MAGiC技术在颈椎间盘退行性改变中的应用价值

孙其安，李郑，何玲，张勇

颈痛是临床常见疾病且发病年龄有年轻化趋势，病因复杂，其中颈椎间盘退变是其重要原因之一。相关研究表明，颈痛程度与颈椎间盘退变节段数及部位有关[1]。MRI检查可以诊断颈椎间盘退变，但易受主观因素影响，缺乏量化标准，不能准确反映椎间盘内部结构成份变化[2]。常规MRI定量技术扫描时间过长，高背景噪声及多种定量图谱合并使用时的额外空间配准，降低了其临床应用的可行性。合成磁共振成像(magnetic resonance image compilation,MAGiC)是一种多对比度一站式驰豫定量技术，可通过一次多动态多回波(multiple-dynamic multiple-echo,MDME)序列获取多种对比度图像及多种定量数据，且扫描时间缩短，具有临床应用可行性。本研究通过MAGiC技术获取的定量数据来分析椎间盘Pfirrmann分级间的差异,旨在探讨MAGiC定量技术在颈椎间盘退行性改变中的应用价值。

材料与方法

1.病例资料

回顾性搜集2021年3月至2021年12月在扬州大学附属医院行颈椎MRI检查的患者42例。病例纳入标准：①年龄≥18岁；②颈部不适且单次或反复发作；③受检者可配合检查且无MRI检查绝对禁忌症。病例排除标准：①颈椎骨折、颈椎肿瘤、手术史、感染性疾病、脊柱畸形等影响椎间盘观察的患者；②图像质量差,包括运动伪影、硬件伪影等。本研究最终纳入40例患者，其中男22例，女18例，年龄18～73岁，平均(41±16)岁，共计200个颈椎间盘。排除2例因运动伪影致图像质量较差患者。

2.检查方法

MRI检查采用GE Architect 3.0T超导MR成像仪，头颈联合线圈，受检者取头先进仰卧位，嘱受检者静坐30 min后行颈椎MRI扫描。扫描序列包括：常规序列矢状面T1及T2、矢状面T2脂肪抑制、轴面T2；特殊序列包括矢状面T2MAP(TR 900 ms，TE 9.1～72.6 ms，层厚3 mm，扫描时间5 min 48 s)及矢状面MAGiC(TR 4071 ms，TE 18.4/91.9 ms，ETL 16，层厚3 mm，扫描时间4 min 55 s)，这两种序列均采用一致的视野(280 mm×280 mm)、矩阵(320×256)及扫描定位(图1)。

图1 同一受检者T2WI及各定量参数图。a)常规T2WI图像(1为前纤维环ROI,3为髓核ROI,5为后纤维环ROI)；b)MAGiC序列T1值定量图；c)MAGiC序列T2值定量图；d)MAGiC序列PD值定量图；e)T2MAP定量图。 图2 T2 MAP与MAGiC序列T2值在AAF区诊断颈椎椎间盘退变的ROC曲线。 图3 T2 MAP与MAGiC序列T2值在NP区诊断颈椎椎间盘退变的ROC曲线。 图4 T2 MAP与MAGiC序列T2值在PAF区诊断颈椎椎间盘退变的ROC曲线。

3.感兴趣区的设定及测量

使用图像处理软件(MAGiC)生成T1-mapping、T2-mapping及PD-mapping三组定量图谱，每组定量序列自动生成伪彩图。对照Sag T2WI序列选取正中矢状面层面设定感兴趣区(region of interest,ROI)，将每节椎间盘(C2-C7)绘制成五等份，分别在第一、第三、第五区域设置等大椭圆形ROI并标记为前纤维环(anterior annulus fibrosus，AAF)、髓核(nucleus pulposus，NP)、后纤维环(posterior annulus fibrosus，PAF)，测量前纤维环、髓核、后纤维环的T1、T2、PD值。T2MAP序列在工作站(AW4.7)上获取T2值，绘制ROI与MAGIC序列的方法相同。Pfirrmann分级及定量值的测量由两位工作年限满10年以上的医师独立完成,取两者测量的平均值作为最终测量值，分级参照腰椎间盘Pfirrmann分级标准(表1)。

表1 颈椎间盘Pfirrmann分级标准

4.统计学分析

结 果

本研究共纳入40例患者，根据Pfirrmann分级标准计数共200个椎间盘，其中Ⅰ级椎间盘25个，Ⅱ级椎间盘55个，Ⅲ级椎间盘63个，Ⅳ级椎间盘40个，Ⅴ级椎间盘17个。统计学分析结果显示，T2MAP序列与MAGiC序列T2值具有高度相关性(r均>0.8)，T2MAP和MAGiC序列T2值均与年龄呈负相关性且在髓核区最为显著(表2)。Z检验结果显示，前纤维环T2MAP序列T2值诊断颈椎椎间盘退变的AUC高于MAGiC序列(分别为0.862、0.794，图2)，但差异无统计学意义(Z=1.823，P>0.05)；髓核T2MAP序列诊断颈椎椎间盘退变的AUC稍高于MAGiC序列(分别为0.996、0.990，图3)，差异无统计学意义(Z=1.109，P>0.05)；后纤维环T2MAP序列诊断颈椎椎间盘退变的AUC稍高于MAGiC序列(分别为0.834、0.784，图4)，差异无统计学意义(Z=1.057，P>0.05)。

表2 颈椎间盘不同ROI区T2值相关性分析结果

MAGiC序列定量值(T1、T2、PD)与Pfirrmann分级相关性分析：在AAF、NP、PAF区MAGIC定量值与Pfirrmann分级均呈负相关，(T1定量:r值分别为-0.368、-0.784、-0.278；T2定量:r值分别为-0.558、-0.950、-0.637；PD定量:r值分别为-0.426、-0.747、-0.402；P值均<0.01)，其中髓核T2值与Pfirrmann分级呈高度负相关，其次髓核T1及PD值、后纤维环T2值与Pfirrmann分级呈高度负相关，其余ROI区均呈中低负相关。

颈椎间盘各Pfirrmann分级间MAGIC序列定量值比较：不同Pfirrmann分级在前后纤维环、髓核的定量值差异均具有统计学意义(P值均<0.05，表3)。前纤维环T1、T2、PD值在Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级间差异均具有统计学意义(P<0.05)，且PD值在Pfirrmann Ⅳ级与Ⅴ级间差异有统计学意义(P=0.027)。髓核T1、T2、PD值仅在Pfirrmann Ⅳ级与Ⅴ级间差异无统计学意义(P>0.05)，其余定量值在相邻Pfirrmann分级之间差异均具有统计学意义(P值均<0.001)。后纤维环T1、T2、PD值在Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级间差异均具有统计学意义(P值均<0.05)，且T2值在Pfirrmann Ⅱ级与Ⅲ级间差异有统计学意义(P=0.019)，其余定量值在相邻Pfirrmann分级间差异均无统计学意义(P>0.05，表4)。

表3 颈椎间盘各Pfirrmann分级间MAGiC序列定量值比较

表4 相邻Pfirrmann分级间MAGiC定量值比较结果

各ROI区MAGiC定量值鉴别诊断Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级的ROC曲线下面积比较：AAF、NP、PAF区T1值鉴别诊断Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级的AUC分别为0.697、0.828、0.711，髓核与前、后纤维环的AUC差异均有统计学意义(Z=2.248、1.968，P=0.0246、0.0491)；AAF、NP、PAF区T2值鉴别诊断Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级的AUC分别为0.810、0.991、0.862，髓核与前、后纤维环的AUC差异均有统计学意义(Z=3.783、4.710，P=0.0002、P<0.0001)；AAF、NP、PAF区PD值鉴别诊断Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级的AUC分别为0.734、0.779、0.738，髓核与前、后纤维环的AUC差异均无统计学意义(Z=0.732、0.818，P值均>0.05)。

髓核区MAGiC定量值诊断PfirrmannⅠ到Ⅳ级的ROC曲线下面积比较：Z检验结果显示，T2值鉴别诊断Pfirrmann Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅲ级与Ⅳ级的AUC(分别为0.953、0.973、0.991)均高于T1值(分别为0.883、0.859、0.828)及PD值(分别为0.763、0.714、0.779，图5～8)，差异均具有统计学意义(P值均<0.05)；T1值鉴别诊断Pfirrmann Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅲ级与Ⅳ级的AUC均高于PD值；Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级间的PD值差异无统计学意义(Z=0.987，P>0.05)，其余Pfirrmann分级T1值与PD值间差异均有统计学意义(P值均<0.05)。

图5 髓核区MAGiC序列定量值鉴别诊断PfirrmannⅠ级与Ⅱ级的ROC曲线。 图6 髓核区MAGiC序列定量值鉴别诊断Pfirrmann Ⅱ级与Ⅲ级的ROC曲线。 图7 髓核区MAGiC序列定量值鉴别诊断Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级的ROC曲线。 图8 髓核区MAGiC序列定量值鉴别诊断Pfirrmann Ⅳ级与Ⅴ级的ROC曲线。

讨 论

MAGiC是一种一站式驰豫定量技术,能够一次扫描获得多组不同对比度图象和多种弛豫定量数据[2]，对评估颈椎退行性变有较高价值。目前T2-mapping定量评估脊柱椎间盘退变已经有了显著的研究成果[3-9]，此类合成MRI技术在脊柱椎间盘方面也有了一定进展[10-11]，但MAGiC多种弛豫定量技术在颈椎椎间盘退变中的应用研究涉及较少。

1.MAGiC序列在颈椎间盘退变应用方面的可行性分析

本研究结果表明，MAGiC序列生成的T2定量值与T2MAP定量值具有高度一致性，提示其定量数据具有可靠性。髓核及前、后纤维环的MAGiC与T2MAP定量值对诊断颈椎椎间盘退变无统计学差异，提示MAGiC与T2MAP诊断分级的效能具有一致性，髓核区的诊断效能更高。本研究结果表明MAGIC定量值在颈椎间盘退变的应用方面具有可行性，与Jiang等[11]的结论一致。研究中发现影像对椎间盘形态的显示有限，且随着椎间盘退变的加重，对前、后纤维环绘制ROI带来了一定困难，尤其是Pfirrmann Ⅴ级的椎体间隙变窄，更加难以区分前、后纤维环。Menezes-Reis等[12]研究发现高度退变的椎间盘髓核及纤维环分界不清对其绘制ROI及测量定量值影响很大，张洧蓝等[13]对腰椎间盘ROI绘制存在相同的问题。颈椎间盘前纤维环较厚，后纤维环较稀薄，而髓核的位置相对固定，容易测量，研究结果显示两组序列髓核区定量值的一致性最高,提示髓核区具有更高的诊断价值。

2.MAGiC髓核区T2值与年龄的相关性分析

本研究结果显示髓核区T2值与年龄呈明显负相关，纤维环区T2值与年龄呈弱负相关性，提示随着年龄的增长T2弛豫时间显著缩短。椎间盘退变过程中,髓核含水量降低、蛋白多糖黏液样基质减少、胶原蛋白增多均是导致退变椎间盘T2WI信号强度降低的因素[14]。后纤维环相关性大于前纤维环,提示后纤维环随着年龄增加T2值变化差异更大。

3.不同Pfirrmann分级间的MAGiC定量值差异

本研究结果显示髓核T2值与Pfirrmann分级呈高度负相关，髓核T1及PD值、后纤维环T2值与Pfirrmann分级呈稍高负相关，提示髓核T2值在评估Pfirrmann分级方面具有重要意义，与曾菲菲等[8]的结论一致。髓核区T1、T2、PD值Pfirrmann分级两两间比较,除Ⅳ级与Ⅴ级之间差异无统计学意义外，其余两两比较差异均有统计学意义，表明T1、T2值随着Pfirrmann分级的增高而降低；提示Ⅳ级和Ⅴ级间变化与组织定量值无关，可考虑仅是形态学的变化。早期椎间盘退变(Ⅰ级与Ⅱ级间)仅在髓核区定量值的差异存在统计学意义，在前、后纤维环上，T1与PD定量值在早期椎间盘退变上差异均无统计学意义，表明髓核区定量值诊断早期退变的效果最佳。早期退变时在纤维环区病变不明显，在Ⅱ级以后更容易产生纤维环病变。中晚期椎间盘退变(Ⅲ级与Ⅳ级间)在前、后纤维环及髓核区定量值差异均有统计学意义，与Pfirrmann分级Ⅲ级到Ⅳ级影像学上髓核及纤维环信号发生改变相一致。本研究发现Pfirrmann Ⅳ级与Ⅴ级仅在前纤维环PD值上差异有统计学意义，提示晚期退变前纤维环氢质子含量减低，因Ⅴ级椎间盘定量值测量困难且样本量较少，其结果是否具有临床意义有待进一步研究。

为进一步分析髓核与前、后纤维环MAGiC定量诊断差异，将MAGiC定量值鉴别诊断Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级的效能进行ROC曲线分析。结果显示髓核区T1及T2值鉴别诊断Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级的效能均高于前、后纤维环，而髓核PD值的诊断效能与前、后纤维环差异无统计学意义，提示MAGiC定量值在颈椎椎间盘中晚期退变髓核区具有更高的诊断价值。

4.髓核区MAGiC定量值评估Pfirrmann分级的价值

为了评估MAGiC各定量值对Pfirrmann分级的诊断效能，将Pfirrmann Ⅰ到Ⅳ级均存在统计学差异的髓核区进行ROC曲线下面积比较。结果显示髓核区T2值对PfirrmannⅠ级到Ⅴ级的诊断效能高于T1值和PD值，T1值对Pfirrmann Ⅰ级到Ⅳ级的诊断效能高于PD值，且差异有统计学意义，提示髓核区T2值对Pfirrmann分级的诊断效能最佳，T1值也具有较高的诊断价值，PD值在诊断Pfirrmann分级方面优势最小。Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级间的T1、PD值差异无统计学意义，提示Pfirrmann Ⅲ级与Ⅳ级间两者具有相近的诊断效能。

本研究存在以下局限性：①在Pfirrmann分级上仅凭视觉评价，可能存在主观因素导致的结果偏差，在绘制与选择ROI时一定程度上也存在主观偏差；②本研究样本量相对有限，未来将加大样本量进一步研究；③缺少组织学与病理学结果，未来将结合组织学与病理学结果进一步验证与研究。

综上所述，MAGiC技术可定量评估颈椎退行性变，且髓核区T2值的诊断效能最高，其一站式多弛豫定量成像技术可为颈椎间盘退行性变提供更多诊断信息。