定量磁共振T2映射成像在椎間盤退變中的研究進展

薛叢洋，王 楠，徐文強，席志鵬，謝 林

南京中醫藥大學附屬中西醫結合醫院骨傷科，江蘇 南京210023

下腰背痛已經成為影響人們生活質量的重要原因之一［1］。據不完全統計，臨床上約15%的人因下腰背痛而喪失勞動能力，且有越來越年輕的趨勢。引起腰背痛的原因較多，但椎間盤退變被認為是引起下腰背痛的一個主要因素［2］。椎間盤由髓核、纖維環及上下終板組成。椎間盤的生化組成主要包括：水分子、蛋白聚糖、糖胺聚糖和膠原纖維四種成分［3-4］。椎間盤的退變常是從生化改變開始，主要表現為髓核中蛋白多糖和水分的丟失；最后發展成形態學的變化，可見椎間隙高度丟失、纖維環破裂及髓核突出等［1,5-6］。

影像學檢查往往被用來作為椎間盤退變的重要診斷方式。椎間盤造影技術被認為是診斷椎間盤退變的金標準，但其有創性限制其在臨床的廣泛運用。MRI因其無創、無輻射且準確性高受到青睞，而傳統的MRI成像雖可顯示椎間盤的信號強度和形態學改變，卻很難客觀量化椎間盤退變的程度［7-8］，無法評估椎間盤的生化改變［9］。故探尋一種無創、可定量描述椎間盤退變的診斷方式現顯得十分重要。T2 mapping技術為定量磁共振技術之一，最早用于定量評估軟骨內生物化學成分的變化［10］。目前，國內外有部分學者認為T2 mapping可以預測和診斷椎間盤退變［1,11-14］。本文就椎間盤退變的T2 mapping成像研究進展進行綜述。

1 椎間盤與椎間盤退變

1.1 椎間盤的結構

椎間盤是構成人體脊柱的重要解剖單元，其連接上下椎體，是全身最大的無血管組織。椎間盤由上下終板、纖維環及髓核構成。髓核位于椎間盤的中央，約占椎間盤橫斷面積的1/2［15］，是一種柔軟且富有彈性的水合多糖凝膠。髓核主要由交錯排列的Ⅱ型膠原纖維、蛋白多糖及大量水分組成。髓核細胞主要有脊索細胞和成熟髓核細胞兩種類型。纖維環位于髓核的四周，并將其包裹。纖維環由呈同心圓分布的Ⅰ型和Ⅱ型膠原纖維及少量的蛋白多糖和水分構成。膠原纖維構成了纖維環的纖維板層，纖維板層共有3層，由內向外，Ⅰ型膠原纖維不斷增加，相反地，Ⅱ型膠原纖維不斷減少。纖維環內主要有軟骨細胞和纖維樣細胞。后側纖維環最薄，其最里面纖維環與髓核直接相連，邊界不清，外側與后縱韌帶分界也不清［15］。終板由骨性和軟骨終板組成。軟骨終板位于椎間盤與骨性終板間厚約1 mm的透明軟骨，其覆蓋在椎間盤的上下部分。

1.2 椎間盤的生物力學與功能

髓核能保水及儲水，同時富有彈性和親水性，使其可形成高的內流體靜壓力，將脊椎承受的壓力均勻的向四周傳遞，使得椎間盤能夠支持脊柱的壓力負荷［16-17］。纖維環包裹著髓核，保存髓核的液體成分，維持髓核的形狀與位置。軟骨終板將椎間盤固定在上下骨性終板之間，防止髓核突入椎體。同時其上富有微孔，是髓核水分和代謝產物的通路，并通過滲透作用為髓核提供營養［3］。此外，軟骨終板能夠吸收脊柱產生的靜水壓力，緩沖壓力負荷，減輕對椎體的損傷，起到保護椎體的作用［18］。軟骨終板將椎間盤與相鄰的椎體相連，構成具有功能連續性的椎間關節［19］。椎間盤內富有帶有負電荷的蛋白多糖，使其具有高滲透壓，能夠吸附大量的水分，具有保持彈性、吸收震蕩及抵抗壓力的生物學特性。椎間盤生物力學的維持，主要依靠椎間盤內的膠原纖維，其是椎間盤細胞間的骨架，使椎間盤具有高度的抗張和抗剛強度。

1.3 椎間盤退變

椎間盤的退變過程常是從復雜的生化及分子水平開始，主要表現為髓核水分的減少、蛋白多糖的丟失及膠原纖維的轉化，隨后出現形態學的變化，表現為髓核的膨出、突出，纖維環的撕裂、斷裂，椎間隙高度的丟失等。退變過程中髓核逐漸由凝膠狀態向膠原化轉變，同時伴隨著水分的丟失及蛋白多糖的減少，髓核傳導壓力的能力開始下降，影響椎間盤內代謝產物的排泄。纖維環的水分也開始丟失，導致纖維環向周圍膨出，其彈性降低，導致承受壓力負荷減少，而形成薄弱區。退變的髓核在將壓力向四周分散時，易突破纖維環薄弱區，造成纖維環的破裂，突出的髓核壓迫周圍的組織；微小血管網長入椎間盤，釋放大量的炎性因子，引起腰腿痛［20-21］。軟骨終板的損傷、鈣化，導致椎間盤營養途徑的丟失，加重椎間的退變。而影響椎間盤退變的因素有很多，如年齡、吸煙、創傷、病毒感染、遺傳及營養等。

2 椎間盤退變的分級

2.1 椎間盤退變的Pfirrmann分級及改良Pfirrmann分級

Pfirrmann分級是目前公認一種診斷椎間盤退變的分級方式，是一種半定量視覺分級系統［22］。其借助T2WI影像技術，選取正中矢狀位圖像，通過對比髓核的信號、結構以及與纖維環的分界線、椎間盤的高度4個方面來區分椎間盤的退變等級。各級椎間盤退變的特征（表1）。椎間盤退變Ⅰ～Ⅴ級（圖1）［23］。

表1 Pfirrmann分級Tab.1 Pfirrmann grading

圖1 Pfirrmann 分級的T2WI影像學表現Fig.1 T2WI images of Pfirrmann grading.

Pfirrmann分級雖然被臨床醫生廣泛應用，但有研究發現，其在用于老年人椎間盤退變評估時，有87%退變椎間盤很難區分Ⅲ級和Ⅳ級。有學者提出改良PfIrrmann分級，其依據髓核及內層纖維環信號、后方纖維環內外層信號差別和椎間盤高度三個方面，將椎間盤退變分為8個量級［24］（表2）。

表2 改良Pfirrmann分級Tab.2 Improved Pfirrmann grading

2.2 組織學退變分級

2.2.1 椎間盤退變組織學分級 椎間盤退變組織學分級是基于纖維環、纖維環與髓核分界、髓核細胞的結構、髓核基質以及髓核的細胞外基質的評分相加，對椎間盤退變進行分級。評分的范圍為5～15分，5分為正常椎間盤，15分為嚴重退變椎間盤［25］（表3）。

表3 椎間盤退變組織學分級量表Tab.3 Histological grading scale for disc degeneration

2.2.2 髓核組織學退變評分 髓核組織學退變評分為髓核細胞與髓核基質的評分相加，評分范圍2～6分，2分為正常椎間盤，3、4分為早期椎間盤退變，5、6分為晚期椎間盤退變［26］（表4）。

表4 髓核組織學退變評分量表Tab.4 Nucleus pulposus histological degeneration Scale

3 T2 mapping技術

3.1 T2 mapping成像技術原理

MRI技術目的是識別磁場內特定原子核質子的電磁信號，通常是氫原子。質子在射頻脈沖中獲得額外的能量而發生共鳴。在射頻脈沖停止后，質子通常經過兩個過程回到原始靜止位置。其一是通過與周圍環境交換、轉移能量，稱為縱向弛豫（T1）；其二是通過相鄰質子的影響而停止運動，這種現象稱為橫向弛豫（T2）。水質子的遷移速率隨組織而變化，其為自由水時遷移率高，但它們固定在細胞外基質中時遷移率低。由于相鄰質子的作用，相比于T1弛豫時間，其對T2弛豫時間影響更大。因此在識別水含量變化的疾病中，T2序列優于T1序列［27］。

T2弛豫時間即指橫向衰減的時間。T2 mapping成像技術是將T2弛豫時間轉化為二維彩色圖譜來反映組織特性的一種定量磁共振技術［28］。其T2值是通過多層面多回波自旋回波序列，在同一的重復時間和多個不同的回波時間掃描，并經計算機加工獲得［9］。目前臨床中常用紅藍色代表水分的多與少（圖2）。其最早用關節軟骨退變的診斷，研究表明，其對椎間盤退變的診斷也存在一定的價值。

圖2 矢狀位L3～S1的T2WI圖和T2映射圖Fig.2 T2WI and T2 mapping images of sagittal L3-S1 images.

3.2 T2 mapping與其他功能磁共振技術

3.2.1 T2*mapping成像技術 T2*mapping成像技術是一種通過T2*值來反映組織內在特性的成像技術。它能夠提供組織內含水、蛋白質、膠原物質及其他溶質的含量信息，同時能夠描述膠原纖維的排列方式。研究表明，T2 mapping能夠很好的顯示椎間盤突出和纖維環撕裂；與正常T2序列相比，T2*mapping成像檢測纖維環變化更敏感［30-32］。

3.2.2 T1ρ成像技術 T1ρ成像是反映體內大分子間相互作用的成像技術，T1ρ弛豫又稱旋轉坐標系下的自旋晶格弛豫時間，人體中的水分子經常與體內的大分子相互結合發生能量或質子交換等相互作用，這種作用會引發T1ρ弛豫。它可以用于檢測含水組織的代謝和生化信息改變。有學者認為，T1p與椎間盤退變存在相關性，或許可以作為評估椎間盤退變的一個指標［33］；它更適合用于盤源性腰痛的診斷［34］。研究表明，T1p與T2 mapping在評估髓核的退變中呈現相同的關系。T1ρ成像與T2 mapping均與椎間盤含水量的變化有關，因此二者之間具有聯系［35］。與T1p成像技術相比，T2 mapping對評價椎間盤其他結構的退變更具有優勢［36］。也有學者認為，T1ρ成像技術在試驗中的重復性高T2 mapping，因此更有潛力成為研究椎間盤退變的主要影像技術［37］。

3.2.3 彌散加權成像（DWI）DWI可通過測量組織內水分子擴散受限程度的改變，推測組織內部微結構的變化［38］，常用于顱腦疾病的診斷，如腦卒中等。椎間盤退變過程中主要的生化表現為水分、蛋白多糖等的丟失，導致椎間盤內環境的變化，進而影響水分子的運動。DWI通過測量表觀擴散系數（ADC）的變化來檢測椎間盤基礎代謝及退變情況。相關分析表明［39］，ADC值與T2值之間呈正相關，均隨著年齡的增加而降低。T2和ADC值在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ級之間的差異無統計學意義。也有研究者認為T1rho核值與生物力學、組織學和GAG變化的相關性優于T2值和ADC值［40］。

3.2.4 彌散擴散張量成像（DTI）DTI是在DWI的基礎上施加多個方向的擴散敏感梯度場，并采集每個方向上的信號，記錄水分子的擴散速度與方向，計算出ADC及各向異性分數。椎間盤退變過程中，水分丟失，髓核及纖維環膠原纖維增加，髓核彈性降低，纖維環向結締組織轉變，水分子的擴散受阻，導致各向異性增大。研究表明，隨著椎間盤退變程度增加，平均擴散系數下降，各向異性分數值升高［8,41］。有學者通過對患有胸腰椎間盤突出癥51只狗進行定量磁共振研究發現，各向異性分數與年齡呈負相關；DTI的測量因體質量、年齡與測量節段變化而變化［42］。有學者通過對295名健康者及59名退行性椎間盤疾病患者行3.0T腰椎MRI并對影像數據進行統計分析，發現在退化椎間盤中纖維環的T2值不變，而髓核中的T2值增加，表明髓核與纖維環的變化可能與T2圖中看到的形態學變化無關［43］。在椎間盤退變中T2值的變化相對惰性，因此T2 mapping成像相比DTI更有價值。

3.2.5 擴散峰度成像（DKI）DKI是磁共振擴散成像方法之一，是一種非高斯分布模型，而DTI與DWI均是高斯分布模型。故相比于DTI與DWI，DKI不僅能夠反映組織內水分子的變化，還被廣泛用于微結構組織變化的檢測與分級。從DKI中可以提取多個參數，包括各向異性分數、平均擴散率、軸向擴散率、徑向擴散率、平均峰度、軸向峰度和徑向峰度，可用作組織中水分子擴散和微觀結構變化的標志物。各向異性分數值是微觀結構方向性的量度，它取決于細胞的方向和數量以及細胞外空間的可及性。平均擴散率值對水分子在組織中的擴散敏感，而平均峰度值被認為與微結構復雜性和密度有關。軸向擴散率和徑向擴散率值分別是軸向和垂直方向的擴散率值，而軸向峰度和徑向峰度值是這些方向上對應的峰度值［44-45］。

有學者對30名慢性非特異性腰痛患者和23名無癥狀者進行T2WI和DKI掃描，獲取各組檢測者的椎間盤髓核的ADC值及DKI的各項參數并進行比較，發現DKI能夠很好的區分慢性腰痛患者與無癥狀者，其能夠無創地顯示人體退變椎間盤的微觀結構變化［46］。有研究對81例受檢者行T2WI和DKI掃描，證明DKI可用于早期椎間盤退變的診斷，平均峰度及平均擴散率值與Pfirrmann分級、椎間盤節段具有相關性，而與性別差異無明顯相關性［47］。研究者通過對80例受檢者行T2WI、DKI及T2*mapping成像掃描，獲取髓核及纖維環的平均峰度、MD及T2*弛豫時間進行對比，發現DKI在鑒別Pfirrmann分級中Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級椎間盤的敏感度和特異性均優于T2*mapping成像［7］。相比于T2 mapping，DKI能提供更多的參數，故筆者認為DKI在診斷早期椎間盤退變中優于T2 mapping。

3.2.6 鈉成像 鈉成像是通過測定細胞外基質中Na離子的濃度來評估組織退變的一種成像技術。蛋白多糖含有較多帶負電荷的糖胺聚糖，其能吸引含有正電離子。而椎間盤細胞外基質中，主要陽離子就是Na離子。因此，鈉含量通常作為糖胺聚糖的替代物。由于糖胺聚糖等物質的丟失導致了椎間盤的退變，所以鈉成像具有診斷椎間盤退變的潛力［48］。但Na離子溶度很低，其成像效果較差；T2 mapping成像技術主要依靠水分子的變化來評估椎間盤的退變，重復性及價值較鈉成像更高。

3.2.7 磁化傳遞磁共振成像 磁化傳遞磁共振成像是一種選擇性的組織信號抑制技術，該技術首先預飽和結合水，當真正的成像脈沖施加時，這部分被飽和的自由水將不產生信號，從而導致MR信號降低，最終導致靜止組織的信號被整體衰減，這就是磁化傳遞效應，其指標是磁化傳遞率。在自由水中產生的信號衰減通過MT脈沖序列成像顯示出明顯的信號縮減。研究表明，T2弛豫時間值隨年齡增長而降低，而磁化傳遞率值隨年齡增長而增加，并且與性別無明顯關系。磁化傳遞率與Pfirrmann分級呈明顯正相關。T2 mapping比磁化傳遞磁共振成像能更準確的測量頸胸椎的椎間盤退變［49］。

3.2.8 磁共振波譜成像（MRS）MRS是利用化學位移和自旋耦合現象檢測人體內能量代謝及化學物質變化，以獲得定量化學信息的一種磁共振成像技術。目前，MRS主要通過探測PG中GAG鏈的N-乙酰直接評估PG的含量來檢測椎間盤退變。有學者通過將木瓜蛋白酶溶液注射新鮮牛椎間盤以誘導髓核細胞外基質降解［50］。在髓核中縱向測量ADCs、T2值、細胞外基質中大分子和水的含量。發現在椎間盤疾病早期，ADC對細胞外基質中大分子的降解很敏感，而T2值變化不顯著，因此MRS比T2 mapping成像能更好的反映椎間盤細胞外基質中大分子的變化［13］。

3.2.9 磁共振延遲增強軟骨成像（dGEMRIC）dGEMRIC是通過經脈注射造影劑取代糖胺聚糖的分子成像技術。退化的椎間盤或軟骨中蛋白聚糖含量的消耗導致磁性釓離子的積累，導致T1弛豫時間降低。糖胺聚糖廣泛的存在于關節軟骨及椎間盤，因此通過dGEMRIC可以檢測關節軟骨及椎間盤中糖胺聚糖的含量，來評估其退變程度［51］。目前尚無研究對比dGEMRIC 與T2 mapping 間的差異。由于dGEMRIC需要使用造影劑，因此其臨床使用的簡易性及患者的接受度較差。而T2 mapping無創且成像時間相對較短，因此筆者認為T2 mapping在椎間盤退變的診斷中的價值高于dGEMRIC。

3.3 T2 mapping與椎間盤退變組織成分的關系

椎間盤退變的早期主要是糖胺聚糖及水分的丟失，而T2 mapping成像可以檢測髓核中這二者的變化。有學者通過T2 mapping評估48例患者腰椎牽引前后髓核水分的變化，發現T2 mapping可以用于評估椎間盤退變中髓核水分的改變［52］。有研究表明T2值與腰椎間盤內水分、蛋白多糖及膠原纖維等的含量密切相關；T2值隨著椎間盤內水分和蛋白多糖的增加而增加，隨著膠原纖維的增加而降低［53］。

3.4 T2 mapping與Pfirrmann分級

Pfirrmann分級是目前臨床上對椎間盤退變運用最廣泛的分級，其通過T2WI影像技術對椎間盤的退變進行評估分級。髓核T2值與Pfirrmann分級呈中度的負相關，纖維環前緣T2值與Pfirrmann分級呈輕度負相關，纖維環后緣T2值與Pfirrmann分級呈無相關性［17］。

3.5 T2 mapping與日本骨科學會評分（JOA）、視覺模擬評分（VAS）及年齡、性別間的關系

3.5.1 T2 mapping與JOA、VAS評分 椎間盤退變的過程中，患者可能出現不同程度的疼痛及椎體功能的改變，因此，JOA、VAS評分對評估椎間盤退變也具有一定的指導意義。有研究表明VAS評分與前纖維環和髓核的T2值之間無明顯相關性，而與后纖維環之間存在顯著的負相關性［34,52］。與此同時，JOA評分與前纖維環和髓核的T2值之間也無相關性；與后纖維環之間存在顯著的正相關性。國內馮國祥等［53］研究也表明髓核與纖維環區T2值與JOA評分間存在正相關關系，與VAS評分間存在負相關關系。

3.5.2 T2 mapping與年齡、性別 椎間盤的退變開始于出生后的第2個10年，退變的程度與年齡呈正相關。有學者通過測量椎間盤的T2值，發現其與年齡呈負相關［54］。有學者發現隨著年齡的增加，T2值逐漸降低，從20～29歲到60歲間的變化較顯著［49］。雖然男性平均T2值略高于女性，但二者間差異無統計學意義。但在老年人群中，女性在絕經后表現出更高的癥狀性椎間盤退變患病率［55］。

3.6 組織學退變評分與T2值

組織學退變評分通過組織HE染色反應細胞形態，番紅O-固綠染色反映細胞外基質內蛋白聚糖的含量及分布情況，來評估椎間盤的退變情況。既往研究表明，總的組織學退變評分與T2值呈負相關，髓核的組織學退變評分與T2值間呈顯著負相關［25］。即使髓核的組織學評分3分和4分，組間T2值的差異也有統計學意義［22］。

4 小結與展望

椎間盤退變性疾病嚴重影響著人們的生活，然而對于早期椎間盤退變缺乏良好的檢測手段。尋找一種無創、無輻射及便捷的診查方式為早期識別并干預椎間盤退變顯得尤為重要。T2 mapping是近年來較為新的一種定量磁共振技術。諸多研究表明其能夠用于早期椎間盤退變的診斷。與T1ρ成像技術相比，它對椎間盤退變的診斷更準確，尤其在顯示椎間盤的突出和纖維環撕裂等方面更為突出。與DWI 成像技術相比，T2 值與ADC值在椎間盤退變中效果相同。在高位椎體退變的診斷中，T2 mapping較DTI更準確。DKI在診斷椎間盤退變中能夠提供更多參數，較T2 mapping更加準確。然而T2 mapping成像技術對纖維環變化的敏感度弱于T2*mapping成像技術。Na離子溶度很低，又具有較高的橫向磁化和較低的旋磁都限制鈉成像在診斷椎間盤退變中的運用。MRS成像技術能很好的反映椎間盤細胞外基質的降解，可以直接檢測細胞外基質的完整性，是T2 mapping所不能反映的。然而T2 mapping成像技術檢測時間較長，易受到檢測時間、負荷、位置等因素的影響，同時其測量的區域由人為分割，導致其檢測的穩定性和可靠性降低。相比于其他定量磁共振技術，T2 mapping能夠反應椎間盤內多種生化成分的改變（如水含量、蛋白多糖含量及膠原纖維排列情況等）以評估椎間盤退變的情況，因此T2 mapping成像技術在臨床上應用更為廣泛。

綜上所述，T2 mapping可在一定程度上反映椎體的功能，疼痛情況以及椎間盤的退變程度（包括椎間盤成分的丟失情況），可為臨床明確患者病情提供參考，具有重要臨床價值，但其準確性、可重復性等有待進一步的研究提高。