退行性腰椎滑脫癥關節突關節的MRI定量研究

李慧芝，牛金亮

(1.山西醫科大學醫學影像學院，山西 太原 030001；2.山西醫科大學第二醫院影像科，山西 太原 030001)

退行性腰椎滑脫癥(degenerative lumbar spondylolisthesis，DLS)是導致慢性下腰痛的常見原因之一，DLS又稱為假性腰椎滑脫癥，大多數觀點是椎間盤和關節突關節等結構的退行性改變導致腰椎上位椎相對于下位椎的滑移，而椎弓峽部保持完整[1]。既往研究表明椎間盤高度降低、多裂肌萎縮是DLS的病因。近年來關節突關節與DLS的關系越來越受到大家重視，關節突關節不對稱或椎體傾斜可能是DLS發生的危險因素[2-3]。MRI是目前研究脊柱疾病的最佳影像學方法之一，MRI功能成像逐漸成為分析組織生物學特性的新型成像方法，其獲得的定量參數值有助于分析組織成分的改變[4-5]，合成MRI(synthetic magnetic resonance imaging，SyMRI)獲得的T1、T2和PD值能定量評估基于骨髓異常的腰椎早期病理學改變[6-7]。本研究擬采用SyMRI技術定量測量關節突的T1、T2和PD值，并結合對關節突關節角(facet joint angle，FJA)和L4傾斜角(inclination angle，IA)的定量研究，探討各參數值對DLS的影響，進一步了解DLS的影響因素，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 滑脫組納入標準：(1)L4～5節段DLS患者，使用Meyerding分級評估滑脫程度，Ⅰ級為0～25%，Ⅱ級為25%～50%，Ⅲ級為50%～75%，Ⅳ級為75%～100%；(2)病程大于3個月；(3)MRI矢狀位圖像上L4椎體后緣相對于L5椎體后緣滑動距離≥3 mm[8]。排除標準：(1)峽部裂腰椎滑脫；(2)腰椎其他節段滑脫；(3)腰椎側彎；(4)既往脊柱外傷和手術史；(5)脊柱骨折、炎癥、感染和腫瘤；(6)骶椎腰化或腰椎骶化。對照組納入標準：腰椎各節段無滑脫者。排除標準：(1)腰椎側彎；(2)既往脊柱外傷和手術史；(3)脊柱骨折、炎癥、感染和腫瘤；(4)骶椎腰化或腰椎骶化。所有受試者均簽署知情同意書。

收集山西醫科大學第二醫院2020年12月至2021年12月腰背部不適需行MRI檢查的腰椎退行性變患者213例。其中符合滑脫組標準的51例患者，男17例，女34例；年齡46～78歲，平均(60.53±8.10)歲；平均身體質量指數(25.16±2.98)kg/m2；體力勞動者32例(62.75%)，非體力勞動者19例(37.25%)。臨床表現為腰背部疼痛，伴或不伴下肢麻木或神經性間歇性跛行。符合對照組標準的51例患者，男17例，女34例；年齡41～81歲，平均(61.24±7.17)歲；平均身體質量指數(24.23±2.43)kg/m2；體力勞動者27例(52.94%)，非體力勞動者24例(47.06%)。兩組間年齡、性別、身體質量指數和職業類型的差異均無統計學意義(P>0.05，見表1)，具有可比性。

表1 滑脫組和對照組基線資料比較

1.2 影像學檢查方法 使用GE 3.0T磁共振全身掃描儀(Signa Pioneer，GE Healthcare，Madison，WI，USA)進行掃描，受試者取仰臥位，頭先進，采用32通道相控陣體線圈，對所有受試者行腰椎矢狀位、橫斷位掃描。掃描序列和掃描參數是：(1)SyMRI矢狀位掃描參數：TR=4000.00 ms，TE=19.60 ms，層厚=4.00 mm，層間距=1.00 mm，FOV=32.00 mm×32.00 mm，矩陣=320.00 mm×192.00 mm，NEX=1.00。(2)SyMRI橫斷位掃描參數：TR=4000.00 ms，TE=19.60 ms，層厚=4.00 mm，層間距=1.00mm，FOV=32.00 mm×32.00 mm，矩陣=320.00 mm×192.00 mm，NEX=1.00。(3)T2WI序列矢狀位掃描參數：TR=5156.00 ms，TE=102.3 ms，層厚=2.00 mm，層間距=1.00 mm，FOV=32.00 mm×32.00 mm，矩陣=352.00 mm×256.00 mm，NEX=1.00。(4)T2WI序列橫斷位掃描參數：TR=4 920.00 ms，TE=107.10 ms，層厚=4.00 mm，層間距=1.00 mm，FOV=32.00 mm×32.00 mm，矩陣=288.00 mm×256.00 mm，NEX=2.00。

1.3 磁共振圖像后處理及測量指標

1.3.1 關節突定量值的測量方法 SyMRI掃描完成后經過圖像后處理自動生成定量參數偽彩圖。在SyMRI橫斷位圖像上對L4～5節段的雙側關節突選取感興趣區(region of interest，ROI)，系統自動生成ROI區域的T1值、T2值和PD值(見圖1～2)，測量3次，取平均值。

圖1 矢狀位T2WI圖像顯示測量關節突關節的層面(白線)

圖2 橫斷位T2WI圖像顯示上、下關節突ROI的選取方法

1.3.2 FJA的測量方法 采用FJA表示關節突關節的方向，在T2WI正中矢狀位圖像上，掃描線通過下椎體后上角的水平是關節突的二等分水平，可較好地顯示關節突關節[9]，在T2WI橫斷位圖像上，椎間盤中點與棘突基底部中點的連線作為腰椎矢狀軸，關節突關節前內、后外側點的連線與矢狀軸相交形成的夾角是該側FJA(見圖3)，分別記錄左側和右側FJA，并取平均值。

注：A線與C線夾角為右側FJA，B線與C線夾角為左側FJA

1.3.3 關節突關節不對稱(facet tropism，FT)的測量方法 兩側FJA差值的絕對值為FT值，本研究中將FT值>10°定義為關節突關節不對稱，記錄兩組受試者L4～5節段的FT值(見圖4)。

a 對照組(FT<10°) b 滑脫組(FT>10°)

1.3.4 L4IA的測量方法 在T2WI正中矢狀位圖像上，測量L4椎體下終板平面與水平面之間的夾角(見圖5)。

a 對照組(L4 IA為5.62°) b 滑脫組(L4 IA為16.62°)

2 結 果

2.1 DLS定量參數值的統計學結果

2.1.1 受試者L4～5關節突T1值、T2值、PD值組內比較 滑脫組和對照組上、下、左、右關節突的T1值、T2值、PD值差異均無統計學意義(P>0.05，見表2～3，見圖6～7)。

表2 滑脫組左側與右側關節突定量值比較

表3 對照組左側與右側關節突定量值比較

圖6 對照組矢狀位及橫斷位MRI圖像

圖7 滑脫組矢狀位及橫斷位MRI圖像

2.1.2 兩組各參數值組間比較 滑脫組L4～5關節突T1值小于對照組，差異有統計學意義(P<0.001)；T2值、PD值兩組差異無統計學意義(P>0.05，見表4)?；摻ML4～5雙側平均FJA小于對照組，L4～5FT值、L4IA大于對照組，差異有統計學意義(P<0.05，見表4)。

表4 兩組各參數值比較

2.1.3 兩組L3～4、L4～5、L5S1節段FJA比較 在L3～4節段，滑脫組右側FJA小于對照組(P<0.05)，兩組左側FJA差異無統計學意義(P>0.05)；在L4～5節段，滑脫組左側FJA和右側FJA均小于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)；在L5S1節段，兩組左側FJA和右側FJA差異均無統計學意義(P>0.05，見表5)。

表5 三個腰椎節段滑脫組和對照組FJA差異比較

2.2 DLS影響因素的多元Logistic回歸分析 以DLS為因變量，將L4～5關節突T1值、FJA、FT值和L4IA納入多因素Logistic回歸模型，結果顯示關節突T1值、FJA、FT值和L4IA均是DLS發生的獨立影響因素(P<0.05，見表6)。

表6 DLS多因素Logistic回歸分析

2.3 DLS影響因素的ROC曲線 將L4～5關節突T1值、L4IA、FJA和FT值進行ROC曲線分析(見圖8)，ROC曲線下面積(the areas under ROC curve，AUC)分別為0.846、0.793、0.738和0.670，并確定臨界值(見表7)。

圖7 DLS影響因素的ROC曲線

表7 DLS影響因素的ROC曲線結果

3 討 論

3.1 DLS的研究進展 DLS的概念最早是由Newman[10]在1955年提出的，DLS是在腰椎退變過程中上位椎相對于下位椎的滑移，椎弓峽部保持完整，這是DLS與峽部裂腰椎滑脫的不同之處。DLS常發生于L4～5節段，女性發生率高于男性，臨床以L4椎前滑脫最多見[11]，這與L4～5節段腰椎生理曲度有關，L4椎具有較大的活動度和L5椎位置相對固定。DLS是一種多因素過程性疾病，危險因素包括較大的年齡、女性、較大的身體質量指數、嚴重椎間盤退變和肌肉萎縮等。椎體和關節突關節屬于Panjabi[12]提出的“三亞系模型”中的被動亞系，與脊柱的穩定性密切相關。椎體受到重力、椎旁肌肉、椎間盤和關節突關節的合力，這個合力分為平行于終板和垂直于終板的作用力[3]，椎體傾斜程度越大，平行于終板的力越大，越容易向前滑動，從而導致DLS發生，目前關于L4IA與DLS關系的研究較少。關節突關節三維空間結構的改變影響脊柱穩定性，關節突關節矢狀化是DLS的病因[13-14]，矢狀化的關節突關節使關節面之間的接觸力減小，限制椎體前移的力量減小而導致DLS。最近Rai等[15]的研究表明FT與DLS顯著相關。然而目前的研究未提出DLS各影響因素的臨界值。

3.2 SyMRI技術在骨肌系統中的應用及MRI在DLS研究中的優勢 SyMRI技術是一種新型的定量成像技術，其根據組織屬性的弛豫時間在一次掃描中生成五種定量值，分別是T1、T2、PD、R1和R2值，其中R1=1/T1，R2=1/T2，SyMRI通過調整掃描參數在一次采集中合成T1WI、T2WI、PDWI圖像等多種不同對比度加權圖像[16]。T1、T2和PD值是描述磁化矢量特性最基礎的參數，SyMRI在成像和測量方面的應用得到了驗證。SyMRI逐漸應用于膝關節和脊柱疾病中，Lee等[17]研究發現SyMRI的T2值可以代替常規T2 mapping序列，最新研究表明SyMRI技術是一種可應用于研究脊柱椎體、椎間盤、脊髓等結構組織變化的新型成像技術[18]。

MRI具有良好的軟組織分辨率，人體各組織的弛豫時間不同，MRI依據組織間信號強度差異，準確地評估結構的改變，并且MRI具有多平面、多參數、多序列成像的優點，能夠清晰地顯示DLS患者關節突關節及鄰近解剖結構的改變。DLS患者存在腰椎失穩現象，通過MRI圖像測量關節突關節積液量能夠較全面地評估DLS患者的腰椎穩定性[19]，并且有學者采用MRI圖像評估關節突關節退變程度，結果顯示關節突關節退變與DLS存在相關性[20]。

3.3 常規MRI對FJA、FT值和L4IA與DLS關系的研究 關節突關節方向是指上下關節突構成的空間走向，在脊柱橫斷面上，從上腰椎至下腰椎，關節突關節方向由偏向矢狀位逐漸變為偏向冠狀位[21]。當下腰椎關節突關節面由冠狀位明顯偏向矢狀位時，上位椎容易向前滑動。Gao等[22]的研究證明矢狀化關節突關節容易發生DLS。本研究結果顯示在滑脫節段DLS組雙側平均FJA明顯小于對照組，這與Pichaisak等[23]的研究結果一致，說明DLS患者滑脫節段的關節突關節發生矢狀化改變。通過比較兩組研究對象在三個腰椎節段左側、右側FJA的大小，結果顯示僅在L4～5節段，滑脫組左側、右側FJA分別小于對照組，進一步論證了滑脫節段的關節突關節發生矢狀化改變的觀點。而在L3～4和L5S1節段，關節突關節矢狀化現象不顯著，這可能是L3～4和L5S1節段不易發生DLS的原因。多元Logistic回歸分析顯示FJA是DLS發生的獨立影響因素，通過ROC曲線分析，較小的FJA對DLS的發生具有預測價值，臨界值是34.68°，當FJA小于34.68°時較容易發生DLS。

本研究中兩組FT值存在顯著差異，滑脫組FT值明顯大于對照組。Devine等[24]認為FT與退行性疾病的發生無相關性，但是有研究顯示FT與DLS之間存在顯著相關性[8]。本研究采用與滑脫組一般資料相匹配的無滑脫者作為對照組，增加了研究結果的準確性，多元Logistic回歸分析顯示FT是DLS發生的獨立影響因素，通過ROC曲線分析，較大的FT對DLS具有預測價值，臨界值是12.79°，當FT值大于12.79°時可能發生DLS。

椎體傾斜程度越大，L4IA越大。本研究中DLS組的L4IA平均值明顯大于對照組，說明L4IA越大，腰椎不穩定性增加，L4椎前滑脫的風險增加。多元Logistic回歸分析結果顯示L4IA是DLS發生的獨立影響因素，通過ROC曲線分析，較大的L4IA對DLS的發生具有預測價值，臨界值是9.33°，當L4IA大于9.33°時容易發生DLS。

3.4 SyMRI對DLS關節突的定量研究 本研究結果顯示滑脫組和對照組關節突T1值具有顯著差異。Naeem等[25]的研究結果顯示滑脫組上、下關節突面積差異顯著增大，滑脫組較對照組關節突關節退變顯著。在脊柱的退行性改變中，存在關節突增生硬化、關節周圍韌帶肥厚等病理改變，骨髓間充質干細胞在上述病理改變中發揮了重要作用。Kristjánsson等[26]發現關節突的骨髓間充質干細胞可分化為脂肪細胞。MRI在評估骨髓方面具有顯著優勢，骨髓MRI表現是由骨髓內蛋白質、水、脂肪和細胞的相對數量決定的，并取決于脈沖序列。骨髓分為紅骨髓和黃骨髓，隨著年齡的增加，紅骨髓逐漸被脂肪組織代替。紅骨髓的細胞組成成分包括40%～60%的脂肪，30%～40%的水和10%～20%的蛋白質，黃骨髓幾乎完全由脂肪組成，成分包括80%的脂肪、15%的水和5%的蛋白質[27-28]。一般40歲以上，脊柱骨髓逐漸被脂肪骨髓取代，一些老年患者和營養不良患者的骨髓可能完全由脂肪組成[29]。T1WI圖像可用于評估骨髓脂肪細胞含量，脂肪的疏水碳-氫基團具有高效的自旋晶格弛豫，T1弛豫時間明顯縮短[28，30]。本研究中滑脫組關節突T1值明顯小于對照組，表明DLS患者關節突骨髓脂肪含量增加，關節突關節退變更嚴重。通過多因素Logistic回歸分析，關節突T1值是DLS發生的獨立影響因素，進一步通過ROC曲線分析，關節突T1值對DLS的發生具有良好的預測價值，臨界值是621.38 ms，當關節突T1值小于621.38 ms時，DLS發生的風險增加。但是關節突T2值、PD值差異均無統計學意義，可能原因是關節突黃骨髓的含水量很少，造成兩組的差異不顯著。

本研究的樣本量較小，均為Ⅰ級和Ⅱ級DLS患者，對于Ⅲ級和Ⅳ級DLS患者需進行研究驗證，同時由于難以獲取所有受試者的部分資料，所以本研究未將骨質疏松和過屈過伸節段間失穩納入分析，未能確定骨質疏松對腰椎穩定性的影響，這是本研究的不足之處，未來可通過擴大樣本量進一步探討DLS的影響因素。

綜上所述，SyMRI定量參數值可評估DLS患者關節突骨髓成分的改變，關節突T1值、L4IA、FJA、FT值與DLS的發生具有相關性，關節突T1值小于621.38 ms、L4IA大于9.33°、FJA小于34.68°和FT值大于12.79°是DLS發生的臨界值，因此SyMRI和常規MRI的聯合使用為臨床預測和診斷DLS提供有價值的影像學信息。