超短回波时间MRI用于腰椎间盘软骨终板成像

陈 宁，郎 宁，袁慧书

(北京大学第三医院放射科，北京 100191)

人体内各种组织横向弛豫时间不同，部分组织T2值非常短，即短T2成分，常规MR序列无法采集其MR信号[1]。超短回波时间(ultrashort echo time, UTE)是一种可以显示短T2成分的MR序列。本研究通过对比腰椎间盘(intervertebral disc, IVD)软骨终板(cartilage endplate, CEP)在常规MR序列与UTE序列图像中的差异，分析UTE序列IVD CEP损伤分组与常规MR序列椎体Modic改变分型和Pfirrmann椎间盘退变分级的相关性，旨在探讨UTE序列显示CEP及其损伤的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2014年6月—2017年6月招募87名志愿者，男34名，女53名，年龄24～81岁，平均(53.6±15.6)岁。排除标准：脊柱骨折史，脊柱肿瘤、转移瘤、结核或其他感染性疾病史，腰椎手术史，血液系统疾病史，内分泌及代谢性疾病史，近期激素替代治疗史，女性近期孕产者，肝肾功能不全史，严重心肺系统疾病及MR检查禁忌证。本研究经本院医学伦理委员会批准；所有受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE MR750w 3.0T MR扫描仪，40线圈单元、32通道脊柱线圈。常规MR序列及参数：矢状位FSE序列T1WI，TR 473 ms，TE 12 ms，FOV 30 cm×30 cm，层厚4.0 mm，层间距0.5 mm，矩阵320×320，NEX 3，带宽41.67 kHz，回波链长度3；矢状位、脂肪抑制矢状位、L1～S1IVD层面轴位FSE序列T2WI，TR 2 889 ms，TE 120 ms，FOV 30 cm×30 cm，层厚 4.0 mm，层间距0.5 mm，矩阵288×288，NEX 4，带宽62.5 kHz，回波链长度21。脂肪抑制矢状位腰椎UTE序列及参数：应用750w脊柱线圈，TR 5.8 ms，TE 0.1 ms，FOV 24 cm×24 cm，层厚2.4 mm，层间距0，层数26，翻转角13°，矩阵384×384，NEX 4，带宽62.5 kHz，扫描时间6 min 2 s。

1.3 图像分析 ①评估L1～S1各节段常规MR序列及UTE序列图像对CEP的显示情况；②对受检者进行分组，UTE序列可见低信号钙化骨性CEP(calcified CEP, cCEP)及高信号非钙化CEP(uncalcified CEP, uCEP)两层结构[2]，以uCEP高信号连续性是否中断为指标，将志愿者分为CEP损伤组(uCEP高信号连续中断或缺损超过2个层面[3])与CEP非损伤组(uCEP的高信号在各层面均连续、完整)；③评估椎体Modic改变分型，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型及正常，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型归为阳性；④评估Pfirrmann椎间盘退变分级，分为1～5级。

1.4 统计学分析 采用SSPS 20.0统计分析软件。以χ2检验比较L1～S1各节段2组间椎体Modic改变的阳性率；采用Mann-WhitneyU检验比较L1～S1各节段2组间Pfirrmann椎间盘退变分级的差异；采用Kendall'stau-b等级相关检验各L1～S1节段椎体Modic改变分型、Pfirrmann椎间盘退变分级与CEP损伤的相关性。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

87名志愿者共检测435个椎间盘，包括CEP损伤组105个、CEP非损伤组330个，CEP损伤在各节段的分布见表1；椎体Modic改变分型Ⅰ型10个、Ⅱ型67个、Ⅲ型14个、正常344个；Pfirrmann椎间盘退变分级1级82个、2级180个、3级107个、4级39个、5级27个；不同Modic改变分型、Pfirrmann退变分级在腰椎各节段的分布见表2、3，均呈越近足侧越严重的趋势。

2.1 UTE序列和常规MR序列图像表现 常规序列MRI上，终板区可见髓核与椎体骨质间条带状低信号(图1A～1C、2A～2C、3A～3C)，不能分辨细节结构；UTE序列图像上，cCEP及uCEP两层结构清晰可见(图1D、2D、3D)。

2.2 2组中各节段椎体Modic改变、Pfirrmann椎间盘退变分级的比较 L1-2、L2-3、L3-4、L4-5、L5～S1椎间盘CEP损伤组和CEP非损伤组椎体Modic改变阳性率分别为53.85%(7/13)和2.70%(2/74)、60.00%(12/20)和4.48%(3/67)、65.00%(13/20)和4.47%(3/67)、77.78%(21/27)和3.33%(2/60)、88.00%(22/25)和9.68%(6/62)，损伤组均高于非损伤组(χ2=31.184、33.287、37.590、53.063、50.047，P均<0.001)。L1-2、L2-3、L3-4、L4-5、L5～S1椎间盘CEP损伤组和CEP非损伤组Pfirrmann椎间盘退变分级分别为2.92±1.32和1.73±0.56、3.05±1.10和1.84±0.69、3.90±0.91和2.07±0.75、3.70±0.87和2.38±0.87、3.88±1.01和2.37±0.93。CEP损伤组Pfirrmann椎间盘退变分级均明显高于非损伤组(Z=218.000、254.000、99.000、257.000、233.500，P均<0.001)。

表1 2组CEP损伤在不同节段中的分布[个(%)]

表2 不同椎体Modic改变分型在各节段的分布[个(%)]

表3 不同Pfirrmann椎间盘退变分级在各节段的分布[个(%)]

图1 志愿者女，28岁，CEP非损伤组 A～C.分别为T1WI(A)、T2WI(B)、脂肪抑制T2WI(C)，可见椎间盘与椎体之间的条带状低信号，但不能分辨两者结构； D.UTE序列成像示椎体骨质与髓核间存在一条连续、完整的线状高信号以及高信号与椎体骨质间的低信号 图2 志愿者男，55岁，CEP损伤组 A～C.分别为T1WI(A)、T2WI(B)、脂肪抑制T2WI(C)； D.UTE序列成像示椎间盘线状高信号中断、缺失(箭)，提示CEP损伤

图3 志愿者女，57岁，CEP损伤组 A～C.分别为T1WI(A)、T2WI(B)、脂肪抑制T2WI(C)； D.UTE序列成像示椎间盘双侧线状高信号出现中断、缺失(箭)，提示CEP损伤

2.3 CEP损伤分组与椎体Modic改变、Pfirrmann椎间盘退变分级的相关性 L1-2、L2-3、L3-4、L4-5、L5～S1椎间盘CEP损伤与椎体Modic改变分型呈正相关(r=0.605、0.599、0.648、0.766、0.730，P均<0.001)，与Pfirrmann椎间盘退变分级呈正相关(r=0.377、0.455、0.533、0.524、0.515，P均<0.001)。

3 讨论

IVD由髓核、纤维环及CEP组成，是体内最大的无血管结构，主要通过CEP和纤维环表面血管的弥散作用获得营养，其中CEP途径最为重要，故CEP损伤与腰椎退变关系密切[4]。年龄增长、CEP表面损伤所致微血管穿透不足、终板骨折甚至基因突变可导致CEP增厚、钙化[5]、通透性降低，进而使IVD营养物质供应不足、有害物质如酶等进入IVD，致使细胞及细胞外基质改变，最终导致IVD退变[6]。CEP在IVD退变及后期腰椎退变的发展中起着始动因素的作用，因此，早期评价CEP损伤对于评估、预测后续腰椎退变有一定意义。Modic改变是一种评价终板及终板下骨质退变的分型。研究[7-10]发现，Modic改变与IVD退变具有较高的相关性；目前多数学者认为其原因可能是IVD退变后应力负荷变化、局部微环境内炎性细胞因子释放[11]以及腰椎椎体稳定性减低[12]等因素影响了骨髓局部的微环境，导致相应部位出现微小骨折，在UTE序列图像上表现为uCEP高信号中断或缺失，较常规序列更具优势。Pfirrmann椎间盘退变分级是Pfirrmann等[13]在既往研究基础上，通过分析60例受试者腰椎T2WI上IVD髓核结构、髓核与纤维环的界限、髓核信号强度及IVD高度而提出的一种影像学分型，评估IVD退变简单、易行而且可靠。评估IVD退变的基础为含水量高的髓核T2WI呈高信号，但无法据此评估CEP改变。本研究发现CEP损伤阳性率及两种退变分型的严重程度均呈越近足侧越严重的趋势，原因主要与脊柱形态造成的应力主要分布在L4～S1节段有关，应力增加[8]与CEP损伤和IVD退变密切相关，从而表现为足侧腰椎椎体退变更严重、CEP损伤阳性率更高。

本研究显示CEP损伤与两种退变分型呈不同程度正相关，且CEP损伤与Modic改变分型的相关性强于其与Pfirrmann退变分级的相关性，可能原因是：①CEP早期出现功能改变(如通透性减低等)后，先诱发IVD组织学变化，此时常规MRI可观察到Pfirrmann退变分级的某些高级别表现，但尚未出现可被UTE序列检测到的形态学上的CEP缺损或骨折，故CEP损伤分组与Pfirrmann退变分级的相关性相对较低；②Modic改变的病理学机制是终板下局部骨质结构微小骨折，病理生理机制与UTE序列检测到的CEP损伤相同，故CEP损伤分组与Modic改变分型的相关性相对较高。

为有针对性地观察CEP损伤与腰椎退变的关系，本研究排除了腰椎退变以外的器质性病变者，旨在消除其他腰椎疾病对CEP的影响。针对UTE序列成像因扫描、设备伪影等可能出现假阳性或假阴性结果，本研究采取重复扫描或提高激励次数的方法，以确保图像清晰、准确。为包含更多年龄段腰椎退变信息，本研究纳入志愿者的年龄跨度较大，以研究UTE序列在不同人群中的成像情况，但各年龄组之间数据量存在差距。未来将按照年龄进行分组，以揭示年龄相关CEP退变的变化趋势；另外，将进一步细化对于UTE序列成像显示的CEP损伤分组，如按损伤长度占椎体矢状截面长度的比例分组等，以期获得新的发现。

综上所述，MR UTE序列成像可显示常规序列无法显示的腰IVD CEP及其分层，进而观察其损伤，为临床无创评估腰椎结构提供了一种新的方法。