無癥狀成人腰椎間盤退變磁化傳遞率與椎間盤退變分級的相關性研究

郭安娜 嚴志漢 李清萍 章智敬 陳少卿 黃熒熒 葉佩佩 何家維

下腰痛是臨床常見病和多發病之一，常見原因為椎間盤退變[1]。已有研究發現椎間盤退變早在無癥狀階段就可發生，常規影像學方法無法提供早期、定量的診斷依據[2,3]。早期定量診斷椎間盤退變，有助于臨床盡早地采用生物學療法等非手術方法進行干預，以延緩椎間盤退變的進展[4,5]。磁共振磁化傳遞技術(magnetization transfer magnetic resonance imaging， MT-MRI)是一種選擇性組織信號抑制技術，磁化傳遞率(magnetization transfer ratio， MTR)值可以定量地反映椎間盤內膠原含量的改變[6]。本研究旨在評估較大樣本無癥狀成人腰椎間盤髓核的MTR值與椎間盤退變分級的相關性，探討 MT-MRI技術對椎間盤退變的定量診斷價值。

對象與方法

1.研究對象：本項研究是前瞻性影像學研究，共納入2016年12月～2018年12月期間招募的290名無癥狀志愿者，其中，男性125名，女性165名，年齡22～74歲，平均年齡43.2±13.5歲。納入標準：無癥狀成人(≥18周歲)；掃描圖像完整、清晰，掃描范圍包括L1～S1。排除標準：有急慢性腰痛者；脊柱側凸等脊柱畸形；腰椎腫瘤、感染等可能會引起椎間盤病變的疾??；既往有重體力勞動相關職業史，脊柱骨折、手術或放化療史；妊娠、幽閉恐懼癥及有磁共振檢查禁忌證者。

2.掃描方法：采用3.0T GE Discovery MR750掃描儀，標準8通道CTL脊柱相控陣線圈，掃描序列包括：(1)矢狀位MT SPGR脈沖序列： TR 200ms，TE minimum，翻轉角10°，帶寬15.63kHz，層厚3 mm，矩陣256×256， FOV 24cm×24cm， NEX為2次。每例受試者進行兩次掃描，一次不采用MT(MTR off)，一次采用MT(MTR on)，MT偏共振飽和脈沖頻率為1.2kHz。(2)常規序列：矢狀位FSE-T1WI序列(TR 1050ms，TE7ms)、FSE-T2WI序列(TR 2500ms，TE120ms)，橫斷位FSE-T2WI序列(TR 3000ms，TE120ms)。

3.腰椎間盤退變分級標準：椎間盤退變分級依據國際通用的Pfirrmann分級標準，根據椎間盤的高度、T2WI序列的信號強度變化等標準劃分為Ⅰ～Ⅴ級[3]。參考既往研究，將Pfirrmann分級Ⅰ～Ⅱ級的椎間盤歸為生理性退變范圍，Pfirrmann分級Ⅲ～Ⅴ級椎間盤歸為退變椎間盤[7，8]。由兩名超過5年經驗的放射診斷醫生，獨立評估所有椎間盤的Pfirrmann分級，結果有異議時經協商達成一致。

4.腰椎間盤磁化傳遞率(MTR)測定：通過GE專用AW4.6后處理工作站，獲得MTR減影圖(off-on)。根據矢狀面椎間盤的長徑五等分，取中間的約3/5作為髓核ROI，手動勾畫ROI， ROI的形狀選擇橢圓形，勾畫時避開椎體的軟骨終板、血管和骨贅。根據公式MTR(%)=(MTR off-MTR on)/MTR off×100%，計算出各椎間盤感興趣區的MTR值[6]。MTR值由兩名放射診斷醫生分別測量，結果取平均值，并計算測量值的觀察者間組內相關性系數(ICC)，詳見圖1。

圖1 腰椎間盤矢狀位T2WI序列及MT序列圖像A.T2WI圖像；B.MTR on圖；C.MTR off圖；D.MTR減影圖(off-on)，C圖上勾畫各椎間盤的ROI復制到D圖

結 果

1.腰椎間盤退變分級結果：根據Pfirrmann分級標準， 1450個椎間盤中，Pfirrmann分級Ⅰ級77個(5.31%)，Ⅱ級906個(62.48%)，Ⅲ級317個(21.86%)，Ⅳ級140個(9.66%)，Ⅴ級10個(0.69%)。正常生理性退變范圍的Ⅰ～Ⅱ級椎間盤約占67.79%(983/1450)，退變的Ⅲ～Ⅴ級椎間盤約占32.21%(467/1450)。

2.髓核MTR值測量的重復性評價：兩名放射診斷醫生MTR(off-on)測量值的組內相關性系數(ICC)為0.964(P=0.000)，變異系數(CV)為3.38%，MTR off測量值的ICC為0.944(P=0.000)，CV為2.85%，測量值的觀察者間可信度良好。

3.髓核MTR值的性別差異及與年齡的相關性：將志愿者分為20～29歲、30～39歲、40～49歲、50～59歲和≥60歲年齡組，在20～29歲及≥60歲這兩個年齡組男性、女性之間的髓核MTR值比較，差異無統計學意義(P=0.702，P=0.106)，其余年齡分組的髓核MTR值均存在性別差異(P=0.004，P=0.000，P=0.000)，且各個年齡組女性的髓核MTR值均高于男性,詳見表1。男性、女性的髓核MTR值與年齡均呈正相關(r=0.366，P=0.000；r=0.416，P=0.000)。

表1 不同性別、年齡分組的MTR值

4.髓核MTR值與BMI、椎間盤節段的相關性:腰椎間盤髓核MTR值與BMI、節段均呈正相關(r=0.206，P=0.000；r=0.233，P=0.000)。上位椎間盤節段(L1/2、L2/3)與下位椎間盤節段(L4/5、L5/S1)的髓核MTR值比較，差異有統計學意義(P=0.000)，詳見表2。

表2 不同腰椎間盤節段之間髓核MTR值的比較

5.髓核MTR值與Pfirrmann分級的相關性:Pfirrmann分級Ⅰ級的髓核MTR值約為24.44%±5.30%；Ⅱ級約為24.45%±4.23%； Ⅲ級約為29.08%±4.09%；Ⅳ級約為31.27%±4.81%；Ⅴ級約為31.93%±6.36%。隨著Pfirrmann分級升高，髓核MTR值逐漸增高，髓核MTR值與Pfirrmann分級呈中度正相關(r=0.503，P=0.000)。Bonferroni事后檢驗結果顯示Pfirrmann分級Ⅰ和Ⅱ級之間，Ⅲ和Ⅴ級之間以及Ⅳ和Ⅴ級之間的髓核MTR值比較，差異無統計學意義(P=1.000、P=0.407、P=1.000)，其余各組間比較，差異有統計學意義(P=0.000)。生理性退變的椎間盤(Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ級)和退變椎間盤(Pfirrmann Ⅲ～Ⅴ級)的髓核MTR值比較，差異有統計學意義(P=0.000)，詳見表3。

表3 不同Pfirrmann分級之間髓核MTR值的比較

6.髓核MTR值評價椎間盤退變的效能:使用髓核MTR值評價退變椎間盤，繪制ROC曲線，計算曲線下面積(AUC)。ROC曲線的AUC為0.820，髓核MTR值的cut-off值為26.75%，其評價退變椎間盤的敏感度為0.786，特異性為0.724。

討 論

本研究中Pfirrmann Ⅱ～Ⅲ級椎間盤所占比例最高(約占84.34%)，Ⅴ級的椎間盤所占比例最低，Ⅰ級椎間盤的比例也較低，說明了在無癥狀人群中椎間盤退變的發生率較高，這也與Hiroaki等[2]的研究結果一致。椎間盤退變早在無癥狀階段就已經發生，早期診斷，早期治療，對于延緩椎間盤退變的進展以及改善患者的預后至關重要。

1.髓核MTR值評價椎間盤退變的效能：本研究發現髓核MTR值與Pfirrmann分級呈中度正相關(r=0.503，P=0.000)。Pfirrmann分級是國際通用的椎間盤退變分級方法，髓核MTR值與Pfirrmann分級較好的相關性證明了髓核MTR值可以有效地量化評價椎間盤退變。雖然本研究中Pfirrmann分級Ⅰ和Ⅱ級，Ⅲ和Ⅴ級以及Ⅳ和Ⅴ級之間的髓核MTR值比較差異無統計學意義(P=1.000，P=0.407，P=1.000)，但本研究中Pfirrmann Ⅰ級椎間盤僅占5.31%，Ⅴ級僅占0.69%，這可能是導致這些組間比較差異無統計學意義的原因，而其余組間比較差異均有統計學意義(P=0.000)，這證實了MTR值可以較好地區分不同Pfirrmann分級椎間盤之間的差異。筆者還發現正常生理性退變椎間盤(Pfirrmann Ⅰ～Ⅱ級)和退變椎間盤(Pfirrmann Ⅲ～Ⅴ級)的髓核MTR值比較，差異有統計學意義(P=0.000)，ROC曲線的AUC為0.820， cut-off值為26.75%，其評價退變椎間盤的敏感度為0.786，特異性為0.724，證明了髓核MTR值具有較好的定量評價椎間盤退變的效力。本研究是目前較大樣本的腰椎間盤MT-MRI研究，研究結果有力證實了MT-MRI技術用于定量評估椎間盤退變的可行性，下一步或可進行多中心的大樣本研究來制定通用的量化分級標準，應用于椎間盤退變的診斷與治療中。

2.基于MTR分析無癥狀成人腰椎間盤的退變規律：本研究發現了髓核的MTR值與年齡、BMI、椎間盤節段的相關性及變化規律。本研究中髓核MTR值與年齡呈正相關，隨著年齡增長，髓核MTR值逐漸增高，說明年齡是椎間盤退變的一項重要影響因素，這與何杰等[9]的研究結果相符合。Han等[10]開展的一項頸胸段椎間盤MT-MRI研究也發現，頸胸段椎間盤髓核的MTR值與年齡呈正相關。早期一項關于供體腰椎間盤的MT-MRI研究證實磁化傳遞效應(MT)與膠原含量呈正相關， MTR值可定量反映椎間盤內膠原含量的改變[6]。研究表明椎間盤變性的早期，椎間盤髓核出現蛋白多糖含量減低、水含量減少，同時伴有Ⅱ型膠原蛋白合成減少、Ⅱ型膠原變性和Ⅰ型膠原合成增多，也就是說椎間盤變性過程中髓核內膠原成分的種類和含量會發生改變，膠原可作為椎間盤退變的一項重要生物學標志物，這也是髓核MTR值隨年齡變化的主要原因[11,12]。

本研究中髓核MTR值存在性別差異(P=0.000)，并且各年齡分組女性的髓核MTR值均高于男性。Müller-Lutz等[13,14]研究發現，男性、女性的髓核gagCEST值及T2弛豫時間存在差異。這些研究結果均提示在椎間盤退變的過程中男性、女性的椎間盤生化改變可能有所差異，但這需要聯合椎間盤退變相關病理生理學研究來進一步證實。

本研究發現髓核MTR值與BMI呈正相關(r=0.206，P=0.000)，這項研究結果提示BMI是椎間盤退變的一項危險因素，BMI的升高可能加速椎間盤的退變。Teraguchi等[15]開展的一項關于椎間盤退變影響因素的研究中發現，肥胖與Pfirrmann分級有關。Müller-Lutz等[13,14]研究發現，BMI與gagCEST值以及T2弛豫時間均呈負相關。BMI升高可能會增加腰椎的受力、從而加速椎間盤的退變，因此筆者認為在椎間盤退變的預防和治療中需考慮到BMI的影響。

本研究還發現髓核MTR值與椎間盤節段呈正相關(r=0.233，P=0.000)，下位腰椎間盤的髓核MTR值高于上位腰椎間盤(P=0.000)，隨著解剖節段的降低，椎間盤退變的數量增加、程度加重，與李丹等[16]的報道相符。這可以從生物力學的角度解釋，下位腰椎負荷的重力更大，并且位于腰骶部交界處、活動度較大，這些因素都會加速椎間盤的退變。本研究證實髓核MTR值可以較敏感地反映下位腰椎間盤與上位腰椎間盤之間的退變差異，可以早期定量地診斷下位腰椎間盤的退變。

本研究尚存在一些不足，沒有結合T2圖像、DTI成像等其他定量磁共振技術進行對比研究，另外腰椎間盤髓核ROI的勾畫不夠精準，下一步應開發更精確的自動分割ROI軟件。

綜上所述，本研究證實了腰椎間盤髓核MTR值與椎間盤退變分級的相關性，并基于髓核MTR值分析了無癥狀成人腰椎間盤退變的影響因素及變化規律，腰椎間盤MT-MRI技術可作為椎間盤退變的一項重要的定量檢測工具。