崔運(yùn)能 李紹林 趙銀霞

MRI檢測(cè)椎間盤(pán)退變的研究進(jìn)展

崔運(yùn)能 李紹林 趙銀霞

脊柱疾病；椎間盤(pán)；磁共振成像；綜述

椎間盤(pán)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(pán)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(cè)椎間盤(pán)退變，可無(wú)創(chuàng)性地評(píng)估椎間盤(pán)退變程度，不影響人體的生理狀態(tài)，無(wú)電離輻射，可進(jìn)行多參數(shù)、多平面成像，軟組織對(duì)比度高，不僅可以觀察椎間盤(pán)的組織結(jié)構(gòu)，顯示椎間盤(pán)本身及周?chē)窠?jīng)根、椎管的病變，還可以評(píng)估椎間盤(pán)的生理生化改變。近年來(lái)，由于主磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高、射頻線(xiàn)圈及梯度磁場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展，較多的新序列、尤其是功能成像序列開(kāi)發(fā)，陸續(xù)應(yīng)用于椎間盤(pán)退變的檢測(cè)。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(duì)MRI檢測(cè)椎間盤(pán)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(píng)估椎間盤(pán)退變最常用的序列（圖1A）。Pfirrmann分級(jí)系統(tǒng)及改良Pfirrmann分級(jí)系統(tǒng)均基于腰椎矢狀位T2加權(quán)序列成像椎間盤(pán)髓核結(jié)構(gòu)、髓核與纖維環(huán)界限的清晰程度、髓核信號(hào)強(qiáng)度及椎間盤(pán)高度進(jìn)行分級(jí)。腰椎間盤(pán)矢狀位STIR序列圖像對(duì)判斷椎間盤(pán)退變有較高的價(jià)值（圖1B），潘文琦等［1］結(jié)合改良Pfirrmann分級(jí)系統(tǒng)制訂了新的椎間盤(pán)退變的分級(jí)系統(tǒng)。

Edmondston等［2］對(duì)無(wú)癥狀志愿者采取屈、伸位MRI檢查，通過(guò)觀察矢狀位T2加權(quán)成像表現(xiàn)，椎間盤(pán)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(guò)觀察椎間盤(pán)移動(dòng)及位置評(píng)估椎間盤(pán)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(pán)與退變椎間盤(pán)在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)有明顯的區(qū)別。Campana等［4］對(duì)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(cè)不同退變階段椎間盤(pán)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(pán)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(cè)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(cè)分子運(yùn)動(dòng)方向的參數(shù)發(fā)展而來(lái)的一種更高級(jí)的DWI形式，以各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和相對(duì)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(pán)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(pán)的水分及糖胺聚糖含量，還可以判斷椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)的完整性，從而辨別健康椎間盤(pán)與退變椎間盤(pán)，顯示腰椎不同節(jié)段的椎間盤(pán)擴(kuò)散系數(shù)的差異。Chiu等［5］在離體椎間盤(pán)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(pán)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(pán)退變模型上觀察到，DWI可以檢測(cè)到早期創(chuàng)傷及退變的椎間盤(pán)改變，ADC值在退變?cè)缙谠龈?，但最終下降；但該研究隨即對(duì)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(wú)法辨別正常椎間盤(pán)與退變椎間盤(pán)，故DWI的臨床價(jià)值尚待觀察［7］。Niu等［8］對(duì)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(jí)椎間盤(pán)未見(jiàn)T2值的差異，而相應(yīng)地在I～I(xiàn)II級(jí)椎間盤(pán)時(shí)ADC值無(wú)明顯差別，T2值的受試者工作特征曲線(xiàn)下面積明顯較ADC值大，提示以ADC值來(lái)衡量椎間盤(pán)退變存在不足之處。張婭等［9］的DTI研究也顯示，椎間盤(pán)ADC值與Pfirrmann分級(jí)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(pán)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(wú)創(chuàng)傷性地檢測(cè)活體器官組織代謝，可對(duì)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(jí)的N-乙酰及膽堿面積比值，與膽堿及糖類(lèi)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(duì)椎間盤(pán)化學(xué)物質(zhì)，尤其是對(duì)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(pán)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(jí)評(píng)分、椎間盤(pán)造影及患者的自覺(jué)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(chǎng)MR儀上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 女，21歲，無(wú)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(pán)對(duì)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(pán)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(pán)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(lái)，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(pán)的生理生化改變，常規(guī)MRI上健康椎間盤(pán)（Pfirrmann I、II級(jí)）在T2 mapping成像上有較明顯的差異［13］，此定量測(cè)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(píng)分法高［14］。隨著椎間盤(pán)Pfirrmann分級(jí)的增高，T2值呈下降趨勢(shì)。T2 mapping成像能區(qū)別健康人椎間盤(pán)纖維環(huán)及髓核區(qū)域，分辨健康椎間盤(pán)與退變的椎間盤(pán)［15］。Sun等［16］通過(guò)椎間盤(pán)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(cè)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(pán)退變的定量評(píng)估，且可作為縱向研究椎間盤(pán)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(pán)退變分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，是目前唯一利用功能成像制訂的椎間盤(pán)分級(jí)方法，對(duì)早期椎間盤(pán)退變的評(píng)估有較高的價(jià)值。T2 mapping成像簡(jiǎn)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(duì)不穩(wěn)定。

5 T1ρ成像

T1ρ成像主要評(píng)價(jià)處于射頻脈沖磁場(chǎng)中的組織自旋弛豫值（T1值），反映水分子與周?chē)蠓肿又g相互作用引起的弛豫，對(duì)蛋白多糖丟失具有很高的敏感度和特異度，常用于檢測(cè)組織中、尤其是關(guān)節(jié)軟骨的膠原蛋白含量。在椎間盤(pán)退變?cè)缙诩纯砂l(fā)現(xiàn)其代謝異常，T1ρ值與椎間盤(pán)退變呈線(xiàn)性相關(guān)，椎間盤(pán)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(duì)健康人群的試驗(yàn)結(jié)果表明，正常椎間盤(pán)的T1ρ弛豫時(shí)間范圍較大，顯示出其判斷椎間盤(pán)早期退變的潛力，故T1ρ成像可以彌補(bǔ)Pfirrmann分級(jí)判斷早期椎間盤(pán)退變的局限性，真正對(duì)椎間盤(pán)退變進(jìn)行量化評(píng)估。與常規(guī)及T2 mapping成像相比，T1ρ成像可能對(duì)早期椎間盤(pán)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(pán)造影的開(kāi)放壓密切相關(guān)。T1ρ成像對(duì)椎間盤(pán)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(cè)椎間盤(pán)退變的主要功能成像序列。

6 dGEMRIC成像

對(duì)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(pán)退變?cè)缙?，蛋白多糖即開(kāi)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(hào)。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(pán)髓核T1弛豫時(shí)間會(huì)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(pán)退變的分級(jí)呈正相關(guān)，提示定量延遲掃描可以反映對(duì)比劑在椎間盤(pán)的擴(kuò)散狀態(tài)，間接反映椎間盤(pán)的血供，為椎間盤(pán)退變的研究提供另一可行途徑。Chan等［26］利用dGEMRIC等序列檢測(cè)纖維環(huán)穿刺誘導(dǎo)的椎間盤(pán)退變兔模型，發(fā)現(xiàn)在穿刺術(shù)后4周可見(jiàn)穿刺椎間盤(pán)髓核組織發(fā)生位移、糖胺聚糖含量下降，而對(duì)照組椎間盤(pán)未見(jiàn)類(lèi)似改變。然而，由于對(duì)比劑擴(kuò)散進(jìn)入椎間盤(pán)組織所需時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)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(duì)比劑用量才能保證足夠的濃度；由于該技術(shù)使用釓對(duì)比劑、增加了對(duì)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(lài)于蛋白多糖含量。鈉成像對(duì)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(hào)強(qiáng)度與椎間盤(pán)內(nèi)的蛋白多糖呈線(xiàn)狀關(guān)系，有腰痛癥狀人群的鈉譜信號(hào)較無(wú)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(xiàn)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(pán)退變?cè)絿?yán)重，其軟骨終板的缺損就越明顯，這種改變?cè)谙卵涤葹轱@著。Bae等［32］通過(guò)UTE序列行椎間盤(pán)成像，認(rèn)為可以根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度評(píng)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(pán)退變檢查的研究相對(duì)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(cè)椎間盤(pán)的糖胺聚糖含量、定量評(píng)估椎間盤(pán)退變，與改良Pfirrmann分級(jí)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(lái)，是目前唯一利用細(xì)胞內(nèi)源性對(duì)比劑無(wú)損傷檢測(cè)細(xì)胞微環(huán)境的技術(shù)，成為近年來(lái)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(lèi)型進(jìn)行預(yù)飽和、激活，故可以選擇多種氨基酸、糖類(lèi)、核苷酸、雜環(huán)類(lèi)化合物作為對(duì)比劑，給予研究者極大的自由。盡管可以任意選擇對(duì)比劑，包括人工合成的外源性對(duì)比劑，研究者多利用人體內(nèi)物質(zhì)作為內(nèi)源性對(duì)比劑對(duì)椎間盤(pán)退變進(jìn)行評(píng)估，尤其是pH水平依賴(lài)性及糖胺聚糖依賴(lài)性CEST成像。CEST成像較穩(wěn)定、重復(fù)性高，與信號(hào)及糖胺聚糖濃度呈線(xiàn)性關(guān)系［34］，對(duì)退變椎間盤(pán)糖胺聚糖的含量減少敏感［35］。椎間盤(pán)退變導(dǎo)致腰痛時(shí)，也會(huì)伴隨pH降低，CEST可以檢測(cè)到致痛椎間盤(pán)的上述變化［36］。Melkus等［37］利用離體豬椎間盤(pán)標(biāo)本進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示糖胺聚糖依賴(lài)性CEST對(duì)椎間盤(pán)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(duì)場(chǎng)強(qiáng)要求較高，信噪比相對(duì)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(guò)兔椎間盤(pán)模型證實(shí)，位移編碼與刺激回波快速成像序列類(lèi)似于關(guān)節(jié)軟骨的延時(shí)增強(qiáng)掃描序列，也可以檢測(cè)糖胺聚糖含量，反映椎間盤(pán)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(cè)椎間盤(pán)的生理生化變化，可能更適合應(yīng)用于早期檢測(cè)椎間盤(pán)退變，在椎間盤(pán)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(duì)場(chǎng)強(qiáng)要求高，普遍存在信噪比低、質(zhì)量相對(duì)不穩(wěn)定、成像時(shí)間較長(zhǎng)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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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