磁共振扩散峰度成像和T2*-mapping技术定量检测腰椎间盘退变的对比研究

曾菲菲， 査云飞， 邢栋， 王娇， 陆雪松

椎间盘是由髓核、纤维环以及软骨终板构成的一种纤维软骨组织。细胞老化、营养障碍、生物力学改变等诸多因素的共同作用下会引起椎间盘蛋白多糖降解、胶原蛋白及水含量减少，从而形成椎间盘退变[1-3]。腰椎间盘水分子扩散能力的变化被认为是椎间盘早期退变的标志[4]。

常规MR图像可显示椎间盘的信号强度和形态学改变，但不能客观量化椎间盘退变程度。T2*-mapping作为定量评价软骨生物化学成分改变的新兴技术，可在形态学改变之前早期检测软骨内基质大分子的变化，目前应用于各项关节软骨病变及椎间盘退变的定量研究[5-7]。扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)和扩散张量成像(Diffusion tensor imaging，DTI)已广泛地用于腰椎间盘退变研究[8-10]，但对椎间盘超微结构的反映则有限。而且，作为高斯分布模型的DWI和DTI成像反映椎间盘退变时水分子真实扩散情况有一定局限性[11]。非高斯分布扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)可敏感的反映组织内水分子的扩散能力和组织微结构的复杂程度[12]，但对于人腰椎间盘退变的DKI研究报道较少。本研究采用DKI和T2*-mapping技术评价腰椎间盘退变程度，探讨DKI定量评价人腰椎间盘退变的可行性，并比较这两种技术对早期椎间盘退变的诊断价值。

材料与方法

1.临床资料

临床因腰腿痛拟诊腰椎间盘病变的受检者80例，男30例，女50例，年龄22～66岁，平均(36.5±14.5)岁，男性平均年龄(37.7±14.4)岁，女性平均年龄(35.7±14.5)岁。纳入标准：受检者对本研究知情同意；能够配合完成MRI检查；无幽闭恐惧症、心脏起搏器等。剔除标准：长期体力劳动史、急慢性外伤史、截瘫、肥胖、脊柱手术或放疗史、严重的脊柱侧弯和脊柱后凸畸形、肿瘤、结核。本研究由武汉大学人民医院伦理委员会批准。

2.检查设备及方法

采用3.0T超导MR(Discovery 750 Plus,GE Healthcare)全脊柱相控阵线圈进行检查。对所有受检者均于晚18:00～22:00行仰卧位检查，采集腰椎矢状面T2WI、DKI及T2*-mapping图像。①矢状面T2WI 采用FRFSE序列，扫描参数：TR 2500 ms，TE 120 ms，层厚4.0 mm，层间距0.5 mm，视野300 mm×300 mm，扫描矩阵352×320。②DKI采用单次激发自旋回波平面成像(SE-EPI)序列，扫描参数:TR 2000 ms，TE 71.7 ms，层厚4.0 mm，层间距0.5 mm，视野300 mm×150 mm，扫描矩阵128×128，b值(0、1000、2000) s/mm2，30个扩散磁敏感方向。③T2*-mapping序列扫描参数：TR 73.3 ms，TE(1.6、3.9、6.2、8.5、10.8、13.1、15.4、17.7) ms，层厚4.0 mm，层间距0.5 mm，视野300 mm×300 mm，扫描矩阵256×256。

3.图像处理

腰椎间盘矢状面T2WI参照Pfirrmann分级系统进行退变程度分级[13]，以上图像分析由两位具有10年以上临床MRI诊断经验丰富的副主任医师完成。

腰椎间盘DKI及T2*-mapping原始图像，分别采用AW4.6后处理工作站(GE Healthcare) Function tool软件包中的DKI、R2 star软件进行分析处理。在腰椎DKI和T2*-mapping正中矢状面图像上，将每个腰椎间盘均分为5等份测量(ROI范围约30～60 mm2)，依次为前纤维环(anterior annulus fibrosus，AAF)-ROI 1、髓核(nucleus pulposus，NP)-ROI 2-4、后纤维环(posterior annulus fibrosus，PAF)-ROI 5，避开上下椎体的软骨终板及脑脊液，每个感兴趣区测量3次，然后计算取平均值。在相应的伪彩图上，记录椎间盘髓核、前纤维环、后纤维环的平均扩散峰度(mean kurtosis，MK)、平均扩散系数(mean diffusivity，MD)、T2*值(图1)。

图1 男，40岁。a) 常规T2WI图像，L1/L2椎间盘为Pfirrmann Ⅱ级，L2/L3、L3/L4、L4/L5、L5/S1椎间盘为Pfirrmann Ⅲ级； b) T2*伪彩图，随着髓核T2WI信号降低，髓核颜色由高值橘黄色逐渐向低值蓝色变化，纤维环颜色变化显示不明显； c) DKI图(b=0s/mm2)； d) MK伪彩图，随着髓核T2WI信号降低，髓核颜色逐渐向高值橘黄色变化，纤维环随着退变程度加重，颜色逐渐由淡黄色向高值橘红色变化； e) MD伪彩图，随着髓核T2WI信号降低，髓核颜色逐渐向低值淡蓝色变化，纤维环变化显示不明显。MK及MD伪彩图不仅可直观显示髓核范围，而且可清晰显示纤维环张入髓核状态。

Pfirrmann分级nMKNPAAFPAFMD(μm2/ms)NPAAFPAFT2*(ms)NPAAFPAFⅠ1260.68±0.041.34±0.171.20±0.202.21±0.101.15±0.161.42±0.2574.23±17.1823.43±6.1321.66±3.59Ⅱ1650.78±0.041.47±0.181.36±0.201.94±0.101.08±0.151.23±0.2060.42±18.5923.01±6.9121.47±4.30Ⅲ761.00±0.141.64±0.201.61±0.211.56±0.180.97±0.131.02±0.1945.03±10.5924.25±6.0219.75±3.61Ⅳ291.45±0.181.79±0.251.97±0.351.08±0.130.86±0.150.73±0.1533.20±7.6125.48±6.1117.13±1.80Ⅴ41.98±0.142.21±0.272.35±0.210.79±0.080.68±0.130.56±0.1627.73±14.1323.58±3.3418.06±3.87

4.统计分析

采用SPSS 22.0进行统计学分析，椎间盘退变Pfirrmann分级组间NP、AAF、PAF定量参数(MK、MD、T2*值)均行单因素方差分析，然后采用Dunnett's T3检验进行多重比较；NP、AAF、PAF定量参数(MK、MD、T2*值)与Pfirrmann 分级行Spearman等级相关性检验；分别构建NP、AAF、PAF的MK、MD、T2*值在Pfirrmann 分级Ⅰ～Ⅱ级、Ⅱ～Ⅲ级的受试者工作特征曲线(receiver operation characteristic curves，ROC)，计算曲线下面积(area under curve，AUC)、敏感度、特异度，比较不同部位不同技术的诊断效能(AUC值)、敏感度、特异度大小；所有统计结果以P<0.05认为差异有统计学意义。

结 果

共纳入400个腰椎间盘进行研究，分布于L1-S1椎间盘层面，其中Ⅱ级(41.25%)椎间盘数量最多，Ⅴ级(1.00%)椎间盘数量最少。不同椎间盘Pfirrmann分级， NP、AAF、PAF的平均MK、MD、T2*值如表1。两两比较结果显示NP的T2*值在Ⅴ级与Ⅱ级、Ⅴ级与Ⅲ、Ⅴ级与Ⅳ级比较差异均无统计学意义(P>0.05)。AAF的MK值在Ⅱ级与Ⅴ级及Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级间两两比较差异均无统计学意义(P>0.05)；AAF的MD值在Ⅴ级与Ⅲ级、Ⅴ级与Ⅳ级比较差异均无统计学意义(P>0.05)；AAF的T2*值在Ⅰ～Ⅴ级间比较差异均无统计学意义(P>0.05)。PAF的MK值、MD值在Ⅳ级与Ⅴ级比较差异无统计学意义(P>0.05)；PAF的T2*值在Ⅰ级与Ⅱ级比较、Ⅴ级与Ⅰ～Ⅳ级间比较差异均无统计学意义(P>0.05)，余分级间两两比较结果均有统计学意义(P<0.05)。

图2 a～c) 定量参数(MK、MD、T2*值)鉴别椎间盘Pfirrmann Ⅰ级与Ⅱ级NP、AAF、PAF的ROC曲线； d～f) 定量参数(MK、MD、T2*值)鉴别椎间盘Pfirrmann Ⅱ级与Ⅲ级NP、AAF、PAF的ROC曲线。

Spearman相关系数NPMKMDT2*AAFMKMDT2*PAFMKMDT2*r值0.921-0.917-0.6470.604-0.5090.0880.678-0.654-0.305P值<0.001<0.001<0.001<0.001<0.0010.079<0.001<0.001<0.001

表3 NP、AAF、PAF的MK、MD、T2*值诊断Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ级、Ⅱ～Ⅲ级的AUC值、敏感度、特异度

注：#T2*值诊断Pfirrmann Ⅰ级与Ⅱ级椎间盘AAF的AUC值P>0.05，余AUC值均P<0.05。

NP、AAF、PAF的MK值与Pfirrmann 分级呈明显正相关(P<0.001)；NP、AAF、PAF的MD值及NP和PAF的T2*值与Pfirrmann分级呈明显负相关(P<0.001)，而AAF的T2*值与Pfirrmann 分级无明显相关性(P>0.05,表2)。

ROC结果(表3、图2)显示NP、PAF、AAF的MK、MD、T2*值诊断Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ级、Ⅱ～Ⅲ级的的AUC值均依次减低，表明NP、PAF、AAF的MK、MD、T2*值对早期椎间盘退变诊断效能MK>MD>T2*值。AAF的T2*值诊断Pfirrmann Ⅱ～Ⅲ级的AUC值<0.5，表明T2*值对AAF早期退变诊断价值极低。NP、PAF、AAF的MK、MD值鉴别Ⅰ～Ⅱ级、Ⅱ～Ⅲ级椎间盘的灵敏度和特异度均>T2*值，表明MK、MD值对诊断早期椎间盘退变的敏感性和特异性均优于T2*值。对于不同部位，MK、MD、T2*值对早期退变诊断效能NP>PAF>AAF。

讨 论

本研究结果显示NP、AAF、PAF的MK、MD值可以定量评价人腰椎间盘退变；MK值与Pfirrmann分级呈显著正相关；MD值与Pfirrmann分级呈显著负相关，NP、PAF、AAF的MK、MD、T2*值对早期椎间盘退变(Ⅰ～Ⅱ级、Ⅱ～Ⅲ级)诊断效能依次降低。

DKI作为非高斯分布模型的技术，不仅可以真实地反映组织内水分子扩散运动的能力，并且可敏感的反映组织微结构的复杂程度。由于DKI运用比DTI更高阶的四阶三维模式描述水分子的扩散，因此能够比DTI更加敏感的反映组织微结构的复杂程度[14]。MK是组织沿空间各方向扩散峰度的平均值，MK值越大表明扩散受限越严重，成分结构越复杂；MD反映水分子在组织空间内的平均扩散系数，与组织内自由水含量有关[12]。本研究NP的MK值与Pfirrmann分级呈显著正相关，MD值与Pfirrmann分级呈显著负相关，说明随着椎间盘退变程度的加剧，椎间盘蛋白多糖合成数量和质量下降，椎间盘内胶原纤维的排列方式由有序向无序的结构转变，从而造成MK值增加；髓核储水能力受限，含水量逐渐减少，胶原纤维成分逐渐增加，椎间盘内水分子扩散受限加重，从而导致髓核MD值降低。因此，MK及MD值可通过对椎间盘水分子扩散功能的改变提示早期椎间盘退变。Li等[15]通过对SD大鼠尾椎间盘退变模型进行T2WI、DWI、DKI扫描，发现随着椎间盘退变程度增加(Ⅰ级至Ⅱ级)，表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)减低，MK值增加，MK值评价椎间盘退变具有较高的敏感度，与本实验结果一致；但其MD值改变无统计学意义与本实验结果不相符，可能实验对象不同，结果存在差异，尚需进一步研究。Katsura等[16]利用与DKI成像类似的非高斯分布模型Q-space imaging技术，发现晚上髓核中部的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)明显低于早上，而晚上的表观峰度系数(apparent kurtosis coefficient,AKC)明显高于早上，提示椎间盘机械压力使得髓核水分子扩散能力下降且结构复杂性增加，因此本研究志愿者均在晚上进行扫描。

DKI技术对Pfirrmann Ⅰ～Ⅲ级诊断效能优于Ⅳ级、Ⅴ级，一方面可能与椎间盘退变程度较深时椎间盘细胞增殖、群集和死亡有关，随着纤维环裂隙和撕裂的数量和程度增加，肉芽组织和神经血管从纤维环外层向内张入，使得髓核和纤维环分界逐渐模糊[17]；另一方面，Ⅳ级以上的椎间盘含水量较正常椎间盘明显减少，扩散受限水分子数目也随之明显减少，因此，DKI成像的检测能力略下降。另外，可能是Pfirrmann分级对Ⅳ级与Ⅴ级椎间盘分级标准无关椎间盘信号，区别仅在椎间盘高度的改变。

最新的研究已经确立了T2*值和腰椎间盘退变程度的关系[5,18,19]，随着椎间盘退变等级增加，T2*弛豫时间随之降低。本研究NP的T2*值明显高于AAF和PAF的T2*值，且NP和PAF的T2*值与Pfirrmann分级呈负相关，这与Zhang等[20]研究结果一致。在椎间盘早期退变中，T2*值对NP的敏感性高于PAF，但Welsch等[5]研究认为T2*-mapping对PAF的变化更敏感，这与本研究的结果相矛盾，原因可能与分析对象有关，本实验仅比较了Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ级、Ⅱ～Ⅲ级椎间盘，Welsch等的研究对象为Ⅰ～Ⅴ级椎间盘。

本研究ROC结果显示对NP和AAF早期退变的评价效果，MK值大于MD值，而对PAF的评价效果，MK值小于MD值，原因可能是MK、MD、T2*值不仅对髓核水分变化敏感，对胶原纤维完整性也较敏感，而且对水分的变化的敏感性大于胶原纤维的完整性。另外，通过对不同方法不同部位的AUC值、敏感度比较，提示DKI成像较T2*-mapping技术对早期椎间盘退变的敏感性更高，特别是NP和PAF区域。

本研究的局限性：①AAF在解剖上邻近腹主动脉，腹主动脉的搏动伪影对AAF的定量评价的准确性有一定影响；②DKI 所需要的 b 值较大，造成信噪比下降；高阶的峰度成像较扩散更容易出现点状伪影；③本研究结果缺乏相应的椎间盘超微病理组织对照研究，开展椎间盘退变动物模型DKI基础研究十分必要。

总之，DKI技术可以用于定量评价人腰椎间盘退变，对于早期椎间盘退变，DKI的敏感性明显高于T2*-mapping技术。