基于MRI的腰椎间盘退变程度评价系统的研究进展

苏明海，陈建民

（解放军第81医院骨科，江苏 南京 210002）

针对腰椎间盘退变建立一套良好的退变分级系统，对回答由椎间盘退变引起的各种各样的临床问题以及指导治疗是十分必要的。如何更好地利用MRI来有效评价腰椎间盘退变的程度是新近研究的热点。

1 定性研究评价系统

早期的分级系统多以T1WI和T2WI的MRI图像为基础进行分类，为定性研究。

1.1 髓核及纤维环退变MRI分级标准

2001 年，Pfirrmann 等[1]提出了一种椎间盘退变分级标准。I级：髓核呈均匀的高信号，同脑脊液信号，纤维环与髓核分界清晰，椎间盘高度正常；II级：髓核呈不均匀的高信号，同脑脊液信号，髓核内有或没有水平状信号带，纤维环与髓核分界清晰，椎间盘高度正常；Ⅲ级：髓核呈不均匀的中等信号，纤维环与髓核分界不清晰，椎间盘高度正常或轻度下降；IV级：髓核呈不均匀的中等或低信号，髓核与纤维环不能区分，椎间盘高度正常或中度下降；V级：髓核呈不均匀的低信号，髓核与纤维环不能区分，椎间隙重度狭窄。I、Ⅱ级为正常椎间盘，Ⅲ～V级为退变椎间盘。这套分级系统在临床应用过程中显现出一些不足：（1）该系统的基础是建立在一组平均年龄40岁左右有症状患者上的，对一些早期症状不典型的椎间盘退变发现能力有限；（2）在各项指标强弱的判断上，利用这套系统对老年人腰椎间盘退变进行分级时，不同的观察者看法不同，特别是在PfirrmannⅢ级和Ⅳ级判定时。

Griffith等[2]于2007年提出了改良的Pfirrmann椎间盘退变分级系统，1级为正常椎间盘，8级退变最严重。改良的Pfirrmann分级系统易于理解、应用、可靠性好，有助于对椎间盘退变进行分级。

1.2 终板退变的MRI分级标准

Modic等[3]于1988年提出终板退变评估分级方法，I型为TlWI上终板及终板下骨表现为低信号，T2WI上为高信号；Ⅱ型为T1WI高信号，T2WI为等信号或轻高信号；Ⅲ型在T1WI、T2WI上均表现为低信号，与平片上致密骨硬化对应，多见于老年椎体。1990年，Miller等[4]将Modic退变分为4级，0级正常，无退变；1级相当于Modic I型；2级相当于Modic II型；3级相当于ModicⅢ型。此分类法将正常的MRI表现包括在内，有利于研究时统计分析。Modic分级具有良好的可靠性和可重复性，简单，有利于不同临床经验的观察者掌握。Wang等[5]根据形态学特征将终板损伤分为4型，在腰椎中终板损伤是常见的和年龄相关紧密，认为终板损伤的分类有助于理解先前关于Schmorl’s结节报道的不一致性，并将进一步增强对于Modic改变和腰椎退变的理解。Wang等[6]认为不同于纤维环破裂，终板损伤作为下腰痛的可能因素在某种程度上被忽视了。终板损伤也许是更好地理解腰椎间盘退变和下腰痛的重要关键所在。也有学者认为终板骨折导致邻近椎间盘内应力不正常的分布，增加了椎间盘内紊乱和退变的机会，但此效应在下腰椎的发生机率明显下降[7]。随着椎间盘退变机制研究的深入，关于终板退变的MRI评估期待会有突破。

1.3 MRI结合失真-补偿X线测量法评价

刘增胜等[8]用Frobin的失真-补偿X线测量法测量实验组98例（291个）、对照组200名（597个）腰椎间盘的高度值。按照MR髓核信号变化和椎间盘有无突出，将实验组291个腰椎间盘分成A～F组，比较各组腰椎间盘高度值与对照组之间的差异。结果表明：腰椎间盘退变先于其高度降低，腰椎间盘高度的降低出现于退变后期，退变早期不伴有高度降低。

1.4 MRI结合椎间盘造影及X线片的综合分类系统

单独以MRI为基础的分类系统忽视了后方关节突关节退变的描述。Thalgott等[9]将MRI检查、椎间盘造影及腰椎正侧位X线平片三种检查手段结合起来建立了一套新的腰椎节段退变分级系统。该系统将腰椎节段退变分为两部分。前柱退变分为A-F型。后柱退变分为三级：l级，无关节突关节退变；2级，关节突关节退变，无狭窄；3级，关节突关节退变有狭窄。关节突关节狭窄又分为a中心性狭窄、b侧方狭窄、c椎间孔狭窄。这套分类系统主要是针对腰椎间盘置换手术而设定的，试图将不同分级的腰椎间盘退变和相应的外科治疗手段对应起来。该系统存在的缺点：（1）分级上较繁琐，指标较多；（2）分级上没有使用CT检查，而CT检查对关节突关节退变和椎管狭窄的诊断准确性应该更高。

2 定量研究评价系统

常规MRI可观察椎间盘形态和信号及其与神经根的关系，在临床治疗中发挥着重要作用，但其局限显而易见，尤其是对椎间盘变性的髓核变化及其早期改变的发现。无创定量诊断椎间盘退变已越来越受关注。

2.1 磁共振T2map定量和T2*map定量评价

以矢状位MRI图像的分级系统能同时发现椎间盘的不同层面以及相邻结构的变化，但对椎间盘横断面的信息反应较少，不利于对早期椎间盘退变的发现。Watanabe等[10]在前人MRI分级的基础上建立了一套轴向T2图像分级系统。其优点在于能对椎间盘横断面上的结构完整性及分子组成进行定量的评价观察[11]，通过不同的回波序列，将采集的T2信号经过MATLAB软件处理，获得一张彩色椎间盘T2图像。为区分髓核和纤维环，在色差度上设置了一个20 ms到80 ms的范围，短T2用红色代表，长T2用蓝色代表。退变程度的不同，髓核和纤维环的颜色也不同，能较直观地反应髓核和纤维环的信号差别。牛刚等[12]研究认为基于T2map成像定量测定腰椎间盘髓核T2值的变化是一种无创评价椎间盘早期退变的方法。但该系统也存在一些不足：（1）研究对象是一组平均年龄32岁无症状的青年人，退变程度和临床症状之间的联系难以评价。（2）由于没有对应的椎间盘退变组织学研究，椎间盘退变和确切的组织学变化之间的关系难以定性。（3）髓核组织的含水量存在着昼夜变化，对T2图像的采集会影响对分级结果的判定。（4）图像采集的分辨率较高，采集时间较长，限制了它的临床应用。

T2*map成像原理和对组织的量化描述与T2map基本相同，但对比度更加清晰。采用梯度回波技术，明显缩短扫描时间，信噪比也较高，在临床应用上优于T2map成像[13]。沈思等[14]研究认为，应用T2*map可能对椎间盘早期退变以及继发的损伤进行前瞻性定量评价，在研究椎间盘退变发病机理、无创评价退变程度、治疗效果以及预后判断等方面具有潜在临床应用价值。

2.2 T2值和T2相对值测量

方元等[15]研究利用T2值对无重度椎间隙狭窄的腰椎间盘退变进行相关性研究，并尝试着进行量化评估。结果表明：T2值与椎间盘退变的级别具有显著相关性，在4级以前几乎呈线性关系。通过测量轴位椎间盘中心区域T2值能够很好的评价椎间盘退变程度，并可以更准确的量化椎间盘退变分级，弥补了Pfirrmann分级受主观影响的不足，但由于T2值还受室内温度、场强等因素影响，尚不能成为替代传统的椎间盘分级标准。Niinimaki[16]认为I、Ⅱ级椎间盘为正常椎间盘，利用T2map量化分析没有考虑到T2值受到场强、体内温度、选取不同TE时间及T2值的算法等多种因素影响，在不同的机器上测量会得到不同的T2值，不同机器、不同扫描方法得出的T2值又缺乏可比性，因此尚不能成为替代传统的椎间盘分级标准。

为了消除外在因素对T2值的影响，方元等[17]利用相对稳定的背部脂肪的T2值作为参数，将椎间盘的T2值与之相除得到T2相对值（T2ratio），结果显示T2ratio与椎间盘退变Pfirrmann分级具有很好的一致性，随着椎间盘退变级别的升高，T2ratio也明显随之增大。T2ratio更准确的对椎间盘进行退变分级，为椎间盘退变的早期分级提供了一个相对量化标准，为实现椎间盘退变分级的准确量化提供一个简单、实用的评价方法，具有很强的临床实用价值。

2.3 DWI和DTI对腰椎间盘早期退变的诊断

水分子的弥散运动表现为布朗运动，即随机平移运动，分为两种：各向同性弥散与各向异性弥散。磁共振弥散加权成像（DWI）和磁共振弥散扩张成像（DTI）对水分子的扩散运动敏感，能早期了解纤维环和髓核含水量的变化，从而明确其变性程度。众多学者关注DWI在椎间盘生理、功能及病理方面的研究。Eguchi等[15]运用DWI评价腰椎椎间盘突出，发现ADC值可定量分析压迫神经根的病理变化，有助于解释神经根的放射性疼痛。但也有学者持不同意见：认为从目前的技术水平来看，正常椎间盘与退变椎间盘ADC值有很大程度的重叠，ADC值的测量对于腰椎椎间盘退变的诊断没有明确的临床价值[16]。

通过在多个方向上施加弥散敏感梯度，测量水分子扩散的程度和方向并生成FA图，DTI是目前能够描述水分子弥散方向特征的新技术。张娅等[19]研究结果显示DTI可定量评价椎间盘退变。DTI可以定量分析退变椎间盘早期髓核弥散能力的下降，并与Pfirrmann分级具有较高的相关性。ADC值下降早于T2WI形态学和信号改变。

DWI和DTI可以对腰椎间盘早期退变的诊断提供依据，有助于理解椎间盘退变的发生机制。沈思等[20]研究表明：ADC值和FA值能体现椎间盘水分子弥散能力，量化反映椎间盘退变早期髓核的生化状态。

2.4 T1ρ成像技术在椎间盘退变中的应用

T1WI和T2WI序列是通过不同组织T1及T2弛豫时间的不同提供软组织对比。其成像前提是假设水分子处于自由状态，但事实上组织中的水分子多与大分子捆绑在一起，两者之间经常发生能量或质子交换等相互作用。T1ρ成像是一种探索缓慢运动中分子相互作用引起弛豫的成像方法，T1ρ成像能反映自由水与结合水之间的这种相互作用。T1ρWI可以提供椎间盘蛋白多糖含量的特定信息，有望成为临床发现早期椎间盘退变的有用的量化工具。T1ρ值和Pfirrmann分级呈正相关，但T1ρ值在健康人群椎间盘中的分布区间广泛意味着Pfirrmann分级对于判断椎间盘退变程度的敏感性较低[21]。

2.5 磁共振波谱成像

磁共振波谱成像是一种无创研究活体器官组织代谢、生化变化及化合物定量分析的方法，是影像学近年来发展的新的检查手段。Zuo等[22]研究了人及牛尸体的椎间盘退变，首次证实了磁共振波谱成像可以作为一种无创性方法定量描述椎间盘退变的代谢变化。

3 展望

目前，尚没有一种MRI分型系统能够完全反映椎间盘在各种影像学上所有表现，能够真正满足临床需要。关于评估椎间盘退变的理想分型系统还需要进一步研究。一个理想的评价系统应该具有以下一些特征：（1）简单，易于应用；（2）敏感性高，能够发现一些细微结构早期的变化；（3）区分能力强，不容易在分级之间产生太多分歧；（4）可靠性高，观察误差较小；（5）紧密结合临床，并且对临床治疗的选择具有较强的指导意义。

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