王 偉 Queenie Chan 梁 文 陳 玲 楊建明 全顯躍

磁共振T1ρ技術(shù)定量檢測椎間盤早期退變的初步研究

王 偉1Queenie Chan2梁 文1陳 玲1楊建明1全顯躍1

目的 探討3.0T磁共振T1ρ定量技術(shù)檢測在體椎間盤早期退變的價值。資料與方法 35名健康志愿者（男16名，女19名）在3.0T MRI上采集常規(guī)T2WI及T1ρ圖像，對椎間盤進行Pfirrmann分級及髓核T1ρ值測定，分析T1ρ值與Pfirrmann分級、節(jié)段、性別的關(guān)系。結(jié)果 T1ρ值與Pfirrmann分級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=－0.542, P＜0.001）；L5/S1節(jié)段T1ρ值為（94.80±26.60）ms，顯著低于L2/L3的（117.18±25.64）ms和L3/L4的（115.52±28.53）ms（P＜0.01），其余節(jié)段無顯著差異（P＞0.05）；各節(jié)段T1ρ值無性別差異（t=0.006、0.042、0.797、1.022、0.038, P＞0.05）。結(jié)論 T1ρ弛豫時間與椎間盤退變程度密切相關(guān)，T1ρ成像可以作為客觀、敏感地檢測椎間盤早期退變的有效手段。

脊柱疾??；椎間盤退變；磁共振成像

下腰痛是臨床常見疾病，其發(fā)病率高達84%[1]，椎間盤退行性改變是目前下腰痛的首發(fā)病因[2]。MRI是診斷椎間盤退變的首選方法，提供包括椎間盤突出，Schmorl結(jié)節(jié)、終板下骨質(zhì)改變，骨質(zhì)增生等信息；對于無明顯形態(tài)學(xué)改變的退變，則廣泛采用與髓核和纖維環(huán)信號強度相關(guān)的Pfirrmann分級系統(tǒng)。隨著MR研究的進展，T1ρ成像、T2 mapping成像、擴散加權(quán)成像及波譜成像將椎間盤退變的診斷帶入量化分析的新階段，這些技術(shù)可以檢測椎間盤組織的生化及生物力學(xué)改變，其中T1ρ弛豫反映組織中水和細(xì)胞外基質(zhì)分子間慢頻率的相互作用，對組織內(nèi)的蛋白多糖（proteoglycan, PG）含量變化敏感。本研究采用多源發(fā)射3.0T MRI對健康志愿者的椎間盤進行T1ρ成像，探討該技術(shù)對椎間盤早期退變的診斷價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 收集2012-06～12健康志愿者35名，其中男16名，女19名；年齡20～52歲，平均（25.6±7.0）歲。排除長期體力勞動史、脊柱外傷史、長期后背痛、腰痛及脊柱畸形者。所有數(shù)據(jù)采集均在南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院影像診斷科完成，所有受檢者均知情同意。

1.2 儀器與方法 采用Philips Achieva 3.0T TX MRI儀，脊柱專用線圈，受檢者取仰臥位，頭先進模式。常規(guī)矢狀位T2WI采用TSE序列，掃描參數(shù)：TR 3000 ms，TE 125 ms，視野（FOV）220 mm×220 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，矩陣332×261，層厚5 mm，像素0.49 mm×0.49 mm。T1ρ掃描序列采用三維穩(wěn)態(tài)梯度回波序列，掃描參數(shù)：TR 4.85 ms，TE 2.39 ms，F(xiàn)OV 220 mm×201 mm，翻轉(zhuǎn)角50°，矩陣368×256，層厚5 mm，自旋鎖定頻率500 Hz，自旋鎖定時間分別為0、10、20、30、40 ms，每一自旋鎖定時間采集11幀圖像，像素0.49 mm×0.49 mm。

1.3 圖像分析 對椎間盤T2WI圖像參照Pfirrmann分級系統(tǒng)進行分級[3]。Ⅰ級：髓核結(jié)構(gòu)均一、亮白；髓核信號強度與腦脊液相當(dāng)；髓核纖維環(huán)后部分界清晰；椎間盤高度正常。Ⅱ級：髓核結(jié)構(gòu)不均，可有水平帶；髓核信號強度與腦脊液相當(dāng)；髓核纖維環(huán)后部分界清晰；椎間盤高度正常。Ⅲ級：髓核結(jié)構(gòu)不均；髓核信號強度中度降低，呈灰色；髓核纖維環(huán)后部分界不清；椎間盤高度輕度降低。Ⅳ級：髓核結(jié)構(gòu)不均；髓核信號強度降低，呈灰色或黑色；髓核纖維環(huán)后部分界消失；椎間盤高度中度降低。Ⅴ級：髓核結(jié)構(gòu)不均；髓核呈黑色；髓核纖維環(huán)后部分界消失；椎間盤高度重度降低。以上圖像分析由2位MRI診斷經(jīng)驗豐富的副主任醫(yī)師完成，對結(jié)果有分歧時共同協(xié)商后確定。

采用Philips公司提供的后處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理得到T1ρ值圖，再用Image J軟件手動繪制髓核感興趣區(qū)、偽彩化處理、圖像融合并測定T1ρ值。感興趣區(qū)的繪制在T2WI上椎間隙最大的中間層面進行，盡量包括整個髓核區(qū)。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 15.0軟件，①采用單因素方差分析（ANOVA）和多重比較的LSD-t檢驗分析不同級別椎間盤的T1ρ值差異并進行Spearman等級相關(guān)性檢驗；②采用ANOVA和多重比較的LSD-t檢驗分析不同椎間盤節(jié)段間T1ρ值的差異；③各節(jié)段椎間盤T1ρ值性別差異采用成組t檢驗，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

除外由于運動、生理活動等原因引起信號丟失的椎間盤，共納入150個椎間盤，正常椎間盤髓核在T2WI上呈均勻高信號，與周圍纖維環(huán)均勻低信號分界清晰、邊緣銳利。T1ρ偽彩圖采用色階代表不同的T1ρ值，自黑色至紫色代表T1ρ值由低向高。與T2WI圖所示髓核及纖維環(huán)內(nèi)部信號均勻不同，T1ρ偽彩圖顯示正常髓核可以分為外周淡黃綠色中值區(qū)和核心的橘紅色高值區(qū)，纖維環(huán)除表現(xiàn)為藍(lán)色低值外，也夾雜部分中值色（圖1）。隨著髓核T2WI信號降低，髓核顏色逐漸呈現(xiàn)均勻藍(lán)色（圖2），纖維環(huán)色階改變不明顯。

圖1 Ⅰ～Ⅱ級椎間盤T2WI及T2-T1ρ融合圖像。

圖2 Ⅲ～Ⅳ級椎間盤T2WI及T2-T1ρ融合圖像。

不同級別椎間盤髓核平均T1ρ值見表1，由于Ⅳ級樣本量少（1個），未進行統(tǒng)計學(xué)分析，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級各組間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（F=34.846, P＜0.001），T1ρ值與Pfirrmann分級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=－0.542, P＜0.001）。

不同節(jié)段椎間盤髓核平均T1ρ值差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=3.179, P＜0.05），兩兩比較顯示L2/L3、L3/L4與L5/S1間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01），其余各組差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），不同性別受試者間諸節(jié)段椎間盤髓核T1ρ值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（t=0.006、0.042、0.797、1.022、0.038, P＞0.05），見表2。

表1 不同Pfirrmann分級椎間盤髓核T1ρ值比較

3 討論

3.1 椎間盤的結(jié)構(gòu)和早期退變 椎間盤是包括髓核、纖維環(huán)及軟骨終板在內(nèi)的纖維軟骨組織，最重要的作用是發(fā)揮其生物力學(xué)功能，使負(fù)載均勻分布于椎體上，分散椎體壓力并限制過度運動。髓核細(xì)胞外基質(zhì)主要由PG及Ⅱ型膠原組成，負(fù)電荷PG與細(xì)胞外主要溶質(zhì)Na+結(jié)合后產(chǎn)生滲透壓，維持髓核的高含水狀態(tài)和彈性。纖維環(huán)的細(xì)胞外基質(zhì)主要含有膠原及少量PG，嚴(yán)密包繞髓核，營養(yǎng)髓核、維持髓核形態(tài)、限制髓核過度膨脹并隔離體內(nèi)的免疫系統(tǒng)。

隨著年齡增長，髓核內(nèi)的金屬蛋白酶活性增加，細(xì)胞外基質(zhì)成分合成減少、分解增加，從而導(dǎo)致髓核內(nèi)的PG含量降低、水分丟失，彈性及膨脹性等生物力學(xué)指標(biāo)受損；纖維環(huán)內(nèi)層Ⅱ型膠原含量下降，纖維環(huán)硬度及脆性增加。正常情況下，髓核均勻分散負(fù)荷，纖維環(huán)同心環(huán)狀結(jié)構(gòu)抵抗髓核的膨脹張力，但髓核機械性能改變后，壓力負(fù)荷分布不均勻，促使脆化的纖維環(huán)直接抵抗分布任意無序的壓力，引發(fā)和促進纖維環(huán)損傷，最終引起纖維環(huán)撕裂[4]。

3.2 T1ρ成像與椎間盤退變 T1ρ弛豫時間又稱旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的自旋晶格弛豫時間，組織中的水分子與大分子結(jié)合在一起，兩者經(jīng)常發(fā)生能量或質(zhì)子交換等相互作用，由于這種交換作用的存在會引發(fā)T1ρ弛豫。T1ρ成像的前提是要通過所謂“絕緣”或“頻率清掃”調(diào)諧脈沖來實現(xiàn)自旋鎖定（spin lock），施加振幅不同的自旋鎖定脈沖后，平行于縱軸的磁矩與有效磁場同步隨時間衰減，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的縱向弛豫，用T1ρ表示[5]。盡管T1ρ成像理論已經(jīng)提出較長時間，但由于磁場強度及均勻性因素等的限制，國外椎間盤T1ρ成像研究報道主要在2006年以后。周智洋等[6]研究了離體豬髕骨軟骨標(biāo)本的T1ρ成像，對于在體椎間盤T1ρ成像的研究尚未見報道。

本研究采用三維穩(wěn)態(tài)梯度回波序列，在采集信號之前加一組射頻脈沖。第一個射頻脈沖將位于縱軸方向的磁化矢量翻轉(zhuǎn)到橫斷面上，然后施加2次相位不同的自旋鎖定脈沖于橫向磁化矢量的方向。在此期間，磁化矢量自旋被“鎖定”，在B1射頻場鎖定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中弛豫，此過程類似于在主磁場B0中的T1弛豫，采用2次相位不同的自旋鎖定脈沖旨在重聚由于射頻場不均勻造成的影響。在自旋鎖定期間，自旋被鎖定的磁化矢量將按照T1ρ時間常量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中進行自旋晶格弛豫。通過變化自旋鎖定時間（time of spin lock, TSL）得到不同自旋鎖定脈沖時間點的信號數(shù)據(jù)，利用單指數(shù)模型估計T1ρ值[7]。改變自旋鎖定射頻脈沖強度，對不同分子運動的敏感性會發(fā)生變化，本研究采用的自旋鎖定頻率為500 Hz。

目前認(rèn)為T1ρ值主要反映椎間盤內(nèi)PG的早期變化：Johannessen等[8]對尸體椎間盤的研究發(fā)現(xiàn)，T1ρ值與脫水前椎間盤中的黏多糖呈顯著相關(guān)，與脫水后的黏多糖呈中度相關(guān)。Zuo等[9]采用MR波譜成像測量正常與退變椎間盤髓核內(nèi)水及PG含量，發(fā)現(xiàn)T1ρ與水/PG峰值比及PG含量呈顯著相關(guān)。

除T1ρ值與PG直接相關(guān)外，T1ρ值也與其他PG相關(guān)指標(biāo)關(guān)系密切。椎間盤老化和退變的過程也是PG丟失的過程，因此，髓核T1ρ值與年齡存在顯著相關(guān)性[8-10]。由負(fù)電荷的黏多糖結(jié)合細(xì)胞外溶質(zhì)Na+產(chǎn)生的滲透壓是與PG相關(guān)的指標(biāo)，Wang等[11]對牛的離體椎間盤行Na-MRI成像，計算出固定電荷密度和滲透壓，證實滲透壓與T1ρ值呈線性相關(guān)。另外，PG是維持椎間盤機械性能的重要物質(zhì)，Borthakur等[12]結(jié)合椎間盤造影技術(shù)研究液體克服滲透壓進入髓核的壓力即開放壓力與T1ρ弛豫的關(guān)系，結(jié)果顯示低位后背痛患者T1ρ與開放壓力顯著相關(guān)，疼痛椎間盤開放壓力低，T1ρ值??；無痛椎間盤T1ρ值小、開放壓力相對較高，可能表示PG含量低，但機械性能尚可代償。Nguyen等[13]研究髓核膨脹壓、壓縮模量及表觀通透性與T1ρ弛豫的關(guān)系，結(jié)果顯示正常椎間盤膨脹壓是已退變椎間盤膨脹壓的3倍，膨脹壓與T1ρ顯著相關(guān)；但T1ρ與壓縮模量和通透性無關(guān)，可能與壓縮模量、通透性本身與PG之間的相關(guān)較弱有關(guān)。

表2 不同節(jié)段椎間盤髓核T1ρ值比較

由于T1ρ值與生化和生物力學(xué)等指標(biāo)關(guān)系密切，其對椎間盤退變的檢測具有重要價值。目前臨床最常用的椎間盤退變檢測系統(tǒng)是Pfirrmann分級系統(tǒng)，它以T2信號強度為分級基礎(chǔ)，可以認(rèn)為Ⅰ級為未退變的椎間盤，Ⅱ～Ⅴ級退變程度依次加重，本研究顯示未退變的Ⅰ級椎間盤與退變的Ⅱ、Ⅲ級椎間盤T1ρ值差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），T1ρ值與Pfirrmann分級呈顯著負(fù)相關(guān)（r=－0.542, P＜0.001），證實T1ρ值對椎間盤早期退變敏感，與既往研究結(jié)果一致[8,14-16]。與Pfirrmann分級系統(tǒng)比較，T1ρ定量檢測技術(shù)具有以下優(yōu)點：①在敏感性方面，本研究顯示即使在PfirrmannⅠ級的椎間盤髓核內(nèi)，其T1ρ值也有差異，內(nèi)部核心值更高，而周圍部較低，這與髓核內(nèi)PG的分布一致，因此可以認(rèn)為T1ρ值較T2信號強度對椎間盤內(nèi)組織化學(xué)成分的變化更加敏感。②在檢查的客觀性和可重復(fù)性方面；T1ρ技術(shù)可以對不同退變程度的椎間盤進行量化分析，減少了由于診斷經(jīng)驗、主觀感受等引起的偏差。Auerbach等[14]采用Siemens 1.5T MRI研究顯示，Ⅱ級椎間盤T1ρ值為101.8 ms；Blumenkrantz等[10]采用GE 3.0T MRI測量不同節(jié)段的T1ρ值，結(jié)果顯示年輕人（23～35歲）髓核T1ρ值為（123.2±17.3）ms，以上研究均表明不同的磁場強度、機器類型、檢查環(huán)境所測定的T1ρ值相對較穩(wěn)定，但由于目前資料較少，尚需進一步研究以建立基于T1ρ值的分級標(biāo)準(zhǔn)。③在與臨床相關(guān)方面，既往研究報道僅T1ρ值與臨床量化評估健康和殘疾程度的SF-36和O.D.I評分系統(tǒng)之間有顯著相關(guān)性，而Pfirrmann分級與臨床評分存在爭議[9,10]，T2 mapping與臨床評分無明顯相關(guān)[9]。以上研究均表明T1ρ成像有望成為對早期退變敏感的、客觀的、與臨床分級相關(guān)的理想影像分級系統(tǒng)。

本研究比較了不同節(jié)段的T1ρ值，結(jié)果表明，L5/ S1節(jié)段髓核的T1ρ值較低，與L2/L3、L3/L4節(jié)段存在顯著差異，可能與解剖及力學(xué)因素加速L5/S1椎間盤退變有關(guān)，也可以解釋臨床上椎間盤突出更易發(fā)生于L5/ S1椎間盤。本研究未觀察到性別對各節(jié)段髓核T1ρ值的影響，提示性別可能與椎間盤退變的發(fā)生和進展無密切關(guān)聯(lián)，與既往研究結(jié)果一致[17]。另外，體重指數(shù)、膠原含量與T1ρ值無顯著相關(guān)[15,16]。

3.3 本研究的局限性 目前，T1ρ成像技術(shù)對磁場均勻度要求較高、椎間盤信號易受周圍組織化學(xué)位移、部分容積效應(yīng)以及主動脈搏動和腦脊液流動等的影響，這些均可以導(dǎo)致信號丟失。另外，合理地選擇感興趣區(qū)是正確分析的前提，本研究采用正中矢狀位手動繪制，也有學(xué)者采用橫斷位或“均分法”[10,18]，因此，客觀、重復(fù)性好的繪制感興趣區(qū)的方法值得進一步研究。本研究樣本量相對較少，無病例組資料、缺乏組織病理證實等，尚需進一步增加樣本量，對具有臨床癥狀的病例、早期退變的動物模型或離體椎間盤進行T1ρ成像研究。

綜上所述，T1ρ成像技術(shù)可以敏感、客觀地檢測椎間盤內(nèi)組織化學(xué)成分的改變，與臨床具有較好的相關(guān)性，并具有高分辨率、不需要特殊硬件、干擾因素少等優(yōu)勢，對椎間盤退變的診斷和監(jiān)測具有重要價值。

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（責(zé)任編輯 張春輝）

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（責(zé)任編輯 張春輝）

Preliminary Study of Magnetic Resonance T1ρin Early Detection of Disc Degeneration

WANG Wei Queenie Chan LIANG Wen CHEN Ling YANG Jianming QUAN Xianyue

Purpose To investigate the value of 3.0T MR T1ρquantitative analysis in early detection of disc degeneration.Materials and Methods Conventional T2WI and T1ρwere collected in 35 healthy volunteers (male 16, female 19) on 3.0T MRI, and the classification of disc nucleus was performed by Pfirrmann classification. T1ρvalue of nucleus pulposus was measured and analyzed for the relationship among Pfirrmann classification, segmental and gender.Results There was a significant negative correlation between T1ρvalue and Pfirrmann grade (r=－0.542, P＜0.001). T1ρvalue in L5/S1segment (94.80±26.60) ms was significantly lower than that in L2/L3(117.18±25.64) ms and L3/L4(115.52±28.53) ms (P＜0.01), and there was no significant difference among other segments (P＞0.05); there was no gender differences among the T1ρvalue of each segment (t=0.006, 0.042, 0.797, 1.022, 0.038, P＞0.05).Conclusion T1ρvalue is closely related to the degree of disc degeneration, and T1ρimaging can be used as an objective, sensitive and effective tool for early detection of disc degeneration.

Spinal diseases; Intervertebral disc degeneration; Magnetic resonance imaging

10.3969/j.issn.1005-5185.2013.06.002

1. 南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院影像診斷科 廣東廣州 510282

2.飛利浦醫(yī)療保健事業(yè)部 香港

全顯躍

Department of Radiology, Zhujiang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510282, China

Address Correspondence to: QUAN Xianyue

E-mail: quanxianyue@163.com

廣東省科技計劃項目（2011B031800052）。

R681.5；R445.2

2013-01-06

修回日期：2013-05-28

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2013年 第21卷 第6期：406-410

Chinese Journal of Medical Imaging

2013 Volume 21(6): 406-410