3.0T MRI 弥散加权成像评价腰椎间盘退变原因的价值

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.17.019

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (17): 2734-2739.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.17.019

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3.0T MRI 弥散加权成像评价腰椎间盘退变原因的价值

马晓晖，张伟，高宇，赵建，李石玲，张旭静，赵振江，蒋瑧

河北医科大学第三医院，河北省骨科生物力学重点实验室,河北省石家庄市 050051

修回日期:2014-03-08 出版日期:2014-04-23 发布日期:2014-04-23
通讯作者: 张伟，副主任医师，河北医科大学第三医院，河北省石家庄市 050051
作者简介:马晓晖，男，1968年生，河北省石家庄市人，1990年河北医学院毕业，副主任技师，从事医学影像技术工作。
基金资助:
河北省医学科学研究重点课题计划(20120344)

3.0 T magnetic resonance imaging diffusion-weighted imaging in evaluation of the reasons for lumbar disc degeneration

Ma Xiao-hui, Zhang Wei, Gao Yu, Zhao Jian, Li Shi-ling, Zhang Xu-jing, Zhao Zhen-jiang, Jiang Zhen

Third Hospital, Hebei Medical University, Hebei Provincial Key Laboratory of Orthopedic Biomechanics, Shijiazhuang 050051, Hebei Province, China

Revised:2014-03-08 Online:2014-04-23 Published:2014-04-23
Contact: Zhang Wei, Associate chief physician, Third Hospital, Hebei Medical University, Hebei Provincial Key Laboratory of Orthopedic Biomechanics, Shijiazhuang 050051, Hebei Province, China
About author:Ma Xiao-hui, Associate chief technician, Third Hospital, Hebei Medical University, Hebei Provincial Key Laboratory of Orthopedic Biomechanics, Shijiazhuang 050051, Hebei Province, China
Supported by:
the Hebei Provincial Medical Research Key Project, No.20120344

摘要/Abstract

摘要：

背景：MR弥散加权成像对水分子的扩散运动敏感，能早期了解椎间盘纤维环和髓核的含水量改变，从而明确其退变程度。
目的：通过对109例腰椎间盘的弥散加权成像进行前瞻性研究，旨在提高应用MRI中弥散加权成像序列对椎间盘退变程度和早期变性诊断的认识。
方法：采用Siemens Verio 3.0T 超导磁共振仪。常规平扫包括矢状位T1WI序列及T2WI抑脂序列；弥散加权成像采用SE-EPI序列行矢状位扫描，取b值为800s/ mm2，层厚、间距和显示野同T2WI抑脂序列扫描。根据Pfirrmann等的椎间盘退变分级标准，采用盲法在矢状位T2WI上对符合纳入标准的109例545个腰椎间盘进行分级。将弥散加权成像数据传至工作站，并对表观扩散系数图像进行测量，得到表观扩散系数值。分别画出L1/2-L5/S1椎间盘的感兴趣区，记录数据。
结果与结论：年龄与椎间盘退变分级存在明显相关性，年龄越大高级别数量越多。椎间盘表观扩散系数值影响因素分析：男性与女性各椎间盘表观扩散系数值之间差异无显著性意义(P > 0.05)。L1-S1各椎间盘年龄与表观扩散系数值之间存在负相关(P < 0.05)；椎间盘评级与表观扩散系数值之间存在负相关(P < 0.05)。提示通过对表观扩散系数值的研究，弥散加权成像将会成为椎间盘退行性变诊断、特别是椎间盘早期退变、无创评价治疗效果及预后判断的重要技术手段。

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 脊柱损伤, 3.0T, 磁共振成像, 弥散加权成像, 腰椎间盘, 退变, 年龄

Abstract:

BACKGROUND: Diffusion weighted imaging of MRI is sensitive for water molecule diffusion motion, can make us early understand the water content in annulus fibrosus and nucleus pulposus, so as to clarify its degeneration.
OBJECTIVE: To elevate the knowledge of disc degeneration and early diagnosis using diffusion-weighted imaging of MRI by prospectively studying lumbar disc diffusion-weighted imaging in 109 patients.
METHODS: Siemens Verio 3.0 T superconducting MRI was used. Conventional scan included sagittal T1WI and T2WI fat suppression sequence. Diffusion-weighted imaging used spin-echo echo planar imaging sequence sagittal scanning, taking b value of 800 s/mm2. Thickness, spacing, and field-of-view scan sequence was the same as fat suppression T2WI. According to Pfirrmann grading standard, the blind method was used in sagittal T2WI on 109 cases who met the inclusion criteria for classification of 545 lumbar intervertebral discs. The diffusion-weighted imaging data were uploaded to the station. Apparent diffusion coefficient images were measured, and the apparent diffusion coefficient values were obtained. Regions of interest of L1/2-L5/S1 discs were drawn, and the data were recorded.
RESULTS AND CONCLUSION: Age was obviously correlated with intervertebral disc degeneration grading. The older age indicated more number of higher grades. Influencing factors for apparent diffusion coefficient: no significant difference in apparent diffusion coefficient was detected between males and females (P > 0.05). L1-S1 intervertebral disc age was negatively associated with apparent diffusion coefficient values (P < 0.05). Disc rating was negatively correlated with apparent diffusion coefficient values (P < 0.05). Results indicated that diffusion-weighted imaging will become an important technical mean for disc degeneration diagnosis, especially early disc degeneration, noninvasive evaluation of treatment and prognosis by studying apparent diffusion coefficient values.

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Key words: intervertebral disk degeneration, magnetic resonance imaging, age groups

中图分类号:

R318

马晓晖，张伟，高宇，赵建，李石玲，张旭静，赵振江，蒋瑧. 3.0T MRI 弥散加权成像评价腰椎间盘退变原因的价值[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(17): 2734-2739.

Ma Xiao-hui, Zhang Wei, Gao Yu, Zhao Jian, Li Shi-ling, Zhang Xu-jing, Zhao Zhen-jiang, Jiang Zhen. 3.0 T magnetic resonance imaging diffusion-weighted imaging in evaluation of the reasons for lumbar disc degeneration[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(17): 2734-2739.

图/表（结果） 3

2.1 参与者数量分析 纳入志愿者109例，受试者无脱落，全部进入结果分析。

2.2 年龄分布 入选志愿者109例，以20岁为起点，每10岁为一个年龄组，共分为4个不同年龄组，20-29受试者30例，占27.5%，30-39受试者24例，占22%，40-49受试者共23例，占21%，50-59受试者32例，占29.5%。

2.3 性别分布 109例受试者中，男性49例，占45%；女性60例，占55%。

2.4 无腰疼症状志愿者椎间盘分级 年龄与椎间盘退变分级存在明显相关性，年龄越大高级别数量越多(表1)。

2.5 不同部位椎间盘表观扩散系数值的比较 受试对象L₁_-₂椎间盘的表观扩散系数₁=(1.631±0.217)×10^-³mm²/s，L₂_-₃椎间盘的表观扩散系数值表观扩散系数₂= (1.581± 0.383)×10^-³ mm²/s，L₃_-₄椎间盘的表观扩散系数值表观扩散系数₃=(1.547±0.368)×10^-³ mm²/s，L₄_-₅椎间盘的表观扩散系数值表观扩散系数₄=(1.441±0.450)×10^-³ mm²/s，L₅-S₁椎间盘的表观扩散系数值表观扩散系数₅=(1.388± 0.420)×10^-³ mm²/s。

采用随机区组设计方差分析，5个椎间盘的表观扩散系数值存在统计学差异(F=8.071，P < 0.001)。进一步采用S-N-K法进行两两比较，表观扩散系数₁、表观扩散系数₂与表观扩散系数₃之间不存在统计学差异；表观扩散系数₄与表观扩散系数₅之间不存在统计学差异；表观扩散系数₁/表观扩散系数₂/表观扩散系数₃与表观扩散系数₄/表观扩散系数₅椎间盘的表观扩散系数值之间存在统计学差异。

2.6 L₁-S₁椎间盘表观扩散系数值影响因素分析

性别对表观扩散系数₁的影响：采用两独立样本t 检验，结果发现男性与女性表观扩散系数值之间差异无显著性意义(P > 0.05，表2)。

年龄与表观扩散系数值的关系：采用线性相关分析，结果发现研究对象的年龄与表观扩散系数值之间存在负相关(P < 0.05，表2)。

椎间盘评级与表观扩散系数值的关系：采用秩相关分析，结果发现研究对象的椎间盘评级与表观扩散系数值之间存在负相关(P < 0.05，表2)。

2.7 典型资料介绍 女性，28岁。T1WI序列矢状位示椎体形态正常，椎间盘未见明显异常信号(图1A)。T2WI-STIR序列矢状位示L₄_-₅及L₅-S₁信号减低，L₄_-₅及L₅-S₁ Pfirrmann分级均为Ⅲ级(图1B)。弥散加权成像序列和表观扩散系数图示L₄_-₅及L₅-S₁信号减低，表观扩散系数图ROI大小为9pixel(0.28 cm²)(图1C，D)。

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引言

腰椎间盘退变是产生腰腿痛的常见原因，椎间盘退变过程复杂^[1]。椎间盘含有绝大多数其他纤维和软骨结缔组织中存在的基质蛋白。神经和血管分布仅限于纤维环外层1.0-2.0 mm的有限区域，包括外层纤维环表面小的无髓鞘和有囊的神经末梢、穿透纤维环最外几层小的游离神经末梢，还有少量机械性刺激感受器。椎间盘是由多种结缔组织构成的高度特异性结构，这些成分有序合理的组织是椎间盘行使正常功能的基本要求。在椎间盘的结构组成中，胶原和蛋白多糖两种大分子化合物起关键作用。年龄增加引起的椎间盘老化和病理性退变很难区分，在影像学观察上退变很常见，但不一定会引起症状，椎间盘退变引起症状的机制尚未完全明确。

椎间盘退变被认为最早开始于十几岁，并被视为是最不可避免的老龄化后果。在退变开始阶段，纤维环细胞密度有所增加，髓核内细胞聚集，间盘内细胞增殖、群集和死亡均增多，而且髓核细胞和一些纤维环细胞形态以圆形为主。随退变程度加重髓核逐渐脱水化，高度降低，细胞数量大幅度减少，而胶原原纤维浓度和厚度增加。在退变晚期阶段，椎间盘变薄、弹性降低，髓核和纤维环的边界模糊不清。髓核膨胀压降低，纤维环硬度增加，分散负荷的能力降低，使转移到骨的应力增加。胶原纤维完整性受损，纤维环在应力下不能包含限制髓核，使间盘疝出，同时间盘血管化和神经支配增加^[2-5]。髓核组织从破裂之处突出于后方或椎管内，导致相邻脊神经根遭受刺激或压迫，从而产生腰部疼痛，一侧下肢或双下肢麻木、疼痛等一系列临床症状，严重影响患者生活质量。应力、营养及遗传因素在椎间盘退变发生发展中具有重要作用^[6-8]。椎间盘退变早期发现及诊断对预防病情加重具有重大帮助。

目前临床上常用大体观查、组织学技术、X射线平片、椎间盘造影、计算机断层(computed tomography，CT)以及核磁扫描(magnetic resonance imaging，MRI)等多种指标来描述椎间盘的退变。随着MRI技术的不断改进，如定量MRI技术的应用以及软件的开发，MRI已成为诊断椎间盘退行性改变最精确的检查手段之一。MRI是一种无创、无辐射的检查方法。近年来，国内外学者对椎间盘退行性变的影像表现进行了大量的研究，关于如何做到早期诊断，如何做出量化的评估，已经成为近年来研究的热点^[9]。目前，对椎间盘退变等病变的诊断仍依据其常规序列，主要为T2WI及其抑脂序列；但对椎间盘退变的髓核变化及早期改变均有一定的局限性^[10]。椎间盘为无血管组织，其营养的供给依靠水分子的扩散。正常成年椎间盘内髓核的含水量为85%-90%，随着年龄增长，椎间盘发生变性，含水量减少，环形纤维中可有放射状，横行或向心性裂隙。MR弥散加权成像(Diffusion weighted imaging，DWI)对水分子的扩散运动敏感，能早期了解椎间盘纤维环和髓核的含水量改变，从而明确其退变程度^[11]。DWI是目前惟一显示水分子弥散运动的成像技术。表观弥散系数apparent diffusion coefficient，ADC)是反映弥散特性大小的参数指标，表观弥散系数值可定量计算水分子的运动信息，当病变区水分子扩散运动减弱时，表观弥散系数图像可显示异常低信号，DWI表现异常高信号。研究发现随年龄增长椎间盘含水量改变与表观弥散系数值密切相关，因此表观弥散系数值变化可作为椎间盘改变的量化评估指标。然而，在椎间盘相关的有限研究中尚无确切结论。

文章通过对109例不同年龄和性别无明显临床症状人群，共545个腰椎间盘的弥散加权成像进行前瞻性研究，旨在提高应用MRI中弥散加权成像序列对椎间盘退变程度和早期变性诊断的认识。探讨椎间盘髓核表观弥散系数值和椎间盘退变Pfirrmann分级的相关性。

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材料方法

设计：单一样本观察。

时间及地点：实验于2012年4月至2013年4月在河北医科大学第三医院完成。

对象：来源2012年4月至2013年4月在河北省石家庄市的109例无腰疼症状志愿者。男49名，女60名；年龄20-59岁，平均年龄(40.71±12.19)岁。

纳入标准：①年龄20-60岁。②性别、职业不限。③所有志愿者均无腰椎间盘疾病。④所有志愿者检查前签署知情同意书。

排除标准：椎间盘突出、腰椎外伤致压缩骨折、腰椎椎体肿瘤、感染性病变和腰椎畸形等疾病及MRI图像存在伪影影响观察或测量者。

所有志愿者均在自愿、知情前提下，通过医院伦理委员会同意，符合赫尔辛基宣言^[12]。

方法：

扫描方法及参数：MRI检查采用Siemens Verio 3.0T 超导磁共振仪，首先对所有受试者行常规腰椎MR扫描，而后行弥散加权成像扫描，并测量椎间盘表观扩散系数值。

常规MR平扫包括矢状位SE T1WI序列及TSE T2WI抑脂序列，T1WI参数：TR 650 ms，TE 9.6 ms，层厚4.0 mm，间距 0.4 mm，矩阵 384×307，激励次数(Average) 1，视野(FOV) 30 cm×30 cm；T2WI抑脂参数：TR 4 000 ms，TE 43 ms，TI 220 ms，层厚 4.0 mm，间距0.4 mm，矩阵384×288，激励次数(Average) 1，视野(FOV) 30 cm×30 cm；弥散加权成像采用SE-EPI 序列行矢状位扫描，取b值为800 (s/mm²)，参数：TR 7 500 ms，TE 83 ms，激励次数(Averages)6，矩阵160×128，层厚、间距和FOV同T2WI抑脂序列扫描。扫描后直接得到弥散加权成像图及表观扩散系数图。

图像分析：根据Pfirrmann等^[13]的椎间盘退变分级标准，由2名具有丰富工作经验(副主任医师以上)的医师读片。采用盲法在矢状位T2WI上对符合纳入标准的109例545个腰椎间盘进行分级，然后进行分析，意见不统一时协商解决。

将弥散加权成像数据传至工作站，并对表观扩散系数图像进行测量，得到表观扩散系数值。测量时选择扫描中心层面的椎间盘中央部位，感兴趣区(region of interest， ROI)形状为圆形，大小为9 pixel(0.28 cm²)。分别画出L₁_-2-L₅-S₁椎间盘的ROI，记录数据。

主要观察指标：①无腰疼症状志愿者109例年龄、性别分布。②椎间盘分级。③不同部位椎间盘表观扩散系数值的比较。④L₁-S₁椎间盘表观扩散系数值影响因素分析。

统计学分析：采用SPSS 13.0统计学软件对所有数据进行分析。计量资料(表观扩散系数值数据)采用方差分析。两独立样本采用t 检验。将L₁-S₁椎间盘分级、年龄和部位采用多元线性回归分析。均以P < 0.05认为差异有显著性意义。

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讨论

腰椎间盘是由纤维环、髓核和软骨终板3部分组成。其营养供应主要来自椎体软骨终板的毛细血管床。应力下降和营养物质减少在椎间盘的退变中起到重要的作用^[14-17]。目前对于椎间盘退变的诊断大多是在其T2信号减低和形态学改变出现时才可以被影像学发现。而对其退变程度的评价，如Pfirrmann标准，有时受到人为因素的影响而不可能完全客观评价椎间盘退变，因此定量测量可能会成为椎间盘疾病评估的主要改进方向。本研究得到的结果表明，表观扩散系数值和椎间盘退变有明显相关性^[18-21]。椎间盘信号减低，表观扩散系数值变小。

椎间盘退变的特点是增加和生产的炎性细胞因子如白细胞介素1和增加分泌蛋白酶^[22]。这些酶降解细胞基质，破坏髓核内亲水聚合，并导致纤维连接蛋白碎裂^[23]。这些生化变化导致椎间盘渗透压降低和水丢失^[24]。因为减少水分，所以椎间盘在磁共振图像上信号减低^[25]。同时椎间盘膨胀压力降低导致其高度降低。改变椎间盘的机械稳定性导致椎体终板负荷异常，造成血管、脂肪含量、骨密度变化^[26-28]。实验是利用MRI弥散加权成像序列中表观扩散系数值反映的腰椎间盘水分子运动扩散程度，判断椎间盘退变的情况。有文献报道利用该序列有利于从细胞及分子水平研究疾病状况^[29]。DWI常用表观弥散系数值来描述每个体表内分子的综合微观运动，影响表观弥散系数值的主要因素是组织灌注状态和细胞外水分子运动。椎间盘退变的早期改变为细胞外水分的丢失和蛋白多糖含量下降，髓核内细胞外水分的丢失将导致椎间盘水分子弥散减弱和表观弥散系数值降低。

本组20岁年龄组有17个Ⅳ级椎间盘和2个Ⅴ级椎间盘符合文献报告。而且本组分析可以看到年龄与椎间盘退变分级存在明显相关性，年龄越大高级别数量越多，同时通过表观扩散系数值统计分析也得到椎间盘退变与各年龄组都呈负相关的结论。有文献报道椎间盘退变被认为最早开始于十几岁，并被视为老龄化最不可避免的后果^[30]。同时年龄与椎间盘退变相关^[31]。

目前，年龄造成椎间盘退变的机制还不十分清楚。研究表明随着年龄生长，多种因素作用导致椎间盘发生生化和形态改变。椎间盘软骨终板的血运通道、纤维环的血管均减少，成人椎间盘终板的钙化更会影响通过终板的营养途径。营养供给的减少会限制椎间盘细胞合成新的基质，并引起与年龄有关的细胞密度减低。供氧减少会使椎间盘细胞进行无氧代谢产生乳酸产物，而代谢产物从无血管的椎间盘排除困难，乳酸聚集导致了酸性环境，而这也是适宜于蛋白酶作用的环境^[32]。因此，年龄增长引起的椎间盘胶原和蛋白多糖分解及含水量下降及营养障碍被认为是椎间盘退变的决定因素。

本组研究可以看到L_1-2、L_2-3、L_3-4之间椎间盘的表观扩散系数值不存在统计学差异，L_4-5、L₅-S₁之间椎间盘的表观扩散系数值也不存在统计学差异，而L_1-2、L_2-3、L_3-4与L_4-5、L₅-S₁椎间盘的表观扩散系数值之间存在统计学差异。表明下腰椎椎间盘退变程度大于上腰椎，其中L₅-S₁椎间盘变性率最高^[33-35]。其原因之一是在运动过程中腰骶交界处承受高强度的压力。此外，由于骶骨角增加，L₅-S₁在运动时前剪力按比例增加。有研究证实椎间盘前后部分所承受的负荷在T_8-9是平衡的，但在L₅-S₁则有很大的区别^[36]。也有文献报道由于下腰部椎间盘承受压力较高，导致椎间盘细胞通过各种途径调节代谢活动，包括细胞激酶、酶和酶抑制剂，各种旁分泌和自分泌的生长因子等异常，产生很多炎性、降解性和分解代谢分子，包括蛋白酶和降解酶(如基质金属蛋白酶)、氧自由基、氧化氮、白介素和前列腺素等，造成椎间盘退变^[37]。

性别是否为椎间盘退变的独立危险因素无确切证据。有研究表明青年和中年男性比同龄女性容易腰椎间盘退变。其原因是男性的腰椎机械应力和物理损伤多于女性。也有文献报道老年女性椎间盘退变率高于男性。绝经后妇女易患骨质疏松，疏松性椎体血流灌注明显减少，而椎间盘髓核部分营养是通过椎体终板扩散获得，结果导致椎体终板向椎间盘髓核扩散和供应的养分减少。因此，雌激素水平下降可能是影响椎间盘退变的重要因素之一^[38-40]。本组实验通过多元线性回归分析表明在男女之间比较椎间盘变性率并没有明显统计学意义的差异。经过年龄分组后椎间盘退变的性别差异还有待于进一步分析和对比。女性同年龄段绝经前后的椎间盘退变程度也需要深入研究。

综上所述，通过本组结果数据可以得出年龄与椎间盘退变有明显的负相关关系、中下段腰椎间盘退变程度大于上腰椎水平、性别与椎间盘退变没有明显统计学意义的结论。相信通过对表观扩散系数值的进一步研究，弥散加权成像将会成为椎间盘退行性变诊断、特别是椎间盘早期退变、无创评价治疗效果及预后判断的重要技术手段。

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
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3.0T MRI 弥散加权成像评价腰椎间盘退变原因的价值

3.0 T magnetic resonance imaging diffusion-weighted imaging in evaluation of the reasons for lumbar disc degeneration

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