王成均，侯 洪，曾幸萍，陳 京，游述琴，歐陽(yáng)祖彬

1.重慶市東南醫(yī)院放射科(重慶401336)；2.重慶市東南醫(yī)院急救部(重慶401336)；3.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科(重慶400016)

腰椎間盤(pán)退變(Intervertebral disc degeneration, IDD)是引起腰痛最常見(jiàn)的原因，目前MRI是評(píng)價(jià)腰椎IDD退變及其治療效果最常用的影像檢查方法之一[1]，主要是基于T2加權(quán)像(T2-Weighted images,T2WI)椎間盤(pán)的形態(tài)學(xué)及信號(hào)變化的非定量評(píng)估，但觀(guān)察者的主觀(guān)因素干擾較強(qiáng)，并且有研究顯示椎間盤(pán)在T2WI相出現(xiàn)信號(hào)減低之前，就可能已經(jīng)存在早期退行性改變[2]。因此定量診斷椎間盤(pán)退變對(duì)于臨床動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估治療效果具有重要意義。近年來(lái)基于T2WI一階紋理分析直方圖逐漸成為評(píng)價(jià)整個(gè)組織信號(hào)值、像素?cái)?shù)-信號(hào)變化的重要方法之一，可更好提取病變組織內(nèi)部紋理特征，提供肉眼無(wú)法觀(guān)察到的信息，已為腫瘤的診斷、預(yù)后評(píng)估提供重要的參考信息[3-5]。本研究旨在探T2WI直方圖量化參數(shù)值在評(píng)價(jià)腰椎間盤(pán)退變可行性的價(jià)值。

資料和方法

1 一般資料 收集我科2017年5月以來(lái)接受椎間盤(pán)MRI檢查的患者43例，其中男25例,女18例；平均25～74歲，平均(46.3±11.1)歲。有腰腿疼痛癥狀26例，無(wú)癥狀17例。所有患者均無(wú)壓縮骨折、金屬植入物、脊柱畸形、脊柱腫瘤等影響椎間盤(pán)觀(guān)察的疾病，所有患者均簽署知情同意書(shū)。

2 檢查方法 所有患者采用Siemens Avanto 1.5T超導(dǎo)型磁共振儀和脊柱相控陣線(xiàn)圈，掃描范圍包括L1-S1椎體。為避免晝夜、負(fù)荷等因素對(duì)椎間盤(pán)測(cè)量值的影響，檢查均在21:00～22:00時(shí)間段進(jìn)行，掃描前避免劇烈運(yùn)動(dòng)并平躺30 min?；緬呙鑵?shù)：①矢狀面FSE T2WI:TR 4500ms,TE 100ms,FOV 280 mm×280 mm,層厚3 mm;②矢狀面FSE T1 WI:TR 500 ms, TE 9 ms, FOV 330 mm×330 mm,層厚4 mm; ③橫斷面FSE T2WI:TR 2500 ms, TE 120 ms, FOV 210 mm×210 mm,層厚4 mm。

3 椎間盤(pán)Pfirrmann分級(jí)評(píng)價(jià) 以矢狀面T2WI 圖像為基礎(chǔ)參照Pfirrmann分級(jí)系統(tǒng)對(duì)椎間盤(pán)進(jìn)行分級(jí)[6]。Ⅰ級(jí)：髓核呈均勻的高信號(hào)，髓核與纖維環(huán)界限清晰，椎間隙正常：Ⅱ級(jí)：髓核呈不均勻的高信號(hào)(伴有或不伴有水平低信號(hào)帶)，髓核與纖維環(huán)界限清晰失，椎間隙正常；Ⅲ級(jí)：髓核呈灰色，信號(hào)不均勻，髓核及纖維環(huán)界限不清晰，椎間隙正?；蜉p度狹窄；Ⅳ級(jí)：髓核呈不均勻的灰色或黑色，髓核與纖維環(huán)界限消失，椎間隙輕度或中度狹窄；Ⅴ級(jí)：髓核呈黑色，髓核與纖維環(huán)界限消失，椎間隙重度狹窄。由2位10年以上診斷經(jīng)驗(yàn)的MRI 醫(yī)師完成，對(duì)分級(jí)不一致者通過(guò)商議后確定。

4 圖像分析 所有圖像從PACS系統(tǒng)導(dǎo)出并儲(chǔ)存，使用Image J(National Institutes of Health, Bethesda, Md)軟件進(jìn)行分析。利用Image J 軟件，在正中矢狀位T2WI序列連續(xù)3層上勾畫(huà)椎間盤(pán)髓核最大邊界。由1位經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的高年資MRI醫(yī)師完成測(cè)量腫瘤T2WI信號(hào)直方圖參數(shù)值，包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰度值、偏度值。

5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。①采用單因素方差分析比較不同Pfirrmann分級(jí)之間椎間盤(pán)髓核的T2信號(hào)直方圖參數(shù)(平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度)差異，對(duì)方差分析有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義者進(jìn)一步利用LSD法進(jìn)行組間兩兩比較。②采用Spearman相關(guān)分析評(píng)價(jià)椎間盤(pán)T2信號(hào)直方圖參數(shù)與Pfirrmann分級(jí)的相關(guān)性，計(jì)算相關(guān)系數(shù)r值，其中r≥0.7為高度相關(guān)，0.5≤r<0.7為中度相關(guān)，r<0.5為弱相關(guān)。③對(duì)于有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的直方圖參數(shù)，通過(guò)繪制直方圖參數(shù)受試者工作特征(Receiver operator characteristic，ROC)分析各參數(shù)在鑒別相鄰兩個(gè)Pfirrmann分級(jí)椎間盤(pán)的價(jià)值，并計(jì)算其曲線(xiàn)下面積(Area under curve, AUC)，AUC<0.7為診斷準(zhǔn)確性低，0.7≤AUC<0.9為診斷準(zhǔn)確性中度，AUC≥0.9為診斷準(zhǔn)確性高。

結(jié)果

1 T2WI SI直方圖各參數(shù)值比較及與Pfirrmann分級(jí)的相關(guān)性 43例患者的215個(gè)腰椎間盤(pán)中，包括PfirrmannⅠ級(jí)椎間盤(pán)39個(gè)，Ⅱ級(jí)椎間盤(pán)59個(gè)，Ⅲ級(jí)椎間盤(pán)54個(gè)，Ⅳ級(jí)椎間盤(pán)47個(gè)，Ⅴ級(jí)椎間盤(pán)16個(gè)。不同Pfirrmann分級(jí)椎間盤(pán)髓核T2WI SI直方圖各參數(shù)值，見(jiàn)表1。隨著Pfirrmann分級(jí)的增高，T2WI SI平均值、標(biāo)準(zhǔn)差逐漸降低，Spearman相關(guān)分析顯示T2WI SI平均值、標(biāo)準(zhǔn)差與Pfirrmann分級(jí)分別呈高度負(fù)相關(guān)(r=-0.83,P<0.01)、中度負(fù)相關(guān)(r=-0.66,P<0.01)。LSD法兩兩比較，平均值、標(biāo)準(zhǔn)差在Ⅳ級(jí)與Ⅴ級(jí)間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.5)，在其余各級(jí)間均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)。偏度與Pfirrmann分級(jí)呈中度正相關(guān)(r=0.69,P<0.01)，LSD法兩兩比較，偏度在所有各級(jí)間均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)；峰度與Pfirrmann分級(jí)呈弱正相關(guān)(r=0.28,P<0.01)，LSD法兩兩比較，峰度在Ⅰ～Ⅲ級(jí)間均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P >0.5)，在其余各級(jí)間比較均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)。

表1 不同Pfirrman分級(jí)腰椎間盤(pán)髓核T2WI直方圖參數(shù)值測(cè)量結(jié)果

2 T2WI SI直方圖形態(tài)分布及在不同Pfirrmann分級(jí)椎間盤(pán)的鑒別效能 PfirrmannⅠ～Ⅲ級(jí)椎間盤(pán)T2WI SI直方圖為負(fù)偏態(tài)分布，呈雙峰改變，高峰較為平緩，且信號(hào)值跨度較大(圖1A，圖1B)。Ⅳ～Ⅴ級(jí)椎間盤(pán)T2WI SI直方圖為正偏態(tài)分布，呈單峰改變，高峰值較為陡峭，信號(hào)值跨度較小(圖2A，圖2B)。ROC曲線(xiàn)分析顯示T2WI SI平均值曲線(xiàn)對(duì)于鑒別Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)具有中等效能(圖3A，圖3B)，AUC分別為0.76、0.86 (P均<0.01)，而對(duì)于Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)椎間盤(pán)鑒別效能最佳(圖3C)，其AUC為0.90(P<0.01)。標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)于鑒別Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)與Ⅲ及Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)均具有中等效能(圖3A-C)，AUC分別為0.74、0.74、0.84(P均<0.01)。偏度對(duì)于鑒別Ⅰ～Ⅴ級(jí)依次兩兩比較均具有中等效能，AUC分別為0.73(P<0.01)、0.73(P<0.01)、0.72(P<0.01)、0.73(P<0.05)。峰度能鑒別Ⅲ與Ⅳ級(jí)、Ⅳ級(jí)與Ⅴ級(jí)，均具有中等效能，AUC分別為0.71、0.75(均P<0.01)。

圖1、2 患者M(jìn)R T2WI圖和直方圖[男，56歲，體力勞動(dòng)者，間斷性腰痛半年。1A、1B：L2/L3椎間盤(pán)為PfirrmannⅡ級(jí)，直方圖示椎間盤(pán)T2WI信號(hào)值較高，呈雙峰(箭頭)，高峰較為平緩，且信號(hào)值跨度較大，呈負(fù)偏態(tài)分布。2A、2B：L5/S1椎間盤(pán)為Pfirrmann Ⅴ級(jí)，直方圖示椎間盤(pán)T2WI信號(hào)值較低且集中，呈單峰(箭頭)，高峰值較為陡峭，呈正偏態(tài)分布]

圖3 T2平均值及標(biāo)準(zhǔn)差鑒別相鄰Pfirrmann分級(jí)椎間盤(pán)ROC曲線(xiàn)(A:Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí),ROC曲線(xiàn)下面積分別為0.76和0.74;B:Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí),ROC曲線(xiàn)下面積分別為0.86和0.74;C:Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí),ROC曲線(xiàn)下面積分別為0.90和0.84)

討論

腰椎間盤(pán)退變病理改變主要為髓核內(nèi)水分丟失并逐漸膠原纖維化，目前評(píng)價(jià)腰椎間盤(pán)退變的Pfirrmann分級(jí)，是基于T2WI相椎間盤(pán)的信號(hào)及形態(tài)的變化，但當(dāng)椎間盤(pán)退變處于早期，或T2WI信號(hào)改變不明顯時(shí)，放射醫(yī)師則難以通過(guò)MRI圖像對(duì)椎間盤(pán)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性影像分析相比，紋理分析優(yōu)勢(shì)在于不依賴(lài)放射醫(yī)師的主觀(guān)信息及臨床經(jīng)驗(yàn)，只對(duì)圖像本身的灰度水平等客觀(guān)信息進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。本研究為國(guó)內(nèi)較早有關(guān)T2WI直方圖在評(píng)價(jià)腰椎間盤(pán)退變中的研究報(bào)道。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著椎間盤(pán)Pfirrmann分級(jí)的增加，相應(yīng)椎間盤(pán)髓核T2WI SI平均值逐漸降低，Spearman相關(guān)性分析顯示平均值與Pfirrmann分級(jí)呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.829，P<0.01)，這表明T2WI SI平均值可以對(duì)腰椎間盤(pán)退變進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，這主要是由于T2WI SI平均值反映的是髓核內(nèi)水含量及膠原纖維含量的差異[8]，是T2WI信號(hào)的量化表現(xiàn)，但最主要因素是髓核內(nèi)自由水含量的丟失[9]。郝定均等[10]研究認(rèn)為椎間盤(pán)髓核MRI高信號(hào)(Ⅰ級(jí))膠原纖維退變程度較輕，其內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)明顯好于MRI低信號(hào)(Ⅲ級(jí))的膠原纖維結(jié)構(gòu)，而椎間盤(pán)MRI中低信號(hào)(Ⅱ級(jí))的髓核超微結(jié)構(gòu)病理改變介于Ⅰ級(jí)和Ⅲ級(jí)二者之間。而Zhou等[11]組織學(xué)研究表明PfirrmannⅡ級(jí)椎間盤(pán)內(nèi)水含量及膠原纖維變化較為輕微，當(dāng)椎間盤(pán)退變至Ⅲ級(jí)時(shí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)減少，導(dǎo)致化學(xué)成分較Ⅱ級(jí)出現(xiàn)明顯的變化。本研究顯示Ⅰ～Ⅲ級(jí)T2WI SI平均值兩兩比較均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異, ROC曲線(xiàn)對(duì)于鑒別Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)椎間盤(pán)均具有中度效能(AUC分別為0.76、0.86)，這說(shuō)明T2WI SI平均值在一定程度上能監(jiān)測(cè)腰椎間盤(pán)早期退變，這對(duì)于提示臨床早期治療，達(dá)到延緩甚至逆轉(zhuǎn)椎間盤(pán)具有重要的價(jià)值[12]。本研究發(fā)現(xiàn)PfirrmannⅣ級(jí)與Ⅴ級(jí)間椎間盤(pán)髓核T2WI SI平均值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，這可能與Ⅳ級(jí)與Ⅴ級(jí)椎間盤(pán)屬于退變晚期，髓核內(nèi)水分子丟失及膠原纖維化程度相似有關(guān)，與以往T2 mapping定量評(píng)估腰椎間盤(pán)退變結(jié)論相同[13-14]。

標(biāo)準(zhǔn)差主要用于表示數(shù)值的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差增大代表大部分?jǐn)?shù)值偏離其平均值。本研究顯示隨著椎間盤(pán)Pfirrmann分級(jí)的增加，椎間盤(pán)髓核T2WI SI標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，與Pfirrmann分級(jí)存在中度負(fù)相關(guān)(r=-0.66,P<0.01)。腰椎間盤(pán)在退變?cè)缙诨蜻^(guò)度期時(shí)，主要為髓核內(nèi)部水含量減少及膠原纖維含量增多的改變，因此可能會(huì)使得T2WI SI標(biāo)準(zhǔn)差增大，當(dāng)椎間盤(pán)退變到晚期時(shí)，椎間盤(pán)髓核完全被膠原纖維成分所取代，T2WI圖像呈顯著低信號(hào)，因此使得T2WI SI標(biāo)準(zhǔn)差減小。ROC曲線(xiàn)顯示鑒別Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)與Ⅲ及Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)均具有中等效能，因此標(biāo)準(zhǔn)差能間接反映椎間盤(pán)髓核T2WI信號(hào)不均勻情況，對(duì)于評(píng)價(jià)腰椎間盤(pán)退變具有一定的可行性。

偏度和峰度是用于描述直方圖曲線(xiàn)形態(tài)分布的參數(shù)，目前多用于反映腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的較好指標(biāo)[15-16]。偏度代表著變量值分布的對(duì)稱(chēng)性情況，表明相對(duì)于平均值的非對(duì)稱(chēng)性程度，當(dāng)偏度系數(shù)大于0時(shí)，該分布為右偏，即正偏度，反之亦然。偏度的絕對(duì)值越大，表示曲線(xiàn)分布偏移程度越大。而峰度是代表變量值分布曲線(xiàn)形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計(jì)值，反映與正態(tài)分布相比某一曲線(xiàn)分布的相對(duì)尖峭或平坦程度。正峰度表示比正態(tài)分布陡峭的分布，而負(fù)峰度表示比正態(tài)分布平坦的分布。本研究顯示隨著Pfirrmann分級(jí)的增加，椎間盤(pán)T2WI SI偏度及峰度值逐漸由負(fù)值向正值轉(zhuǎn)變，偏度在所有各級(jí)間均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)，而峰度除在Ⅰ～Ⅲ級(jí)間，在其余各級(jí)間均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.01)。筆者認(rèn)為偏度與峰度的變化可能與不同分級(jí)腰椎間盤(pán)內(nèi)結(jié)構(gòu)有關(guān)：分級(jí)較低的椎間盤(pán)髓核，內(nèi)部水含量豐富，結(jié)構(gòu)相對(duì)較疏松、細(xì)胞周?chē)z原纖維排列規(guī)則[10]，異質(zhì)性較低，髓核T2WI相主要由較大的T2值占據(jù)大多數(shù)，因此直方圖曲線(xiàn)中心向右偏移，曲線(xiàn)形態(tài)相對(duì)平緩(峰度較小，如圖1)。而分級(jí)較高的椎間盤(pán)髓核內(nèi)纖維化程度較重，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較致密、細(xì)胞周?chē)z原纖維變性、排列紊亂、出現(xiàn)融合、鈣化[10]，異質(zhì)性較高，髓核T2WI相主要由較小的T2值占據(jù)大多數(shù)，直方圖曲線(xiàn)中心向左偏移，形成負(fù)偏態(tài)分布且曲線(xiàn)形態(tài)相對(duì)陡峭(峰度較大，如圖2)。值得一提的是，本研究結(jié)果提示偏度及峰度在鑒別Ⅳ與Ⅴ椎間盤(pán)均具有中等效能，這相對(duì)于以往單純通過(guò)定量T2值而不能很好鑒別Ⅳ與Ⅴ椎間盤(pán)[13-14]，具有一定的價(jià)值。

本研究的局限性在于：①本研究中的各定量參數(shù)值的比較均以Pfirrmann分級(jí)為參照標(biāo)準(zhǔn)，而Pfirrmann分級(jí)為非定量標(biāo)準(zhǔn)[6]，是一種人為非客觀(guān)性評(píng)價(jià)，其精準(zhǔn)度有所欠缺，因此要獲得各參數(shù)值與腰椎間盤(pán)退變的更精確關(guān)系，還有待于與組織學(xué)“金標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行對(duì)照研究。②本研究?jī)H分析椎間盤(pán)正中矢狀面連續(xù)三層最大層面椎間盤(pán)特征，未能分析整體椎間盤(pán)三維特征的鑒別診斷價(jià)值，今后的研究需要借助軟件進(jìn)一步完善。

綜上所述，本研究結(jié)果初步提示基于一階T2WI直方圖的紋理分析為量化評(píng)估腰椎間盤(pán)退變提供較為可靠的客觀(guān)依據(jù)，在一定程度上反映腰椎間盤(pán)內(nèi)部生物學(xué)信息變化，具有重要的臨床參考價(jià)值。