2* mapping图像较传统T2WI图像能更好地反映腰椎小关节软骨结构，T2*值可以定量评估腰椎小关节软骨的退变程度。此次研究结果表明，随着腰椎小关节软骨退变程度的加重，T2*值也逐渐减小，对腰椎小关节早期软骨退变性疾病具有提示性价值。此次研究也存在一定的局限性，主要包括缺乏腰椎小关节软骨的组织学评估；同时还应该指出，腰椎小关节软骨的T2*值并没有消除关节液的影响，这可能是由于图像分辨率相对较差的结果，然而，关节液对此次研究结果的影响似乎有限；最后，此次研究未对腰椎间盘进行影像学分级，还需进一步探讨腰椎间盘退变与T2*值的关系。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

MR T2* mapping成像技术定量评价腰椎小关节炎软骨损伤

Quantitative evaluation of lumbar facet arthritis-induced cartilage injury by MR T2* mapping

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