定量磁共振T2映射成像在椎间盘退变中的研究进展

薛丛洋，王 楠，徐文强，席志鹏，谢 林

南京中医药大学附属中西医结合医院骨伤科，江苏 南京210023

下腰背痛已经成为影响人们生活质量的重要原因之一［1］。据不完全统计，临床上约15%的人因下腰背痛而丧失劳动能力，且有越来越年轻的趋势。引起腰背痛的原因较多，但椎间盘退变被认为是引起下腰背痛的一个主要因素［2］。椎间盘由髓核、纤维环及上下终板组成。椎间盘的生化组成主要包括：水分子、蛋白聚糖、糖胺聚糖和胶原纤维四种成分［3-4］。椎间盘的退变常是从生化改变开始，主要表现为髓核中蛋白多糖和水分的丢失；最后发展成形态学的变化，可见椎间隙高度丢失、纤维环破裂及髓核突出等［1,5-6］。

影像学检查往往被用来作为椎间盘退变的重要诊断方式。椎间盘造影技术被认为是诊断椎间盘退变的金标准，但其有创性限制其在临床的广泛运用。MRI因其无创、无辐射且准确性高受到青睐，而传统的MRI成像虽可显示椎间盘的信号强度和形态学改变，却很难客观量化椎间盘退变的程度［7-8］，无法评估椎间盘的生化改变［9］。故探寻一种无创、可定量描述椎间盘退变的诊断方式现显得十分重要。T2 mapping技术为定量磁共振技术之一，最早用于定量评估软骨内生物化学成分的变化［10］。目前，国内外有部分学者认为T2 mapping可以预测和诊断椎间盘退变［1,11-14］。本文就椎间盘退变的T2 mapping成像研究进展进行综述。

1 椎间盘与椎间盘退变

1.1 椎间盘的结构

椎间盘是构成人体脊柱的重要解剖单元，其连接上下椎体，是全身最大的无血管组织。椎间盘由上下终板、纤维环及髓核构成。髓核位于椎间盘的中央，约占椎间盘横断面积的1/2［15］，是一种柔软且富有弹性的水合多糖凝胶。髓核主要由交错排列的Ⅱ型胶原纤维、蛋白多糖及大量水分组成。髓核细胞主要有脊索细胞和成熟髓核细胞两种类型。纤维环位于髓核的四周，并将其包裹。纤维环由呈同心圆分布的Ⅰ型和Ⅱ型胶原纤维及少量的蛋白多糖和水分构成。胶原纤维构成了纤维环的纤维板层，纤维板层共有3层，由内向外，Ⅰ型胶原纤维不断增加，相反地，Ⅱ型胶原纤维不断减少。纤维环内主要有软骨细胞和纤维样细胞。后侧纤维环最薄，其最里面纤维环与髓核直接相连，边界不清，外侧与后纵韧带分界也不清［15］。终板由骨性和软骨终板组成。软骨终板位于椎间盘与骨性终板间厚约1 mm的透明软骨，其覆盖在椎间盘的上下部分。

1.2 椎间盘的生物力学与功能

髓核能保水及储水，同时富有弹性和亲水性，使其可形成高的内流体静压力，将脊椎承受的压力均匀的向四周传递，使得椎间盘能够支持脊柱的压力负荷［16-17］。纤维环包裹着髓核，保存髓核的液体成分，维持髓核的形状与位置。软骨终板将椎间盘固定在上下骨性终板之间，防止髓核突入椎体。同时其上富有微孔，是髓核水分和代谢产物的通路，并通过渗透作用为髓核提供营养［3］。此外，软骨终板能够吸收脊柱产生的静水压力，缓冲压力负荷，减轻对椎体的损伤，起到保护椎体的作用［18］。软骨终板将椎间盘与相邻的椎体相连，构成具有功能连续性的椎间关节［19］。椎间盘内富有带有负电荷的蛋白多糖，使其具有高渗透压，能够吸附大量的水分，具有保持弹性、吸收震荡及抵抗压力的生物学特性。椎间盘生物力学的维持，主要依靠椎间盘内的胶原纤维，其是椎间盘细胞间的骨架，使椎间盘具有高度的抗张和抗刚强度。

1.3 椎间盘退变

椎间盘的退变过程常是从复杂的生化及分子水平开始，主要表现为髓核水分的减少、蛋白多糖的丢失及胶原纤维的转化，随后出现形态学的变化，表现为髓核的膨出、突出，纤维环的撕裂、断裂，椎间隙高度的丢失等。退变过程中髓核逐渐由凝胶状态向胶原化转变，同时伴随着水分的丢失及蛋白多糖的减少，髓核传导压力的能力开始下降，影响椎间盘内代谢产物的排泄。纤维环的水分也开始丢失，导致纤维环向周围膨出，其弹性降低，导致承受压力负荷减少，而形成薄弱区。退变的髓核在将压力向四周分散时，易突破纤维环薄弱区，造成纤维环的破裂，突出的髓核压迫周围的组织；微小血管网长入椎间盘，释放大量的炎性因子，引起腰腿痛［20-21］。软骨终板的损伤、钙化，导致椎间盘营养途径的丢失，加重椎间的退变。而影响椎间盘退变的因素有很多，如年龄、吸烟、创伤、病毒感染、遗传及营养等。

2 椎间盘退变的分级

2.1 椎间盘退变的Pfirrmann分级及改良Pfirrmann分级

Pfirrmann分级是目前公认一种诊断椎间盘退变的分级方式，是一种半定量视觉分级系统［22］。其借助T2WI影像技术，选取正中矢状位图像，通过对比髓核的信号、结构以及与纤维环的分界线、椎间盘的高度4个方面来区分椎间盘的退变等级。各级椎间盘退变的特征（表1）。椎间盘退变Ⅰ～Ⅴ级（图1）［23］。

表1 Pfirrmann分级Tab.1 Pfirrmann grading

图1 Pfirrmann 分级的T2WI影像学表现Fig.1 T2WI images of Pfirrmann grading.

Pfirrmann分级虽然被临床医生广泛应用，但有研究发现，其在用于老年人椎间盘退变评估时，有87%退变椎间盘很难区分Ⅲ级和Ⅳ级。有学者提出改良PfIrrmann分级，其依据髓核及内层纤维环信号、后方纤维环内外层信号差别和椎间盘高度三个方面，将椎间盘退变分为8个量级［24］（表2）。

表2 改良Pfirrmann分级Tab.2 Improved Pfirrmann grading

2.2 组织学退变分级

2.2.1 椎间盘退变组织学分级 椎间盘退变组织学分级是基于纤维环、纤维环与髓核分界、髓核细胞的结构、髓核基质以及髓核的细胞外基质的评分相加，对椎间盘退变进行分级。评分的范围为5～15分，5分为正常椎间盘，15分为严重退变椎间盘［25］（表3）。

表3 椎间盘退变组织学分级量表Tab.3 Histological grading scale for disc degeneration

2.2.2 髓核组织学退变评分 髓核组织学退变评分为髓核细胞与髓核基质的评分相加，评分范围2～6分，2分为正常椎间盘，3、4分为早期椎间盘退变，5、6分为晚期椎间盘退变［26］（表4）。

表4 髓核组织学退变评分量表Tab.4 Nucleus pulposus histological degeneration Scale

3 T2 mapping技术

3.1 T2 mapping成像技术原理

MRI技术目的是识别磁场内特定原子核质子的电磁信号，通常是氢原子。质子在射频脉冲中获得额外的能量而发生共鸣。在射频脉冲停止后，质子通常经过两个过程回到原始静止位置。其一是通过与周围环境交换、转移能量，称为纵向弛豫（T1）；其二是通过相邻质子的影响而停止运动，这种现象称为横向弛豫（T2）。水质子的迁移速率随组织而变化，其为自由水时迁移率高，但它们固定在细胞外基质中时迁移率低。由于相邻质子的作用，相比于T1弛豫时间，其对T2弛豫时间影响更大。因此在识别水含量变化的疾病中，T2序列优于T1序列［27］。

T2弛豫时间即指横向衰减的时间。T2 mapping成像技术是将T2弛豫时间转化为二维彩色图谱来反映组织特性的一种定量磁共振技术［28］。其T2值是通过多层面多回波自旋回波序列，在同一的重复时间和多个不同的回波时间扫描，并经计算机加工获得［9］。目前临床中常用红蓝色代表水分的多与少（图2）。其最早用关节软骨退变的诊断，研究表明，其对椎间盘退变的诊断也存在一定的价值。

图2 矢状位L3～S1的T2WI图和T2映射图Fig.2 T2WI and T2 mapping images of sagittal L3-S1 images.

3.2 T2 mapping与其他功能磁共振技术

3.2.1 T2*mapping成像技术 T2*mapping成像技术是一种通过T2*值来反映组织内在特性的成像技术。它能够提供组织内含水、蛋白质、胶原物质及其他溶质的含量信息，同时能够描述胶原纤维的排列方式。研究表明，T2 mapping能够很好的显示椎间盘突出和纤维环撕裂；与正常T2序列相比，T2*mapping成像检测纤维环变化更敏感［30-32］。

3.2.2 T1ρ成像技术 T1ρ成像是反映体内大分子间相互作用的成像技术，T1ρ弛豫又称旋转坐标系下的自旋晶格弛豫时间，人体中的水分子经常与体内的大分子相互结合发生能量或质子交换等相互作用，这种作用会引发T1ρ弛豫。它可以用于检测含水组织的代谢和生化信息改变。有学者认为，T1p与椎间盘退变存在相关性，或许可以作为评估椎间盘退变的一个指标［33］；它更适合用于盘源性腰痛的诊断［34］。研究表明，T1p与T2 mapping在评估髓核的退变中呈现相同的关系。T1ρ成像与T2 mapping均与椎间盘含水量的变化有关，因此二者之间具有联系［35］。与T1p成像技术相比，T2 mapping对评价椎间盘其他结构的退变更具有优势［36］。也有学者认为，T1ρ成像技术在试验中的重复性高T2 mapping，因此更有潜力成为研究椎间盘退变的主要影像技术［37］。

3.2.3 弥散加权成像（DWI）DWI可通过测量组织内水分子扩散受限程度的改变，推测组织内部微结构的变化［38］，常用于颅脑疾病的诊断，如脑卒中等。椎间盘退变过程中主要的生化表现为水分、蛋白多糖等的丢失，导致椎间盘内环境的变化，进而影响水分子的运动。DWI通过测量表观扩散系数（ADC）的变化来检测椎间盘基础代谢及退变情况。相关分析表明［39］，ADC值与T2值之间呈正相关，均随着年龄的增加而降低。T2和ADC值在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ级之间的差异无统计学意义。也有研究者认为T1rho核值与生物力学、组织学和GAG变化的相关性优于T2值和ADC值［40］。

3.2.4 弥散扩散张量成像（DTI）DTI是在DWI的基础上施加多个方向的扩散敏感梯度场，并采集每个方向上的信号，记录水分子的扩散速度与方向，计算出ADC及各向异性分数。椎间盘退变过程中，水分丢失，髓核及纤维环胶原纤维增加，髓核弹性降低，纤维环向结缔组织转变，水分子的扩散受阻，导致各向异性增大。研究表明，随着椎间盘退变程度增加，平均扩散系数下降，各向异性分数值升高［8,41］。有学者通过对患有胸腰椎间盘突出症51只狗进行定量磁共振研究发现，各向异性分数与年龄呈负相关；DTI的测量因体质量、年龄与测量节段变化而变化［42］。有学者通过对295名健康者及59名退行性椎间盘疾病患者行3.0T腰椎MRI并对影像数据进行统计分析，发现在退化椎间盘中纤维环的T2值不变，而髓核中的T2值增加，表明髓核与纤维环的变化可能与T2图中看到的形态学变化无关［43］。在椎间盘退变中T2值的变化相对惰性，因此T2 mapping成像相比DTI更有价值。

3.2.5 扩散峰度成像（DKI）DKI是磁共振扩散成像方法之一，是一种非高斯分布模型，而DTI与DWI均是高斯分布模型。故相比于DTI与DWI，DKI不仅能够反映组织内水分子的变化，还被广泛用于微结构组织变化的检测与分级。从DKI中可以提取多个参数，包括各向异性分数、平均扩散率、轴向扩散率、径向扩散率、平均峰度、轴向峰度和径向峰度，可用作组织中水分子扩散和微观结构变化的标志物。各向异性分数值是微观结构方向性的量度，它取决于细胞的方向和数量以及细胞外空间的可及性。平均扩散率值对水分子在组织中的扩散敏感，而平均峰度值被认为与微结构复杂性和密度有关。轴向扩散率和径向扩散率值分别是轴向和垂直方向的扩散率值，而轴向峰度和径向峰度值是这些方向上对应的峰度值［44-45］。

有学者对30名慢性非特异性腰痛患者和23名无症状者进行T2WI和DKI扫描，获取各组检测者的椎间盘髓核的ADC值及DKI的各项参数并进行比较，发现DKI能够很好的区分慢性腰痛患者与无症状者，其能够无创地显示人体退变椎间盘的微观结构变化［46］。有研究对81例受检者行T2WI和DKI扫描，证明DKI可用于早期椎间盘退变的诊断，平均峰度及平均扩散率值与Pfirrmann分级、椎间盘节段具有相关性，而与性别差异无明显相关性［47］。研究者通过对80例受检者行T2WI、DKI及T2*mapping成像扫描，获取髓核及纤维环的平均峰度、MD及T2*弛豫时间进行对比，发现DKI在鉴别Pfirrmann分级中Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级椎间盘的敏感度和特异性均优于T2*mapping成像［7］。相比于T2 mapping，DKI能提供更多的参数，故笔者认为DKI在诊断早期椎间盘退变中优于T2 mapping。

3.2.6 钠成像 钠成像是通过测定细胞外基质中Na离子的浓度来评估组织退变的一种成像技术。蛋白多糖含有较多带负电荷的糖胺聚糖，其能吸引含有正电离子。而椎间盘细胞外基质中，主要阳离子就是Na离子。因此，钠含量通常作为糖胺聚糖的替代物。由于糖胺聚糖等物质的丢失导致了椎间盘的退变，所以钠成像具有诊断椎间盘退变的潜力［48］。但Na离子溶度很低，其成像效果较差；T2 mapping成像技术主要依靠水分子的变化来评估椎间盘的退变，重复性及价值较钠成像更高。

3.2.7 磁化传递磁共振成像 磁化传递磁共振成像是一种选择性的组织信号抑制技术，该技术首先预饱和结合水，当真正的成像脉冲施加时，这部分被饱和的自由水将不产生信号，从而导致MR信号降低，最终导致静止组织的信号被整体衰减，这就是磁化传递效应，其指标是磁化传递率。在自由水中产生的信号衰减通过MT脉冲序列成像显示出明显的信号缩减。研究表明，T2弛豫时间值随年龄增长而降低，而磁化传递率值随年龄增长而增加，并且与性别无明显关系。磁化传递率与Pfirrmann分级呈明显正相关。T2 mapping比磁化传递磁共振成像能更准确的测量颈胸椎的椎间盘退变［49］。

3.2.8 磁共振波谱成像（MRS）MRS是利用化学位移和自旋耦合现象检测人体内能量代谢及化学物质变化，以获得定量化学信息的一种磁共振成像技术。目前，MRS主要通过探测PG中GAG链的N-乙酰直接评估PG的含量来检测椎间盘退变。有学者通过将木瓜蛋白酶溶液注射新鲜牛椎间盘以诱导髓核细胞外基质降解［50］。在髓核中纵向测量ADCs、T2值、细胞外基质中大分子和水的含量。发现在椎间盘疾病早期，ADC对细胞外基质中大分子的降解很敏感，而T2值变化不显著，因此MRS比T2 mapping成像能更好的反映椎间盘细胞外基质中大分子的变化［13］。

3.2.9 磁共振延迟增强软骨成像（dGEMRIC）dGEMRIC是通过经脉注射造影剂取代糖胺聚糖的分子成像技术。退化的椎间盘或软骨中蛋白聚糖含量的消耗导致磁性钆离子的积累，导致T1弛豫时间降低。糖胺聚糖广泛的存在于关节软骨及椎间盘，因此通过dGEMRIC可以检测关节软骨及椎间盘中糖胺聚糖的含量，来评估其退变程度［51］。目前尚无研究对比dGEMRIC 与T2 mapping 间的差异。由于dGEMRIC需要使用造影剂，因此其临床使用的简易性及患者的接受度较差。而T2 mapping无创且成像时间相对较短，因此笔者认为T2 mapping在椎间盘退变的诊断中的价值高于dGEMRIC。

3.3 T2 mapping与椎间盘退变组织成分的关系

椎间盘退变的早期主要是糖胺聚糖及水分的丢失，而T2 mapping成像可以检测髓核中这二者的变化。有学者通过T2 mapping评估48例患者腰椎牵引前后髓核水分的变化，发现T2 mapping可以用于评估椎间盘退变中髓核水分的改变［52］。有研究表明T2值与腰椎间盘内水分、蛋白多糖及胶原纤维等的含量密切相关；T2值随着椎间盘内水分和蛋白多糖的增加而增加，随着胶原纤维的增加而降低［53］。

3.4 T2 mapping与Pfirrmann分级

Pfirrmann分级是目前临床上对椎间盘退变运用最广泛的分级，其通过T2WI影像技术对椎间盘的退变进行评估分级。髓核T2值与Pfirrmann分级呈中度的负相关，纤维环前缘T2值与Pfirrmann分级呈轻度负相关，纤维环后缘T2值与Pfirrmann分级呈无相关性［17］。

3.5 T2 mapping与日本骨科学会评分（JOA）、视觉模拟评分（VAS）及年龄、性别间的关系

3.5.1 T2 mapping与JOA、VAS评分 椎间盘退变的过程中，患者可能出现不同程度的疼痛及椎体功能的改变，因此，JOA、VAS评分对评估椎间盘退变也具有一定的指导意义。有研究表明VAS评分与前纤维环和髓核的T2值之间无明显相关性，而与后纤维环之间存在显著的负相关性［34,52］。与此同时，JOA评分与前纤维环和髓核的T2值之间也无相关性；与后纤维环之间存在显著的正相关性。国内冯国祥等［53］研究也表明髓核与纤维环区T2值与JOA评分间存在正相关关系，与VAS评分间存在负相关关系。

3.5.2 T2 mapping与年龄、性别 椎间盘的退变开始于出生后的第2个10年，退变的程度与年龄呈正相关。有学者通过测量椎间盘的T2值，发现其与年龄呈负相关［54］。有学者发现随着年龄的增加，T2值逐渐降低，从20～29岁到60岁间的变化较显著［49］。虽然男性平均T2值略高于女性，但二者间差异无统计学意义。但在老年人群中，女性在绝经后表现出更高的症状性椎间盘退变患病率［55］。

3.6 组织学退变评分与T2值

组织学退变评分通过组织HE染色反应细胞形态，番红O-固绿染色反映细胞外基质内蛋白聚糖的含量及分布情况，来评估椎间盘的退变情况。既往研究表明，总的组织学退变评分与T2值呈负相关，髓核的组织学退变评分与T2值间呈显著负相关［25］。即使髓核的组织学评分3分和4分，组间T2值的差异也有统计学意义［22］。

4 小结与展望

椎间盘退变性疾病严重影响着人们的生活，然而对于早期椎间盘退变缺乏良好的检测手段。寻找一种无创、无辐射及便捷的诊查方式为早期识别并干预椎间盘退变显得尤为重要。T2 mapping是近年来较为新的一种定量磁共振技术。诸多研究表明其能够用于早期椎间盘退变的诊断。与T1ρ成像技术相比，它对椎间盘退变的诊断更准确，尤其在显示椎间盘的突出和纤维环撕裂等方面更为突出。与DWI 成像技术相比，T2 值与ADC值在椎间盘退变中效果相同。在高位椎体退变的诊断中，T2 mapping较DTI更准确。DKI在诊断椎间盘退变中能够提供更多参数，较T2 mapping更加准确。然而T2 mapping成像技术对纤维环变化的敏感度弱于T2*mapping成像技术。Na离子溶度很低，又具有较高的横向磁化和较低的旋磁都限制钠成像在诊断椎间盘退变中的运用。MRS成像技术能很好的反映椎间盘细胞外基质的降解，可以直接检测细胞外基质的完整性，是T2 mapping所不能反映的。然而T2 mapping成像技术检测时间较长，易受到检测时间、负荷、位置等因素的影响，同时其测量的区域由人为分割，导致其检测的稳定性和可靠性降低。相比于其他定量磁共振技术，T2 mapping能够反应椎间盘内多种生化成分的改变（如水含量、蛋白多糖含量及胶原纤维排列情况等）以评估椎间盘退变的情况，因此T2 mapping成像技术在临床上应用更为广泛。

综上所述，T2 mapping可在一定程度上反映椎体的功能，疼痛情况以及椎间盘的退变程度（包括椎间盘成分的丢失情况），可为临床明确患者病情提供参考，具有重要临床价值，但其准确性、可重复性等有待进一步的研究提高。