集成MRI 技術用于腰椎間盤退變的診斷價值研究

李曉新，張鳳翔（通訊作者），楊金花

（1.內蒙古科技大學 包頭醫學院，內蒙古 010100；2.鄂爾多斯市中心醫院 影像科，內蒙古 017000）

腰痛是常見的臨床癥狀，腰椎間盤病變尤其是椎間盤病變是導致腰痛較為常見的原因，外傷引起的椎間盤病變可發生在青年時期［1-3］。

常規MRI、CT 是診斷椎間盤病變的主要檢查方法，MRI 還可以觀察椎間盤病變及鄰近的神經及軟組織結構的改變，在臨床廣為應用。近期提出的集成MRI 這一影像新技術，可以實現在單個采集中同時映射多個參數，縮短掃描時間，提供更方便的臨床應用。目前多用于神經系統方面的研究，在脊柱方面的應用并不多。因此，本文將分析集成MRI 對于腰椎間盤退變的應用價值，研究集成MRI 的不同參數值與國際常用的Pfirrmann 分級標準之間的關系，探討應用無創手段更具體地分辨出腰椎間盤退變的不同時期，為臨床診斷及新療法提供新的診斷工具。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究選取92 例在鄂爾多斯市中心醫院檢查的腰痛患者為腰痛組。納入標準：①影像資料完整（均進行常規MRI 與集成MRI 掃描）的患者。②年齡不小于18 歲。③有腰痛癥狀。排除標準：①不能配合MRI 檢查。②MRI 圖像不佳，影響數據測量。③脊柱側彎或同時合并其他脊柱疾病，如轉移、炎癥等。另外，收集20 例無腰痛癥狀的正常成年志愿者為正常對照組。

1.2 MRI 掃描

1.2.1 MRI 掃描方法及參數設置

使用GE SIGNA Premier 3.0 T 磁共振成像系統和脊柱線圈進行掃描。對被檢查者行仰臥位掃描，頭先入。所有被檢者進行腰椎常規MRI 掃描及矢狀位集成MRI 掃描。檢查序列如下：①矢狀位T1WI：掃描范圍為T12 至L2 水平，TR437ms；TEMin Full；矩陣320×256；視野32×32cm；層厚4mm；層間隔1mm。②矢狀位T2WI：掃描范圍為T12 至L2 水平，TR1921ms；TE850ms；矩陣320×256；視野32×32cm；層厚4mm；層間隔1mm。③軸位T2WI：掃描L1-2 至L5-S1 間盤層面，TR2008ms；TE90ms；矩陣320×256；視野20×20cm；層厚3mm；層間隔1mm。④矢狀位集成MRI：掃描范圍為T12 至L2水平，TR4000ms；TE132ms；矩陣320×256；視野30×30cm；層厚4mm；層間隔0.4mm。

1.2.2 影像后處理及數據測量

應用掃描磁共振操作臺的圖像編輯模塊（MAGIC）對集成磁共振序列的圖像進行后處理，測量并記錄不同層面腰椎間盤前纖維環、髓核及后纖維環的T1、T2、PD 值。由一名經驗豐富的影像科主任醫師協同測量，并且經過至少1 個月的間隔時間，再測量一次，最后記錄兩次測量的結果均值。影像科兩名主任醫師在不了解病患具體信息的情況下，根據掃描獲得的腰椎正中矢狀位T2WI 圖像對照Pfirrmann 分級標準對所掃描的L1-2 至L5-S1腰椎間盤劃分等級，兩人判定結果不一致時，共同商議后再次劃定腰椎間盤等級并記錄。Pfirrmann分級情況［4］，可見表1。

表1 Pfirrmann 分級情況

1.3 統計學分析

使用SPSS 26.0 與Graphpad Prism 9.3.0 統計軟件分析收集的所有數據。對定量數據進行正態分布檢驗。選取腰痛組Pfirrmann 分級I-III 級的患者與正常組志愿者結果比較，采用Mann-Whitney 檢驗評估腰痛組和正常對照組Pfirrmann 分級的差異，采用t 檢驗或Mann-Whitney U 檢驗比較腰椎間盤各部位的各定量值及其在腰痛組和正常對照組之間的差異。腰痛組各級別腰椎間盤不同部位的T1、T2、PD 值之間進行比較，用單因素方差分析（ANOVA）和Bonferroni 檢驗分析符合正態分布的數據，用Kruskal-Wallis H 檢驗和事后檢驗分析非正態分布的數據。采用有序回歸分析來評估T1、T2、PD 值對腰椎間盤變性綜合評價的作用。構建ROC 曲線并計算出曲線下面積（AUC）值、臨界值和P 值，對比有效值之間AUC 在統計學上的差異。以P＜0.05 認為有統計學差異。

2 結果

本研究以2021 年11 月至2022 年12 月鄂爾多斯市中心醫院收治的92 名患者（46.70±16.28 歲）和20 名志愿者（25.78±5.08 歲）為研究對象。腰痛組92 例患者共460 個腰椎間盤，根據Pfirrmann 分級分為I 級椎間盤98 個（21%），II 級椎間盤143 個（31%），III 級椎間盤137 個（30%），IV 級椎間盤58個（13%），V 級椎間盤25 個（5%）；正常對照組23 名志愿者共115 個腰椎間盤，I 級椎間盤59 個（51%），II級椎間盤44 個（44%），III 級椎間盤12 個（10%）。

2.1 腰痛組（I-III 級）與正常對照組腰椎間盤分級、定量值比較

兩組間Pfirrmann 分級差異有統計學意義（P＜0.001）。腰痛組（I-III 級）與正常對照組椎間盤不同部位各定量值的比較結果表示，兩組之間髓核的T1、T2、PD 值差異具有統計學意義（P 均＜0.001）。

2.2 各級別腰椎間盤的定量值比較

Pfirrmann 分級與腰椎間盤各部位T1 值、T2值、PD 值的Spearman 相關性分析見圖1。結果顯示，除前纖維環PD 值、后纖維環PD 值以外，Pfirrmann 分級與余下椎間盤不同部位的T1、T2、PD 值都呈負相關（P 均＜0.05），Pfirrmann 分級髓核的T1、T2、PD 值較其他部位定量值的相關性更顯著。對腰椎間盤變性Pfirrmann 分級的診斷價值認為，前纖維環T2 值（P=0.006）、髓核T1 值（P＜0.001）、髓核T2 值（P＜0.001）、髓核PD 值（P＜0.001）、后纖維環T2 值（P=0.008）在各分級組之間存在顯著差異。此外，事后檢驗發現，對于I-II 級，前纖維環T2 值（P=0.013）、髓核T1 值（P=0.007）、T2 值（P＜0.001）、PD值（P=0.006）有統計學意義；對于II-III 級，髓核T1、T2、PD 值（P 均＜0.001）有統計學意義；對于III-IV級，僅有髓核T2 值（P=0.009）有統計學意義。

圖1 腰痛組腰椎間盤各部位T1、T2 及PD 值與Pfirrmann 分級的相關性分析

2.3 腰椎間盤各定量值對Pfirrmann 分級的診斷效能

有序回歸分析有統計學意義的定量值（前后纖維環T2 值及髓核T1、T2、PD 值），見表2。結果顯示，只有髓核T1、T2 及PD 值具有統計學意義（P 均＜0.001）。構建出髓核T1、T2 及PD 值的ROC 曲線，記錄得到相應的AUC 值、臨界值和P 值，見表3。進一步比較髓核T1 值、T2 值及PD 值各自之間的AUC，見圖2。結果顯示，對于I-II 級之間，髓核T2 值的AUC 高于髓核T1 值，髓核T2 值的AUC 高于髓核的PD 值（P 均＜0.001）；對于II-III 級之間，髓核T2 值的AUC高于髓核T1 值（P=0.002），髓核T1 值的AUC 高于髓核PD 值（P=0.037），髓核T2 值的AUC 高于髓核PD 值（P＜0.001）；對于III-IV 級之間，髓核T2 值的AUC 高于髓核T1 值（P=0.007）；對于IV-V 級之間，髓核各定量值兩兩之間的診斷效能均無統計學意義。

圖2 腰痛組比較髓核T1 值、T2 值、PD 值對腰椎間盤變性的診斷效能

表2 腰痛組綜合評估腰椎間盤變性時各值的診斷價值

表3 腰痛組髓核T1、T2 和PD 值的ROC 曲線特征

3 討論

腰椎間盤常規MRI 診斷掃描僅限于形態學成像，而使用Pfirrmann 分級法評估腰椎間盤退變的嚴重程度主要集中在形態學和信號強度上［4］。一些學者也對T1 rho 成像進行了研究，但其有優點也有缺點。其優點是對早期軟骨損傷也敏感，報告了與放射學軟骨損傷、關節痛和功能障礙的相關性；其缺點是臨床或研究常規難以實施，需要高場強和高射頻脈沖能量水平，容易受主磁場內軟骨方向的影響。由于T1 rho 成像有一定的局限性，在臨床上應用較少［5］，所以有必要找到另一種客觀和準確的方法來評估椎間盤退變的程度。

本文研究了集成MRI 技術應用于腰椎間盤對于臨床應用的適應性。集成MRI 作為定量技術不僅在中樞神經系統疾病的應用中顯示出具有良好的前景，還被證明可應用于多種癌癥及軟骨組織疾病中［6］。相關研究發現，集成MRI 的T1、T2 和PD值在正常組、中度水合組和干燥組椎間盤中存在顯著差異，證明了集成MRI 在腰椎間盤退變定量映射中的價值［7］。在本研究中發現，腰痛組與正常對照組之間髓核的T1、T2、PD 值有顯著差異，推測集成MRI 可能具有分辨腰痛患者與正常人的潛力。

有研究表明，在成人中，蛋白多糖分別占髓核與纖維環干重的50% 和10%～20%，而膠原蛋白分別在髓核與纖維環中約占干重的15%～20% 和65%～70%［8］。正如Stelzeneder 等（2012）［9］在之前的研究中發現，與髓核相比，纖維環的值明顯較低，與本文結果一致，證明集成MRI 能夠表征椎間盤內不同的組織分區，即纖維環和髓核。腰椎間盤的退變多與軟骨破壞有關，但T2 值的變化是由含水量變化、膠原纖維紊亂及某些生化大分子（如蛋白多糖）的丟失所致。因此，通過成像確定腰椎間盤的早期變化可能實現非侵入性腰椎間盤的早期診斷、治療和預防。

椎間盤會隨著年齡的增長而發生退變，在MRI成像中具有T2 弛豫時間減少的特點。在椎間盤退變過程中，髓核中的水分和蛋白多糖會發生流失［9］。Pfirrmann 分級法評估了腰椎間盤退變的嚴重程度，根據腰椎MRI 矢狀面T2 加權圖像的結構、信號強度和椎間盤高度來判斷退變。多項研究報道，椎間盤含水量減少和蛋白多糖流失可導致T1 和T2 值下降［10-12］，T2 值隨著髓核Pfirrmann 分級的增加而趨于下降［9，13-15］。本研究發現，從集成MRI 中得到的T1、T2、PD 值隨著Pfirrmann 分級的增加而明顯下降，這與以前研究的結果相吻合［10］；前后纖維環的PD 值與Pfirrmann 分級沒有明顯相關性，這可能表明PD 值在前后纖維環的敏感性較差。I 級和II級之間以及III 級和IV 級之間的髓核T1、T2、PD 值有顯著差異。IV 級和V 級之間的定量值無顯著差異，這可能表明IV 級與V 級之間的病理差異主要是形態上的，而不是成分上的，并且IV 級與V 級之間，髓核各定量值兩兩之間的診斷效能均無統計學意義，進一步支持上述觀點。因此，從集成MRI 數據中獲得的T1、T2 和PD 值可以反映IVD 退化的程度，這一發現也表明，髓核的T1、T2、PD 值在腰椎間盤退化分級中比纖維環更敏感。DePalma 等（2011）［16］發現早期腰椎間盤退變主要涉及髓核，與本研究結果一致。

Nagy 等（2014）［17］提出，在確定椎間盤退變程度時，定量T2 mapping 比Pfirrmann 分級系統更可靠。先前的一項研究支持使用常規T2 mapping 來區分不同的Pfirrmann 分級，如本文中集成MRI 椎間盤T2 值的AUC 值所示［10］。Jiang 等（2020）［18］發現集成MRI 和T2 mapping 的T2 值有相似的AUC 值，并說明集成MRI 的T2 值測量是有效的。除了用于診斷的腰椎間盤退變評估外，T2 mapping 還被報道用于術后的評估［18-20］。集成MRI 易于使用且掃描時間短，很有潛力作為縱向監測治療過程的定量檢查手段。同時，還可以額外獲得T1 和PD 值，這可能為評估腰椎間盤退變提供更多有益的信息。此外，形態學和定量信息可以同時通過集成MRI 獲得。集成MRI 具有潛在的臨床價值，用于評估腰椎間盤的退化情況，反映疾病的嚴重程度及監測慢性腰痛的治療情況。T2 加權圖像可以從集成MRI 中獲得，但使用集成MRI 獲得的T2 加權圖像評估腰椎間盤退化的可行性需要進一步研究證實。

本研究的局限性主要涉及：基于視覺評估的Pfirrmann 分類被用作參考，等級分配可能存在主觀偏見；樣本量相對有限，臨床病患數據的缺乏，也限制了筆者對病患結果的結論；缺乏對椎間盤退變與組織學與病理切片的進一步研究分析。對椎間盤的T1、T2、PD 值進行時間較長（幾個月到幾年）的縱向研究調查，將有助于確定T1、T2、PD 值對椎間盤突出癥和其他椎間盤病變的意義。

4 結論

在本研究中，集成MRI 被證明是評估腰椎間盤退變的一種可靠和有效的方法，其一站式成像的特點有可能取代傳統的掃描。集成MRI 是一種潛在的可以定量評估腰椎間盤退變的無創措施，并最終可以在未來改善慢性腰痛的臨床研究（如不同療法前后）以及臨床實踐中監測組織成分的變化方面打開新的局面。