魯朝宣，楊漢豐，杜 勇

（川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科，四川 南充 637000）

腰背痛是危害人類健康的常見病和多發(fā)病，這種癥狀不僅給病人造成了身體不適和心理壓力，而且增加了病人的醫(yī)療費用。迄今為止大多數(shù)腰背痛的原因不完全清楚，一般認(rèn)為，腰背痛可能與椎間盤、椎旁肌肉、椎間關(guān)節(jié)、椎體和神經(jīng)根的疼痛有關(guān)，椎間盤退行性變及其繼發(fā)性改變被認(rèn)為是最重要的原因之一[1]。臨床上評價腰椎間盤退行性變常用X線平片、CT以及MRI傳統(tǒng)T1、T2加權(quán)成像來描述髄核和纖維環(huán)的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，如椎間盤T2信號降低、椎間盤高度變化、椎間盤膨出或突出、椎間關(guān)節(jié)面的增生以及椎管的狹窄等。普通MRI只能發(fā)現(xiàn)椎間盤退行性變的中、晚期改變，而T2-mapping成像通過非侵入性的測量T2弛豫時間，定量分析椎間盤基質(zhì)成分的變化，具有可重復(fù)性的特點。由于此技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)椎間盤退行性變的早期生物化學(xué)改變，所以它也為臨床對椎間盤治療方案的選擇提供幫助，如保守治療與手術(shù)治療，尤其一些新的治療方案的選用，如髄核置換術(shù)、基因治療及細胞移植治療等[2-4]。

T2-mapping最早用于評價四肢關(guān)節(jié)軟骨退變早期的生物化學(xué)改變[5-6]。用此項技術(shù)評價椎間盤的研究比較少，為此，本文綜述了T2-mapping技術(shù)在椎間盤中的研究狀況，以便進一步研究T2-mapping技術(shù)在椎間盤中的應(yīng)用價值。

1 椎間盤的解剖及退行性變的定義

在宏觀上，椎間盤由位于中央的髄核和包繞其周圍的纖維環(huán)兩部分組成，常說的第三部分即上下軟骨板，實際上是上下椎體的組成部分，臨床上因與椎間盤關(guān)系密切，常視為椎間盤的一部分而同時加以描述。椎間盤位于椎體之間，把相鄰椎體連接在一起，是脊柱主要的連接方式，占脊柱高度的1/3，它們不斷的傳送由體重和肌肉活動產(chǎn)生的負(fù)載，也使脊柱更具有靈活性。

椎間盤退行性變廣泛應(yīng)用于臨床、影像和病理描述中，是指椎間盤隨年齡增長發(fā)生的結(jié)構(gòu)紊亂、生化組成改變和生物力學(xué)功能逐漸喪失的過程。其中纖維環(huán)出現(xiàn)不同程度裂隙或破裂為其組織學(xué)特點，髓核退行性變的特征為糖胺聚糖成分的減少和進行性脫水。隨著椎間盤退變的進展，椎間盤負(fù)載能力降低，導(dǎo)致椎間盤高度下降，纖維環(huán)撕裂，甚至椎間盤突出癥。椎間盤退行性變沒有標(biāo)準(zhǔn)的定義，經(jīng)過綜合分析后，Adams等[7]給出了椎間盤退行性變的定義：椎間盤退行性變是一種異常的細胞參與應(yīng)答的結(jié)構(gòu)破壞的過程，退行性變的椎間盤組織結(jié)構(gòu)異常，伴有正在進行或后期的老化征象，早期退行性變指的是正在進行的與年齡有關(guān)的變化，但結(jié)構(gòu)完整；退行性椎間盤病指伴有疼痛癥狀的椎間盤退行性變。

2 椎間盤的生物化學(xué)

椎間盤胞外基質(zhì)由復(fù)雜的、含水量較高的大分子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。椎間盤的含水量依椎間盤的部位、年齡及負(fù)荷而不同，總的說來，椎間盤髄核含水量較高，纖維環(huán)的含水量低于髄核。膠原是椎間盤主要的大分子成分之一，形成了椎間盤的構(gòu)架，為其提供了拉伸強度。膠原在外層纖維環(huán)內(nèi)含量較高，在髄核中含量較低，椎間盤內(nèi)膠原纖維主要為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型主要位于纖維環(huán)內(nèi)，而Ⅱ型主要位于髄核中[8]。椎間盤的膠原網(wǎng)內(nèi)含有大量的聚集蛋白聚糖。聚集蛋白聚糖是最大的蛋白聚糖，也是椎間盤內(nèi)主要的大分子，組成了蛋白的核心部分，其側(cè)鏈上大約吸附了100個糖胺聚糖（GAG），GAG影響椎間盤的膨脹壓力和維持椎間盤的含水量[8]。

椎間盤細胞能合成和維持胞外基質(zhì)大分子，同時也能產(chǎn)生一些復(fù)雜的蛋白酶如金屬蛋白酶，這些酶能降解基質(zhì)成分，正常情況下，基質(zhì)成分的合成和降解保持平衡，椎間盤退行性變后，這種平衡被打破，影響了椎間盤基質(zhì)的功能，導(dǎo)致臨床癥狀。

椎間盤退行性變與基質(zhì)大分子的降解有關(guān)，降解的分子慢慢彌散出椎間盤，使椎間盤成分濃度降低，損害了基質(zhì)的完整性，進而引起生物力學(xué)改變，最終導(dǎo)致形態(tài)學(xué)變化。這些改變的因果關(guān)系仍然不清楚，但最早和最顯著的降解變化是GAG的丟失，并且丟失的程度與椎間盤退行性變的程度呈正比[8]。GAG降解伴隨膨脹壓力的降低，椎間盤含水量及高度降低，因此，理解影響GAG丟失的因素是關(guān)鍵。退行性變也會導(dǎo)致膠原網(wǎng)的裂解和破壞。膠原網(wǎng)一旦被破壞，椎間盤的機械力學(xué)就發(fā)生改變，導(dǎo)致纖維環(huán)的撕裂和膨出。

3 T2-mapping技術(shù)基本原理

T2弛豫時間是橫向磁化由最大值衰減至37%時所需的時間，它通過描述組織橫向磁化衰減來反映組織特性。椎間盤內(nèi)不同區(qū)域T2弛豫時間不同，纖維含量較高的區(qū)域具有較低的T2值，例如髄核裂隙和纖維環(huán)，而含水量較高的區(qū)域如正常髄核具有較高的T2值。

4 T2-mapping技術(shù)應(yīng)用于椎間盤的研究

4.1 研究T2值與椎間盤內(nèi)水和蛋白聚糖含量的關(guān)系

T2弛豫時間反映了由水、質(zhì)子、脂肪、膠原和其他溶質(zhì)創(chuàng)造的分子微環(huán)境，主要受組織結(jié)構(gòu)各向異性的影響，與膠原含量、排列方向和水的含量有關(guān)[12]。也有學(xué)者認(rèn)為與水和蛋白聚糖的含量相關(guān)。Marinelli等[13]采用14具牛尸和5具人尸研究椎間盤生物化學(xué)與T2弛豫時間的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：椎間盤纖維環(huán)和髓核的T2弛豫時間與椎間盤內(nèi)含水量有顯著關(guān)系，而與蛋白聚糖的含量有輕微關(guān)系。增加椎間盤含水量或糖胺聚糖（蛋白聚糖即PG的主要成分）含量后就能增加T2弛豫時間，增加膠原含量就能降低T2弛豫時間。

4.2 研究椎間盤含水量的晝夜變化

椎間盤含水量也會隨著姿勢和活動發(fā)生變化。在白天，由于體重和肌肉的活動導(dǎo)致椎間盤負(fù)載增加，椎間盤的含水量減少，而在晚上，椎間盤的負(fù)載減小，其含水量會增加[14]。Karakida等[15]采用18個志愿者，研究正常與退變腰椎間盤髄核T2值是否有晝夜變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：正常腰椎間盤T2值在統(tǒng)計學(xué)上有顯著的晝夜改變。作者還首次揭示35歲以后正常椎間盤T2值未見明顯晝夜變化（P＜0.001），這種現(xiàn)象被認(rèn)為與年齡有關(guān)，不會發(fā)生退行性變。但這項研究僅包括了兩名女性，男性與女性正常椎間盤的生物化學(xué)和形態(tài)特征的差別不甚清楚，另外，這項研究沒有用MR測量椎間盤的高度，因此，椎間盤高度的晝夜變化（形態(tài)學(xué)方面）與T2值的晝夜變化（生理學(xué)方面）之間的關(guān)系仍然不清楚，這個問題必須用MR成像加以解釋。測量T2值的晝夜變化可以獲得有價值的正常與老化椎間盤的生理學(xué)方面的信息。采用大量樣本的進一步研究可能揭示椎間盤退變的發(fā)生過程以及椎間盤退變與腰背痛的關(guān)系。

Ludescher等[16]運用T2圖和ADC圖研究椎間盤成分的晝夜變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：從早上到晚上，髄核中央T2值降低（P=0.001），纖維環(huán)中 T2值增加（P＜0.048）。 這項研究顯示 T2圖和ADC圖在評價椎間盤內(nèi)不同區(qū)域含水量是相當(dāng)敏感的，此方法能夠在常規(guī)成像出現(xiàn)征象和臨床上出現(xiàn)癥狀之前探測椎間盤早期退行性變。

4.3 研究椎間盤成熟過程中T2值的變化

T2弛豫時間也隨著發(fā)育與成熟的過程而改變。Krueger等[17]采用了小于10歲的受試者（第1組）和19～20歲的受試者（第2組）進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在第1組每一層椎間盤的T2平均值范圍為74～95ms，第2組為91～119ms，兩組之間的差異明顯（平均值t檢驗，P=0.0002）。這項研究揭示椎間盤組織在成熟期間含水量增加，T2值也增加。

4.4 區(qū)別正常椎間盤與退變椎間盤的相關(guān)研究

正常成人椎間盤和發(fā)生退行性變椎間盤的T2值明顯不同，退行性變的腰椎間盤的T2弛豫時間短于正常椎間盤的T2弛豫時間。Karakida等[15]用2000ms TR值，興趣區(qū)設(shè)在髄核的中央，研究發(fā)現(xiàn)正常椎間盤T2平均值為75.6ms，退行性變椎間盤的T2值為53.5ms；Perry等[11]的研究顯示T2值能鑒別正常成人椎間盤和退行性變椎間盤，這種方法可以在Thompson或Pfirrmann分級影像表現(xiàn)出現(xiàn)之前探測椎間盤的完整性。

4.5 研究T2-mapping對椎間盤退變的分級

椎間盤退行性變的分級常依據(jù)矢狀位T2加權(quán)像髄核的信號強度和結(jié)構(gòu)形態(tài)變化，而Watanabe等[18]研究29個健康志愿者椎間盤（男19例，女10例，年齡20～40歲，平均31.8歲），用 L3～L4、L4～L5和 L5～S1獲得軸位的 T2-mapping，結(jié)果顯示：軸位T2-mapping可以作為探測椎間盤早期退行性變的分級系統(tǒng)，它可以非侵入性的評價椎間盤基質(zhì)成分。軸位T2-mapping對椎間盤早期退行性變分級如下：Ⅰ級：髄核為均勻高T2值，纖維環(huán)為均勻低T2值，髄核和纖維環(huán)的邊界清晰規(guī)則；Ⅱ級：髄核T2值輕微降低，分布稍不均勻，纖維環(huán)T2值輕微增加，分布稍不均勻，髄核和纖維環(huán)的邊界清晰但不規(guī)則；Ⅲ級：髄核T2值中度降低，分布中等不均勻，纖維環(huán)T2中度增加，分布中等不均勻，髄核和纖維環(huán)的邊界不清晰；Ⅳ級：髄核T2值重度降低，分布重度不均勻，纖維環(huán)T2值重度增加，分布重度不均勻，髄核和纖維環(huán)的邊界消失。軸位T2-mapping分級系統(tǒng)依賴于椎間盤內(nèi)T2值的變化，它的特別之處在于能精確定量評價椎間盤早期退行性變。而Pfirrmann分級系統(tǒng)主要依賴于矢狀位T2加權(quán)像髄核的信號強度和結(jié)構(gòu)形態(tài)變化[18]，觀察者對信號描述有很多主觀因素，使信號強度不能被精確評估，這可能導(dǎo)致觀察者之間的誤差，尤其當(dāng)信號強度變化很小時更是如此。

這項研究也有不足之處，由于被研究的人員為健康無癥狀的志愿者，軸位T2-mapping評估的椎間盤退變等級與臨床癥狀（如腰背痛）之間的關(guān)系仍然不清楚，對有臨床癥狀的、尤其是椎間盤性疼痛的病人的進一步研究是必要的。

5 T2-mapping在椎間盤中的研究價值及前景

T2-mapping成像可以通過測定T2弛豫時間發(fā)現(xiàn)無明顯形態(tài)學(xué)改變的椎間盤早期退行性變的組織成分變化，從而為早期診斷椎間盤退變提供重要參考依據(jù)并指導(dǎo)臨床進行早期治療、干預(yù)，以防止椎間盤發(fā)生不可逆性改變，乃至晚期形成骨性關(guān)節(jié)炎，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量和健康。因此，T2-mapping成像對診斷早期椎間盤退行性變有很高的臨床價值，可以量化評估椎間盤的分子組成和結(jié)構(gòu)的完整性，這項技術(shù)是研究椎間盤早期退行性變的一種潛在成像模式，值得進一步研究。

]

[1]Kalichman L,Hunter DJ.The genetics of intervertebral disc degeneration.Familial predisposition and heritability estimation[J].Joint Bone Spine,2008,75(4):383-387.

[2]Masuda K,An HS.Prevention of disc degeneration with growth factors[J].Eur Spine J,2006,15(3):422-432.

[3]Leung VY,Chan D,Cheung KM.Regeneration of intervertebral disc by mesenchymal stem cells:potentials,limitations,and future direction[J].Eur Spine J,2006,15(3):406-413.

[4]Evans C.Potential biologic therapies for the intervertebral disc[J].J Bone Joint Surg Am,2006,88(2):95-98.

[5]Maizlin ZV,Clement JJ,Patola WB,et al.T2 mapping of articular cartilage of glenohumeral joint with routine MRI correlation--initial experience[J].HSS J,2009,5(1):61-66.

[6]Kwack KS,Min BH,Cho JH,et al.T2 relaxation time mapping of proximal tibiofibular cartilage by 3-tesla magnetic resonance imaging[J].Acta Radiol,2009,50(9):1049-1056.

[7]Adams MA,Roughley PJ.What is intervertebral disc degeneration,and what causes it?[J].Spine,2006,31(18):2151-2161.

[8]Urban JP,Winlove CP.Pathophysiology of the intervertebral disc and the challenges for MRI[J].J Magn Reson Imaging,2007,25(2):419-432.

[9]Mosher TJ,Smith HE,Collins C,et al.Change in knee cartilage T2 at MR imaging after running:a feasibility study[J].Radiology,2005,234(1):245-249.

[10]Périé D,Iatridis JC,Demers CN,et al.Assessment of compressive modulus,hydraulic permeability and matrix contentof trypsin-treated nucleus pulposus using quantitative MRI[J].J Biomech,2006,39(8):1392-1400.

[11]Perry J,Haughton V,Anderson PA,et al.The The value of T2 relaxation times to characterize lumbar intervertebral disks:preliminary results[J].AJNR,2006,27(2):337-342.

[12]張建偉，張成琪，張經(jīng)建，等.骨關(guān)節(jié)炎患者髕軟骨MRI T2圖的臨床評價[J]. 山東大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2009，47（3）：85-88.

[13]Marinelli NL,Haughton VM,Munoz A,et al.T2 relaxation times of intervertebral disc tissue correlated with water content and proteoglycan content[J].Spine,2009,34(5):520-524.

[14]Matsumura Y,Kasai Y,Obata H,et al.Changes in water content of intervertebral discs and paravertebral muscles before and after bed rest[J].J Orthop Sci,2009,14(1):45-50.

[15]Karakida O,Ueda H,Ueda M,et al.Diurnal T2 value changes in the lumbar intervertebral discs[J].Clin Radiol,2003,58(5):389-392.

[16]Ludescher B,Effelsberg J,Martirosian P,et al.T2-and diffusion-maps reveal diurnal changes of intervertebral disc composition:an in vivo MRI study at 1.5 Tesla[J].J Magn Reson Imaging,2008,28(1):252-257.

[17]Krueger EC,Perry JO,Wu Y,et al.Changes in T2 relaxation timesassociated with maturation ofthehuman intervertebral disk[J].AJNR,2007,28(7):1237-1241.

[18]Watanabe A,Benneker LM,Boesch C,et al.Classification of intervertebral disk degeneration with axial T2 mapping[J].AJR,2007,189(4):936-942.