表观弥散系数在腰痛患者腰椎间盘退变评估中的应用价值

张青波，李伟，曹云，杨庆国

(安徽医科大学第一附属医院脊柱外科，安徽 合肥 230022)

下腰痛已成为全球最大的公共卫生问题之一，约有2/3的成人曾经出现过不同程度的下腰痛[1-2]。下腰痛与椎间盘退变的关系目前还未完全明确，尽管如此，继发于椎间盘退变的盘源性疼痛是下腰痛最主要的原因[3]。椎间盘退变是一个复杂的过程，涉及胶原蛋白和蛋白多糖的降解及水分的丢失及纤维化[4-5]。目前临床上诊断腰椎间盘退变的常用方法有X线，CT及MRI，其中X线和常规CT是评价椎间盘形态和反应性骨改变的常用影像学检查方法[5]。标准的X线片上，椎间隙狭窄、椎体形变以及椎体边缘形成骨赘是腰椎间盘退变的指标，CT诊断腰椎间盘退变则是依靠其横断面上腰椎间盘的轮廓[6]。MRI作为一种无创、无辐射的检查方法，已广泛应用于人体疾病的诊断，随着MRI技术的不断发展，如高场强、高分辨率的磁共振仪的研发及应用，MRI已成为诊断腰椎间盘退变最常用、最精确的检查方法。临床上通常采集T1WI、T2WI等常规序列影像，比如Pfirrmann分级系统依据T2WI序列正中矢状位椎间盘的信号强度、椎间盘形态及椎间隙改变等指标评价椎间盘的退变。尽管如此，普通的X线、CT及常规的MRI检查技术均不能发现形态学改变之前的早期椎间盘退变。其次，Pfirrmann分级系统是一种主观评价体系，易受人为因素的影响而不能很客观的评价椎间盘的退变[7]。因此，需要更敏感和精准的方法来评价椎间盘的退变。

弥散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)是一种以水分子的布朗运动为基本原理的成像技术，是目前唯一一种可以检测活体组织中水分子弥散特征的技术手段[8]。腰椎间盘是人体最大的无血管结构，其髓核的营养供应及代谢产物的清除均通过扩散的形式来完成[9]。椎间盘退变的早期，髓核细胞外水分的丢失及蛋白多糖的降解导致椎间盘内水分子扩散能力减弱。DWI的参数表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值作为一个定量测量指标，可以客观的反应椎间盘组织中水分子的弥散能力。因此DWI技术被用于早期椎间盘退变的评估。

近年来，学者的研究多是对新鲜标本或志愿者不同退变程度的椎间盘ADC值的测量比较[10-11]，而系统评估ADC值在诊断早期腰椎间盘退变中的价值的研究较少。本研究的主要目的是通过分析腰痛患者的腰椎间盘ADC值，评价椎间盘退变的程度及其影响因素与ADC值的相关性，从而评估ADC值在椎间盘退变评估中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入标准：a)腰部无明显外伤史；b)腰痛反复发作，无明显下肢放射性疼痛。排除标准：a)腰部手术及外伤史；b)病理性损伤如骨肿瘤、脊柱结核、脊柱感染、复合型脊髓损伤；c)全身疾病如自身免疫性疾病、糖尿病及继发性肥胖；d)不能接受的MRI检查，如幽闭恐惧症患者和依从性差的患者。所有受者均签署知情同意书。共纳入2016年12月至2017年4月我院脊柱外科接诊符合上述标准的腰痛患者60例，其中男26例，年龄26～66岁，平均(49.6±10.9)岁；女34例，年龄26～68岁，平均(48.2±10.2)岁。

1.2 MRI成像 应用GE Medical Systems Signa HDxt 3.0T磁共振仪对所有入选患者行MRI扫描，取仰卧位，头先进。选择专用脊柱线圈行T1WI、T2WI常规扫描及DWI扫描。脊柱扫描常规选用矢状位快速自旋回波序列(fast spin echo，FSE)T1WI、快速恢复快速自旋回波序列(fast recovery FSE，FRFSE)T2WI及平面回拨序列(echo-planar imaging，EPI)DWI扫描。T1WI参数：重复时间(repetition time，TR)=640 ms，回波时间(echo time，TE)=12.2 ms，层厚=4 mm，层距=4 m，层数=11，扫描野(field of view，FOV)=320 mm，脉冲重复激发次数(number of excitations，NEX)=2。T2WI参数：TR=2 500 ms，TE=109.84 ms，层厚=4 mm，层距=4 mm，层数=11，FOV=320 mm，NEX=2。DWI参数：TR=4 000 ms，TE=67.4 ms，b值=600 s/mm2，层厚=4mm，层距=4 mm，层数=11，NEX=4，FOV=320 mm。

1.3 图像后处理及数据采集

1.3.1 椎间盘Pfirrmann分级 全部扫描后获得原始数据，将所有数据传入GE AW5工作站处理。由两名经验丰富的MRI诊断医师选取T2正中矢状位图像，根据矢状位T2像椎间盘髓核的信号、形态及椎间盘高度等分级标准(见表1)进行Pfirrmann分级[12-13]。观察者独立审阅L1～2～L5S1的每一个椎间盘，并进行分级(见表2)，意见不一致时，经讨论后取得一致意见。

表1 腰椎间盘退变的Pfirrmann分级标准

1.3.2 感兴趣区的设置(regions of interest，ROI) 数据传入GE AW5工作站的Functool软件，由一位MRI诊断医师选取DWI图像行ADC值的测量。测量时选取扫描的中心层面放置椭圆形ROI，大小为25～30 mm2。ROI放置在椎间盘的中间层面，避开上下终板及前后纤维环。每个椎间盘由前向后依次放置3个ROI，分别代表髓核前部，髓核中部和髓核后部，放置ROI后软件自动计算出ADC值，最终取3个ROI的平均值作为椎间盘的ADC值来做数据分析。测量每个患者的L1～2～L5S1椎间盘的ADC值，记录数据。

1.3.3 BMI收集 收集每位患者身高及体重，根据体重/身高2(kg/m2)计算每个患者的身体质量指数(body mass index，BMI)[14]，并记录数据。

1.3.4 视觉模拟评分 根据视觉模拟评分法采集纳入患者的疼痛评分。0分：无痛；3分以下：有轻微的疼痛，能忍受；4～6分：疼痛并影响睡眠，尚能忍受；7～10分：有渐强烈的疼痛，疼痛难忍，影响食欲，影响睡眠。

1.4 统计学分析 采用SPSS 17.0统计学软件进行数据分析。两位医师之间Pfirrmann分级的一致性用Kappa检验进行评估[15]；采用ANOVA随机区组设计分析不同退变等级、不同节段间ADC值差异，如有差异进一步行Student-Newman-Keuls(SNK)法两两检验；Spearman等级相关用于检验不同Pfirrmann分级与ADC值间的相关性，Pearson相关检验VAS、体重指数与ADC之间的相关性；采用多元线性回归分析体重指数，年龄对ADC值的影响。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

本研究60例患者均行MRI扫描，共300个椎间盘全部纳入研究。两名影像医师独立行椎间盘Pfirrmann分级，两者之间K值为0.852，P<0.05，两观察者Pfirrmann分级一致性较好。

2.1 各级别椎间盘个数的年龄分布(见表2) 椎间盘分级大多为Ⅱ～Ⅳ级，除男女20～39年龄组，其余所有年龄组均发现少数Ⅴ级椎间盘。退变级别高的椎间盘多见于年龄大的患者，患者年龄越大，椎间盘退变分级越高。

表2 男、女不同年龄组腰椎间盘Pfirrmann分级

2.2 不同Pfirrmann分级椎间盘ADC值比较(见表3) 不同级别椎间盘的ADC值比较，差异具有统计学意义(F=125.315，P<0.05)。Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅳ级与Ⅴ级间比较，差异无统计学意义，其余各级间比较，差异具有统计学意义(P<0.05)。ADC值与Pfirrmann分级呈明显负相关(r=-0.796，P<0.05)。

表3 Pfirrmann分级与ADC值

2.3 VAS评分与Pfirrmann分级、ADC值的相关性 Pfirrmann分级与VAS评分呈正相关(r=0.573，P<0.05)，ADC值与VAS评分呈高度负相关(r=-0.826，P<0.05)。

2.4 不同节段椎间盘ADC值比较(见表4) 60例患者不同节段ADC值差异有统计学意义(P<0.05)。按照体重指数分类标准[15]分为正常19例(BMI=18.5～23.9 kg/m2)，超重21例(BMI=24.0～27.9 kg/m2)和肥胖20例(BMI≥28.0 kg/m2)。同一体重分组内L1～2与L2～3、L4～5与L5S1间比较差异无统计学意义(P>0.05)，其余各节段间比较差异均有统计学意义(P<0.05)。相同节段内不同体重分组间ADC值比较差异均有统计学意义(P<0.05)，体重指数越大，腰椎间盘退变越明显。

表4 不同节段椎间盘ADC值比较

2.5 腰痛患者腰椎间盘ADC值影响因素分析 多元回归分析显示，体重、年龄均影响ADC值的大小，与ADC值的大小均呈明显的负相关(见表5)。

表5 多元线性回归分析结果

2.6 典型病例 25岁男性患者，“腰痛6个月余”来我院门诊就诊，既往无腰部外伤史、无脊柱结核及肿瘤病史，查体示双下肢肌力及肌张力正常，腱反射正常；腰椎棘突压痛阴性、叩击痛阳性，Lasegue征(-)，影像学资料见图1～4。

3 讨 论

椎间盘是位于相邻的两个椎骨之间的纤维软骨垫，由中心凝胶状的髓核、外围的纤维环及上下具有毛细血管床的软骨终板构成，是脊柱运动单位的部分。纤维环由约15～25层胶原纤维薄片组成，围绕着凝胶状的髓核排列成同心圆，主要为I型胶原蛋白。纤维环承受着脊柱在屈伸或扭转过程中产生的髓核膨胀张力所需的张应力，外层纤维环与上下椎骨相连，维持着脊柱的稳定性，也有较强的抗压及抗拉能力。而中心的髓核主要由Ⅱ型胶原蛋白、多聚蛋白聚糖和水组成，多聚蛋白聚糖的亲水性使髓核具有较高的溶胀力，其功能是缓冲及分散椎间盘的压缩负荷，并维持椎间盘的高度[9，16-17]。椎间盘髓核、内层纤维环及部分外层纤维环的营养供应主要通过终板下毛细血管网的扩散进入椎间盘内部，而外层纤维环的营养则依靠其周围的血管网直接供应。椎间盘退变的确切机制尚不清楚，但营养物质渗透所依赖的水分子扩散的改变被认为是椎间盘退行性变的最后共同途径。营养的减少影响细胞外基质的代谢，导致纤维环的脱水、髓核基质多聚蛋白聚糖的降解、水分的丢失和纤维化[18-19]。MR DWI技术是一种以组织细胞中水分子的布朗运动为基本原理的检测技术，可以敏感的检测到组织中水分子分布及弥散的特征。本研究利用MRI弥散加权成像序列的参数表观弥散系数值来定量描述椎间盘内水分子的含量及弥散状况。退变的早期，椎间盘内水分子含量减少，MRI成像上信号变低。同时，弥散能力下降，弥散加权成像信号相应增高，对应的表观弥散系数值下降[8]。实验结果表明椎间盘的退变程度与ADC值明显相关(r=-0.796，P<0.05)，ADC值随退变的加重而降低。

图1 T1WI矢状面示椎间盘形态及信号正常 图2 T2WI矢状面示L1～2～L5S1椎间盘均为均匀的高信号，Pfirrmann分级全部为Ⅱ级 图3 DWI序列矢状面，b值=600 s/mm2 图4 ADC伪彩图示L4～5椎间盘中央水平放置3个ROI，大小为25 mm2

本实验结果显示，每个年龄段患者的椎间盘都存在不同程度的退变，且随着年龄的增大，椎间盘退变分级越高。多元线性回归分析结果也表明，年龄与ADC值呈明显负相关(t=-5.864，P=0.000)。椎间盘退变被认为最早开始于十几岁[20]，但年龄相关的椎间盘退变机制目前尚不明确。研究表明，年龄相关的椎间盘退变除了与遗传，机械因素等相关，还包括椎间盘细胞的衰老、增殖减少、自我修复能力下降、炎症反应、基质分解代谢增强等因素。椎间盘是无血管结构，营养供应主要依靠终板毛细血管网的扩散。随着年龄增长，椎间盘逐渐老化，导致终板变薄、钙化及毛细血管减少，从而使扩散能力下降，影响营养的供给，营养的减少使基质合成受限。终板的钙化还会影响氧的供应，氧供减少使细胞进行无氧代谢，产生的酸性物质因椎间盘的无血管结构而排出受阻，椎间盘内PH降低，导致基质的合成减少，分解代谢增强。亲水性的多聚蛋白聚糖减少使椎间盘失去水合作用，椎间盘内渗透压降低和水分减少。椎间盘的脱水又导致弥散能力下降，营养供应减少，从而形成恶性循环。另一方面，衰老的细胞随年龄增高逐渐增多，无血管结构损害了累积在椎间盘细胞中的衰老细胞的免疫清除，恶化了椎间盘的微环境，从而加剧了椎间盘的退变[19，21-22]。

本研究还比较了相同部位不同体重指数的ADC值，结果表明正常组、超重组和肥胖组之间存在统计学差异，体重指数越大，ADC值越小，存在明显负相关。另外，对于椎间盘不同节段的ADC值也进行了比较，除L1～2与L2～3、L4～5与L5S1间差异无统计学意义，其余各节段之间ADC值均有差异，且尾端椎间盘ADC值明显小于头端，表明椎间盘退变程度更高，与Pfirrmann分级系统评价结果相同[13]。本组研究发现5个V级椎间盘均位于L5S1，其ADC值较其他椎间盘明显减低，分析原因可能与解剖及力学因素有关。L5S1椎间盘位于腰椎的最下端，处于腰椎与骶椎交界处，其剪切力最大，尤其在运动时，L5S1椎间盘承载的负菏显著大于头端椎间盘。Casey等[23]通过体外实验，研究了不同载荷下动态压缩对椎间盘的机械和生物学状态的影响，结果表明高强度的负荷会造成椎间盘损伤和分解代谢的增加。高强度负荷及循环的机械性应力通过影响分解代谢基因的表达，促进基质金属蛋白酶等生物合成，同时使髓核和纤维环细胞产生更多的肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1等炎性介质，加速了细胞外基质的降解。循环的机械应力也会影响营养物质的扩散，导致早期细胞死亡和基质降解，加速了椎间盘的退变[17，19，24]。肥胖和超重引起的椎间盘退变机制除机械负荷因素外，机体的系统因素也备受关注。肥胖被认为是一种全身炎症性疾病[25]，脂肪细胞分泌继发性炎性介质如脂肪细胞因子、IL-1β、IL-6、C反应蛋白及肿瘤坏死因子-α等，促进椎间盘髓核基质降解，导致椎间盘退变。

本组研究结果显示患者腰痛疼痛程度与其平均ADC值呈明显负相关，ADC值越低，疼痛程度越高。说明腰痛受椎间盘退变程度的影响。椎间盘退变导致腰痛具体机制仍不明确，研究指出椎间盘退变使基质含量及水分减少，椎间盘的生物力学特性发生变化，在机械应力的反复作用下容易发生纤维环撕裂，从而引起损伤修复的炎症反应。同时变性的髓核组织作为抗原刺激机体产生免疫反应、释放炎性介质，这些炎症介质通过退变椎间盘的放射状裂隙到达外层纤维环，刺激神经引起疼痛[17，26]。

本研究所测的ADC值要高于Zhang等[4]的报道，其所使用的b值为800 s/mm2，而本实验的b值取600 s/mm2，即提高了对水分子扩散运动的敏感性，又保证组织信号强度，降低伪影的影响。ROI的选取也有所不同，本实验通过选取扫描列正中矢状位像椎间盘的中间层面，避开上下终板及前后纤维环，每个椎间盘由前向后依次放置3个ROI，取其平均值纳入数据分析，这样极大程度上减小周围纤维环及软骨终板的影响所造成的误差。该实验也存在一定的局限性。手动绘制感兴趣区时，可能会造成主观偏见，特别是Pfirrmann分级为Ⅲ～Ⅴ的椎间盘，中间髓核与周围纤维环分界不清楚，绘制ROI可能包含部分终板及纤维环影响髓核ADC的测量。另外，实验选取的样本量较少，患者的入选指标较局限，异质性较大，可能使研究结果存在一定的假阳性相关。实验表明腰椎间盘的退变程度与ADC值呈显著负相关，ADC值可以很好的评估早期椎间盘的退变，但该研究未能制定基于ADC值的椎间盘退变的分期标准，而理想的标准是通过生物化学和组织学方法来评估，这也是以后的研究需要解决的问题。

综上所述，MRI弥散加权成像作为一种无创的影像学检查手段，能够敏感地反映水分子的扩散特性，评价水分子的动态分布状况。ADC值可以敏感、精准、客观地反应腰痛患者椎间盘的退变，相比于Pfirrmann分级系统等传统评估方法，降低了观察者间的差异，增加了诊断的敏感性，对椎间盘退变的诊断具有重要的价值。

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