椎体DXA骨密度及终板IVIM相关参数与椎间盘退变的相关性

邵 颖,邢 滔, 万 强,张爱娟,陈基明,袁 权

(皖南医学院第一附属医院 弋矶山医院 影像中心，安徽 芜湖 241001)

统计显示，大量中老年人存在腰痛现象[1-2]。目前对于中老年腰痛的原因仍没有明确的结论，现普遍认为与椎间盘(inter vertebral disc，IVD) 的退变有一定的关系。椎间盘退变的致病因素较多，包括年龄和遗传、脊柱受力、免疫等因素[3-4]，已证实椎间盘退变首要因素是营养物质输送不良。椎体营养通道的受损，会导致血供减少，髓核缺乏营养，最终导致椎间盘退变。因此，研究骨性终板(subchondral bone，SB)中的毛细管灌注和软骨终板(cartilage endplate，CEP)区域的扩散，对弄清椎间盘的退变原因具有重要意义。近年来体素内不相干运动 (intravoxel incoherent motion，IVIM)-DWI应用于在循环、骨肌、呼吸等方面[5-6]。体素不相干运动的参数有慢速扩散系数(slow-ADC，D)、快速扩散系数(fast-ADC，D*)和灌注分数(perfusion fraction,f)。本文旨在研究在椎体骨密度及终板IVIM相关参数与椎间盘退变的关联。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2018年1月～2019年12月弋矶山医院患者的临床及影像资料，其中男性17例，女性23例，年龄22～75岁，平均年龄(50.5±0.9)岁。

1.1.1 纳入标准 ①无肿瘤疾病；②腰椎无外伤及手术病史；③无MR检查的相关禁忌证。

1.1.2 排除标准 ①腰椎有器质性病变；②患者配合能力差，无法坚持或长时间坚持；③图像质量不佳，影响后续观察测量。

1.2 分组 基于WHO的DXA测量诊断标准骨密度分组：骨量正常组(T>-1)、骨量减少组(-1≤T≤-2.5)和疏松组(T<-2.5)；基于常规T2加权图像对椎间盘进行Pfirrmann分级(表1)，分为相应的5组。

表1 传统椎间盘退变的Pfirrmann分级

1.3 设备与方法

1.3.1 实验设备 DXA采用的是美国HOLOGIC公司的C1型双能X线骨密度仪，MRI扫描采用SIEMENS MAGNETON Avanto 1.5 T磁共振扫描系统；图像后续观察处理系统采用SIEMENS syngo MR后处理工作站以及MITK-Diffusion。

1.3.2 检查方法 DXA检查：患者仰卧于扫描床上，以扫描床的中轴线为参考线；测量部位为腰椎的L1～4。扫描管电压为140/100 KV，管电流为2.5 mA。MRI检查：患者采用仰卧位，头先进。线圈选取脊柱线圈，矢状位参数包括①T2WI：TR 3000 ms；TE 100 ms；层厚4 mm；层距0.4 mm；FOV 30 cm×30 cm； ②T1WI：TR 600 ms,TE 11 ms层厚4 mm；层距0.4 mm；FOV 30 cm×30 cm； ③DWI：采用单次激发平面自旋回波序列，磁场扩散强度分别取0和1000 s/mm2；TR 3000 ms,TE 85 ms层厚4 mm,层距0.4 mm；FOV 22.1 mm ×26 mm； ④IVIM-DWI：多次激发平面自旋回波序列，磁场扩散强度梯度0、50、100、150、200、250、300、300、400、500、800、1000 s/ mm2,TR 2600 ms,TE 83 ms；层厚6 mm,层距1.1 mm；FOV 22.1 mm×26 mm。

1.4 图像后处理及数据测量 在ADC图上，勾画L1～4节段每个椎体、终板及椎间盘的ROI(图1)获得ADC值。

红色：L3和L4椎体；深蓝色：L3下位终板和L4上位终板；浅蓝色：L3/4椎间盘。

运用MITK-Diffusion，测量范围是L1～4节段，勾画椎体、终板及椎间盘的ROI(如图2所示)，总共测量3次，在测量的过程中形成对应的参数。

紫色：L3和L4椎体；红色：L3下位终板和L4终板；黄色：L3/4椎间盘。

2 结果

纳入研究的患者共40例，160个椎间盘。骨量正常患者8例，骨量减少患者15例，骨质疏松患者17例。

2.1 不同椎体骨密度椎间盘ADC、终板ADC及IVIM相关参数比较 骨量减少组和骨质疏松组上位和下位终板D*值均低于骨量正常组，差异有统计学意义(P<0.05)，而骨量减少组和骨质疏松组上位和下位终板D*值差异无统计学意义(P>0.05)；3组间椎间盘ADC、IVIM的其他参数差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表2 不同椎体骨密度椎间盘ADC、终板ADC及IVIM相关参数比较

2.2 不同Pfirrmann分级椎间盘ADC、终板ADC及IVIM相关参数比较 椎间盘退变Ⅴ级的椎间盘ADC值低于Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅳ级，差异有统计学意义(P<0.05)，而其他级别的椎间盘ADC值差异无统计学意义(P>0.05)；椎间盘退变Ⅲ级的上位终板D*值高于Ⅰ级和Ⅳ级，差异有统计学意义(P<0.05)，而其他级别的上位终板D*值差异无统计学意义(P>0.05)；椎间盘退变Ⅴ级的上位终板f均高于Ⅰ～Ⅳ级，差异有统计学意义(P<0.05)，而其他级别的上位终板f值差异无统计学意义(P>0.05)；椎间盘退变Ⅴ级的下位终板f高于Ⅲ级，差异有统计学意义(P<0.05),而其他级别的下位终板f值差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表3 不同Pfirrmann分级椎间盘ADC、终板ADC及IVIM相关参数比较

3 讨论

本次研究表明随着椎体骨密度降低，上位和下位终板的D*也随之改变，差异具有统计学意义。已有研究表明在椎间盘的退变过程中，相邻的骨髓因为退变程度不同而表现为不同的信号。正常的腰椎由于脂肪和造血骨髓对信号的影响，在短和长的TR/TE脉冲序列上都表现中等信号[7-8]。正常的成人在短TR/TE脉冲序列上，椎间盘表现出相对均匀的低信号。在长TR/TE序列上，正常髓核具有较高的信号和中心[9-10]。成人椎间盘的营养物质主要由终板-髓核途径与纤维环外周途径供给。椎体骨密度越低，终板微血管数量越少，椎间盘营养也就越少，椎间盘退变可能性越大。通椎体骨密度变化同时伴随着终板的水分子扩散的受限[11]。

本次研究发现椎间盘退变Ⅴ级的椎间盘ADC值低于Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅳ级，椎间盘退变Ⅴ级的上位终板f均高于Ⅰ～Ⅳ级,椎间盘退变Ⅴ级的下位终板f均高于Ⅲ级,这可能是由于退变终板的微血管数量减少，使椎间盘的血供减少，造成椎间盘代谢产物蓄积，加速髓核退变。f 值为灌注分数，代表微循环灌注因素产生的扩散效应占总的扩散效应的比例。而f值有研究表明灌注分数对于样本整体的水分子扩散效能所占的比例很有限，原因是b值的不同，并不能很好地反映灌注情况。

本研究发现上位终板与下位终板的ADC和IVIM参数与椎间盘的退变相关不一致。Wang等[12]研究也发现上位终板与下位终板椎间盘的退变不是同步进行的。有研究人员研究了终板形状与腰椎间盘突出症的关系，证明同一椎间盘的上下终板前后直径的差异是腰椎间盘退变的独立危险因素，这可能是上位与下位终板参数不一致的原因。

本次研究的各分组内的其他参数差异无统计学意义，原因可能是患者间微循环灌注的差异并不是很显著，也有可能是因为本研究样本量较少，导致差异并不显著。

本次研究结果表明骨密度不同终板的灌注水平不同，不同退变等级的椎间盘灌注水平不同。 该研究的不足之处是：①对多b值的选择尚未形成统一标准；②搜集的病例中可能存在选择的偏倚；③对于椎体骨髓、终板及椎间盘的ROI进行勾画可能存在一定的误差。