缺血性腰椎间盘退变模型兔的磁共振T1ρ和T2mapping成像评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.019

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (31): 5031-5035.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.31.019

• 骨与关节图像与影像 bone and joint imaging • 上一篇下一篇

缺血性腰椎间盘退变模型兔的磁共振T1ρ和T2mapping成像评价

蒙仲猛¹，潘希敏²，陈应明²，陈立强¹，吴志强¹，庄文权^1，3

¹中山大学附属第一医院放射介入科，广东省广州市 510080；²中山大学附属第一医院东院放射科，广东省广州市 510080；³中山大学附属第一医院广东省骨科学重点实验室，广东省广州市 510080

出版日期:2017-11-08 发布日期:2017-12-01
通讯作者: 庄文权，教授，硕士生导师，中山大学附属第一医院放射介入科，广东省广州市 510080
作者简介:蒙仲猛，男，1988年生，广西壮族自治区都安县人，壮族，中山大学在读硕士，主要从事介入放射学研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81272041)；广东省科技计划基金资助项目(2013B021800116)

Magnetic resonance T1ρ versus T2 mapping for evaluating ischemic lumbar intervertebral disc degeneration in a rabbit model

Meng Zhong-meng¹, Pan Xi-min², Chen Ying-ming², Chen Li-qiang¹, Wu Zhi-qiang¹, Zhuang Wen-quan^{1, 3}

¹Department of Interventional Radiology, the First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China; ²Department of Radiology, The Eastern Hospital of the First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China; ³Guangdong Provincial Key Laboratory of Orthopedics and Traumatology, the First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China

Online:2017-11-08 Published:2017-12-01
Contact: Zhuang Wen-quan, Professor, Master’s supervisor, Department of Interventional Radiology, the First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China; Guangdong Provincial Key Laboratory of Orthopedics and Traumatology, the First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China
About author:Meng Zhong-meng, Studying for master’s degree, Department of Interventional Radiology, the First Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81272041; the Guangdong Provincial Science and Technology Program, No. 2013B021800116

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

磁共振T2mapping成像技术：是利用固定重复时间(repetition time，TR)，根据组织本身的弛豫时间设定不同的回波时间(echo time，TE)，得到一系列不同参数的图像，通过后处理软件进行指数拟合重建得到T2-map图像。

磁共振T1ρ成像技术：是在旋转坐标系下，通过设定不同的自选锁定时间(time of spin lock，SPL)得到一些列MRT1ρ图像，通过后处理软件指数拟合重建得到T1ρ-map图像。

摘要

背景：磁共振T1ρ和T2mapping成像技术已用于研究人类和恒河猴腰椎间盘退变并认为可以早期评价腰椎间盘退变情况，目前尚无应用磁共振T1ρ和T2mapping成像技术研究新西兰兔腰椎间盘退变的报道。

目的：比较不同时间点新西兰兔缺血性腰椎间盘退变模型的磁共振T1ρ和T2-map弛豫时间值，评价两种成像技术对退变评估的敏感性差异。

方法：15只新西兰兔随机平均分成3组，每只兔随机干预L₄_-₅、L_5-6或L₆_-₇椎间盘中的一个作为缺血性退变模型组，另外2个不干预椎间盘作为空白对照组。所有动物于术前行磁共振T1ρ和T2mapping扫描，3组兔分别于术后1，3或6个月再行相应磁共振扫描，分析两种成像技术在不同时间点弛豫时间值变化。

结果与结论：①模型组腰椎间盘髓核组织术前T2-map弛豫时间值(146.21±16.93) ms与造模后3个月(118.53±20.51) ms或6个月(85.42±11.65) ms比较，差异有显著性意义(P < 0.05)；而与造模后1个月比较，差异无显著性意义(P > 0.05)；②模型组椎间盘髓核组织术前T1ρ弛豫时间值(87.88±8.87) ms与造模后6个月(64.75±14.63) ms比较，差异有显著性意义(P < 0.05)；而与造模后1个月或3个月比较，差异无显著性意义(P > 0.05)；③对照组椎间盘髓核组织T1ρ和T2-map弛豫时间值各时间点差异均无统计学意义(P > 0.05)。造模后6个月兔腰椎间盘磁共振T2WI才出现Pfirrmann Ⅱ-Ⅲ级的改变；④结果说明：磁共振T1ρ和T2mapping成像技术可用于量化评价新西兰兔缺血性腰椎间盘退变过程，T2mapping成像可能比T1ρ成像对新西兰兔缺血性退变的早期评估更敏感些。

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
ORCID: 0000-0001-8487-4132(蒙仲猛)

关键词: 骨科植入物, 脊柱植入物, 磁共振成像, T2 mapping, T1ρ, 椎间盘退变, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: MRI T1ρ and T2 mapping have been applied to study lumbar intervertebral disc degeneration in human and rhesus monkey, showing that they can be used for evaluating the early degeneration, but their application in New Zealand rabbit lumbar intervertebral disc degeneration is never reported.

OBJECTIVE: To compare the relaxation time values of T1ρ and T2 mapping at different time points in a New Zealand rabbit model of ischemic lumbar intervertebral disc degeneration, and to compare the sensitivity for degeneration.

METHODS: Fifteen New Zealand rabbits were randomly divided into three groups, and one of intervertebral discs at L_4-5, L_5-6and L_6-7was designed for ischemic lumbar intervertebral disc degenerative model and the other two discs for controls. All the rabbits underwent T1ρ and T2 mapping preoperatively, 1, 3 or 6 months postoperatively to analyze the changes in the relaxation time at different time points.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the modeling group, the T2 mapping relaxation time of nucleus pulposus was (118.53±20.51) ms and (85.42±11.65) ms at 3 and 6 months after modeling, respectively, which showed significant difference when compared with preoperatively (146.21±16.93) ms (P < 0.05); but the time showed no significant difference compared with 1 month after modeling (P > 0.05). (2)T1ρ relaxation time of nucleus pulposus was (64.75±14.63) ms at 6 months after modeling, which showed significant difference when compared with preoperatively (87.88±8.87) ms (P < 0.05); but the time showed no significant difference compared with 1 and 3 months after modeling (P > 0.05). (3) In the control group, there was no significant difference in the T1ρ or T2 mapping relaxation time of nucleus pulposus before operation with 1, 3 or 6 months after operation (P > 0.05). The Pfirrmann grade of lumbar intervertebral disc was changed to Pfirrmann grades II-III at 6 months after modeling. (4) These results suggest that MR T1ρ and T2 mapping both are quantitative tools for evaluating the progress of ischemic lumbar intervertebral disc degeneration in New Zealand rabbits, especially the T2 mapping MRI may be more sensitive to early degenerative changes.

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Key words: Magnetic Resonance Imaging, Intervertebral Disk, Intervertebral Disk Degeneration

中图分类号:

R318

蒙仲猛，潘希敏，陈应明，陈立强，吴志强，庄文权. 缺血性腰椎间盘退变模型兔的磁共振T1ρ和T2mapping成像评价[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(31): 5031-5035.

Meng Zhong-meng, Pan Xi-min, Chen Ying-ming, Chen Li-qiang, Wu Zhi-qiang, Zhuang Wen-quan. Magnetic resonance T1ρ versus T2 mapping for evaluating ischemic lumbar intervertebral disc degeneration in a rabbit model [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(31): 5031-5035.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 自身对照设计实验。

1.2 时间及地点 于2015年11月至2016年5月在中山大学附属第一医院东院骨科研究所和放射科完成。

1.3 材料

1.3.1 实验动物实验动物伦理得到中山大学附属第一医院伦理委员会的知情同意，实验动物严格遵照《关于善待实验动物的指导性意见》妥善处理^[9]。术前实验动物行X射线平片及相关磁共振扫描，排除有腰椎侧弯畸形、骨关节炎、腰椎炎症性疾病、腰椎间盘Pfrrimann分级Ⅲ级以上的个体。获得符合条件的新西兰兔15只，购自广州花东信华实验动物养殖场，生产许可证号SCXK(粤)2014-0023，雄雌不限，5月龄，平均体质量(3.00±0.25) kg，单笼饲养。每只兔子按随机数字法随机抽取L₄_-₅、L₅_-₆或L₆_-₇椎间盘中的一个作为缺血性椎间盘退变模型实验组，另外2个椎间盘作为空白对照组。实验动物分成3组，每组5只，分别于造模术后1，3或6个月行相关磁共振成像后麻醉处死，取材，标本置于-80 ℃冰箱保存。

1.3.2 试剂或仪器戊巴比妥钠(25 g/瓶，Sigma公司，美国)；平阳霉素(8 mg/支，哈尔滨莱博通药业有限公司)；碘必乐(30 g(I)/100 mL，上海博莱科信谊药业公司)；16 G穿刺针COOK医疗器械公司(美国)；1.5T MR扫描仪、C臂X射线机(飞利浦医疗器械公司，荷兰)。

1.4 实验方法

1.4.1 兔缺血性腰椎间盘退变模型的构建经兔耳缘静脉注射3%戊巴比妥钠溶液(给药剂量1 mL/kg)麻醉后，术区备皮，俯卧固定四肢，消毒、铺巾。C臂X射线机透视引导下，16 G穿刺针经皮穿刺终板下椎体骨，正、侧位透视下观察并调整针尖至理想位置(图1)。推注1 mL碘必乐，评估对比剂在椎体内分布情况，参照侯昌龙等^[10]报道的方法，经穿刺针缓慢推注2 mL平阳霉素生理盐水液(含平阳霉素2 mg)，拔穿刺针，穿刺点压迫止血。模型组目标椎间盘上、下终板下椎体骨各注射2 mg平阳霉素。对照组椎间盘不做任何处理。

1.4.2 MRI检查及图像处理使用Philips1.5T MR扫描仪，腰椎8通道线圈，采集常规T1WI、T2WI、T2mapping和T1ρ图像数据。将T1ρ原始图像数据输入自编的Siswen软件重建后得到T1ρ-map图像(图2)。T2-map图像由Philips公司提供的Pmsdview软件重建获得。磁共振扫描参数见表1。

1.4.3 数据测量 T1ρ和T2-map弛豫时间测值选取兔腰椎间盘T1ρ-map或T2-map图像正中矢状位，根据腰椎间盘正中矢状位T2WI图像髓核组织与纤维环的形态，手动勾画出T2-map和T1ρ-map图像的髓核组织感兴趣区(ROI)，ROI大小为0.3 cm²，重复测量3次取其平均值。按照Pfirrmann分级标准^[11](表2)，对造模后不同观察时间点椎间盘T2WI图像进行分级。

1.5 主要观察指标 ①造模后不同时间点兔腰椎间盘Pfirrmann分级；②造模后不同时间点兔腰椎间盘髓核组织T2-map值和T1ρ值的差异性分析。

1.6 统计学分析 实验数据采用SPSS软件进行分析(Version20，IBM公司，美国)。对照组与模型组术前及术后各不同时间点T1ρ和T2-map弛豫时间值比较用单因素方差分析，两两比较用LSD检验。检验P < 0.05表示差异有显著性意义。

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讨论

磁共振因多序列、多参数、多方位成像等优点被认为是目前评价腰椎间盘退变最好的影像学检查方法。常规的T1WI、T2WI难以发现早期的退变^[12]。磁共振DWI成像能反映水分子的布朗运动，可通过测量腰椎间盘ADC值变化反映早期退变^[13]，但是，ADC值受b值影响较大，且不同节段椎间盘ADC值差异较大，难以得到稳定的实验结果^[14]。有学者采用延迟增强磁共振扫描(DCE-MR)的方法，通过软骨终板强化程度的变化间接评估椎间盘退变^[15]。然而，这些技术均难以实现量化评价椎间盘退变程度。目前一些前沿的研究认为磁共振波谱(MRS)分析可量化评价腰椎间盘退变程度，并与椎间盘蛋白多糖和胶原蛋白等生化成分变化相对应，但是，磁共振波谱分析由于图像信噪比较低，重复性差，结果难以稳定，限制了其应用前景^[16-18]。

越来越多的研究证实，磁共振T1ρ和T2mapping成像可无创评价人类腰椎间盘早期退行性变^[4^，^19-22]。以往研究对象多为有腰痛症状的患者或者年轻志愿者，这些腰椎间盘或处于腰椎间盘退变的晚期，或处于退变早期，缺乏自然状态下缓慢发生退变的动态评估。有研究已证实，缺血性兔腰椎间盘模型通过破坏终板下椎骨微循环，模拟终板和髓核组织的营养供应障碍，继而髓核组织发生缓慢退变^[5^，^10]。这种人为构造的退行性变动物模型，发生发展进程较为缓慢，与人类自然状态下发生的退变方式可能更为接近，因此是目前较为理想的实验动物模型。而对于新西兰兔缺血性腰椎间盘模型的评估，尚无磁共振分子成像技术的研究报道。本研究利用该模型进行磁共振T1ρ和T2mapping成像技术动态评估椎间盘髓核组织的退变过程，研究结果发现：T1ρ和T2mapping成像技术可用于量化评估髓核组织的早期退变，在T2WI图像未发生信号强度改变之前，T1ρ和T2-map弛豫时间值已发生了变化。说明磁共振T1ρ和T2mapping成像较常规T2WI成像更能反应新西兰兔腰椎间盘早期退行性变的发生。结合既往其他研究结果，足以说明磁共振T1ρ和T2mapping成像技术可以用于评价新西兰兔腰椎间盘退行性变，且评价稳定性良好，易于重复。

但是，T1ρ和T2-map弛豫时间值在新西兰兔椎间盘早期退变的检测上，其敏感性是有差别的，模型组T2-map弛豫时间值在造模后3和6个月与术前相差分别为25 ms和38 ms，有统计学差异性(P < 0.05)；而T1ρ弛豫时间值术后6个月与术前相差23 ms，才表现出统计学差异性(P < 0.05)，结果提示T2mapping成像技术可能比T1ρ成像更容易发现新西兰兔腰椎间盘的早期退变。造成这些差别的原因可能是腰椎间盘退变不同时期生化成分变化有所不同所致。在腰椎间盘退行性变早期，主要以水分子丢失为主，有研究认为T2mapping成像技术能够较为客观反映水分子含量变化。而在腰椎间盘退变中晚期，主要以蛋白多糖和胶原蛋白等分子降解丢失为主，T1ρ成像对这些成分变化可能更为敏感，因而出现上述实验现象。

然而，研究仍然存在不足之处。由于纳入的研究样本量偏少，使得研究结果可能会产生偏倚，后续的研究需纳入较多的样本量。实验结果认为磁共振T1ρ和T2mapping成像对于兔缺血性腰椎间盘退变模型的评价具有敏感性差异，尚缺乏病理学和生化检测结果的支持，需要后续的研究给予补充。

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