崔運(yùn)能 李紹林 趙銀霞

MRI檢測椎間盤退變的研究進(jìn)展

崔運(yùn)能 李紹林 趙銀霞

脊柱疾??；椎間盤；磁共振成像；綜述

椎間盤退變是一種生理退化現(xiàn)象，也是諸多引起患者不適疾病的基礎(chǔ)，尤其與腰痛密切相關(guān)。早期、準(zhǔn)確判斷椎間盤退變不僅能提供實(shí)用性臨床信息，還具有較高的科研價(jià)值。目前多利用MRI檢測椎間盤退變，可無創(chuàng)性地評估椎間盤退變程度，不影響人體的生理狀態(tài)，無電離輻射，可進(jìn)行多參數(shù)、多平面成像，軟組織對比度高，不僅可以觀察椎間盤的組織結(jié)構(gòu)，顯示椎間盤本身及周圍神經(jīng)根、椎管的病變，還可以評估椎間盤的生理生化改變。近年來，由于主磁場強(qiáng)度的提高、射頻線圈及梯度磁場技術(shù)的發(fā)展，較多的新序列、尤其是功能成像序列開發(fā)，陸續(xù)應(yīng)用于椎間盤退變的檢測。這些序列主要包括擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）、擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、MR波譜成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）、T2 mapping、自旋鎖定成像技術(shù)（T1ρ成像）、鈉譜成像、關(guān)節(jié)軟骨的延時(shí)增強(qiáng)掃描序列（delayed Gadolinium-enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC）、超短回波序列（ultrashort time-to-echo，UTE）及化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（chemical exchange saturation transfer，CEST）等。本文對MRI檢測椎間盤退變的現(xiàn)狀和研究進(jìn)展作一綜述，為臨床診斷提供參考。

1 常規(guī)序列

常規(guī)T2加權(quán)成像序列是評估椎間盤退變最常用的序列（圖1A）。Pfirrmann分級系統(tǒng)及改良Pfirrmann分級系統(tǒng)均基于腰椎矢狀位T2加權(quán)序列成像椎間盤髓核結(jié)構(gòu)、髓核與纖維環(huán)界限的清晰程度、髓核信號強(qiáng)度及椎間盤高度進(jìn)行分級。腰椎間盤矢狀位STIR序列圖像對判斷椎間盤退變有較高的價(jià)值（圖1B），潘文琦等［1］結(jié)合改良Pfirrmann分級系統(tǒng)制訂了新的椎間盤退變的分級系統(tǒng)。

Edmondston等［2］對無癥狀志愿者采取屈、伸位MRI檢查，通過觀察矢狀位T2加權(quán)成像表現(xiàn)，椎間盤前緣高度及髓核位置在屈、伸位時(shí)有輕度改變，作者提出可以通過觀察椎間盤移動(dòng)及位置評估椎間盤退變程度及患者癥狀。Haughton等［3］認(rèn)為，利用軸向旋轉(zhuǎn)MRI成像可以觀察到正常椎間盤與退變椎間盤在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)有明顯的區(qū)別。Campana等［4］對非冰凍尸體使用常規(guī)序列進(jìn)行MRI檢查，施加不同的壓力，結(jié)合生物力學(xué)分析，成功檢測不同退變階段椎間盤的黏彈力。常規(guī)MRI序列，或與其他生物力學(xué)技術(shù)結(jié)合，仍然是研究椎間盤退變的有力工具，具有重要的臨床及科研價(jià)值。

2 DWI及DTI成像

DWI能檢測活體內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，反映組織的生理特點(diǎn)，組織的擴(kuò)散程度以表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）表示。DTI是在DWI基礎(chǔ)上施加檢測分子運(yùn)動(dòng)方向的參數(shù)發(fā)展而來的一種更高級的DWI形式，以各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和相對各向異性（relative anisotropy，RA）衡量分子的運(yùn)動(dòng)方向；DWI可顯示椎間盤纖維環(huán)板層狀排列的纖維束結(jié)構(gòu)（圖1C、D）。DWI不僅可以顯示椎間盤的水分及糖胺聚糖含量，還可以判斷椎間盤結(jié)構(gòu)的完整性，從而辨別健康椎間盤與退變椎間盤，顯示腰椎不同節(jié)段的椎間盤擴(kuò)散系數(shù)的差異。Chiu等［5］在離體椎間盤進(jìn)行DWI掃描顯示，ADC值與T1、T2值均可以準(zhǔn)確區(qū)別椎間盤不同區(qū)域、不同負(fù)荷及不同退變的狀態(tài)。Niinim?ki等［6］在纖維環(huán)穿刺誘導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)豬椎間盤退變模型上觀察到，DWI可以檢測到早期創(chuàng)傷及退變的椎間盤改變，ADC值在退變早期增高，但最終下降；但該研究隨即對228名中年男性志愿者進(jìn)行常規(guī)MRI及DWI檢查，認(rèn)為DWI無法辨別正常椎間盤與退變椎間盤，故DWI的臨床價(jià)值尚待觀察［7］。Niu等［8］對37名志愿者及28名患者均行常規(guī)MRI與T2 mapping、DWI成像，僅Pfirrmann V級椎間盤未見T2值的差異，而相應(yīng)地在I～I(xiàn)II級椎間盤時(shí)ADC值無明顯差別，T2值的受試者工作特征曲線下面積明顯較ADC值大，提示以ADC值來衡量椎間盤退變存在不足之處。張婭等［9］的DTI研究也顯示，椎間盤ADC值與Pfirrmann分級呈負(fù)相關(guān)（r=－0.25，P＜0.05）。因此，單純利用DWI/DTI研究椎間盤退變可能存在一定的局限性，有待進(jìn)一步探討。

3 MRS成像

氫質(zhì)子MRS成像可無創(chuàng)傷性地檢測活體器官組織代謝，可對組織內(nèi)化合物進(jìn)行定性及定量分析，反映體內(nèi)生理生化改變。不同Thompson退變分級的N-乙酰及膽堿面積比值，與膽堿及糖類面積比值有較明顯的區(qū)別，其區(qū)域間重疊較少［10］，MRS成像對椎間盤化學(xué)物質(zhì)，尤其是對膠原與蛋白多糖有定性及定量作用。Zuo等［11］的尸體標(biāo)本研究表明，N-乙酰/多糖、N-乙酰/乳酸鹽+脂質(zhì)比值隨椎間盤退變嚴(yán)重程度加重而降低，N-乙酰/膽堿比值與糖胺聚糖含量具有明顯的相關(guān)性；該研究還發(fā)現(xiàn)，MRS成像所反映的水及蛋白多糖含量與T1ρ、Pfirrmann等級評分、椎間盤造影及患者的自覺癥狀有關(guān)［12］。由于MRS成像信噪比及分辨率低、成像不穩(wěn)定，可能更適合在超高場MR儀上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 女，21歲，無癥狀志愿者。常規(guī)矢狀位FSE T2加權(quán)成像序列（A）；常規(guī)矢狀位STIR成像序列，顯示椎體與椎間盤對比度增高，局部結(jié)構(gòu)顯示清晰（B）；軸位DWI加權(quán)序列（C）；基于軸位DTI成像序列的纖維束示蹤成像序列，較好地顯示了椎間盤外圍層狀排列的纖維環(huán)結(jié)構(gòu)（D）

4 T2 mapping成像

T2 mapping成像是采用多層面多回波自旋回波序列，用同一的重復(fù)時(shí)間（TR）和多個(gè)不同的回波時(shí)間（TE）進(jìn)行掃描、采取數(shù)據(jù)，獲得系列T2加權(quán)圖像，進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算出每個(gè)體素的T2值并重建出彩色階或灰色階圖。當(dāng)椎間盤發(fā)生退行性改變時(shí)，由于水分、膠原、蛋白多糖丟失，導(dǎo)致T2值下降，從而在T2 mapping成像圖上顯示出來，但T2 mapping成像容易受到“魔角效應(yīng)”的影響，甚至纖維環(huán)及髓核的T2值可在晨、晚發(fā)生變化?；颊叩腡2 mapping成像可以顯示早期退變椎間盤的生理生化改變，常規(guī)MRI上健康椎間盤（Pfirrmann I、II級）在T2 mapping成像上有較明顯的差異［13］，此定量測量法的觀察者組內(nèi)及組間可信度明顯比傳統(tǒng)的Pfirrmann及Schneiderman評分法高［14］。隨著椎間盤Pfirrmann分級的增高，T2值呈下降趨勢。T2 mapping成像能區(qū)別健康人椎間盤纖維環(huán)及髓核區(qū)域，分辨健康椎間盤與退變的椎間盤［15］。Sun等［16］通過椎間盤退變實(shí)驗(yàn)動(dòng)物證明，T2 mapping成像表現(xiàn)與病理學(xué)檢測的髓核蛋白多糖與II型膠原纖維基因表達(dá)有較高的一致性。Stelzeneder等［17］研究認(rèn)為，T2 mapping成像重復(fù)性高，不僅適用于椎間盤退變的定量評估，且可作為縱向研究椎間盤退變的有力工具。Watanabe等［18］于2007年制訂一個(gè)基于軸位T2 mapping成像的椎間盤退變分級標(biāo)準(zhǔn)，是目前唯一利用功能成像制訂的椎間盤分級方法，對早期椎間盤退變的評估有較高的價(jià)值。T2 mapping成像簡單易行，可反映水分、膠原、蛋白多糖綜合環(huán)境，但影響因素較多、成像相對不穩(wěn)定。

5 T1ρ成像

T1ρ成像主要評價(jià)處于射頻脈沖磁場中的組織自旋弛豫值（T1值），反映水分子與周圍大分子之間相互作用引起的弛豫，對蛋白多糖丟失具有很高的敏感度和特異度，常用于檢測組織中、尤其是關(guān)節(jié)軟骨的膠原蛋白含量。在椎間盤退變早期即可發(fā)現(xiàn)其代謝異常，T1ρ值與椎間盤退變呈線性相關(guān)，椎間盤退變程度越嚴(yán)重，T1ρ值越低［19-20］，與年齡呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)［21］。Zobel等［22］針對健康人群的試驗(yàn)結(jié)果表明，正常椎間盤的T1ρ弛豫時(shí)間范圍較大，顯示出其判斷椎間盤早期退變的潛力，故T1ρ成像可以彌補(bǔ)Pfirrmann分級判斷早期椎間盤退變的局限性，真正對椎間盤退變進(jìn)行量化評估。與常規(guī)及T2 mapping成像相比，T1ρ成像可能對早期椎間盤退變更敏感，且與患者癥狀相關(guān)［23-24］。Borthakur等［25］研究表明，腰痛患者T1ρ值與椎間盤造影的開放壓密切相關(guān)。T1ρ成像對椎間盤退變敏感性高、成像較穩(wěn)定、重復(fù)性高、干擾因素少、圖像分辨率高、不需要特殊硬件，更有潛力成為檢測椎間盤退變的主要功能成像序列。

6 dGEMRIC成像

對比劑的平衡濃度與固定電荷密度成反比，而固定電荷密度又與蛋白多糖含量直接相關(guān)。正常組織內(nèi)蛋白多糖攜帶負(fù)電荷，排斥負(fù)電荷離子（包括釓螯合物）。在椎間盤退變早期，蛋白多糖即開始減少，帶負(fù)電荷的釓螯合物聚集于蛋白多糖減少區(qū)，在增強(qiáng)掃描時(shí)呈高信號。因此，由Gd-DTPA2-濃度決定組織內(nèi)T1值可成為顯示蛋白多糖含量變化的特異性指標(biāo)。另外，椎間盤髓核T1弛豫時(shí)間會在延遲動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描時(shí)明顯降低，且T1弛豫率改變與椎間盤退變的分級呈正相關(guān)，提示定量延遲掃描可以反映對比劑在椎間盤的擴(kuò)散狀態(tài)，間接反映椎間盤的血供，為椎間盤退變的研究提供另一可行途徑。Chan等［26］利用dGEMRIC等序列檢測纖維環(huán)穿刺誘導(dǎo)的椎間盤退變兔模型，發(fā)現(xiàn)在穿刺術(shù)后4周可見穿刺椎間盤髓核組織發(fā)生位移、糖胺聚糖含量下降，而對照組椎間盤未見類似改變。然而，由于對比劑擴(kuò)散進(jìn)入椎間盤組織所需時(shí)間較長，遠(yuǎn)超過對比劑在體內(nèi)循環(huán)的半衰期，這不僅增加了掃描等候時(shí)間、增大了實(shí)驗(yàn)成本，且還需要加大對比劑用量才能保證足夠的濃度；由于該技術(shù)使用釓對比劑、增加了對比劑腎病的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用于人體尚具有限制性。

7 鈉譜成像

鈉譜成像是利用鈉離子在正常軟骨中聚集成像，其含量依賴于蛋白多糖含量。鈉成像對蛋白多糖異常敏感，其成像原理與dGEMRIC成像相同，鈉分布圖像可以顯示蛋白多糖崩解區(qū)域。鈉譜成像顯示信號強(qiáng)度與椎間盤內(nèi)的蛋白多糖呈線狀關(guān)系，有腰痛癥狀人群的鈉譜信號較無癥狀者低［27］。但鈉譜成像信噪比很低，并且需要特殊的射頻及線圈系統(tǒng)，限制了其在科研上的應(yīng)用。

8 UTE成像

與大多數(shù)功能成像序列主要用于觀察髓核及纖維環(huán)的生理生化改變不同，UTE序列觀察角度獨(dú)特，提供一種研究軟骨終板的特異性方法。Gold等［28］于1995年首次利用UTE序列研究膝關(guān)節(jié)軟骨及半月板的纖維軟骨。UTE序列可以特異性地鑒別肌腱及韌帶起止點(diǎn)的鈣化與非鈣化的纖維軟骨組織成分，區(qū)別纖維軟骨與纖維結(jié)締組織、骨皮質(zhì)，還可以觀察膠原的方向、蛋白多糖的含量［29-30］。Law等［31］研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤退變越嚴(yán)重，其軟骨終板的缺損就越明顯，這種改變在下腰椎尤為顯著。Bae等［32］通過UTE序列行椎間盤成像，認(rèn)為可以根據(jù)信號強(qiáng)度評估軟骨終板的鈣化程度，并可以進(jìn)行軟骨終板的形態(tài)學(xué)特征分析。目前關(guān)于UTE成像在椎間盤退變檢查的研究相對較少，其成像質(zhì)量有待進(jìn)一步探討。

9 CEST成像

磁化傳遞技術(shù)是由常規(guī)MRI與飽和轉(zhuǎn)移技術(shù)相結(jié)合的成像序列，可以定量檢測椎間盤的糖胺聚糖含量、定量評估椎間盤退變，與改良Pfirrmann分級及年齡呈明顯正相關(guān)［33］。CEST成像由磁化傳遞技術(shù)發(fā)展而來，是目前唯一利用細(xì)胞內(nèi)源性對比劑無損傷檢測細(xì)胞微環(huán)境的技術(shù)，成為近年來功能MRI序列的熱點(diǎn)。由于在行CEST成像時(shí)可選擇不同質(zhì)子的數(shù)量、類型進(jìn)行預(yù)飽和、激活，故可以選擇多種氨基酸、糖類、核苷酸、雜環(huán)類化合物作為對比劑，給予研究者極大的自由。盡管可以任意選擇對比劑，包括人工合成的外源性對比劑，研究者多利用人體內(nèi)物質(zhì)作為內(nèi)源性對比劑對椎間盤退變進(jìn)行評估，尤其是pH水平依賴性及糖胺聚糖依賴性CEST成像。CEST成像較穩(wěn)定、重復(fù)性高，與信號及糖胺聚糖濃度呈線性關(guān)系［34］，對退變椎間盤糖胺聚糖的含量減少敏感［35］。椎間盤退變導(dǎo)致腰痛時(shí)，也會伴隨pH降低，CEST可以檢測到致痛椎間盤的上述變化［36］。Melkus等［37］利用離體豬椎間盤標(biāo)本進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示糖胺聚糖依賴性CEST對椎間盤pH改變敏感，可以反映組織的pH環(huán)境。CEST是一種新的技術(shù)，對場強(qiáng)要求較高，信噪比相對較低，目前很多學(xué)者致力于提高其成像質(zhì)量、加快掃描速度［34，38-39］，有望成為最具潛力的功能成像序列。

10 其他功能成像序列

Chan等［26］通過兔椎間盤模型證實(shí)，位移編碼與刺激回波快速成像序列類似于關(guān)節(jié)軟骨的延時(shí)增強(qiáng)掃描序列，也可以檢測糖胺聚糖含量，反映椎間盤的退變狀態(tài)。

綜上所述，上述各種常規(guī)MRI序列及功能成像序列中，常規(guī)MRI序列仍然是目前臨床應(yīng)用最廣泛、最成熟的成像技術(shù)，但功能成像序列能定量檢測椎間盤的生理生化變化，可能更適合應(yīng)用于早期檢測椎間盤退變，在椎間盤退變的基礎(chǔ)研究中能發(fā)揮更大的作用，但由于功能序列成像對場強(qiáng)要求高，普遍存在信噪比低、質(zhì)量相對不穩(wěn)定、成像時(shí)間較長的缺點(diǎn)，且不同MR廠商缺乏統(tǒng)一的成像標(biāo)準(zhǔn)，限制了其在臨床及科研上的應(yīng)用。

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10.3969/j.issn.1005-5185.2015.10.021

2015-04-29

2015-07-01

（本文編輯 張春輝）

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B031800134，2014A020212496）；廣東省醫(yī)學(xué)科研基金項(xiàng)目（A2015526）。

南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，廣東省骨科研究院 廣東廣州 510630

李紹林 E-mail：18926191928@189.cn