2. 614000 四川 乐山,武警四川总队医院放射科
2. Department of Radiology, Sichuan Provincial Corps Hospital of Chinese People's Armed Police Forces, Leshan, Sichuan Province, 614000, China
现代循证医学认为腰椎间盘退行性变(intervertebral disc degeneration, IVDD)是由遗传、创伤、营养、精神等多因素引起的一种生理性老化类疾病。随着年龄增长,椎间盘退变程度与腰痛发病率平行增高,提示椎间盘退变可能是引起腰痛的主要原因[1]。瑞士骨科医师Pfirrmann根据退变椎间盘的形态学变化、磁共振信号的减低程度以及髓核与纤维环的区分度等因素,半定量地将腰椎间盘退变分为5级[2-3],该分级法已经在世界范围内被相关专家学者广泛接受和认可,并已全面应用于临床。然而,Pfirrmann分级具有较强的主观依赖性,并且缺乏对早期退变的敏感性,因而其优势也有一定的局限性。
化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer,CEST)技术是近几年新兴的一套定量磁共振成像方法。它通过监测特定的生化物质所产生的磁共振信号的改变,进而推测出生物组织内部某种特异的生化物质的改变,已广泛应用于肿瘤、神经系统病变等多项领域的定量研究[4-8]。早有研究表明,椎间盘的退变与其内部黏多糖(glycosaminoglycan,GAG)丢失息息相关[9-10]。因此,黏多糖的化学交换饱和转移磁共振成像(glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer magnetic resonance imaging,gagCEST MRI)被开发并推广应用于椎间盘的定量磁共振成像领域,以监测椎间盘内部黏多糖含量的改变。已有模体研究报道该成像技术中的重要参数gagCEST与黏多糖的实际浓度具有正相关性[11]。国外小样本人体实验也证实,该成像的指标参数gagCEST与腰椎间盘的Pfirrmann分级和T2弛豫时间有一定的相关性[12]。由于腰椎间盘退变的早期只是椎间盘内部生化代谢的改变,难以被常规影像学检查所发现。本研究探讨gagCEST MRI在腰椎间盘退变早期、定量评估中的价值。
1 资料与方法 1.1 一般资料2016年5月至2017年5月通过广告招募和临床医师推荐的方式,在陆军军医大学第一附属医院脊柱骨科门诊纳入了临床诊断为非特异性慢性下腰痛的受试者37例,其中男性16例,女性21例,年龄18~74岁,平均48.3岁。纳入标准:①年龄18~80岁,男女不限;②慢性腰痛病史至少6个月;③患者自愿参加本研究,并签署知情同意书;④有腰椎间盘变性。排除标准:①体质量指数超过25 kg/m2;②脊柱的恶性疾病;③脊柱骨折、感染;④严重的腰椎侧凸畸形;⑤骶髂关节炎、类风湿性关节炎;⑥先前有过脊柱手术或脊柱的介入治疗;⑦受试者有磁共振成像的禁忌证。本研究通过陆军军医大学第一附属医院伦理委员会的审批(审批号:KY201764)。
1.2 MR成像方法应用Siemens 3.0T Trio MR系统对受试者分别进行腰椎间盘MRI矢状位TSE常规T2WI和T2*-mapping、CEST扫描:腰椎矢状位TSE的T2WI序列(TR/TE=3 200 ms/89 ms),扫描层数13层,层厚3 mm,FOV 329 mm×329 mm。T2*-mapping序列(TR/TE=90 ms/3.29、8.66、14.03、19.4、24.77、30.14、35.51、40.88 ms),扫描层数6层,层厚3 mm,FOV 350 mm×350 mm。CEST序列主要包括化学饱和转移序列CEST序列和水饱和转移定位(water saturation shift referencing,WASSR)序列两个序列:均采用单层面(选取腰椎矢状位中间层面)快速自旋回波序列,FOV均为68 mm×220 mm,WASSR序列(TR/TE=3 500 ms/9.1 ms);CEST序列(TR/TE=9 000 ms/8.8 ms),带宽299 Hz/Px。
1.3 实验分组及观测指标37例受试者每例测试L1/2~L5/S1五个椎间盘,共185个椎间盘,扫描受试者腰椎磁共振矢状位TSE的常规T2WI序列以及T2*-mapping、CEST序列,将185个椎间盘的T2WI矢状位图像按照Pfirrmann分级原则半定量的分为1~5级(表 1)。分别由2名5年临床工作经验的放射医师采用双盲法进行分级,最后由1名20年以上临床工作经验的放射医师综合2名的分级结果,得到最终分级结果。按照Pfirrmann分级,分为5组,对185个椎间盘的矢状位T2*-mapping、CEST扫描序列的图像后处理,选择矢状位正中间层面划定3个感兴趣区(region of interest, ROI),分别代表髓核、前纤维环和后纤维环对腰椎间盘T2*值(单位:ms)、gagCEST值(无单位)进行测量(前、后纤维环取平均值为纤维环的指标),ROI大小为10~20 mm2,其前后位置约平对椎体的前、中、后柱(图 1),避开上下椎体的终板及脑脊液。
Pfirrmann分级 | 结构 | 髓核与纤维环边界 | MRI信号强度 | 椎间盘高度 |
1级 | 均质,色亮白 | 清晰 | 高或等于脑脊液 | 正常 |
2级 | 非均质,有或无水平带 | 清晰 | 高或等于脑脊液 | 正常 |
3级 | 非均质,灰 | 不清晰 | 中等 | 正常至轻度降低 |
4级 | 非均质,灰或黑 | 消失 | 中等至低信号 | 正常至中度降低 |
5级 | 非均质,黑 | 消失 | 低信号 | 椎间盘高度塌陷 |
1.4 统计学分析
采用SPSS 22.0统计软件。数据以x±s表示,检验各组间的方差齐性,多组间比较采用单因素方差分析(方差齐)或多组比较的非参数Kruskal-Wallis H检验(方差不齐),事后多重比较采用LSD法(方差齐)或多个独立样本间两两比较的Nemenyi检验(方差不齐),相关分析采用Spearman等级相关。检验水准α=0.05。
2 结果 2.1 腰椎间盘退变的半定量分级将185个(37例受试者,每例测试L1/2~L5/S1五个椎间盘)腰椎间盘T2WI矢状位图像,依据Pfirrmann分级标准分为5级(表 2)。1级(正常组):N1=42(22.7%);2级(轻度退变组):N2=50(27.0%);3级(中度退变组):N3=28(15.1%);4级(重度退变组):N4=34(18.4%);5级(极重度退变组):N5=31(16.8%)。CEST序列因扫描图像运动伪影及场强不匀等原因,排除了68个椎间盘,实际有效的椎间盘数量为117,其分级情况见表 3。
Pfirrmann分级 | n(%) | T2*值(ms) | |
NP | AF | ||
1级 | 42(22.7) | 57.8±19.3 | 45.0±13.9 |
2级 | 50(27.0) | 47.4±14.8 | 32.1±10.1 |
3级 | 28(15.1) | 39.6±9.8 | 30.5±6.6 |
4级 | 34(18.4) | 30.3±5.2 | 25.4±4.9 |
5级 | 31(16.8) | 22.5±7.7 | 20.1±6.3 |
NP:髓核;AF:纤维环 |
Pfirrmann分级 | n(%) | gagCEST值 | |
NP | AF | ||
1级 | 31(26.5) | 589.23±29.24 | 566.96±27.54 |
2级 | 27(23.1) | 545.48±13.27 | 537.20±15.64 |
3级 | 19(16.2) | 502.51±19.51 | 507.95±21.89 |
4级 | 24(20.5) | 475.67±26.41 | 474.96±22.20 |
5级 | 16(13.8) | 354.15±49.76 | 365.84±51.53 |
NP:髓核;AF:纤维环 |
2.2 测量指标
测得T2*值和gagCEST值见表 2、3,其中1级髓核与纤维环T2*值和gagCEST值最高。随着退变程度Pfirrmann等级的增加,髓核与纤维环的T2*值和gagCEST值均出现下降的趋势。典型的T2WI腰椎间盘矢状位Pfirrmann分级及其对应的T2*和gagCEST map结果见图 2。
2.3 gagCEST值、T2*值与Pfirrmann分级的关系
腰椎间盘依据Pfirrmann分级的髓核、纤维环T2*值和gagCEST值见图 3,多组间比较差异均具有统计学意义(P<0.01),两两比较采用Nemenyi检验(只展示了逐级之间两两比较的结果,而没有展示跨级之间比较的结果),结果显示:髓核T2*值1级与2级和2级与3级之间差异无统计学意义(P>0.05),而gagCEST值在髓核1级与2级和2级与3级之间差异却具有统计学意义(P<0.05),说明该参数对早期腰椎间盘的退变具有一定的识别能力。髓核、纤维环与Pfirrmann分级的Spearman等级相关分析结果显示,髓核、纤维环的T2*、gagCEST值与Pfirrmann分级之间均呈负相关关系(P<0.001,T2*值:髓核,r=-0.803;纤维环,r=-0.682;gagCEST值:髓核,r=-0.951;纤维环,r=-0.938)。表明退变腰椎间盘髓核与纤维环的gagCEST值与Pfirrmann分级之间负相关性更显著。
3 讨论
人类椎间盘是由中央部分的髓核和外周部分的纤维环,以及上下软骨终板连接所构成。椎间盘的退变主要是由髓核与纤维环中水分子、黏多糖等生化物质的丢失所引起的。目前临床上对椎间盘退变的诊断手段有限,主要是磁共振T2WI和椎间盘穿刺造影术。而椎间盘穿刺造影术属有创检查,且术后并发症多,现已逐渐被摒弃。依赖于T2WI图像特征的Pfirrmann分级已被相关领域的专家学者所广泛接受和认可,成为诊断、评价椎间盘退变整个病程的影像学标准,有较高的一致性[3]。但Pfirrmann分级对诊断早期退变的价值有限,并且主观依赖性较强,缺乏客观定量的指标参数。研究证实早期椎间盘的退变只是其髓核与纤维环内部黏多糖含量的减少,而没有或少有形态学的改变及水分子的丢失[13-14]。因此,如何能够通过无创的方法对椎间盘内部黏多糖含量的变化进行监测,成为研究早期诊断椎间盘退变的热点问题。然而包括T2WI在内的常规磁共振成像在这一热点问题上是无能为力的[15]。较新的功能磁共振T2* mapping成像中的定量磁共振参数T2*,虽然已被相关研究所证实与退变椎间盘内部黏多糖的含量存在一定的相关性[16],但本研究发现正常组与早期轻度退变组之间,髓核的T2*值差异无统计学意义,说明T2*对早期椎间盘退变诊断的灵敏性和对退变早期椎间盘内部黏多糖丢失的监测力都是非常有限的。
随着定量磁共振技术的飞速发展,一些新的磁共振成像技术作为一种无痛、无创、无辐射的影像学辅助检查方法已经相继用来早期、定量地研究椎间盘的退变,例如活体内钠元素磁共振成像(in vivo sodium Na MRI)、定量高分辨魔角旋转核磁共振波谱(quantitative high-resolution magic angle spinning NMR spectroscopy)、T1rho加权成像(T1rho MRI)、质子T2成像(proton T2 imaging)、弥散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)和弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)等[17-21]。一系列相关的定量磁共振参数已经探索到常规磁共振成像所不能发现的早期退变椎间盘内部细微的生化改变,包括T1rho弛豫时间(T1rho relaxation time)、表观弥散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)和部分各向异性(fractional anisotropy,FA)等。但目前这些定量的磁共振参数与椎间盘内部的生物学组织特性到底有着何种的本质关联,尚不清楚。
gagCEST MRI是基于对生物组织内部黏多糖含量监测的定量磁共振成像技术,在国外已广泛应用于关节软骨、椎间盘等生物组织内部黏多糖含量的定量研究[22-23]。本研究将gagCEST MRI技术运用于腰椎间盘退变的评估,无创、定量地探索早期退变腰椎间盘内部黏多糖的丢失,突破了传统影像学方法在椎间盘病变检查方面主要进行解剖结构的成像、而少有器官组织内部功能及代谢方面的分析。本研究对比分析gagCEST、T2*两个定量磁共振参数与退变腰椎间盘Pfirrmann半定量分级的相关性及组间差异性,结果发现,gagCEST值与Pfirrmann半定量分级之间的相关系数(髓核:r=-0.951, P<0.001;纤维环:r=-0.938, P<0.001)明显高于T2*与Pfirrmann半定量分级之间的相关系数(髓核:r=-0.803, P<0.001;纤维环:r=-0.682, P<0.001),说明gagCEST值与腰椎间盘的退变程度之间有更好的相关性。并且gagCEST值显示出在Pfirrmann 1级与2级之间,即正常组与早期轻度退变组之间差异具有统计学意义。表明gagCEST值对退变早期腰椎间盘内部黏多糖的丢失具有较高的监测力,对早期退变的腰椎间盘具有较强的识别能力,而这点恰恰能够弥补常规T2WI和T2* mapping成像在诊断早期腰椎间盘退变能力上的不足[24-25]。本研究还发现,gagCEST值在Pfirrmann 4级与5级,即重度与极重度退变组之间差异无统计学意义,可能是因为在椎间盘退变的晚期,其内部的黏多糖含量已经处于一个很低的水平,而不再有或很少有黏多糖含量的减少了。此外,本研究发现,根据解剖部位腰椎节段的不同,腰椎间盘gagCEST值与T2*值亦存在一定规律:即腰椎间盘的位置越低,其髓核、纤维环的gagCEST值与T2*值也越低。对于这个现象,我们认为可能是腰椎间盘的位置越低,其所受应力越大,退变的可能性和程度也越大。
已有研究证实,越早发现和诊断椎间盘的退变,能够为临床治疗提供帮助[26-27],然而当前的Pfirrmann半定量分级尚不能为椎间盘退变提供客观量化的评估标准,也不能准确地对其进行早期诊断。本研究结果揭示,gagCEST定量磁共振成像的黏多糖含量分析可以发现早期椎间盘退变,并评估椎间盘退变的程度。在将来的临床诊断和治疗评估中,有望运用gagCEST定量磁共振成像方法,通过无创地评估椎间盘内部的黏多糖水平,来实现对椎间盘退变的早期定量诊断。但是,目前gagCEST序列的扫描时间较长,gagCEST单层面扫描1例椎间盘患者需要40~50 min。因此,在以后的gagCEST MRI研究中,为避免数据采集时由于扫描时间长,受试者过多运动伪影的产生,可以采取相应的镇静催眠措施。
虽然本研究结果显示出一定的临床价值,但仍然存在不足之处:首先,样本量显得略微不足;其次,没有能够通过手术或穿刺而获得受试者腰椎间盘的组织标本,因而没有得到其髓核与纤维环黏多糖含量的组织学金标准,只是以Pfirrmann分级为腰椎间盘退变的作为标准;再次,本研究没有结合受试者慢性下腰痛等一系列腰椎间盘退变相关的临床表现,而只是与Pfirrmann半定量分级做了相关性分析,部分原因是我们考虑到受试者的临床症状受多方面因素的影响,不一定与影像学表现一致[28]。今后将结合临床治疗及手术病理开展这方面更加精准的磁共振临床研究。
综上所述,腰椎间盘退变的进程中,髓核与纤维环黏多糖含量的丢失可被化学饱和转移的磁共振成像技术所定量监测,尤其是在退变的早期。并且黏多糖含量的gagCEST值显示出比T2*值与Pfirrmann半定量分级之间更好的负相关性。因此,化学饱和转移技术的磁共振成像方法可用于对腰椎间盘退行性变的早期、定量诊断与评估。
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