MAGiC技術在頸椎間盤退行性改變中的應用價值

孫其安，李鄭，何玲，張勇

頸痛是臨床常見疾病且發病年齡有年輕化趨勢，病因復雜，其中頸椎間盤退變是其重要原因之一。相關研究表明，頸痛程度與頸椎間盤退變節段數及部位有關[1]。MRI檢查可以診斷頸椎間盤退變，但易受主觀因素影響，缺乏量化標準，不能準確反映椎間盤內部結構成份變化[2]。常規MRI定量技術掃描時間過長，高背景噪聲及多種定量圖譜合并使用時的額外空間配準，降低了其臨床應用的可行性。合成磁共振成像(magnetic resonance image compilation,MAGiC)是一種多對比度一站式馳豫定量技術，可通過一次多動態多回波(multiple-dynamic multiple-echo,MDME)序列獲取多種對比度圖像及多種定量數據，且掃描時間縮短，具有臨床應用可行性。本研究通過MAGiC技術獲取的定量數據來分析椎間盤Pfirrmann分級間的差異,旨在探討MAGiC定量技術在頸椎間盤退行性改變中的應用價值。

材料與方法

1.病例資料

回顧性搜集2021年3月至2021年12月在揚州大學附屬醫院行頸椎MRI檢查的患者42例。病例納入標準：①年齡≥18歲；②頸部不適且單次或反復發作；③受檢者可配合檢查且無MRI檢查絕對禁忌癥。病例排除標準：①頸椎骨折、頸椎腫瘤、手術史、感染性疾病、脊柱畸形等影響椎間盤觀察的患者；②圖像質量差,包括運動偽影、硬件偽影等。本研究最終納入40例患者，其中男22例，女18例，年齡18～73歲，平均(41±16)歲，共計200個頸椎間盤。排除2例因運動偽影致圖像質量較差患者。

2.檢查方法

MRI檢查采用GE Architect 3.0T超導MR成像儀，頭頸聯合線圈，受檢者取頭先進仰臥位，囑受檢者靜坐30 min后行頸椎MRI掃描。掃描序列包括：常規序列矢狀面T1及T2、矢狀面T2脂肪抑制、軸面T2；特殊序列包括矢狀面T2MAP(TR 900 ms，TE 9.1～72.6 ms，層厚3 mm，掃描時間5 min 48 s)及矢狀面MAGiC(TR 4071 ms，TE 18.4/91.9 ms，ETL 16，層厚3 mm，掃描時間4 min 55 s)，這兩種序列均采用一致的視野(280 mm×280 mm)、矩陣(320×256)及掃描定位(圖1)。

圖1 同一受檢者T2WI及各定量參數圖。a)常規T2WI圖像(1為前纖維環ROI,3為髓核ROI,5為后纖維環ROI)；b)MAGiC序列T1值定量圖；c)MAGiC序列T2值定量圖；d)MAGiC序列PD值定量圖；e)T2MAP定量圖。 圖2 T2 MAP與MAGiC序列T2值在AAF區診斷頸椎椎間盤退變的ROC曲線。 圖3 T2 MAP與MAGiC序列T2值在NP區診斷頸椎椎間盤退變的ROC曲線。 圖4 T2 MAP與MAGiC序列T2值在PAF區診斷頸椎椎間盤退變的ROC曲線。

3.感興趣區的設定及測量

使用圖像處理軟件(MAGiC)生成T1-mapping、T2-mapping及PD-mapping三組定量圖譜，每組定量序列自動生成偽彩圖。對照Sag T2WI序列選取正中矢狀面層面設定感興趣區(region of interest,ROI)，將每節椎間盤(C2-C7)繪制成五等份，分別在第一、第三、第五區域設置等大橢圓形ROI并標記為前纖維環(anterior annulus fibrosus，AAF)、髓核(nucleus pulposus，NP)、后纖維環(posterior annulus fibrosus，PAF)，測量前纖維環、髓核、后纖維環的T1、T2、PD值。T2MAP序列在工作站(AW4.7)上獲取T2值，繪制ROI與MAGIC序列的方法相同。Pfirrmann分級及定量值的測量由兩位工作年限滿10年以上的醫師獨立完成,取兩者測量的平均值作為最終測量值，分級參照腰椎間盤Pfirrmann分級標準(表1)。

表1 頸椎間盤Pfirrmann分級標準

4.統計學分析

結 果

本研究共納入40例患者，根據Pfirrmann分級標準計數共200個椎間盤，其中Ⅰ級椎間盤25個，Ⅱ級椎間盤55個，Ⅲ級椎間盤63個，Ⅳ級椎間盤40個，Ⅴ級椎間盤17個。統計學分析結果顯示，T2MAP序列與MAGiC序列T2值具有高度相關性(r均>0.8)，T2MAP和MAGiC序列T2值均與年齡呈負相關性且在髓核區最為顯著(表2)。Z檢驗結果顯示，前纖維環T2MAP序列T2值診斷頸椎椎間盤退變的AUC高于MAGiC序列(分別為0.862、0.794，圖2)，但差異無統計學意義(Z=1.823，P>0.05)；髓核T2MAP序列診斷頸椎椎間盤退變的AUC稍高于MAGiC序列(分別為0.996、0.990，圖3)，差異無統計學意義(Z=1.109，P>0.05)；后纖維環T2MAP序列診斷頸椎椎間盤退變的AUC稍高于MAGiC序列(分別為0.834、0.784，圖4)，差異無統計學意義(Z=1.057，P>0.05)。

表2 頸椎間盤不同ROI區T2值相關性分析結果

MAGiC序列定量值(T1、T2、PD)與Pfirrmann分級相關性分析：在AAF、NP、PAF區MAGIC定量值與Pfirrmann分級均呈負相關，(T1定量:r值分別為-0.368、-0.784、-0.278；T2定量:r值分別為-0.558、-0.950、-0.637；PD定量:r值分別為-0.426、-0.747、-0.402；P值均<0.01)，其中髓核T2值與Pfirrmann分級呈高度負相關，其次髓核T1及PD值、后纖維環T2值與Pfirrmann分級呈高度負相關，其余ROI區均呈中低負相關。

頸椎間盤各Pfirrmann分級間MAGIC序列定量值比較：不同Pfirrmann分級在前后纖維環、髓核的定量值差異均具有統計學意義(P值均<0.05，表3)。前纖維環T1、T2、PD值在Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級間差異均具有統計學意義(P<0.05)，且PD值在Pfirrmann Ⅳ級與Ⅴ級間差異有統計學意義(P=0.027)。髓核T1、T2、PD值僅在Pfirrmann Ⅳ級與Ⅴ級間差異無統計學意義(P>0.05)，其余定量值在相鄰Pfirrmann分級之間差異均具有統計學意義(P值均<0.001)。后纖維環T1、T2、PD值在Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級間差異均具有統計學意義(P值均<0.05)，且T2值在Pfirrmann Ⅱ級與Ⅲ級間差異有統計學意義(P=0.019)，其余定量值在相鄰Pfirrmann分級間差異均無統計學意義(P>0.05，表4)。

表3 頸椎間盤各Pfirrmann分級間MAGiC序列定量值比較

表4 相鄰Pfirrmann分級間MAGiC定量值比較結果

各ROI區MAGiC定量值鑒別診斷Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級的ROC曲線下面積比較：AAF、NP、PAF區T1值鑒別診斷Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級的AUC分別為0.697、0.828、0.711，髓核與前、后纖維環的AUC差異均有統計學意義(Z=2.248、1.968，P=0.0246、0.0491)；AAF、NP、PAF區T2值鑒別診斷Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級的AUC分別為0.810、0.991、0.862，髓核與前、后纖維環的AUC差異均有統計學意義(Z=3.783、4.710，P=0.0002、P<0.0001)；AAF、NP、PAF區PD值鑒別診斷Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級的AUC分別為0.734、0.779、0.738，髓核與前、后纖維環的AUC差異均無統計學意義(Z=0.732、0.818，P值均>0.05)。

髓核區MAGiC定量值診斷PfirrmannⅠ到Ⅳ級的ROC曲線下面積比較：Z檢驗結果顯示，T2值鑒別診斷Pfirrmann Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅲ級與Ⅳ級的AUC(分別為0.953、0.973、0.991)均高于T1值(分別為0.883、0.859、0.828)及PD值(分別為0.763、0.714、0.779，圖5～8)，差異均具有統計學意義(P值均<0.05)；T1值鑒別診斷Pfirrmann Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅲ級與Ⅳ級的AUC均高于PD值；Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級間的PD值差異無統計學意義(Z=0.987，P>0.05)，其余Pfirrmann分級T1值與PD值間差異均有統計學意義(P值均<0.05)。

圖5 髓核區MAGiC序列定量值鑒別診斷PfirrmannⅠ級與Ⅱ級的ROC曲線。 圖6 髓核區MAGiC序列定量值鑒別診斷Pfirrmann Ⅱ級與Ⅲ級的ROC曲線。 圖7 髓核區MAGiC序列定量值鑒別診斷Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級的ROC曲線。 圖8 髓核區MAGiC序列定量值鑒別診斷Pfirrmann Ⅳ級與Ⅴ級的ROC曲線。

討 論

MAGiC是一種一站式馳豫定量技術,能夠一次掃描獲得多組不同對比度圖象和多種弛豫定量數據[2]，對評估頸椎退行性變有較高價值。目前T2-mapping定量評估脊柱椎間盤退變已經有了顯著的研究成果[3-9]，此類合成MRI技術在脊柱椎間盤方面也有了一定進展[10-11]，但MAGiC多種弛豫定量技術在頸椎椎間盤退變中的應用研究涉及較少。

1.MAGiC序列在頸椎間盤退變應用方面的可行性分析

本研究結果表明，MAGiC序列生成的T2定量值與T2MAP定量值具有高度一致性，提示其定量數據具有可靠性。髓核及前、后纖維環的MAGiC與T2MAP定量值對診斷頸椎椎間盤退變無統計學差異，提示MAGiC與T2MAP診斷分級的效能具有一致性，髓核區的診斷效能更高。本研究結果表明MAGIC定量值在頸椎間盤退變的應用方面具有可行性，與Jiang等[11]的結論一致。研究中發現影像對椎間盤形態的顯示有限，且隨著椎間盤退變的加重，對前、后纖維環繪制ROI帶來了一定困難，尤其是Pfirrmann Ⅴ級的椎體間隙變窄，更加難以區分前、后纖維環。Menezes-Reis等[12]研究發現高度退變的椎間盤髓核及纖維環分界不清對其繪制ROI及測量定量值影響很大，張洧藍等[13]對腰椎間盤ROI繪制存在相同的問題。頸椎間盤前纖維環較厚，后纖維環較稀薄，而髓核的位置相對固定，容易測量，研究結果顯示兩組序列髓核區定量值的一致性最高,提示髓核區具有更高的診斷價值。

2.MAGiC髓核區T2值與年齡的相關性分析

本研究結果顯示髓核區T2值與年齡呈明顯負相關，纖維環區T2值與年齡呈弱負相關性，提示隨著年齡的增長T2弛豫時間顯著縮短。椎間盤退變過程中,髓核含水量降低、蛋白多糖黏液樣基質減少、膠原蛋白增多均是導致退變椎間盤T2WI信號強度降低的因素[14]。后纖維環相關性大于前纖維環,提示后纖維環隨著年齡增加T2值變化差異更大。

3.不同Pfirrmann分級間的MAGiC定量值差異

本研究結果顯示髓核T2值與Pfirrmann分級呈高度負相關，髓核T1及PD值、后纖維環T2值與Pfirrmann分級呈稍高負相關，提示髓核T2值在評估Pfirrmann分級方面具有重要意義，與曾菲菲等[8]的結論一致。髓核區T1、T2、PD值Pfirrmann分級兩兩間比較,除Ⅳ級與Ⅴ級之間差異無統計學意義外，其余兩兩比較差異均有統計學意義，表明T1、T2值隨著Pfirrmann分級的增高而降低；提示Ⅳ級和Ⅴ級間變化與組織定量值無關，可考慮僅是形態學的變化。早期椎間盤退變(Ⅰ級與Ⅱ級間)僅在髓核區定量值的差異存在統計學意義，在前、后纖維環上，T1與PD定量值在早期椎間盤退變上差異均無統計學意義，表明髓核區定量值診斷早期退變的效果最佳。早期退變時在纖維環區病變不明顯，在Ⅱ級以后更容易產生纖維環病變。中晚期椎間盤退變(Ⅲ級與Ⅳ級間)在前、后纖維環及髓核區定量值差異均有統計學意義，與Pfirrmann分級Ⅲ級到Ⅳ級影像學上髓核及纖維環信號發生改變相一致。本研究發現Pfirrmann Ⅳ級與Ⅴ級僅在前纖維環PD值上差異有統計學意義，提示晚期退變前纖維環氫質子含量減低，因Ⅴ級椎間盤定量值測量困難且樣本量較少，其結果是否具有臨床意義有待進一步研究。

為進一步分析髓核與前、后纖維環MAGiC定量診斷差異，將MAGiC定量值鑒別診斷Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級的效能進行ROC曲線分析。結果顯示髓核區T1及T2值鑒別診斷Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級的效能均高于前、后纖維環，而髓核PD值的診斷效能與前、后纖維環差異無統計學意義，提示MAGiC定量值在頸椎椎間盤中晚期退變髓核區具有更高的診斷價值。

4.髓核區MAGiC定量值評估Pfirrmann分級的價值

為了評估MAGiC各定量值對Pfirrmann分級的診斷效能，將Pfirrmann Ⅰ到Ⅳ級均存在統計學差異的髓核區進行ROC曲線下面積比較。結果顯示髓核區T2值對PfirrmannⅠ級到Ⅴ級的診斷效能高于T1值和PD值，T1值對Pfirrmann Ⅰ級到Ⅳ級的診斷效能高于PD值，且差異有統計學意義，提示髓核區T2值對Pfirrmann分級的診斷效能最佳，T1值也具有較高的診斷價值，PD值在診斷Pfirrmann分級方面優勢最小。Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級間的T1、PD值差異無統計學意義，提示Pfirrmann Ⅲ級與Ⅳ級間兩者具有相近的診斷效能。

本研究存在以下局限性：①在Pfirrmann分級上僅憑視覺評價，可能存在主觀因素導致的結果偏差，在繪制與選擇ROI時一定程度上也存在主觀偏差；②本研究樣本量相對有限，未來將加大樣本量進一步研究；③缺少組織學與病理學結果，未來將結合組織學與病理學結果進一步驗證與研究。

綜上所述，MAGiC技術可定量評估頸椎退行性變，且髓核區T2值的診斷效能最高，其一站式多弛豫定量成像技術可為頸椎間盤退行性變提供更多診斷信息。