磁共振T2WI直方圖在腰椎間盤退變中的應用價值研究*

王成均，侯 洪，曾幸萍，陳 京，游述琴，歐陽祖彬

1.重慶市東南醫院放射科(重慶401336)；2.重慶市東南醫院急救部(重慶401336)；3.重慶醫科大學附屬第一醫院放射科(重慶400016)

腰椎間盤退變(Intervertebral disc degeneration, IDD)是引起腰痛最常見的原因，目前MRI是評價腰椎IDD退變及其治療效果最常用的影像檢查方法之一[1]，主要是基于T2加權像(T2-Weighted images,T2WI)椎間盤的形態學及信號變化的非定量評估，但觀察者的主觀因素干擾較強，并且有研究顯示椎間盤在T2WI相出現信號減低之前，就可能已經存在早期退行性改變[2]。因此定量診斷椎間盤退變對于臨床動態監測、評估治療效果具有重要意義。近年來基于T2WI一階紋理分析直方圖逐漸成為評價整個組織信號值、像素數-信號變化的重要方法之一，可更好提取病變組織內部紋理特征，提供肉眼無法觀察到的信息，已為腫瘤的診斷、預后評估提供重要的參考信息[3-5]。本研究旨在探T2WI直方圖量化參數值在評價腰椎間盤退變可行性的價值。

資料和方法

1 一般資料 收集我科2017年5月以來接受椎間盤MRI檢查的患者43例，其中男25例,女18例；平均25～74歲，平均(46.3±11.1)歲。有腰腿疼痛癥狀26例，無癥狀17例。所有患者均無壓縮骨折、金屬植入物、脊柱畸形、脊柱腫瘤等影響椎間盤觀察的疾病，所有患者均簽署知情同意書。

2 檢查方法 所有患者采用Siemens Avanto 1.5T超導型磁共振儀和脊柱相控陣線圈，掃描范圍包括L1-S1椎體。為避免晝夜、負荷等因素對椎間盤測量值的影響，檢查均在21:00～22:00時間段進行，掃描前避免劇烈運動并平躺30 min。基本掃描參數：①矢狀面FSE T2WI:TR 4500ms,TE 100ms,FOV 280 mm×280 mm,層厚3 mm;②矢狀面FSE T1 WI:TR 500 ms, TE 9 ms, FOV 330 mm×330 mm,層厚4 mm; ③橫斷面FSE T2WI:TR 2500 ms, TE 120 ms, FOV 210 mm×210 mm,層厚4 mm。

3 椎間盤Pfirrmann分級評價 以矢狀面T2WI 圖像為基礎參照Pfirrmann分級系統對椎間盤進行分級[6]。Ⅰ級：髓核呈均勻的高信號，髓核與纖維環界限清晰，椎間隙正常：Ⅱ級：髓核呈不均勻的高信號(伴有或不伴有水平低信號帶)，髓核與纖維環界限清晰失，椎間隙正常；Ⅲ級：髓核呈灰色，信號不均勻，髓核及纖維環界限不清晰，椎間隙正常或輕度狹窄；Ⅳ級：髓核呈不均勻的灰色或黑色，髓核與纖維環界限消失，椎間隙輕度或中度狹窄；Ⅴ級：髓核呈黑色，髓核與纖維環界限消失，椎間隙重度狹窄。由2位10年以上診斷經驗的MRI 醫師完成，對分級不一致者通過商議后確定。

4 圖像分析 所有圖像從PACS系統導出并儲存，使用Image J(National Institutes of Health, Bethesda, Md)軟件進行分析。利用Image J 軟件，在正中矢狀位T2WI序列連續3層上勾畫椎間盤髓核最大邊界。由1位經過培訓的高年資MRI醫師完成測量腫瘤T2WI信號直方圖參數值，包括平均值、標準差、峰度值、偏度值。

5 統計學方法 采用SPSS 19.0軟件進行統計學分析，P<0.05為差異有統計學意義。①采用單因素方差分析比較不同Pfirrmann分級之間椎間盤髓核的T2信號直方圖參數(平均值、標準差、偏度、峰度)差異，對方差分析有統計學意義者進一步利用LSD法進行組間兩兩比較。②采用Spearman相關分析評價椎間盤T2信號直方圖參數與Pfirrmann分級的相關性，計算相關系數r值，其中r≥0.7為高度相關，0.5≤r<0.7為中度相關，r<0.5為弱相關。③對于有統計學意義的直方圖參數，通過繪制直方圖參數受試者工作特征(Receiver operator characteristic，ROC)分析各參數在鑒別相鄰兩個Pfirrmann分級椎間盤的價值，并計算其曲線下面積(Area under curve, AUC)，AUC<0.7為診斷準確性低，0.7≤AUC<0.9為診斷準確性中度，AUC≥0.9為診斷準確性高。

結果

1 T2WI SI直方圖各參數值比較及與Pfirrmann分級的相關性 43例患者的215個腰椎間盤中，包括PfirrmannⅠ級椎間盤39個，Ⅱ級椎間盤59個，Ⅲ級椎間盤54個，Ⅳ級椎間盤47個，Ⅴ級椎間盤16個。不同Pfirrmann分級椎間盤髓核T2WI SI直方圖各參數值，見表1。隨著Pfirrmann分級的增高，T2WI SI平均值、標準差逐漸降低，Spearman相關分析顯示T2WI SI平均值、標準差與Pfirrmann分級分別呈高度負相關(r=-0.83,P<0.01)、中度負相關(r=-0.66,P<0.01)。LSD法兩兩比較，平均值、標準差在Ⅳ級與Ⅴ級間無統計學差異(P>0.5)，在其余各級間均有統計學差異(P<0.01)。偏度與Pfirrmann分級呈中度正相關(r=0.69,P<0.01)，LSD法兩兩比較，偏度在所有各級間均存在統計學差異(P<0.01)；峰度與Pfirrmann分級呈弱正相關(r=0.28,P<0.01)，LSD法兩兩比較，峰度在Ⅰ～Ⅲ級間均無統計學差異(P >0.5)，在其余各級間比較均存在統計學差異(P<0.01)。

表1 不同Pfirrman分級腰椎間盤髓核T2WI直方圖參數值測量結果

2 T2WI SI直方圖形態分布及在不同Pfirrmann分級椎間盤的鑒別效能 PfirrmannⅠ～Ⅲ級椎間盤T2WI SI直方圖為負偏態分布，呈雙峰改變，高峰較為平緩，且信號值跨度較大(圖1A，圖1B)。Ⅳ～Ⅴ級椎間盤T2WI SI直方圖為正偏態分布，呈單峰改變，高峰值較為陡峭，信號值跨度較小(圖2A，圖2B)。ROC曲線分析顯示T2WI SI平均值曲線對于鑒別Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級具有中等效能(圖3A，圖3B)，AUC分別為0.76、0.86 (P均<0.01)，而對于Ⅲ級與Ⅳ級椎間盤鑒別效能最佳(圖3C)，其AUC為0.90(P<0.01)。標準差對于鑒別Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ及Ⅲ級與Ⅳ級均具有中等效能(圖3A-C)，AUC分別為0.74、0.74、0.84(P均<0.01)。偏度對于鑒別Ⅰ～Ⅴ級依次兩兩比較均具有中等效能，AUC分別為0.73(P<0.01)、0.73(P<0.01)、0.72(P<0.01)、0.73(P<0.05)。峰度能鑒別Ⅲ與Ⅳ級、Ⅳ級與Ⅴ級，均具有中等效能，AUC分別為0.71、0.75(均P<0.01)。

圖1、2 患者MR T2WI圖和直方圖[男，56歲，體力勞動者，間斷性腰痛半年。1A、1B：L2/L3椎間盤為PfirrmannⅡ級，直方圖示椎間盤T2WI信號值較高，呈雙峰(箭頭)，高峰較為平緩，且信號值跨度較大，呈負偏態分布。2A、2B：L5/S1椎間盤為Pfirrmann Ⅴ級，直方圖示椎間盤T2WI信號值較低且集中，呈單峰(箭頭)，高峰值較為陡峭，呈正偏態分布]

圖3 T2平均值及標準差鑒別相鄰Pfirrmann分級椎間盤ROC曲線(A:Ⅰ級和Ⅱ級,ROC曲線下面積分別為0.76和0.74;B:Ⅱ級和Ⅲ級,ROC曲線下面積分別為0.86和0.74;C:Ⅲ級和Ⅳ級,ROC曲線下面積分別為0.90和0.84)

討論

腰椎間盤退變病理改變主要為髓核內水分丟失并逐漸膠原纖維化，目前評價腰椎間盤退變的Pfirrmann分級，是基于T2WI相椎間盤的信號及形態的變化，但當椎間盤退變處于早期，或T2WI信號改變不明顯時，放射醫師則難以通過MRI圖像對椎間盤進行準確的評價。與傳統的經驗性影像分析相比，紋理分析優勢在于不依賴放射醫師的主觀信息及臨床經驗，只對圖像本身的灰度水平等客觀信息進行評價[7]。本研究為國內較早有關T2WI直方圖在評價腰椎間盤退變中的研究報道。

本研究結果發現隨著椎間盤Pfirrmann分級的增加，相應椎間盤髓核T2WI SI平均值逐漸降低，Spearman相關性分析顯示平均值與Pfirrmann分級呈顯著負相關(r=-0.829，P<0.01)，這表明T2WI SI平均值可以對腰椎間盤退變進行定量評價，這主要是由于T2WI SI平均值反映的是髓核內水含量及膠原纖維含量的差異[8]，是T2WI信號的量化表現，但最主要因素是髓核內自由水含量的丟失[9]。郝定均等[10]研究認為椎間盤髓核MRI高信號(Ⅰ級)膠原纖維退變程度較輕，其內部超微結構明顯好于MRI低信號(Ⅲ級)的膠原纖維結構，而椎間盤MRI中低信號(Ⅱ級)的髓核超微結構病理改變介于Ⅰ級和Ⅲ級二者之間。而Zhou等[11]組織學研究表明PfirrmannⅡ級椎間盤內水含量及膠原纖維變化較為輕微，當椎間盤退變至Ⅲ級時營養物質供應減少，導致化學成分較Ⅱ級出現明顯的變化。本研究顯示Ⅰ～Ⅲ級T2WI SI平均值兩兩比較均存在統計學差異, ROC曲線對于鑒別Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級椎間盤均具有中度效能(AUC分別為0.76、0.86)，這說明T2WI SI平均值在一定程度上能監測腰椎間盤早期退變，這對于提示臨床早期治療，達到延緩甚至逆轉椎間盤具有重要的價值[12]。本研究發現PfirrmannⅣ級與Ⅴ級間椎間盤髓核T2WI SI平均值無統計學差異，這可能與Ⅳ級與Ⅴ級椎間盤屬于退變晚期，髓核內水分子丟失及膠原纖維化程度相似有關，與以往T2 mapping定量評估腰椎間盤退變結論相同[13-14]。

標準差主要用于表示數值的離散程度，標準差增大代表大部分數值偏離其平均值。本研究顯示隨著椎間盤Pfirrmann分級的增加，椎間盤髓核T2WI SI標準差逐漸減小，與Pfirrmann分級存在中度負相關(r=-0.66,P<0.01)。腰椎間盤在退變早期或過度期時，主要為髓核內部水含量減少及膠原纖維含量增多的改變，因此可能會使得T2WI SI標準差增大，當椎間盤退變到晚期時，椎間盤髓核完全被膠原纖維成分所取代，T2WI圖像呈顯著低信號，因此使得T2WI SI標準差減小。ROC曲線顯示鑒別Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ及Ⅲ級與Ⅳ級均具有中等效能，因此標準差能間接反映椎間盤髓核T2WI信號不均勻情況，對于評價腰椎間盤退變具有一定的可行性。

偏度和峰度是用于描述直方圖曲線形態分布的參數，目前多用于反映腫瘤內異質性的較好指標[15-16]。偏度代表著變量值分布的對稱性情況，表明相對于平均值的非對稱性程度，當偏度系數大于0時，該分布為右偏，即正偏度，反之亦然。偏度的絕對值越大，表示曲線分布偏移程度越大。而峰度是代表變量值分布曲線形態陡緩程度的統計值，反映與正態分布相比某一曲線分布的相對尖峭或平坦程度。正峰度表示比正態分布陡峭的分布，而負峰度表示比正態分布平坦的分布。本研究顯示隨著Pfirrmann分級的增加，椎間盤T2WI SI偏度及峰度值逐漸由負值向正值轉變，偏度在所有各級間均存在統計學差異(P<0.01)，而峰度除在Ⅰ～Ⅲ級間，在其余各級間均存在統計學差異(P<0.01)。筆者認為偏度與峰度的變化可能與不同分級腰椎間盤內結構有關：分級較低的椎間盤髓核，內部水含量豐富，結構相對較疏松、細胞周圍膠原纖維排列規則[10]，異質性較低，髓核T2WI相主要由較大的T2值占據大多數，因此直方圖曲線中心向右偏移，曲線形態相對平緩(峰度較小，如圖1)。而分級較高的椎間盤髓核內纖維化程度較重，內部結構較致密、細胞周圍膠原纖維變性、排列紊亂、出現融合、鈣化[10]，異質性較高，髓核T2WI相主要由較小的T2值占據大多數，直方圖曲線中心向左偏移，形成負偏態分布且曲線形態相對陡峭(峰度較大，如圖2)。值得一提的是，本研究結果提示偏度及峰度在鑒別Ⅳ與Ⅴ椎間盤均具有中等效能，這相對于以往單純通過定量T2值而不能很好鑒別Ⅳ與Ⅴ椎間盤[13-14]，具有一定的價值。

本研究的局限性在于：①本研究中的各定量參數值的比較均以Pfirrmann分級為參照標準，而Pfirrmann分級為非定量標準[6]，是一種人為非客觀性評價，其精準度有所欠缺，因此要獲得各參數值與腰椎間盤退變的更精確關系，還有待于與組織學“金標準”進行對照研究。②本研究僅分析椎間盤正中矢狀面連續三層最大層面椎間盤特征，未能分析整體椎間盤三維特征的鑒別診斷價值，今后的研究需要借助軟件進一步完善。

綜上所述，本研究結果初步提示基于一階T2WI直方圖的紋理分析為量化評估腰椎間盤退變提供較為可靠的客觀依據，在一定程度上反映腰椎間盤內部生物學信息變化，具有重要的臨床參考價值。