無癥狀成人腰椎間盤退變磁化傳遞率與椎間盤退變分級的相關(guān)性研究

郭安娜 嚴(yán)志漢 李清萍 章智敬 陳少卿 黃熒熒 葉佩佩 何家維

下腰痛是臨床常見病和多發(fā)病之一，常見原因?yàn)樽甸g盤退變[1]。已有研究發(fā)現(xiàn)椎間盤退變早在無癥狀階段就可發(fā)生，常規(guī)影像學(xué)方法無法提供早期、定量的診斷依據(jù)[2,3]。早期定量診斷椎間盤退變，有助于臨床盡早地采用生物學(xué)療法等非手術(shù)方法進(jìn)行干預(yù)，以延緩椎間盤退變的進(jìn)展[4,5]。磁共振磁化傳遞技術(shù)(magnetization transfer magnetic resonance imaging， MT-MRI)是一種選擇性組織信號抑制技術(shù)，磁化傳遞率(magnetization transfer ratio， MTR)值可以定量地反映椎間盤內(nèi)膠原含量的改變[6]。本研究旨在評估較大樣本無癥狀成人腰椎間盤髓核的MTR值與椎間盤退變分級的相關(guān)性，探討 MT-MRI技術(shù)對椎間盤退變的定量診斷價(jià)值。

對象與方法

1.研究對象：本項(xiàng)研究是前瞻性影像學(xué)研究，共納入2016年12月～2018年12月期間招募的290名無癥狀志愿者，其中，男性125名，女性165名，年齡22～74歲，平均年齡43.2±13.5歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：無癥狀成人(≥18周歲)；掃描圖像完整、清晰，掃描范圍包括L1～S1。排除標(biāo)準(zhǔn)：有急慢性腰痛者；脊柱側(cè)凸等脊柱畸形；腰椎腫瘤、感染等可能會引起椎間盤病變的疾??；既往有重體力勞動(dòng)相關(guān)職業(yè)史，脊柱骨折、手術(shù)或放化療史；妊娠、幽閉恐懼癥及有磁共振檢查禁忌證者。

2.掃描方法：采用3.0T GE Discovery MR750掃描儀，標(biāo)準(zhǔn)8通道CTL脊柱相控陣線圈，掃描序列包括：(1)矢狀位MT SPGR脈沖序列： TR 200ms，TE minimum，翻轉(zhuǎn)角10°，帶寬15.63kHz，層厚3 mm，矩陣256×256， FOV 24cm×24cm， NEX為2次。每例受試者進(jìn)行兩次掃描，一次不采用MT(MTR off)，一次采用MT(MTR on)，MT偏共振飽和脈沖頻率為1.2kHz。(2)常規(guī)序列：矢狀位FSE-T1WI序列(TR 1050ms，TE7ms)、FSE-T2WI序列(TR 2500ms，TE120ms)，橫斷位FSE-T2WI序列(TR 3000ms，TE120ms)。

3.腰椎間盤退變分級標(biāo)準(zhǔn)：椎間盤退變分級依據(jù)國際通用的Pfirrmann分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)椎間盤的高度、T2WI序列的信號強(qiáng)度變化等標(biāo)準(zhǔn)劃分為Ⅰ～Ⅴ級[3]。參考既往研究，將Pfirrmann分級Ⅰ～Ⅱ級的椎間盤歸為生理性退變范圍，Pfirrmann分級Ⅲ～Ⅴ級椎間盤歸為退變椎間盤[7，8]。由兩名超過5年經(jīng)驗(yàn)的放射診斷醫(yī)生，獨(dú)立評估所有椎間盤的Pfirrmann分級，結(jié)果有異議時(shí)經(jīng)協(xié)商達(dá)成一致。

4.腰椎間盤磁化傳遞率(MTR)測定：通過GE專用AW4.6后處理工作站，獲得MTR減影圖(off-on)。根據(jù)矢狀面椎間盤的長徑五等分，取中間的約3/5作為髓核ROI，手動(dòng)勾畫ROI， ROI的形狀選擇橢圓形，勾畫時(shí)避開椎體的軟骨終板、血管和骨贅。根據(jù)公式MTR(%)=(MTR off-MTR on)/MTR off×100%，計(jì)算出各椎間盤感興趣區(qū)的MTR值[6]。MTR值由兩名放射診斷醫(yī)生分別測量，結(jié)果取平均值，并計(jì)算測量值的觀察者間組內(nèi)相關(guān)性系數(shù)(ICC)，詳見圖1。

圖1 腰椎間盤矢狀位T2WI序列及MT序列圖像A.T2WI圖像；B.MTR on圖；C.MTR off圖；D.MTR減影圖(off-on)，C圖上勾畫各椎間盤的ROI復(fù)制到D圖

結(jié) 果

1.腰椎間盤退變分級結(jié)果：根據(jù)Pfirrmann分級標(biāo)準(zhǔn)， 1450個(gè)椎間盤中，Pfirrmann分級Ⅰ級77個(gè)(5.31%)，Ⅱ級906個(gè)(62.48%)，Ⅲ級317個(gè)(21.86%)，Ⅳ級140個(gè)(9.66%)，Ⅴ級10個(gè)(0.69%)。正常生理性退變范圍的Ⅰ～Ⅱ級椎間盤約占67.79%(983/1450)，退變的Ⅲ～Ⅴ級椎間盤約占32.21%(467/1450)。

2.髓核MTR值測量的重復(fù)性評價(jià)：兩名放射診斷醫(yī)生MTR(off-on)測量值的組內(nèi)相關(guān)性系數(shù)(ICC)為0.964(P=0.000)，變異系數(shù)(CV)為3.38%，MTR off測量值的ICC為0.944(P=0.000)，CV為2.85%，測量值的觀察者間可信度良好。

3.髓核MTR值的性別差異及與年齡的相關(guān)性：將志愿者分為20～29歲、30～39歲、40～49歲、50～59歲和≥60歲年齡組，在20～29歲及≥60歲這兩個(gè)年齡組男性、女性之間的髓核MTR值比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.702，P=0.106)，其余年齡分組的髓核MTR值均存在性別差異(P=0.004，P=0.000，P=0.000)，且各個(gè)年齡組女性的髓核MTR值均高于男性,詳見表1。男性、女性的髓核MTR值與年齡均呈正相關(guān)(r=0.366，P=0.000；r=0.416，P=0.000)。

表1 不同性別、年齡分組的MTR值

4.髓核MTR值與BMI、椎間盤節(jié)段的相關(guān)性:腰椎間盤髓核MTR值與BMI、節(jié)段均呈正相關(guān)(r=0.206，P=0.000；r=0.233，P=0.000)。上位椎間盤節(jié)段(L1/2、L2/3)與下位椎間盤節(jié)段(L4/5、L5/S1)的髓核MTR值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)，詳見表2。

表2 不同腰椎間盤節(jié)段之間髓核MTR值的比較

5.髓核MTR值與Pfirrmann分級的相關(guān)性:Pfirrmann分級Ⅰ級的髓核MTR值約為24.44%±5.30%；Ⅱ級約為24.45%±4.23%； Ⅲ級約為29.08%±4.09%；Ⅳ級約為31.27%±4.81%；Ⅴ級約為31.93%±6.36%。隨著Pfirrmann分級升高，髓核MTR值逐漸增高，髓核MTR值與Pfirrmann分級呈中度正相關(guān)(r=0.503，P=0.000)。Bonferroni事后檢驗(yàn)結(jié)果顯示Pfirrmann分級Ⅰ和Ⅱ級之間，Ⅲ和Ⅴ級之間以及Ⅳ和Ⅴ級之間的髓核MTR值比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=1.000、P=0.407、P=1.000)，其余各組間比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)。生理性退變的椎間盤(Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ級)和退變椎間盤(Pfirrmann Ⅲ～Ⅴ級)的髓核MTR值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)，詳見表3。

表3 不同Pfirrmann分級之間髓核MTR值的比較

6.髓核MTR值評價(jià)椎間盤退變的效能:使用髓核MTR值評價(jià)退變椎間盤，繪制ROC曲線，計(jì)算曲線下面積(AUC)。ROC曲線的AUC為0.820，髓核MTR值的cut-off值為26.75%，其評價(jià)退變椎間盤的敏感度為0.786，特異性為0.724。

討 論

本研究中Pfirrmann Ⅱ～Ⅲ級椎間盤所占比例最高(約占84.34%)，Ⅴ級的椎間盤所占比例最低，Ⅰ級椎間盤的比例也較低，說明了在無癥狀人群中椎間盤退變的發(fā)生率較高，這也與Hiroaki等[2]的研究結(jié)果一致。椎間盤退變早在無癥狀階段就已經(jīng)發(fā)生，早期診斷，早期治療，對于延緩椎間盤退變的進(jìn)展以及改善患者的預(yù)后至關(guān)重要。

1.髓核MTR值評價(jià)椎間盤退變的效能：本研究發(fā)現(xiàn)髓核MTR值與Pfirrmann分級呈中度正相關(guān)(r=0.503，P=0.000)。Pfirrmann分級是國際通用的椎間盤退變分級方法，髓核MTR值與Pfirrmann分級較好的相關(guān)性證明了髓核MTR值可以有效地量化評價(jià)椎間盤退變。雖然本研究中Pfirrmann分級Ⅰ和Ⅱ級，Ⅲ和Ⅴ級以及Ⅳ和Ⅴ級之間的髓核MTR值比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=1.000，P=0.407，P=1.000)，但本研究中Pfirrmann Ⅰ級椎間盤僅占5.31%，Ⅴ級僅占0.69%，這可能是導(dǎo)致這些組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的原因，而其余組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)，這證實(shí)了MTR值可以較好地區(qū)分不同Pfirrmann分級椎間盤之間的差異。筆者還發(fā)現(xiàn)正常生理性退變椎間盤(Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ級)和退變椎間盤(Pfirrmann Ⅲ～Ⅴ級)的髓核MTR值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)，ROC曲線的AUC為0.820， cut-off值為26.75%，其評價(jià)退變椎間盤的敏感度為0.786，特異性為0.724，證明了髓核MTR值具有較好的定量評價(jià)椎間盤退變的效力。本研究是目前較大樣本的腰椎間盤MT-MRI研究，研究結(jié)果有力證實(shí)了MT-MRI技術(shù)用于定量評估椎間盤退變的可行性，下一步或可進(jìn)行多中心的大樣本研究來制定通用的量化分級標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于椎間盤退變的診斷與治療中。

2.基于MTR分析無癥狀成人腰椎間盤的退變規(guī)律：本研究發(fā)現(xiàn)了髓核的MTR值與年齡、BMI、椎間盤節(jié)段的相關(guān)性及變化規(guī)律。本研究中髓核MTR值與年齡呈正相關(guān)，隨著年齡增長，髓核MTR值逐漸增高，說明年齡是椎間盤退變的一項(xiàng)重要影響因素，這與何杰等[9]的研究結(jié)果相符合。Han等[10]開展的一項(xiàng)頸胸段椎間盤MT-MRI研究也發(fā)現(xiàn)，頸胸段椎間盤髓核的MTR值與年齡呈正相關(guān)。早期一項(xiàng)關(guān)于供體腰椎間盤的MT-MRI研究證實(shí)磁化傳遞效應(yīng)(MT)與膠原含量呈正相關(guān)， MTR值可定量反映椎間盤內(nèi)膠原含量的改變[6]。研究表明椎間盤變性的早期，椎間盤髓核出現(xiàn)蛋白多糖含量減低、水含量減少，同時(shí)伴有Ⅱ型膠原蛋白合成減少、Ⅱ型膠原變性和Ⅰ型膠原合成增多，也就是說椎間盤變性過程中髓核內(nèi)膠原成分的種類和含量會發(fā)生改變，膠原可作為椎間盤退變的一項(xiàng)重要生物學(xué)標(biāo)志物，這也是髓核MTR值隨年齡變化的主要原因[11,12]。

本研究中髓核MTR值存在性別差異(P=0.000)，并且各年齡分組女性的髓核MTR值均高于男性。Müller-Lutz等[13,14]研究發(fā)現(xiàn)，男性、女性的髓核gagCEST值及T2弛豫時(shí)間存在差異。這些研究結(jié)果均提示在椎間盤退變的過程中男性、女性的椎間盤生化改變可能有所差異，但這需要聯(lián)合椎間盤退變相關(guān)病理生理學(xué)研究來進(jìn)一步證實(shí)。

本研究發(fā)現(xiàn)髓核MTR值與BMI呈正相關(guān)(r=0.206，P=0.000)，這項(xiàng)研究結(jié)果提示BMI是椎間盤退變的一項(xiàng)危險(xiǎn)因素，BMI的升高可能加速椎間盤的退變。Teraguchi等[15]開展的一項(xiàng)關(guān)于椎間盤退變影響因素的研究中發(fā)現(xiàn)，肥胖與Pfirrmann分級有關(guān)。Müller-Lutz等[13,14]研究發(fā)現(xiàn)，BMI與gagCEST值以及T2弛豫時(shí)間均呈負(fù)相關(guān)。BMI升高可能會增加腰椎的受力、從而加速椎間盤的退變，因此筆者認(rèn)為在椎間盤退變的預(yù)防和治療中需考慮到BMI的影響。

本研究還發(fā)現(xiàn)髓核MTR值與椎間盤節(jié)段呈正相關(guān)(r=0.233，P=0.000)，下位腰椎間盤的髓核MTR值高于上位腰椎間盤(P=0.000)，隨著解剖節(jié)段的降低，椎間盤退變的數(shù)量增加、程度加重，與李丹等[16]的報(bào)道相符。這可以從生物力學(xué)的角度解釋，下位腰椎負(fù)荷的重力更大，并且位于腰骶部交界處、活動(dòng)度較大，這些因素都會加速椎間盤的退變。本研究證實(shí)髓核MTR值可以較敏感地反映下位腰椎間盤與上位腰椎間盤之間的退變差異，可以早期定量地診斷下位腰椎間盤的退變。

本研究尚存在一些不足，沒有結(jié)合T2圖像、DTI成像等其他定量磁共振技術(shù)進(jìn)行對比研究，另外腰椎間盤髓核ROI的勾畫不夠精準(zhǔn)，下一步應(yīng)開發(fā)更精確的自動(dòng)分割ROI軟件。

綜上所述，本研究證實(shí)了腰椎間盤髓核MTR值與椎間盤退變分級的相關(guān)性，并基于髓核MTR值分析了無癥狀成人腰椎間盤退變的影響因素及變化規(guī)律，腰椎間盤MT-MRI技術(shù)可作為椎間盤退變的一項(xiàng)重要的定量檢測工具。