MRI检测椎间盘退变的研究进展

崔运能 李绍林 赵银霞

MRI检测椎间盘退变的研究进展

崔运能 李绍林 赵银霞

脊柱疾病；椎间盘；磁共振成像；综述

椎间盘退变是一种生理退化现象，也是诸多引起患者不适疾病的基础，尤其与腰痛密切相关。早期、准确判断椎间盘退变不仅能提供实用性临床信息，还具有较高的科研价值。目前多利用MRI检测椎间盘退变，可无创性地评估椎间盘退变程度，不影响人体的生理状态，无电离辐射，可进行多参数、多平面成像，软组织对比度高，不仅可以观察椎间盘的组织结构，显示椎间盘本身及周围神经根、椎管的病变，还可以评估椎间盘的生理生化改变。近年来，由于主磁场强度的提高、射频线圈及梯度磁场技术的发展，较多的新序列、尤其是功能成像序列开发，陆续应用于椎间盘退变的检测。这些序列主要包括扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）、扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、MR波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）、T2 mapping、自旋锁定成像技术（T1ρ成像）、钠谱成像、关节软骨的延时增强扫描序列（delayed Gadolinium-enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC）、超短回波序列（ultrashort time-to-echo，UTE）及化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer，CEST）等。本文对MRI检测椎间盘退变的现状和研究进展作一综述，为临床诊断提供参考。

1 常规序列

常规T2加权成像序列是评估椎间盘退变最常用的序列（图1A）。Pfirrmann分级系统及改良Pfirrmann分级系统均基于腰椎矢状位T2加权序列成像椎间盘髓核结构、髓核与纤维环界限的清晰程度、髓核信号强度及椎间盘高度进行分级。腰椎间盘矢状位STIR序列图像对判断椎间盘退变有较高的价值（图1B），潘文琦等［1］结合改良Pfirrmann分级系统制订了新的椎间盘退变的分级系统。

Edmondston等［2］对无症状志愿者采取屈、伸位MRI检查，通过观察矢状位T2加权成像表现，椎间盘前缘高度及髓核位置在屈、伸位时有轻度改变，作者提出可以通过观察椎间盘移动及位置评估椎间盘退变程度及患者症状。Haughton等［3］认为，利用轴向旋转MRI成像可以观察到正常椎间盘与退变椎间盘在进行旋转运动时有明显的区别。Campana等［4］对非冰冻尸体使用常规序列进行MRI检查，施加不同的压力，结合生物力学分析，成功检测不同退变阶段椎间盘的黏弹力。常规MRI序列，或与其他生物力学技术结合，仍然是研究椎间盘退变的有力工具，具有重要的临床及科研价值。

2 DWI及DTI成像

DWI能检测活体内水分子的运动状态，反映组织的生理特点，组织的扩散程度以表观扩散系数（ADC）表示。DTI是在DWI基础上施加检测分子运动方向的参数发展而来的一种更高级的DWI形式，以各向异性分数（fractional anisotropy，FA）和相对各向异性（relative anisotropy，RA）衡量分子的运动方向；DWI可显示椎间盘纤维环板层状排列的纤维束结构（图1C、D）。DWI不仅可以显示椎间盘的水分及糖胺聚糖含量，还可以判断椎间盘结构的完整性，从而辨别健康椎间盘与退变椎间盘，显示腰椎不同节段的椎间盘扩散系数的差异。Chiu等［5］在离体椎间盘进行DWI扫描显示，ADC值与T1、T2值均可以准确区别椎间盘不同区域、不同负荷及不同退变的状态。Niinimäki等［6］在纤维环穿刺诱导的实验猪椎间盘退变模型上观察到，DWI可以检测到早期创伤及退变的椎间盘改变，ADC值在退变早期增高，但最终下降；但该研究随即对228名中年男性志愿者进行常规MRI及DWI检查，认为DWI无法辨别正常椎间盘与退变椎间盘，故DWI的临床价值尚待观察［7］。Niu等［8］对37名志愿者及28名患者均行常规MRI与T2 mapping、DWI成像，仅Pfirrmann V级椎间盘未见T2值的差异，而相应地在I～III级椎间盘时ADC值无明显差别，T2值的受试者工作特征曲线下面积明显较ADC值大，提示以ADC值来衡量椎间盘退变存在不足之处。张娅等［9］的DTI研究也显示，椎间盘ADC值与Pfirrmann分级呈负相关（r=－0.25，P＜0.05）。因此，单纯利用DWI/DTI研究椎间盘退变可能存在一定的局限性，有待进一步探讨。

3 MRS成像

氢质子MRS成像可无创伤性地检测活体器官组织代谢，可对组织内化合物进行定性及定量分析，反映体内生理生化改变。不同Thompson退变分级的N-乙酰及胆碱面积比值，与胆碱及糖类面积比值有较明显的区别，其区域间重叠较少［10］，MRS成像对椎间盘化学物质，尤其是对胶原与蛋白多糖有定性及定量作用。Zuo等［11］的尸体标本研究表明，N-乙酰/多糖、N-乙酰/乳酸盐+脂质比值随椎间盘退变严重程度加重而降低，N-乙酰/胆碱比值与糖胺聚糖含量具有明显的相关性；该研究还发现，MRS成像所反映的水及蛋白多糖含量与T1ρ、Pfirrmann等级评分、椎间盘造影及患者的自觉症状有关［12］。由于MRS成像信噪比及分辨率低、成像不稳定，可能更适合在超高场MR仪上进行实验研究。

图1 女，21岁，无症状志愿者。常规矢状位FSE T2加权成像序列（A）；常规矢状位STIR成像序列，显示椎体与椎间盘对比度增高，局部结构显示清晰（B）；轴位DWI加权序列（C）；基于轴位DTI成像序列的纤维束示踪成像序列，较好地显示了椎间盘外围层状排列的纤维环结构（D）

4 T2 mapping成像

T2 mapping成像是采用多层面多回波自旋回波序列，用同一的重复时间（TR）和多个不同的回波时间（TE）进行扫描、采取数据，获得系列T2加权图像，进行计算机处理，计算出每个体素的T2值并重建出彩色阶或灰色阶图。当椎间盘发生退行性改变时，由于水分、胶原、蛋白多糖丢失，导致T2值下降，从而在T2 mapping成像图上显示出来，但T2 mapping成像容易受到“魔角效应”的影响，甚至纤维环及髓核的T2值可在晨、晚发生变化。患者的T2 mapping成像可以显示早期退变椎间盘的生理生化改变，常规MRI上健康椎间盘（Pfirrmann I、II级）在T2 mapping成像上有较明显的差异［13］，此定量测量法的观察者组内及组间可信度明显比传统的Pfirrmann及Schneiderman评分法高［14］。随着椎间盘Pfirrmann分级的增高，T2值呈下降趋势。T2 mapping成像能区别健康人椎间盘纤维环及髓核区域，分辨健康椎间盘与退变的椎间盘［15］。Sun等［16］通过椎间盘退变实验动物证明，T2 mapping成像表现与病理学检测的髓核蛋白多糖与II型胶原纤维基因表达有较高的一致性。Stelzeneder等［17］研究认为，T2 mapping成像重复性高，不仅适用于椎间盘退变的定量评估，且可作为纵向研究椎间盘退变的有力工具。Watanabe等［18］于2007年制订一个基于轴位T2 mapping成像的椎间盘退变分级标准，是目前唯一利用功能成像制订的椎间盘分级方法，对早期椎间盘退变的评估有较高的价值。T2 mapping成像简单易行，可反映水分、胶原、蛋白多糖综合环境，但影响因素较多、成像相对不稳定。

5 T1ρ成像

T1ρ成像主要评价处于射频脉冲磁场中的组织自旋弛豫值（T1值），反映水分子与周围大分子之间相互作用引起的弛豫，对蛋白多糖丢失具有很高的敏感度和特异度，常用于检测组织中、尤其是关节软骨的胶原蛋白含量。在椎间盘退变早期即可发现其代谢异常，T1ρ值与椎间盘退变呈线性相关，椎间盘退变程度越严重，T1ρ值越低［19-20］，与年龄呈较强的负相关［21］。Zobel等［22］针对健康人群的试验结果表明，正常椎间盘的T1ρ弛豫时间范围较大，显示出其判断椎间盘早期退变的潜力，故T1ρ成像可以弥补Pfirrmann分级判断早期椎间盘退变的局限性，真正对椎间盘退变进行量化评估。与常规及T2 mapping成像相比，T1ρ成像可能对早期椎间盘退变更敏感，且与患者症状相关［23-24］。Borthakur等［25］研究表明，腰痛患者T1ρ值与椎间盘造影的开放压密切相关。T1ρ成像对椎间盘退变敏感性高、成像较稳定、重复性高、干扰因素少、图像分辨率高、不需要特殊硬件，更有潜力成为检测椎间盘退变的主要功能成像序列。

6 dGEMRIC成像

对比剂的平衡浓度与固定电荷密度成反比，而固定电荷密度又与蛋白多糖含量直接相关。正常组织内蛋白多糖携带负电荷，排斥负电荷离子（包括钆螯合物）。在椎间盘退变早期，蛋白多糖即开始减少，带负电荷的钆螯合物聚集于蛋白多糖减少区，在增强扫描时呈高信号。因此，由Gd-DTPA2-浓度决定组织内T1值可成为显示蛋白多糖含量变化的特异性指标。另外，椎间盘髓核T1弛豫时间会在延迟动态增强扫描时明显降低，且T1弛豫率改变与椎间盘退变的分级呈正相关，提示定量延迟扫描可以反映对比剂在椎间盘的扩散状态，间接反映椎间盘的血供，为椎间盘退变的研究提供另一可行途径。Chan等［26］利用dGEMRIC等序列检测纤维环穿刺诱导的椎间盘退变兔模型，发现在穿刺术后4周可见穿刺椎间盘髓核组织发生位移、糖胺聚糖含量下降，而对照组椎间盘未见类似改变。然而，由于对比剂扩散进入椎间盘组织所需时间较长，远超过对比剂在体内循环的半衰期，这不仅增加了扫描等候时间、增大了实验成本，且还需要加大对比剂用量才能保证足够的浓度；由于该技术使用钆对比剂、增加了对比剂肾病的风险，应用于人体尚具有限制性。

7 钠谱成像

钠谱成像是利用钠离子在正常软骨中聚集成像，其含量依赖于蛋白多糖含量。钠成像对蛋白多糖异常敏感，其成像原理与dGEMRIC成像相同，钠分布图像可以显示蛋白多糖崩解区域。钠谱成像显示信号强度与椎间盘内的蛋白多糖呈线状关系，有腰痛症状人群的钠谱信号较无症状者低［27］。但钠谱成像信噪比很低，并且需要特殊的射频及线圈系统，限制了其在科研上的应用。

8 UTE成像

与大多数功能成像序列主要用于观察髓核及纤维环的生理生化改变不同，UTE序列观察角度独特，提供一种研究软骨终板的特异性方法。Gold等［28］于1995年首次利用UTE序列研究膝关节软骨及半月板的纤维软骨。UTE序列可以特异性地鉴别肌腱及韧带起止点的钙化与非钙化的纤维软骨组织成分，区别纤维软骨与纤维结缔组织、骨皮质，还可以观察胶原的方向、蛋白多糖的含量［29-30］。Law等［31］研究发现，椎间盘退变越严重，其软骨终板的缺损就越明显，这种改变在下腰椎尤为显著。Bae等［32］通过UTE序列行椎间盘成像，认为可以根据信号强度评估软骨终板的钙化程度，并可以进行软骨终板的形态学特征分析。目前关于UTE成像在椎间盘退变检查的研究相对较少，其成像质量有待进一步探讨。

9 CEST成像

磁化传递技术是由常规MRI与饱和转移技术相结合的成像序列，可以定量检测椎间盘的糖胺聚糖含量、定量评估椎间盘退变，与改良Pfirrmann分级及年龄呈明显正相关［33］。CEST成像由磁化传递技术发展而来，是目前唯一利用细胞内源性对比剂无损伤检测细胞微环境的技术，成为近年来功能MRI序列的热点。由于在行CEST成像时可选择不同质子的数量、类型进行预饱和、激活，故可以选择多种氨基酸、糖类、核苷酸、杂环类化合物作为对比剂，给予研究者极大的自由。尽管可以任意选择对比剂，包括人工合成的外源性对比剂，研究者多利用人体内物质作为内源性对比剂对椎间盘退变进行评估，尤其是pH水平依赖性及糖胺聚糖依赖性CEST成像。CEST成像较稳定、重复性高，与信号及糖胺聚糖浓度呈线性关系［34］，对退变椎间盘糖胺聚糖的含量减少敏感［35］。椎间盘退变导致腰痛时，也会伴随pH降低，CEST可以检测到致痛椎间盘的上述变化［36］。Melkus等［37］利用离体猪椎间盘标本进行试验，结果显示糖胺聚糖依赖性CEST对椎间盘pH改变敏感，可以反映组织的pH环境。CEST是一种新的技术，对场强要求较高，信噪比相对较低，目前很多学者致力于提高其成像质量、加快扫描速度［34，38-39］，有望成为最具潜力的功能成像序列。

10 其他功能成像序列

Chan等［26］通过兔椎间盘模型证实，位移编码与刺激回波快速成像序列类似于关节软骨的延时增强扫描序列，也可以检测糖胺聚糖含量，反映椎间盘的退变状态。

综上所述，上述各种常规MRI序列及功能成像序列中，常规MRI序列仍然是目前临床应用最广泛、最成熟的成像技术，但功能成像序列能定量检测椎间盘的生理生化变化，可能更适合应用于早期检测椎间盘退变，在椎间盘退变的基础研究中能发挥更大的作用，但由于功能序列成像对场强要求高，普遍存在信噪比低、质量相对不稳定、成像时间较长的缺点，且不同MR厂商缺乏统一的成像标准，限制了其在临床及科研上的应用。

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10.3969/j.issn.1005-5185.2015.10.021

2015-04-29

2015-07-01

（本文编辑 张春辉）

广东省科技计划项目（2012B031800134，2014A020212496）；广东省医学科研基金项目（A2015526）。

南方医科大学第三附属医院医学影像科，广东省骨科研究院 广东广州 510630

李绍林 E-mail：18926191928@189.cn