短时轴向负荷下腰椎间盘表观弥散系数值及T2值的变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.31.025

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (31): 5051-5056.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.31.025

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短时轴向负荷下腰椎间盘表观弥散系数值及T2值的变化

蔡兆熙，杨泽宏，李永，陈建宇，赖炳佳

中山大学孙逸仙纪念医院放射科，广东省广州市 510120

收稿日期:2015-05-13 出版日期:2015-07-23 发布日期:2015-07-23
通讯作者: 陈建宇，中山大学孙逸仙纪念医院放射科，广东省广州市
作者简介:蔡兆熙，男，1984年生，广东省潮安县人，汉族，2011年中山大学毕业，硕士，医师，主要从事骨骼肌肉系统影像学诊断研究。
基金资助:
广东省科技厅社会发展领域科技计划项目(2013B021800236)，“椎间盘退变蛋白聚糖MRI的T1rho、T2定量研究”

Changes in apparent diffusion coefficient and T2 values in the lumbar intervertebral disc under short-time axial load

Cai Zhao-xi, Yang Ze-hong, Li Yong, Chen Jian-yu, Lai Bing-jia

Department of Radiology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China

Received:2015-05-13 Online:2015-07-23 Published:2015-07-23
Contact: Chen Jian-yu, Department of Radiology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China
About author:Cai Zhao-xi, Master, Physician, Department of Radiology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, Guangdong Province, China
Supported by:
the Science and Technology Project in the field of social development of Guangdong Provincial Science and Technology Department, No. 2013B021800236

摘要/Abstract

摘要：

背景：椎间盘磁共振功能研究大都是平卧状态非负荷下进行的，不能反映人体直立下椎间盘负荷状态下的形态及功能改变，因此需要研究模拟人直立状态下的椎间盘磁共振功能成像特点。
目的：探讨轴向负荷对受检者椎间盘表观弥散系数值及T2值的影响。
方法：募集腰腿痛患者17例，年龄34-65岁。轴向负荷前后进行常规T2W、T1W、弥散张量成像、T2-mapping成像，负荷质量为体质量的40%-50%，负荷10 min后扫描第2个弥散张量成像序列，约负荷15 min扫描第2个T2-mapping序列。弥散张量成像扫描参数：单次激发平面回波(EPI)，TR 2 500 ms，TE 89 ms，弥散方向为6个方向，b值设为400 s/mm2，扫描时间4∶10 min。利用弥散张量成像原始数据重建表观弥散系数图、b0图，测定其负荷前后椎间盘的表观弥散系数值，T2-mapping序列自动重建出T2值图，测量髓核全椎间盘区域的表观弥散系数值、T2值，分析短时轴向负荷前后表观弥散系数值、T2值的变化。
结果与结论：17例85个椎间盘的Pfirrmann分级结果：Ⅰ级0个，Ⅱ级26个，Ⅲ级19个，Ⅳ级30个，Ⅴ级10个。表观弥散系数图84个纳入研究，T2值图85个纳入研究。84个椎间盘短时轴向负荷下，短时轴向负荷下全椎间盘(减少38×10^-3 mm2/s，Z=2.567，P < 0.05)及髓核区表观弥散系数值减少(减少62×10-3 mm2/s，Z=3.461，P < 0.05)，表观弥散系数变化主要影响Pfirrmann Ⅲ级椎间盘(减少55×10-3 mm2/s，Z=2.556， P < 0.05)。T2值的变化主要影响正常椎间盘(Pfirrmann Ⅱ级)，负荷下椎间盘T2值减低(减少3.17 ms，Z=2.967，P < 0.05)，其余级别椎间盘负荷下表观弥散系数值、T2值差异无显著性意义(P > 0.05)。提示短时轴向负荷下椎间盘表观弥散系数值与T2值的变化因退变Pfirrmann分级不同而不同，评价椎间盘的活体MRI功能可能要根据不同的退变程度采用不同的方法。

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: 植入物, 数字化骨科, 腰椎, 椎间盘, 轴向负荷, 磁共振弥散加权成像, T2弛豫时间

Abstract:

BACKGROUND: Disc functional magnetic resonance imaging studies are mostly carried out under lying and a non-load state, and do not reflect the changes in morphology and function of the upright human body under disc load conditions. Therefore, we need to study characteristics of disc functional magnetic resonance imaging in the upright state.
OBJECTIVE: To analyze the effect of axial load on apparent diffusion coefficient and T2 of intervertebral discs.
METHODS: The study consisted of 17 patients with low back pain aged 34-65 years. Before and after axial load, T2 weighted MR imaging, T1 weighted MR imaging, diffusion tensor imaging, and T2-mapping imaging of the lumbar spine were performed. Load quality was 40%-50% body weight. At 10 minutes after axial load, another diffusion tensor imaging was performed. After 15-minute load, another T2-mapping sequence was scanned.
Diffusion tensor imaging scan parameters: single echo-planar imaging, repetition time 2 500 ms, echo time 89 ms, six diffusion directions, b value of 400 s/mm2, sweep time 4:10 minutes. Raw data of diffusion tensor imaging were used to construct apparent diffusion coefficient map and b0 map. Apparent diffusion coefficient value of intervertebral discs was calculated before and after loading. T2 map was automatically constructed using T2-mapping sequence to measure apparent diffusion coefficient and T2 values in the whole intervertebral disc of nucleus pulposus, and the changes of them were analyzed under short-time axial load.
RESULTS AND CONCLUSION: Pfirrmann grading results in 17 patients with 85 discs were obtained as follows: 0 in Grade I, 26 in Grade II, 19 in Grade III, 30 in Grade IV, and 10 in Grade V. All 85 disc T2 relaxation time mapping and 84 disc apparent diffusion coefficient mapping were accepted. Under short-time axial load in 84 discs, apparent diffusion coefficient reduced in the whole disc (reduced 38×10^-3 mm2/s, Z=2.567, P < 0.05) and nucleus pulposus (reduced 62×10-3 mm2/s, Z=3.461, P < 0.05). Apparent diffusion coefficient changes mainly affected Grade Pfirrmann III discs (reduced 55×10-3mm2/s, Z=2.556, P < 0.05). T2 changes mainly affected normal intervertebral discs (Pfirrmann grade II). Under the load, T2 value of intervertebral discs diminished (reduced 3.17 ms, Z=2.967, P < 0.05). No significant difference in apparent diffusion coefficient and T2 value was detected under the load in other grades of the intervertebral discs (P > 0.05). These results suggest that changes in apparent diffusion coefficient and T2 values were different due to different Pfirrmann grades under short-time axial load. To evaluate magnetic resonance imaging function of intervertebral discs, we should choose different evaluation method according to different degeneration degrees.

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

Key words: Lumbar Vertebrae, Intervertebral Disk, Diffusion Tensor Imaging, Diffusion Magnetic Resonance Imaging

中图分类号:

R318

蔡兆熙，杨泽宏，李永，陈建宇，赖炳佳. 短时轴向负荷下腰椎间盘表观弥散系数值及T2值的变化[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(31): 5051-5056.

Cai Zhao-xi, Yang Ze-hong, Li Yong, Chen Jian-yu, Lai Bing-jia. Changes in apparent diffusion coefficient and T2 values in the lumbar intervertebral disc under short-time axial load [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(31): 5051-5056.

图/表（结果） 4

2.1 腰腿痛患者17例85个椎间盘Pfirrmann分级结果 Ⅰ级0个，Ⅱ级26个，Ⅲ级19个，Ⅳ级30个，Ⅴ级10个，17例均表现出不同程度椎间盘退变。表观弥散系数图84个椎间盘纳入研究，T2值图85个椎间盘纳入研究。各个椎间盘负荷前后的表观弥散系数值、T2值测量结果见表2-4。根据腰椎矢状位T2WI图像进行Pfirrmann分级，见图1A。

2.2 弥散张量成像 17例84个椎间盘，轴向负荷10 min前后进行2次弥散张量成像，得到了84个清晰、满意的图像，84个椎间盘短时轴向负荷下，短时轴向负荷下全椎间盘表观弥散系数值(减少38×10^-3 mm²/s，Z=2.567，P < 0.05)及髓核区表观弥散系数值减少(减少 62×10^-3 mm2/s，Z=3.461，P < 0.05)，表观弥散系数变化主要影响轻度退变(Pfirrmann Ⅲ级)椎间盘(减少55×10-3 mm2/s，Z=2.556，P < 0.05)，重度退变(Pfirrmann Ⅳ-Ⅴ级)椎间盘负荷前后表观弥散系数值变化不显著。负荷前b0图及表观弥散系数图见图1B，C，负荷后表观弥散系数图见图1E。

2.3 椎间盘T2-mapping成像 17例85个椎间盘，轴向负荷15 min前后进行2次T2-mapping8回波序列成像，得到了85个清晰、满意的图像，均能得到椎间盘髓核区域的T2值，T2图上不能完全区分髓核及纤维环，根据T2W序列勾画出包含全髓核区感兴趣区，T2值的变化主要影响正常椎间盘(Pfirrmann Ⅱ级)，负荷下椎间盘T2值减低(减少3.17 ms，Z=2.967，P < 0.05)，轻度退(Pfirrmann Ⅲ)及重度退变(Pfirrmann Ⅳ-Ⅴ)椎间盘负荷前后T2值差异无显著性意义(P > 0.05)。负荷前T2 map图见图1D，负荷后T2 map图见图1F。

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引言

材料方法

设计：配对设计定量资料比较。
时间及地点：于2013年12月至2014年3月在中山大学孙逸仙纪念医院放射科完成。
对象：共17例腰腿痛患者纳入本研究，男7例，女10例；年龄34-65岁，中位年龄为45岁。
纳入标准：①有腰腿痛及神经根放射痛病史。②遵循知情同意原则，自愿参加本研究。
排除标准：患骨质疏松、骨折、感染性炎症、肿瘤及严重的全身性疾病及由于疼痛明显不能完成负荷磁共振检查者。
方法：
MRI扫描方法：采用1.5T磁共振成像仪(PHILIPS Gyroscan Intera 1.5T)，5通道相控阵脊柱线圈。负荷前后均行SE序列T1W (TR/TE=400 ms/11 ms)、T2W(TR/TE= 3 500 ms/120 ms)矢状位及横断位扫描，T2W-map矢状面成像及弥散张量成像序列扫描。
T2W/map/8*10序列：采用八回波自旋回波序列， TE：分别是10，20，30，40，50，60，70，80 ms；TR：1 300 ms；flip angle：90°；NSA：2；FOV：180 mm× 93 mm× 52 mm；层厚：3 mm，扫描时间约4：33.6 min。对采集数据进行非线型计算，自动得出椎间盘T2值的空间分布图。弥散张量成像序列参数：单次激发平面回波(EPI)，扫描层数7层，矩阵176×256，扫描野中心线定位于腰椎正中矢状面L3/4椎间盘后方后纵韧带处，平均采集次数14次， TR 2 500 ms，TE 89 ms，层厚5 mm，层距0 mm，弥散方向为6个方向，弥散梯度因子b值设为400 s/mm2^[18]。椎体前方设置预饱和带减少呼吸运动伪影，饱和带宽30 cm，成像时间约4：10 min。T2-mapping。负荷采用脚踏式负荷装置[14]，负荷质量为患者体质量40%-50%。维持负荷10 min后开始扫描负荷后弥散张量成像序列，维持负荷约15 min 后开始扫描负荷后T2-mapping序列。为避免生理状态所引起的差异，本研究扫描的时间均在晚上8：00-10：00完成，扫描前均未剧烈运动，扫描体位为仰卧位。表观弥散系数值、T2值测定：利用PHILIPS Gyroscan Intera 1.5T MR工作站自带软件(MR Systems Intera Release 2.6.1.0)，用弥散张量成像图像重建表观弥散系数图，选择扫描中心层面，在b0上椎间盘划全椎间盘ROI-total及椎间盘髓核中心椭圆形ROI-center，ROI大小分别为70-100 mm2，10-20 mm2，然后两个ROI复制到表观弥散系数图上，再采用与负荷前相同节段椎间盘等面积的ROI在负荷后的b0上椎间盘部位画ROI，将其复制到负荷后的表观弥散系数图上，测量每个椎间盘(L_1/2-L₅/S₁)负荷前后的表观弥散系数值；T2-mapping八回波序列自动重建出T2-mapping图，椎间盘T2值的空间分布图上在椎间盘髓核区域划ROI，大小70-100 mm2，测量负荷前后椎间盘T2值。每个椎间盘表观弥散系数值及T2值重复测量3次，取平均值。
腰椎间盘分级：采用Pfirrmann分级标准^[19]，由2位有5年以上的肌骨放射诊断工作经验的放射科医生分别阅片，17例腰腿痛病例组患者的常规腰椎磁共振检查结果进行评分，结果不一致时两人协商确认。Pfirrmann分级的评估标准见表1。
主要观察指标：利用弥散张量成像原始数据重建表观弥散系数图、b0图，测定其负荷前后椎间盘的表观弥散系数值，T2-mapping序列自动重建出T2值图，测量髓核全椎间盘区域的表观弥散系数值、T2值，分析短时轴向负荷前后表观弥散系数值、T2值的变化。
统计学分析：由第一作者进行统计学处理，将所测得的原始数据输入SPSS 13.0软件包。比较所有椎间盘及不同Pfirrmann分级的椎间盘负荷前后的表观弥散系数值、T2值的差异性，采用配对资料t 检验；样本量较小及不满足正态分布的资料，采用秩和检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

3.1 短时椎间盘轴向负荷对椎间盘T2值及弥散功能的影响 椎间盘是人体最大的无血管组织，由胶冻状的髓核和纤维环组成。椎间盘营养供应及代谢产物主要通过椎间盘基质内分子弥散运动进行^[20]。正常椎间盘营养物质通过椎体终板和椎间盘纤维环，再通过弥散进入椎间盘。椎间盘弥散能力的减低会影响营养物质的供应和代谢产物的排泄。椎间盘弥散能力下降被认为是椎间盘退变的早期标志^[18]。椎间盘组织是一种纤维软骨，以往对关节软骨的研究揭示，关节软骨的T2值与软骨的胶原纤维完整性、排列方向，胶原纤维及水的含量有关^[21]。正常椎间盘组织与关节软骨相似，椎间盘的T2值可能与椎间盘的组织成分及结构有关，Marinelli等^[22]研究人和牛椎间盘尸体标本的T2值与椎间盘水、蛋白聚糖含量的关系，发现T2值主要与水含量相关，与蛋白聚糖相关性较弱。国内外大量学者证实了椎间盘退变与椎间盘表观弥散系数值、T2值的相关性^[18，23-35]，但是较少研究负荷对椎间盘表观弥散系数值、T2值的影响。

生理负重活动或负荷对椎间盘T2值及关节软骨的影响，国外也有不同的研究，Paajanen等^[36-37]发现椎间盘T2W信号在早上比晚上高，可能是由于夜晚休息使椎间盘含水量增加。Roberts^[38]及Zhu等^[39]的研究也显示每天正常活动对椎间盘的影响，发现早上时，椎间盘体积增加，髓核T2值增高，可能和髓核含水量增加有关。对于关节软骨的研究，学者Dardzinski等^[7]测量正常儿童未闭合骨骺骺板软骨与关节软骨的T2值，发现关节软骨或骺板软骨负重区域的T2值比非负重区域T2值低。本研究发现椎间盘负荷后T2值减低，可能是正常的椎间盘组织与透明软骨的组织成分相似，负荷对于透明软骨及纤维软骨(髓核)的影响可能也有相似表现。正常椎间盘含水量较高，髓核含水量的减低是椎间盘退变的表现，在MR上T2W图像上表现为椎间盘髓核信号的减低，椎间盘T2值的高低与椎间盘含水量有关，随着Pfirrmann分级级别的升高椎间盘T2值减低，推测PfirrmannⅡ级椎间盘负荷后椎间盘T2值的减低，与椎间盘负荷后髓核含水量减少有关，椎间盘在短时负荷与非负荷状态下椎间盘的组织T2值减低，组织胶原纤维排列更紧密，含水量减低，正常椎间盘(Pfirrmann Ⅱ级)保持较好的组织弹性，而退变的椎间盘(Pfirrmann Ⅲ-Ⅴ级)椎间盘的弹性及含水量减少，椎间盘纤维化，负荷下含水量及组织结构的可变性变化不显著。

营养物质及代谢产物溶解在组织液中，水分子的运动带动营养物质的运动，T2值在短时负荷下的变化可能会影响伴随着水分子弥散运动的营养物质的供给，对椎间盘的代谢产生影响，椎间盘在短时负荷及非负荷状态下交替进行，相对正常椎间盘(Ⅱ级)保持较好的组织弹性，T2值的变化提示椎间盘可发生含水量和组织结构的变化，而退变的椎间盘(Ⅱ-Ⅴ级)椎间盘的弹性及含水量已经减少，负荷下含水量的变化不显著，T2值不能出现显著变化。

椎间盘表观弥散系数值随椎间盘退变分级级别增加而减低^[31]，前期研究及本研究均显示短时轴向负荷后，主要引起轻度退变(Pfirrmann Ⅲ级)的椎间盘的弥散能力的减低^[12]。对于正常(Pfirrmann Ⅱ级)或退变较严重(PfirrmannⅣ级、Ⅴ级)的椎间盘，短时负荷对椎间盘弥散能力的影响较小，本研究主要研究短时负荷对椎间盘的影响。祝婷婷等^[40]研究椎间盘正常1天生理活动前后的表观弥散系数值变化，发现健康志愿者椎间盘(排除变性及突出椎间盘)表观弥散系数值减低，与本研究结果不同，主要研究短时效应，短时效应主要对轻度退变椎间盘(Ⅲ级)有影响，而对正常椎间盘影响较小。

3.2 两种方法评价椎间盘短时轴向负荷引起效应的比较人活体椎间盘常处于负荷(站立位)或非负荷(仰卧位)转换状态，对负荷下椎间盘组织的组织成分及结构的细微改变的研究，将有助于更好理解正常生理状态下人体的变化，本研究显示，短时轴向负荷下，椎间盘弥散能力与椎间盘T2值的变化是随退变程度不同而不同。正常椎间盘(Pfirrmann Ⅱ级)短时负荷下T2值已经发生变化而椎间盘表观弥散系数值尚不能引起变化，作者推测这与椎间盘组织结构特点有关，正常椎间盘含水量高，蛋白多糖丰富，弹性良好，负荷后T2值变化提示胶原纤维排列变化及水分子运动的轻微变化。对于轻度退变(Pfirrmann Ⅲ级)的椎间盘，椎间盘组织弹性差，椎间盘弥散功能减低，髓核含水量已经减少，短时负荷下，椎间盘含水量的变化甚微，但是椎间盘胶原纤维组织排列结构变化就变得明显，负荷下，水分子的运动明显受限，表观弥散系数值减低但尚不能引起T2值得变化。对于中、重度退变椎间盘(Pfirrmann Ⅳ级、Ⅴ级)，椎间盘髓核基本缺失，纤维环纤维化，短时负荷已经不能引起组织成分和结构的细微改变，表观弥散系数值与T2值在短时负荷效应下，不能产生明显变化，说明组织的可变性减低。T2值得变化主要与组织构成有关而表观弥散系数值主要研究水分子运动规律，两种相互结合可以对椎间盘的活体构成和功能进行微观研究。

3.3 局限性 本研究采用短时负荷研究，与之前报道的研究方法不同，之前报道的一般是比较1天的正常生理活动前后的变化，本研究的负荷时间较短，主要是短期效应，延长负荷时间、负荷质量或负荷方向后退变椎间盘组织T2值和表观弥散系数值的变化还需进一步研究。另外本研究中，椎间盘的Pfirrmann分级均为Ⅱ-Ⅴ级，无Ⅰ级椎间盘，还需要对较年轻健康志愿者进行研究，了解I级椎间盘的短时负荷后变化。

结论：本研究的结果表明，短时负荷下正常椎间盘(Pfirrmann Ⅱ级)椎间盘髓核T2值减低，轻度退变椎间盘(Pfirrmann Ⅲ级)椎间盘弥散能力降低；负荷对于椎间盘弥散能力和T2值的影响与退变程度有关，不同的退变程度，采用不同的MRI成像方法，能更好评价椎间盘的构成和功能。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

短时轴向负荷下腰椎间盘表观弥散系数值及T2值的变化

Changes in apparent diffusion coefficient and T2 values in the lumbar intervertebral disc under short-time axial load

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