基于UTE成像技术评估软骨终板损伤的可行性研究

纪执琳，时 寅，邹月芬

南京医科大学第一附属医院放射科，江苏 南京 210029

下腰痛严重影响了人们的生活质量，引起下腰痛的因素包括椎间盘退变、创伤、代谢性疾病及良恶性肿瘤等，其中椎间盘退变为主要因素［1］，软骨终板（cartilage endplate，CEP）是椎间盘组成中较脆弱的结构，其损伤被认为是引起椎间盘退变最重要的原因之一。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在观察腰椎退变中应用广泛，MRI上所显示的CEP病变在病理上证实，主要包括变薄、缺损和钙化等［2］，Rajasekaran 等［3］在MRI 中T1 加权成像的基础上，将所观察患者的终板依据完整程度分为6级，并据此计算终板总分，进而辅助临床治疗。然而，他们观察的是终板整体，而未明确区分出CEP及骨性终板（bony vertebral endplate，VEP）。Chen 等［4］推测CEP 的损伤会导致邻近的VEP 损伤，因此，细致地区分出CEP及VEP是必要的，这有助于观察损伤是否累及VEP，并能较早地预测Modic改变的发生，进而提早采取临床干预。CEP 是具有超短T2 弛豫时间的组织，其在传统MR序列上表现为低信号，与同样表现为低信号的VEP 难以区分［5］。目前，已有大量文献报道超短回波序列（ultra-short echo time，UTE）能够清晰显示CEP 的形态［6-7］，但尚未有UTE相关以终板分级为基础细化CEP损伤表现的研究，本文旨在探讨利用UTE 成像特点结合终板分级探究其显示CEP 损伤程度的可行性，并对Modic 改变的分布情况加以分析。

1 对象和方法

1.1 对象

本研究纳入2020年4月—2020年12月36例下腰痛患者，包括男18例，女18例，年龄：20～85岁，平均年龄（47±19）岁。纳入标准：患者无脊柱手术及放疗史，无脊柱畸形、无外伤、无良性或恶性椎体肿瘤、无血液病及其他全身疾病，无MR检查禁忌证，排除不符合要求者。本研究经医院伦理委员会批准（2014-SR-050），所有入组患者均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 MR扫描方法及序列

采用GE MR750w 3.0T MR 扫描仪，8 通道大型柔性阵列线圈。受检者取仰卧位，行常规腰椎矢状位FSE 序列T1WI，矢状位、脂肪抑制矢状位FSE 序列T2WI 及含有长、短TE 时间的UTE 序列扫描，各序列扫描均包含L1-S1椎体。

UTE序列参数如下：FOV 360 mm×360 mm，短、长TE分别为0.03 ms和6 ms，TR 12.5 ms，矩阵360×360，层厚4.0 mm，扫描20 层，NEX 1，带宽83.33 Mhz，翻转角15°，扫描时间为2 min 48 s。矢状位FSE 序列T1WI：FOV 320 mm×320 mm，TE 85 ms，TR 472 ms，矩阵320×320，层厚4.0 mm，扫描15层，带宽62.50 Mhz；矢状位FSE 序列T2WI：FOV 320 mm×320 mm，TE 120 ms，TR 2 588 ms，矩阵320×320，层厚4.0 mm，扫描15层，带宽31.25 Mhz。矢状位脂肪抑制FSE序列T2WI：FOV 256 mm×256 mm，TE 85 ms，TR 2 000 ms，矩阵256×256，层厚2.0 mm，扫描15 层，NEX 2，带宽41.67 Mhz，总扫描时间为6 min 2 s。

1.2.2 终板分级

参考Rajasekaran 等［3］在T1 加权成像基础上的终板分级（表1）。为方便后续讨论，将该分级命名为Rajasekaran 分级。本研究在UTE 图像基础上细致观察CEP完整程度及VEP受累程度后，参考并细化Rajasekaran分级得出6级终板形态表现。

表1 Rajasekaran分级Table 1 Rajasekaran grading

Ⅰ级为正常的CEP，CEP 及VEP 连续性好，无Modic改变；Ⅱ级为CEP局部或整体变薄，但连续性可，无中断或缺损，VEP连续性好，无Modic改变；Ⅲ级为CEP 局部凹陷，但连续性尚完整，VEP 连续，无Modic 改变；Ⅳ级CEP 开始出现缺损，CEP 连续性中断，其损伤面积小于总面积的25%，VEP此时可能受累，伴或不伴有Modic改变；Ⅴ级CEP损伤面积小于总面积的50%，VEP受累，Modic改变出现；Ⅵ级CEP损伤面积大于总面积的50%或累及整个CEP，VEP受累，伴随Modic改变。

1.2.3 数据分析

所有获得的UTE 图像均在GE 医疗系统的ADW4.6工作站进行分析。

采用双回波技术，通过剪影法（即短TE 图像减去长TE 图像）获得了对比度更清晰的UTE CEP 图像，从而更加准确地评估以结合水为主的CEP。为评价图像质量，UTE图像的信噪比（signal to noise ratio，SNR）和对比噪声比（contrast to noise ratio，CNR）计算应用公式如下：

Sx、Sy和S背景分别表示CEP最清晰区域感兴趣区的均值x、邻近CEP选取最大对比度区域的均值y和背景的信号强度均值，s为背景噪声的标准差。

两名肌骨方向放射科医师在UTE CEP 图像上独立进行双盲分析评估CEP及VEP的形态，并根据上述细化后的Rajasekaran 分级标准评估终板整体损伤的严重程度［3］，当结果不一致时，由两名医师共同商议决定。

1.2.4 Modic改变

Modic Ⅰ型为骨髓水肿期，在MRI 上终板呈现为T1 低信号，T2 高信号；Modic Ⅱ型为脂肪组织所代替，T1、T2 序列均表现为高信号；Modic Ⅲ型为终板软骨硬化，T1、T2 序列均表现为低信号。评估终板Modic 改变主要依据有无以上改变，若不存在任意一型，即判断为无Modic改变。

1.3 统计学方法

采用SPSS 26.0 统计学软件进行统计分析。运用Cohen’s Kappa 分析两名放射科医师在独立评估CEP 损伤程度的一致性。采用Cochran-Armitage 检验分析终板损伤程度与Modic 改变分布情况的关系。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 可行性分析

筛除存在伪影及质量不佳的部分图像后，本研究在36 例患者的63 个椎间盘中筛选了85 个终板。UTE CEP 图像清晰显示了CEP 的形态结构（图1），平均SNR 33.06±2.92，平均CNR 9.4±2.08，SNR 和CNR高，证明图像质量高。

图1 正常终板UTE图像Figure 1 UTE images of normal endplates

以细化后的Rajasekaran 分级为基础，根据UTE CEP 图像显示的CEP 完整程度及VEP 受累程度评估终板整体，两位肌骨方向放射科医师对终板的6 级评估结果如下。医师1：Ⅰ级15 例；Ⅱ级15 例；Ⅲ级14例；Ⅳ级16例；Ⅴ级11例；Ⅵ级14例。医师2：Ⅰ级17 例；Ⅱ级15 例；Ⅲ级15 例；Ⅳ级13 例；Ⅴ级11 例；Ⅵ级14 例。评估结果不一致的终板经两位医师讨论得出最终分级，最终85个终板评估结果为：Ⅰ级15例；Ⅱ级15例；Ⅲ级14例；Ⅳ级16例；Ⅴ级11例；Ⅵ级14例（图2）。两位医师评估终板损伤的一致性较高［Cohen’s kappa系数为0.816（95%CI：0.724～0.908），P＜0.001］。

图2 UTE图像上6级终板典型表现Figure 2 Representative subtracted UTE images of 6 endplate grades

2.2 终板损伤与Modic改变的关联性

Modic 改变评估结果如下：85 个终板中51 个终板无Modic 改变，34个终板存在Modic 改变；参照本研究细化后的Rajasekaran分级评估结果，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级终板均不存在Modic 改变，Ⅴ、Ⅵ级终板均存在Modic 改变；在16 例Ⅳ级终板中，7 个不存在Modic改变，9 个存在Modic 改变。Cochran-Armitage 检验分析示P＜0.000 5，说明终板损伤程度与Modic 改变存在线性趋势，即终板损伤程度越重，越容易出现Modic改变（表2）。

表2 85个终板Modic改变分布情况Table 2 Distribution of Modic changes of 85 endplates

3 讨论

CEP病变被认为是引起椎间盘退变进而引起下腰痛的主要原因之一［8］。CEP在椎间盘与椎体之间运输营养物质时发挥重要作用［9］，当CEP 发生病变（包括变薄、缺损和钙化）时会阻碍营养物质向椎间盘输送，其损伤后引起的椎间盘内营养供给减少被认为是椎间盘退变发生的主要因素。MRI是一种评估腰椎病变的理想技术，能够清晰展示椎间盘的解剖结构，在组织间具有良好对比度，没有辐射［10］。Rajasekaran 等［3］根据传统磁共振T1WI 将终板分为6 个等级（表1），并据此计算终板总分，以5 分作为“临界点”，当总分超过5分，椎间盘的机械环境和营养途径被破坏，此时将不再适合干细胞、基因及合成生长因子这些生物治疗及新兴治疗措施，仅能采用手术治疗，然而他们观察的是整个终板，并未区分CEP 和VEP。Chen 等［4］认为VEP 病变可能与相邻的CEP 病变有关，CEP 的完整性在一定程度上可反映VEP 的完整性。CEP 具有短T2 弛豫时间的特征，在传统MRI上呈现为类似VEP的低信号［11］，若仅存在CEP缺损而未累及VEP，那么常规T1、T2加权图像不能清晰区分两者并导致错误的终板评估分级，后续将错误计算终板总分，从而可能延误治疗。

本研究使用UTE 成像技术来显示CEP 这一具有短T2 弛豫时间结构，并将所得到的短TE 图像减去长TE图像，获得高质量、对比度强的UTE CEP 图像，在此图像上，以结合水为主的CEP 为高信号，VEP 为低信号，应用后处理剪影技术去除了相邻髓核、纤维环的影响，清晰显示CEP 和VEP，且易于区分，本研究中两位放射医师间一致性的高评估系数证明UTE成像技术评估CEP具有可行性。

Chen 等［4］研究表示，CEP 损伤是VEP 损伤的启动因素，当损伤累及到VEP 时，髓核突出表现为特征性的schmorl 结节，并可同时累及椎体骨髓（可有骨髓水肿等表现），此时可有Modic 改变，此为Rajasekarank分级中Ⅲ级和Ⅳ级的区分点。

Rajasekarank 分级Ⅲ级定义为终板虽有局灶性损伤但轮廓完好，此类病例在本研究UTE CEP图像上显示为CEP有局部凹陷，但整体尚连续且VEP未受累（图2C），因此椎体骨髓水肿未见，未出现Modic改变。

Rajasekarank 分级Ⅳ级定义为终板缺损面积小于终板总面积的25%，且伴有Modic 改变。此类病例在本研究UTE 图像上显示为CEP 损伤面积小于总面积的25%，VEP 受累并累及椎体骨髓，Modic 改变出现（图2D）。UTE 图像显示本研究IV 级中还有7例CEP损伤面积小于25%，甚至仅为局灶性损伤，这类CEP局灶性损伤病例在使用T1WI图像观察时均呈阴性表现，但可以在UTE 图像上明确显示出CEP 的局部中断（图3），并可见尚未累及或未完全累及VEP，未出现Modic 改变。笔者推测此时可能处于损伤早期，即CEP 损伤至VEP 损伤的过渡期，此时VEP并未或并未完全累及，故无Modic改变，因此本研究Modic 改变并不作为Ⅲ级与Ⅳ级的区分点。由此也可以反映出应用UTE 成像技术不仅可以观察到常规T1WI 中被忽略的病变，正确计算终板损伤总分，还可以较早观测VEP及椎体骨髓即将受累的征象，进而较早地采取临床干预，减轻或减免患者的下腰痛症状。

图3 CEP局灶性缺损UTE图像及常规MR图像表现Figure 3 UTE and conventional MR images of focal defect in CEP

Chen 等［4］在UTE 图像上观察CEP 损伤的形态，然而他们仅是描述CEP形态上的不规则、变薄及缺损等表现，而未区分CEP 损伤的严重程度，也未对损伤面积具体量化。本研究在UTE图像上观察CEP的损伤程度、评估损伤面积，并观察VEP及椎体骨髓是否受累，是对Rajasekaran 分级的细致探讨。Määttä等［12］在Rajasekaran 分级基础上研究了Modic改变与终板损伤的关联性，而本研究使用UTE成像技术不仅区分出了CEP 与VEP，且可以看到Modic改变形成伴VEP 损伤，对Modic 改变形成过程有所补充。

最后，本研究还评估了85 个终板中Modic 改变存在的情况（表2）。Modic 改变与下腰痛相关［13-14］，终板损伤后引起的Modic改变也是下腰痛患者的病因之一［15-16］。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级终板均不存在Modic改变，Ⅴ、Ⅵ级终板均存在Modic改变，Cochran-Armitage分析示损伤越严重的终板越容易出现Modic 改变，但在Ⅳ级终板损伤的病例中，7 例不存在Modic 改变，9 例存在Modic改变，本研究通过UTE图像发现这7例无Modic改变的病例均是仅累及CEP，但VEP未有或并未完全累及，椎体骨髓未受累（图3）。

为了针对性地观察CEP 损伤以及对应终板与Modic 改变间的关系，本研究排除了其他腰椎实质性病变及外伤等，以消除其他因素对CEP 的影响。本研究的局限性主要在于未获得与分级相对应的组织学病理结果，并且样本量不大，后续研究将继续扩大样本量。此外，将计算椎间盘上下终板损伤总分并评估对应椎间盘的退变程度，观察两者之间的关系，以期获得新发现。

综上所述，UTE 成像技术观察CEP 具有可行性，可辅助临床评估CEP 损伤程度，量化CEP 损伤面积。此外，评估Modic 改变的分布情况发现损伤越严重的终板越容易出现Modic改变。