磁共振擴(kuò)散峰度成像和T2*-mapping技術(shù)定量檢測腰椎間盤退變的對比研究

曾菲菲， 査云飛， 邢棟， 王嬌， 陸雪松

椎間盤是由髓核、纖維環(huán)以及軟骨終板構(gòu)成的一種纖維軟骨組織。細(xì)胞老化、營養(yǎng)障礙、生物力學(xué)改變等諸多因素的共同作用下會引起椎間盤蛋白多糖降解、膠原蛋白及水含量減少，從而形成椎間盤退變[1-3]。腰椎間盤水分子擴(kuò)散能力的變化被認(rèn)為是椎間盤早期退變的標(biāo)志[4]。

常規(guī)MR圖像可顯示椎間盤的信號強(qiáng)度和形態(tài)學(xué)改變，但不能客觀量化椎間盤退變程度。T2*-mapping作為定量評價軟骨生物化學(xué)成分改變的新興技術(shù)，可在形態(tài)學(xué)改變之前早期檢測軟骨內(nèi)基質(zhì)大分子的變化，目前應(yīng)用于各項關(guān)節(jié)軟骨病變及椎間盤退變的定量研究[5-7]。擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)和擴(kuò)散張量成像(Diffusion tensor imaging，DTI)已廣泛地用于腰椎間盤退變研究[8-10]，但對椎間盤超微結(jié)構(gòu)的反映則有限。而且，作為高斯分布模型的DWI和DTI成像反映椎間盤退變時水分子真實擴(kuò)散情況有一定局限性[11]。非高斯分布擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)可敏感的反映組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散能力和組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[12]，但對于人腰椎間盤退變的DKI研究報道較少。本研究采用DKI和T2*-mapping技術(shù)評價腰椎間盤退變程度，探討DKI定量評價人腰椎間盤退變的可行性，并比較這兩種技術(shù)對早期椎間盤退變的診斷價值。

材料與方法

1.臨床資料

臨床因腰腿痛擬診腰椎間盤病變的受檢者80例，男30例，女50例，年齡22～66歲，平均(36.5±14.5)歲，男性平均年齡(37.7±14.4)歲，女性平均年齡(35.7±14.5)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：受檢者對本研究知情同意；能夠配合完成MRI檢查；無幽閉恐懼癥、心臟起搏器等。剔除標(biāo)準(zhǔn)：長期體力勞動史、急慢性外傷史、截癱、肥胖、脊柱手術(shù)或放療史、嚴(yán)重的脊柱側(cè)彎和脊柱后凸畸形、腫瘤、結(jié)核。本研究由武漢大學(xué)人民醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

2.檢查設(shè)備及方法

采用3.0T超導(dǎo)MR(Discovery 750 Plus,GE Healthcare)全脊柱相控陣線圈進(jìn)行檢查。對所有受檢者均于晚18:00～22:00行仰臥位檢查，采集腰椎矢狀面T2WI、DKI及T2*-mapping圖像。①矢狀面T2WI 采用FRFSE序列，掃描參數(shù)：TR 2500 ms，TE 120 ms，層厚4.0 mm，層間距0.5 mm，視野300 mm×300 mm，掃描矩陣352×320。②DKI采用單次激發(fā)自旋回波平面成像(SE-EPI)序列，掃描參數(shù):TR 2000 ms，TE 71.7 ms，層厚4.0 mm，層間距0.5 mm，視野300 mm×150 mm，掃描矩陣128×128，b值(0、1000、2000) s/mm2，30個擴(kuò)散磁敏感方向。③T2*-mapping序列掃描參數(shù)：TR 73.3 ms，TE(1.6、3.9、6.2、8.5、10.8、13.1、15.4、17.7) ms，層厚4.0 mm，層間距0.5 mm，視野300 mm×300 mm，掃描矩陣256×256。

3.圖像處理

腰椎間盤矢狀面T2WI參照Pfirrmann分級系統(tǒng)進(jìn)行退變程度分級[13]，以上圖像分析由兩位具有10年以上臨床MRI診斷經(jīng)驗豐富的副主任醫(yī)師完成。

腰椎間盤DKI及T2*-mapping原始圖像，分別采用AW4.6后處理工作站(GE Healthcare) Function tool軟件包中的DKI、R2 star軟件進(jìn)行分析處理。在腰椎DKI和T2*-mapping正中矢狀面圖像上，將每個腰椎間盤均分為5等份測量(ROI范圍約30～60 mm2)，依次為前纖維環(huán)(anterior annulus fibrosus，AAF)-ROI 1、髓核(nucleus pulposus，NP)-ROI 2-4、后纖維環(huán)(posterior annulus fibrosus，PAF)-ROI 5，避開上下椎體的軟骨終板及腦脊液，每個感興趣區(qū)測量3次，然后計算取平均值。在相應(yīng)的偽彩圖上，記錄椎間盤髓核、前纖維環(huán)、后纖維環(huán)的平均擴(kuò)散峰度(mean kurtosis，MK)、平均擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusivity，MD)、T2*值(圖1)。

圖1 男，40歲。a) 常規(guī)T2WI圖像，L1/L2椎間盤為Pfirrmann Ⅱ級，L2/L3、L3/L4、L4/L5、L5/S1椎間盤為Pfirrmann Ⅲ級； b) T2*偽彩圖，隨著髓核T2WI信號降低，髓核顏色由高值橘黃色逐漸向低值藍(lán)色變化，纖維環(huán)顏色變化顯示不明顯； c) DKI圖(b=0s/mm2)； d) MK偽彩圖，隨著髓核T2WI信號降低，髓核顏色逐漸向高值橘黃色變化，纖維環(huán)隨著退變程度加重，顏色逐漸由淡黃色向高值橘紅色變化； e) MD偽彩圖，隨著髓核T2WI信號降低，髓核顏色逐漸向低值淡藍(lán)色變化，纖維環(huán)變化顯示不明顯。MK及MD偽彩圖不僅可直觀顯示髓核范圍，而且可清晰顯示纖維環(huán)張入髓核狀態(tài)。

Pfirrmann分級nMKNPAAFPAFMD(μm2/ms)NPAAFPAFT2*(ms)NPAAFPAFⅠ1260.68±0.041.34±0.171.20±0.202.21±0.101.15±0.161.42±0.2574.23±17.1823.43±6.1321.66±3.59Ⅱ1650.78±0.041.47±0.181.36±0.201.94±0.101.08±0.151.23±0.2060.42±18.5923.01±6.9121.47±4.30Ⅲ761.00±0.141.64±0.201.61±0.211.56±0.180.97±0.131.02±0.1945.03±10.5924.25±6.0219.75±3.61Ⅳ291.45±0.181.79±0.251.97±0.351.08±0.130.86±0.150.73±0.1533.20±7.6125.48±6.1117.13±1.80Ⅴ41.98±0.142.21±0.272.35±0.210.79±0.080.68±0.130.56±0.1627.73±14.1323.58±3.3418.06±3.87

4.統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，椎間盤退變Pfirrmann分級組間NP、AAF、PAF定量參數(shù)(MK、MD、T2*值)均行單因素方差分析，然后采用Dunnett's T3檢驗進(jìn)行多重比較；NP、AAF、PAF定量參數(shù)(MK、MD、T2*值)與Pfirrmann 分級行Spearman等級相關(guān)性檢驗；分別構(gòu)建NP、AAF、PAF的MK、MD、T2*值在Pfirrmann 分級Ⅰ～Ⅱ級、Ⅱ～Ⅲ級的受試者工作特征曲線(receiver operation characteristic curves，ROC)，計算曲線下面積(area under curve，AUC)、敏感度、特異度，比較不同部位不同技術(shù)的診斷效能(AUC值)、敏感度、特異度大小；所有統(tǒng)計結(jié)果以P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

共納入400個腰椎間盤進(jìn)行研究，分布于L1-S1椎間盤層面，其中Ⅱ級(41.25%)椎間盤數(shù)量最多，Ⅴ級(1.00%)椎間盤數(shù)量最少。不同椎間盤Pfirrmann分級， NP、AAF、PAF的平均MK、MD、T2*值如表1。兩兩比較結(jié)果顯示NP的T2*值在Ⅴ級與Ⅱ級、Ⅴ級與Ⅲ、Ⅴ級與Ⅳ級比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。AAF的MK值在Ⅱ級與Ⅴ級及Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級間兩兩比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；AAF的MD值在Ⅴ級與Ⅲ級、Ⅴ級與Ⅳ級比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；AAF的T2*值在Ⅰ～Ⅴ級間比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。PAF的MK值、MD值在Ⅳ級與Ⅴ級比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；PAF的T2*值在Ⅰ級與Ⅱ級比較、Ⅴ級與Ⅰ～Ⅳ級間比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，余分級間兩兩比較結(jié)果均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

圖2 a～c) 定量參數(shù)(MK、MD、T2*值)鑒別椎間盤Pfirrmann Ⅰ級與Ⅱ級NP、AAF、PAF的ROC曲線； d～f) 定量參數(shù)(MK、MD、T2*值)鑒別椎間盤Pfirrmann Ⅱ級與Ⅲ級NP、AAF、PAF的ROC曲線。

Spearman相關(guān)系數(shù)NPMKMDT2*AAFMKMDT2*PAFMKMDT2*r值0.921-0.917-0.6470.604-0.5090.0880.678-0.654-0.305P值<0.001<0.001<0.001<0.001<0.0010.079<0.001<0.001<0.001

表3 NP、AAF、PAF的MK、MD、T2*值診斷Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ級、Ⅱ～Ⅲ級的AUC值、敏感度、特異度

注：#T2*值診斷Pfirrmann Ⅰ級與Ⅱ級椎間盤AAF的AUC值P>0.05，余AUC值均P<0.05。

NP、AAF、PAF的MK值與Pfirrmann 分級呈明顯正相關(guān)(P<0.001)；NP、AAF、PAF的MD值及NP和PAF的T2*值與Pfirrmann分級呈明顯負(fù)相關(guān)(P<0.001)，而AAF的T2*值與Pfirrmann 分級無明顯相關(guān)性(P>0.05,表2)。

ROC結(jié)果(表3、圖2)顯示NP、PAF、AAF的MK、MD、T2*值診斷Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ級、Ⅱ～Ⅲ級的的AUC值均依次減低，表明NP、PAF、AAF的MK、MD、T2*值對早期椎間盤退變診斷效能MK>MD>T2*值。AAF的T2*值診斷Pfirrmann Ⅱ～Ⅲ級的AUC值<0.5，表明T2*值對AAF早期退變診斷價值極低。NP、PAF、AAF的MK、MD值鑒別Ⅰ～Ⅱ級、Ⅱ～Ⅲ級椎間盤的靈敏度和特異度均>T2*值，表明MK、MD值對診斷早期椎間盤退變的敏感性和特異性均優(yōu)于T2*值。對于不同部位，MK、MD、T2*值對早期退變診斷效能NP>PAF>AAF。

討 論

本研究結(jié)果顯示NP、AAF、PAF的MK、MD值可以定量評價人腰椎間盤退變；MK值與Pfirrmann分級呈顯著正相關(guān)；MD值與Pfirrmann分級呈顯著負(fù)相關(guān)，NP、PAF、AAF的MK、MD、T2*值對早期椎間盤退變(Ⅰ～Ⅱ級、Ⅱ～Ⅲ級)診斷效能依次降低。

DKI作為非高斯分布模型的技術(shù)，不僅可以真實地反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動的能力，并且可敏感的反映組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。由于DKI運(yùn)用比DTI更高階的四階三維模式描述水分子的擴(kuò)散，因此能夠比DTI更加敏感的反映組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[14]。MK是組織沿空間各方向擴(kuò)散峰度的平均值，MK值越大表明擴(kuò)散受限越嚴(yán)重，成分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；MD反映水分子在組織空間內(nèi)的平均擴(kuò)散系數(shù)，與組織內(nèi)自由水含量有關(guān)[12]。本研究NP的MK值與Pfirrmann分級呈顯著正相關(guān)，MD值與Pfirrmann分級呈顯著負(fù)相關(guān)，說明隨著椎間盤退變程度的加劇，椎間盤蛋白多糖合成數(shù)量和質(zhì)量下降，椎間盤內(nèi)膠原纖維的排列方式由有序向無序的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而造成MK值增加；髓核儲水能力受限，含水量逐漸減少，膠原纖維成分逐漸增加，椎間盤內(nèi)水分子擴(kuò)散受限加重，從而導(dǎo)致髓核MD值降低。因此，MK及MD值可通過對椎間盤水分子擴(kuò)散功能的改變提示早期椎間盤退變。Li等[15]通過對SD大鼠尾椎間盤退變模型進(jìn)行T2WI、DWI、DKI掃描，發(fā)現(xiàn)隨著椎間盤退變程度增加(Ⅰ級至Ⅱ級)，表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)減低，MK值增加，MK值評價椎間盤退變具有較高的敏感度，與本實驗結(jié)果一致；但其MD值改變無統(tǒng)計學(xué)意義與本實驗結(jié)果不相符，可能實驗對象不同，結(jié)果存在差異，尚需進(jìn)一步研究。Katsura等[16]利用與DKI成像類似的非高斯分布模型Q-space imaging技術(shù)，發(fā)現(xiàn)晚上髓核中部的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)明顯低于早上，而晚上的表觀峰度系數(shù)(apparent kurtosis coefficient,AKC)明顯高于早上，提示椎間盤機(jī)械壓力使得髓核水分子擴(kuò)散能力下降且結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，因此本研究志愿者均在晚上進(jìn)行掃描。

DKI技術(shù)對Pfirrmann Ⅰ～Ⅲ級診斷效能優(yōu)于Ⅳ級、Ⅴ級，一方面可能與椎間盤退變程度較深時椎間盤細(xì)胞增殖、群集和死亡有關(guān)，隨著纖維環(huán)裂隙和撕裂的數(shù)量和程度增加，肉芽組織和神經(jīng)血管從纖維環(huán)外層向內(nèi)張入，使得髓核和纖維環(huán)分界逐漸模糊[17]；另一方面，Ⅳ級以上的椎間盤含水量較正常椎間盤明顯減少，擴(kuò)散受限水分子數(shù)目也隨之明顯減少，因此，DKI成像的檢測能力略下降。另外，可能是Pfirrmann分級對Ⅳ級與Ⅴ級椎間盤分級標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)椎間盤信號，區(qū)別僅在椎間盤高度的改變。

最新的研究已經(jīng)確立了T2*值和腰椎間盤退變程度的關(guān)系[5,18,19]，隨著椎間盤退變等級增加，T2*弛豫時間隨之降低。本研究NP的T2*值明顯高于AAF和PAF的T2*值，且NP和PAF的T2*值與Pfirrmann分級呈負(fù)相關(guān)，這與Zhang等[20]研究結(jié)果一致。在椎間盤早期退變中，T2*值對NP的敏感性高于PAF，但Welsch等[5]研究認(rèn)為T2*-mapping對PAF的變化更敏感，這與本研究的結(jié)果相矛盾，原因可能與分析對象有關(guān)，本實驗僅比較了Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ級、Ⅱ～Ⅲ級椎間盤，Welsch等的研究對象為Ⅰ～Ⅴ級椎間盤。

本研究ROC結(jié)果顯示對NP和AAF早期退變的評價效果，MK值大于MD值，而對PAF的評價效果，MK值小于MD值，原因可能是MK、MD、T2*值不僅對髓核水分變化敏感，對膠原纖維完整性也較敏感，而且對水分的變化的敏感性大于膠原纖維的完整性。另外，通過對不同方法不同部位的AUC值、敏感度比較，提示DKI成像較T2*-mapping技術(shù)對早期椎間盤退變的敏感性更高，特別是NP和PAF區(qū)域。

本研究的局限性：①AAF在解剖上鄰近腹主動脈，腹主動脈的搏動偽影對AAF的定量評價的準(zhǔn)確性有一定影響；②DKI 所需要的 b 值較大，造成信噪比下降；高階的峰度成像較擴(kuò)散更容易出現(xiàn)點(diǎn)狀偽影；③本研究結(jié)果缺乏相應(yīng)的椎間盤超微病理組織對照研究，開展椎間盤退變動物模型DKI基礎(chǔ)研究十分必要。

總之，DKI技術(shù)可以用于定量評價人腰椎間盤退變，對于早期椎間盤退變，DKI的敏感性明顯高于T2*-mapping技術(shù)。