椎间盘退变是椎间盘的形态、生化和生物力学经历一系列复杂而连续的变化，退变早期主要包括蛋白多糖和水分的丢失，后期为形态变化包括椎间盘高度丧失，髓核突出、脱出等，导致椎管狭窄和脊髓神经根受压，引起下腰痛^[1-3]。若不及时干预，将严重影响患者生活质量。近年来，一系列阻断、延缓或逆转椎间盘退变的生物疗法逐步兴起^[4-5]。目前临床迫切需要一种对椎间盘治疗前后进行评估的精准影像学检查手段。MRI能较好地显示椎间盘形态及信号变化，及其与硬膜囊、神经的关系。MRI虽能诊断椎间盘退变，但常规T₂WI无法有效区分椎间盘退变水肿期(Ⅰ~Ⅱ期)与椎间盘退变纤维化期(Ⅳ与Ⅴ期)^[6]。T₂ mapping以T₂WI为基础，定量测量横向弛豫时间，并通过后处理生成空间对应的伪彩图，测量其T₂值。近几年T₂ mapping技术在椎间盘退变研究中的应用较多，但部分结果仍存在差异^[7-9]。非对称回波的最小二乘估算法迭代水脂分离(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetric and least squares estimation，IDEAL)技术一次扫描可获得同相位、反相位、水相图及脂相图，缩短了扫描时间，可测量椎间盘水含量，但目前其在椎间盘退变中的应用较少^[10]。因此，本研究对下腰痛患者行T₂ mapping及IDEAL技术扫描，探讨两者在腰椎间盘退变评估中的价值。

前瞻性选取2020年1—6月甘肃省中医院收治行MRI腰椎间盘常规序列扫描和IDEAL序列、T₂ mapping序列扫描的40例下腰痛患者，男23例，女17例；年龄20~66岁，平均(40.7±14.99)岁；体质量指数(body mass index，BMI)17.21~27.10 kg/m²，平均(22.64±3.03)kg/m²。纳入标准：①无MRI检查禁忌证；②年龄18~70岁；③反复多次或慢性持续性下腰痛6个月以上；④无脊柱外伤史及手术史，无风湿免疫类疾病，无脊柱感染性疾病；⑤无脊柱先天性发育异常。排除标准：图像质量无法满足诊断需求。所有患者均签署知情同意书。本研究经医院伦理委员会批准(批号：2020-080-01)。

采用GE Healthcare Signa HDxt 3.0 T超导全身MRI扫描仪，8通道高分辨颈胸腰一体化脊柱相控阵线圈。患者检查前12 h禁止剧烈运动，扫描前仰卧30 min，检查时间均为早上8~10时。患者取仰卧位，头先进，定位于L₃水平，扫描范围为T₁₂~S₃椎体，扫描前匀场，在S₁椎体前后缘放置2个平行预饱和带。行常规腰椎成像、8回波的矢状位T₂ mapping、矢状位T₂ IDEAL成像，扫描参数见表 1。

表 1

表 1 腰椎间盘MRI扫描参数

表 1 腰椎间盘MRI扫描参数     扫描序列 TR(ms) TE(ms) 视野(cm×cm) 矩阵 层厚(mm) 层距(mm) 激发次数 扫描时间(s) 轴位T2 FSE 4 240 98.4 16×16 288×256 3.0 0.3 2.0 98 矢状位T2 FSE 2 900 121.2 34×34 416×320 4.0 1.0 2.0 87 矢状位T1 FLAIR 2 345 6.8 34×34 320×224 4.0 1.0 2.0 139 矢状位T2 mapping 1 000 9.4~75.2 28×28 320×256 4.0 1.0 1.0 540 矢状位T2 IDEAL 1 880 80.6 28×28 320×224 4.0 1.0 6.0 169 注：矢状位T2 mapping的TE分别为9.4、18.8、28.2、37.6、47.0、56.4、65.8、75.2 ms。

在GE ADW 4.6工作站通过Functool/T₂ mapping软件对T₂ mapping序列进行伪彩化处理，并测量T₂值。通过IDAEL水相图及脂相图信号强度[水信号强度(water phase signal，WPS)、脂信号强度(fat phase signal，FPS)]计算椎间盘水信号分数(water signal faction，WSF)，公式为WSF=WPS/(WPS+FPS)。由同一医师在每位受检者L_2~3至L₅~S₁椎间盘的连续3幅T₂ mapping图像、IDAEL的水相图及脂相图的中间层面绘制ROI，并测量T₂值、WPS、FPS 3次，取均值。髓核的ROI大小为15~40 mm²，前、后纤维环的ROI大小为5~20 mm²，ROI尽可能包括完整的椎间盘，避开上下椎体的终板及前后纵韧带(图 1)。

图 1

注：图 1a~1d分别为T2WI、T2 mapping伪彩图、IDEAL水相图、IDEAL脂相图 图 1 腰椎间盘ROI勾画示意图

参照Pfirrmann分级标准(表 2)，由2名具有5年以上工作经验的影像科医师在T₂WI图像及IDEAL水相图正中矢状位分别对椎间盘行Pfirrmann分级，分级结果不一致时，通过协商达成一致。其中Ⅰ级为正常椎间盘，Ⅱ、Ⅲ级为椎间盘退变早期，Ⅳ、Ⅴ级为椎间盘退变晚期(图 2~6)。T₂WI图像与IDEAL水相图Pfirrmann分级间隔2周，避免因记忆引起的分级误差。

表 2

表 2 腰椎间盘退变的Pfirrmann分级标准

表 2 腰椎间盘退变的Pfirrmann分级标准 Pfirrmann分级 髓核信号 髓核结构 髓核与纤维化结构 椎间盘高度 Ⅰ级 高 均一，亮白 清楚 正常 Ⅱ级 高 不均一，有或没有水平带 清楚 正常 Ⅲ级 中等 不均，灰 模糊 正常-轻度减低 Ⅳ级 中-低 不均，灰-黑 消失 正常-中度减低 Ⅴ级 低 不均，黑 消失 重度减低

图 2~6

注：图 2~6分别代表椎间盘Pfirrmann分级Ⅰ~Ⅴ级，图a~c分别为同一椎间盘T2WI、IDEAL水相图、T2 mapping伪彩图 图 2~6 椎间盘Pfirrmann分级图像

采用SPSS 21.0软件进行数据分析。患者年龄、BMI、椎间盘T₂值、WSF值符合正态分布，以x±s表示。若满足方差齐性，行单因素方差分析及LSD检验，若方差不齐则行Welch's分析及Games-Howell检验，以评估同一T₂WI Pfirrmann分级的椎间盘前纤维环、髓核、后纤维环T₂值及WSF值之间的差异。用Kappa一致性分析评估T₂WI图像上与IDAEL水相图上椎间盘Pfirrmann分级的一致性。K＜0.40，为一致性差；0.40≤K＜0.75，为一致性中等；K≥0.75，为一致性高。采用Spearman相关性分析评估T₂WI Pfirrmann分级与椎间盘T₂值、WSF值的相关性，以P＜0.05为差异有统计学意义。利用ROC曲线分析T₂值及WSF值鉴别相邻T₂WI Pfirrmann分级椎间盘髓核的诊断效能。

纳入40例患者的L_2~3、L_3~4、L_4~5、L₅~S₁腰椎间盘，共160个椎间盘。T₂WI Pfirrmann分级中，Ⅰ级28个，Ⅱ级49个，Ⅲ级45个，Ⅳ级22个，Ⅴ级16个。IDAEL水相图上椎间盘Pfirrmann分级中，Ⅰ级33个，Ⅱ级49个，Ⅲ级45个，Ⅳ级21个，Ⅴ级12个。Kappa一致性分析显示，T₂WI与IDAEL水相图Pfirrmann分级一致性高(K=0.780，P＜0.001)。

表 3

表 3 不同T2WI Pfirrmann分级的腰椎间盘的T2值与WSF值结果及其相关性分析(x±s)

表 3 不同T2WI Pfirrmann分级的腰椎间盘的T2值与WSF值结果及其相关性分析(x±s) T2WI Pfirrmann分级 椎间盘数 (个) T2值 F值 P1值 P2值 P3值 前纤维环 髓核 后纤维环 I级 28 116.36±31.28 194.86±29.93 102.18±35.99 66.11 ＜0.01 0.106 ＜0.01 Ⅱ级 49 107.76±39.33 165.80±68.12 96.16±24.99 30.40 ＜0.01 0.196 ＜0.01 Ⅲ级 45 91.69±29.79 111.48±46.33 82.12±14.49 9.33 0.005 0.170 ＜0.01 Ⅳ级 22 82.87±15.70 82.42±13.48 76.99±12.17 1.21 0.166 0.362 0.201 Ⅴ级 16 71.76±13.21 80.87±13.97 73.86± 9.01 2.40 0.158 0.630 0.230 r值 -0.566 -0.819 -0.42 P值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 T2WI Pfirrmann分级 椎间盘数 (个) WSF值 F值 P1值 P2值 P3值 前纤维环 髓核 后纤维环 I级 28 0.84±0.04 0.93±0.02 0.85±0.04 58.31 ＜0.01 0.765 ＜0.01 Ⅱ级 49 0.83±0.07 0.91±0.05 0.84±0.07 21.80 ＜0.01 0.865 ＜0.01 Ⅲ级 45 0.81±0.06 0.87±0.04 0.81±0.05 17.52 ＜0.01 0.723 ＜0.01 Ⅳ级 22 0.77±0.07 0.83±0.07 0.77±0.11 4.01 0.018 0.977 0.016 Ⅴ级 16 0.71±0.09 0.79±0.08 0.71±0.12 3.03 0.540 0.958 0.134 r值 -0.436 -0.752 -0.404 P值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 注：WSF，水信号分数。P1、P2、P3分别为前纤维环与髓核、前纤维环与后纤维环、髓核与后纤维环结果比较的P值。

前纤维环、髓核及后纤维环的T₂值及WSF值与Pfirrmann分级均呈负相关(均P＜0.01)。

除Pfirrmann Ⅳ级椎间盘髓核T₂值与前、后纤维环T₂值，以及Pfirrmann Ⅴ级椎间盘髓核T₂值、WSF值与前、后纤维环T₂值、WSF值差异均无统计学意义(均P > 0.05)外；余同一分级椎间盘髓核T₂值、WSF值与前、后纤维环T₂值、WSF值差异均有统计学意义(均P＜0.05)；同一分级椎间盘前纤维环与后纤维环T₂值及WSF值比较，差异均无统计学意义(均P > 0.05)。

图 7

注: 图 7a~7d分别为鉴别Pfirrmann分级Ⅰ与Ⅱ级、Ⅱ与Ⅲ级、Ⅲ与Ⅳ级、Ⅳ与Ⅴ级椎间盘髓核的ROC曲线 图 7 T2 mapping与水信号分数(WSF)鉴别相邻Pfirrmann分级椎间盘髓核退变的ROC曲线

髓核的T₂值在鉴别Ⅰ与Ⅱ级、Ⅱ与Ⅲ级、Ⅲ与Ⅳ级、Ⅳ与Ⅴ级的AUC分别为0.738、0.854、0.811、0.531；WSF值分别为0.688、0.802、0.676、0.727。

在椎间盘退变过程中，细胞发生死亡或功能异常，椎间盘脱水^[11]。在临床工作中，T₂WI Pfirrmann分级仍是评估腰椎间盘退变的主要方法，但其对椎间盘退变的分子生物学改变有局限性，无法准确客观地反映椎间盘的病理生理变化。本研究采用T₂ mapping及IDEAL技术定量评估椎间盘退变情况。T₂ mapping序列根据T₂弛豫时间的不同反映椎间盘的水分、蛋白多糖含量的不同，从微观结构定量评估椎间盘退变程度^[12-13]。IDEAL技术对磁场的不均匀性不敏感，有更好的鲁棒性和高SNR，可定量体素内的脂肪分数和水分数，保证水脂分离的完全性和结构显示的清晰性，从而无创地定量评估活体椎间盘的微环境变化。

Hoppe等^[14]使用T₂ mapping评估椎间盘退变，结果表明水含量随负荷及昼夜时间变化而改变，因此，本研究中所有受试者均在同一时间段静息状态下完成检查。本研究发现，IDEAL水相图椎间盘Pfirrmann分级与常规T₂WI椎间盘Pfirrmann分级一致性很高，这一结果在一定水平上反映了IDEAL水相图Pfirrmann分级可在一定程度上代表T₂WI Pfirrmann分级。以往研究发现IDEAL水相位SNR明显高于传统FSE脂肪抑制T₂WI图像^[15]；李静等^[16]发现IDEAL对眶内及眶周结构的显示效果优于化学饱和法和STIR序列。IDEAL技术可同时获得水相位、脂相位、同相位及反相位4组图像，可清晰显示椎间盘、椎体及椎管结构，缩短检查时间，优化检查方案，其在一定程度上可代替常规T₂WI图像，但该结论仍需更多的研究论证。

研究发现，椎间盘前纤维环、髓核、后纤维环的T₂值及WSF值随着Pfirrmann分级升高而降低，其中以椎间盘髓核的T₂值与WSF值最显著；这主要是由于随着椎间盘Pfirrmann分级升高，椎间盘的结构、代谢和营养状况逐渐发生变化，其中蛋白多糖和水分的丢失最明显，而髓核中的蛋白多糖和水分含量最高；这一实验结果与理论依据与以往研究结果^[17-19]相似。本研究发现，T₂ mapping无法鉴别Pfirrmann Ⅳ、Ⅴ级椎间盘髓核与纤维环，IDEAL技术无法鉴别Pfirrmann Ⅴ级椎间盘髓核与纤维环，余Pfirrmann分级的椎间盘T₂ mapping及IDEAL技术均能准确辨别纤维环与髓核；原因为水含量是决定T₂值与WSF值的主要因素，Pfirrmann Ⅳ、Ⅴ级是椎间盘退变晚期(即纤维化期)，椎间盘髓核水含量明显减少，与纤维环水含量接近导致无法鉴别。这说明T₂ mapping及IDEAL技术对椎间盘的早、中期变化更敏感，弥补了常规T₂WI Pfirrmann分级对早期椎间盘退变的迟钝性，与以往研究结果^[20]相似。椎间盘前、后纤维环T₂值及WSF值与Pfirrmann分级均呈负相关，同一Pfirrmann分级椎间盘前纤维环与后纤维环T₂值、WSF值相近，差异均无统计学意义(均P > 0.05)；主要因为前、后纤维环的组成成分基本一致；这一结果间接反映了T₂ mapping及IDEAL技术评估椎间盘退变的准确性及可用性。

本研究发现，髓核的T₂值与WSF值具有一定鉴别相邻Pfirrmann分级椎间盘的能力。除在Ⅳ、Ⅴ级鉴别中，髓核WSF值的AUC大于髓核T₂值的AUC，余各相邻Pfirrmann分级椎间盘鉴别中，髓核T₂值的AUC均略大于髓核WSF值的AUC。导致这种结果的原因可能是Ⅳ、Ⅴ级均属于严重退行性变，椎间盘髓核内的蛋白多糖和含水量减少情况较接近，其T₂弛豫时间差异较小，进一步说明了T₂ mapping对早、中期椎间盘变化更敏感，为早期干预提供可靠依据，与以往结果^[17]一致；WSF值反映的是椎间盘水含量，该结果一定程度上表明在评估腰椎椎间盘退变中，T₂ mapping及IDEAL技术可相互补充。

本研究的不足之处：①依据Pfirrmann分级诊断腰椎间盘退变可能存在主观性，对诊断早期腰椎间盘退变有一定局限性，缺乏相应的椎间盘病理组织结果对照，今后有必要开展椎间盘动物模型研究；②本院日常工作中，T₂WI轴位扫描常规不包括L_1~2椎间盘轴位成像，未纳入L_1~2椎间盘，后续应将L_1~2椎间盘纳入研究；③样本量相对较小，不能准确得出各分级的T₂值及WSF界值，此外，未行男、女对比分析研究，后续研究可增大样本量提高结果的可靠性；④ROI的划分存在一定的主观性，期待后续研究中有更加精准的划分方式。

总之，MRI T₂ mapping及IDEAL技术是一种无创定量评估椎间盘退变的检查技术，特别是对退变早期、中期的椎间盘，可作出早期诊断。