張青波，李偉，曹云，楊慶國

(安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院脊柱外科，安徽 合肥 230022)

下腰痛已成為全球最大的公共衛(wèi)生問題之一，約有2/3的成人曾經(jīng)出現(xiàn)過不同程度的下腰痛[1-2]。下腰痛與椎間盤退變的關(guān)系目前還未完全明確，盡管如此，繼發(fā)于椎間盤退變的盤源性疼痛是下腰痛最主要的原因[3]。椎間盤退變是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及膠原蛋白和蛋白多糖的降解及水分的丟失及纖維化[4-5]。目前臨床上診斷腰椎間盤退變的常用方法有X線，CT及MRI，其中X線和常規(guī)CT是評價(jià)椎間盤形態(tài)和反應(yīng)性骨改變的常用影像學(xué)檢查方法[5]。標(biāo)準(zhǔn)的X線片上，椎間隙狹窄、椎體形變以及椎體邊緣形成骨贅是腰椎間盤退變的指標(biāo)，CT診斷腰椎間盤退變則是依靠其橫斷面上腰椎間盤的輪廓[6]。MRI作為一種無創(chuàng)、無輻射的檢查方法，已廣泛應(yīng)用于人體疾病的診斷，隨著MRI技術(shù)的不斷發(fā)展，如高場強(qiáng)、高分辨率的磁共振儀的研發(fā)及應(yīng)用，MRI已成為診斷腰椎間盤退變最常用、最精確的檢查方法。臨床上通常采集T1WI、T2WI等常規(guī)序列影像，比如Pfirrmann分級系統(tǒng)依據(jù)T2WI序列正中矢狀位椎間盤的信號強(qiáng)度、椎間盤形態(tài)及椎間隙改變等指標(biāo)評價(jià)椎間盤的退變。盡管如此，普通的X線、CT及常規(guī)的MRI檢查技術(shù)均不能發(fā)現(xiàn)形態(tài)學(xué)改變之前的早期椎間盤退變。其次，Pfirrmann分級系統(tǒng)是一種主觀評價(jià)體系，易受人為因素的影響而不能很客觀的評價(jià)椎間盤的退變[7]。因此，需要更敏感和精準(zhǔn)的方法來評價(jià)椎間盤的退變。

彌散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging，DWI)是一種以水分子的布朗運(yùn)動(dòng)為基本原理的成像技術(shù)，是目前唯一一種可以檢測活體組織中水分子彌散特征的技術(shù)手段[8]。腰椎間盤是人體最大的無血管結(jié)構(gòu)，其髓核的營養(yǎng)供應(yīng)及代謝產(chǎn)物的清除均通過擴(kuò)散的形式來完成[9]。椎間盤退變的早期，髓核細(xì)胞外水分的丟失及蛋白多糖的降解導(dǎo)致椎間盤內(nèi)水分子擴(kuò)散能力減弱。DWI的參數(shù)表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值作為一個(gè)定量測量指標(biāo)，可以客觀的反應(yīng)椎間盤組織中水分子的彌散能力。因此DWI技術(shù)被用于早期椎間盤退變的評估。

近年來，學(xué)者的研究多是對新鮮標(biāo)本或志愿者不同退變程度的椎間盤ADC值的測量比較[10-11]，而系統(tǒng)評估ADC值在診斷早期腰椎間盤退變中的價(jià)值的研究較少。本研究的主要目的是通過分析腰痛患者的腰椎間盤ADC值，評價(jià)椎間盤退變的程度及其影響因素與ADC值的相關(guān)性，從而評估ADC值在椎間盤退變評估中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入標(biāo)準(zhǔn)：a)腰部無明顯外傷史；b)腰痛反復(fù)發(fā)作，無明顯下肢放射性疼痛。排除標(biāo)準(zhǔn)：a)腰部手術(shù)及外傷史；b)病理性損傷如骨腫瘤、脊柱結(jié)核、脊柱感染、復(fù)合型脊髓損傷；c)全身疾病如自身免疫性疾病、糖尿病及繼發(fā)性肥胖；d)不能接受的MRI檢查，如幽閉恐懼癥患者和依從性差的患者。所有受者均簽署知情同意書。共納入2016年12月至2017年4月我院脊柱外科接診符合上述標(biāo)準(zhǔn)的腰痛患者60例，其中男26例，年齡26～66歲，平均(49.6±10.9)歲；女34例，年齡26～68歲，平均(48.2±10.2)歲。

1.2 MRI成像 應(yīng)用GE Medical Systems Signa HDxt 3.0T磁共振儀對所有入選患者行MRI掃描，取仰臥位，頭先進(jìn)。選擇專用脊柱線圈行T1WI、T2WI常規(guī)掃描及DWI掃描。脊柱掃描常規(guī)選用矢狀位快速自旋回波序列(fast spin echo，F(xiàn)SE)T1WI、快速恢復(fù)快速自旋回波序列(fast recovery FSE，F(xiàn)RFSE)T2WI及平面回?fù)苄蛄?echo-planar imaging，EPI)DWI掃描。T1WI參數(shù)：重復(fù)時(shí)間(repetition time，TR)=640 ms，回波時(shí)間(echo time，TE)=12.2 ms，層厚=4 mm，層距=4 m，層數(shù)=11，掃描野(field of view，F(xiàn)OV)=320 mm，脈沖重復(fù)激發(fā)次數(shù)(number of excitations，NEX)=2。T2WI參數(shù)：TR=2 500 ms，TE=109.84 ms，層厚=4 mm，層距=4 mm，層數(shù)=11，F(xiàn)OV=320 mm，NEX=2。DWI參數(shù)：TR=4 000 ms，TE=67.4 ms，b值=600 s/mm2，層厚=4mm，層距=4 mm，層數(shù)=11，NEX=4，F(xiàn)OV=320 mm。

1.3 圖像后處理及數(shù)據(jù)采集

1.3.1 椎間盤Pfirrmann分級 全部掃描后獲得原始數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)傳入GE AW5工作站處理。由兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的MRI診斷醫(yī)師選取T2正中矢狀位圖像，根據(jù)矢狀位T2像椎間盤髓核的信號、形態(tài)及椎間盤高度等分級標(biāo)準(zhǔn)(見表1)進(jìn)行Pfirrmann分級[12-13]。觀察者獨(dú)立審閱L1～2～L5S1的每一個(gè)椎間盤，并進(jìn)行分級(見表2)，意見不一致時(shí)，經(jīng)討論后取得一致意見。

表1 腰椎間盤退變的Pfirrmann分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 感興趣區(qū)的設(shè)置(regions of interest，ROI) 數(shù)據(jù)傳入GE AW5工作站的Functool軟件，由一位MRI診斷醫(yī)師選取DWI圖像行ADC值的測量。測量時(shí)選取掃描的中心層面放置橢圓形ROI，大小為25～30 mm2。ROI放置在椎間盤的中間層面，避開上下終板及前后纖維環(huán)。每個(gè)椎間盤由前向后依次放置3個(gè)ROI，分別代表髓核前部，髓核中部和髓核后部，放置ROI后軟件自動(dòng)計(jì)算出ADC值，最終取3個(gè)ROI的平均值作為椎間盤的ADC值來做數(shù)據(jù)分析。測量每個(gè)患者的L1～2～L5S1椎間盤的ADC值，記錄數(shù)據(jù)。

1.3.3 BMI收集 收集每位患者身高及體重，根據(jù)體重/身高2(kg/m2)計(jì)算每個(gè)患者的身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)[14]，并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.4 視覺模擬評分 根據(jù)視覺模擬評分法采集納入患者的疼痛評分。0分：無痛；3分以下：有輕微的疼痛，能忍受；4～6分：疼痛并影響睡眠，尚能忍受；7～10分：有漸強(qiáng)烈的疼痛，疼痛難忍，影響食欲，影響睡眠。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。兩位醫(yī)師之間Pfirrmann分級的一致性用Kappa檢驗(yàn)進(jìn)行評估[15]；采用ANOVA隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)分析不同退變等級、不同節(jié)段間ADC值差異，如有差異進(jìn)一步行Student-Newman-Keuls(SNK)法兩兩檢驗(yàn)；Spearman等級相關(guān)用于檢驗(yàn)不同Pfirrmann分級與ADC值間的相關(guān)性，Pearson相關(guān)檢驗(yàn)VAS、體重指數(shù)與ADC之間的相關(guān)性；采用多元線性回歸分析體重指數(shù)，年齡對ADC值的影響。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

本研究60例患者均行MRI掃描，共300個(gè)椎間盤全部納入研究。兩名影像醫(yī)師獨(dú)立行椎間盤Pfirrmann分級，兩者之間K值為0.852，P<0.05，兩觀察者Pfirrmann分級一致性較好。

2.1 各級別椎間盤個(gè)數(shù)的年齡分布(見表2) 椎間盤分級大多為Ⅱ～Ⅳ級，除男女20～39年齡組，其余所有年齡組均發(fā)現(xiàn)少數(shù)Ⅴ級椎間盤。退變級別高的椎間盤多見于年齡大的患者，患者年齡越大，椎間盤退變分級越高。

表2 男、女不同年齡組腰椎間盤Pfirrmann分級

2.2 不同Pfirrmann分級椎間盤ADC值比較(見表3) 不同級別椎間盤的ADC值比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=125.315，P<0.05)。Ⅰ級與Ⅱ級、Ⅳ級與Ⅴ級間比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余各級間比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。ADC值與Pfirrmann分級呈明顯負(fù)相關(guān)(r=-0.796，P<0.05)。

表3 Pfirrmann分級與ADC值

2.3 VAS評分與Pfirrmann分級、ADC值的相關(guān)性 Pfirrmann分級與VAS評分呈正相關(guān)(r=0.573，P<0.05)，ADC值與VAS評分呈高度負(fù)相關(guān)(r=-0.826，P<0.05)。

2.4 不同節(jié)段椎間盤ADC值比較(見表4) 60例患者不同節(jié)段ADC值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。按照體重指數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)[15]分為正常19例(BMI=18.5～23.9 kg/m2)，超重21例(BMI=24.0～27.9 kg/m2)和肥胖20例(BMI≥28.0 kg/m2)。同一體重分組內(nèi)L1～2與L2～3、L4～5與L5S1間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，其余各節(jié)段間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。相同節(jié)段內(nèi)不同體重分組間ADC值比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，體重指數(shù)越大，腰椎間盤退變越明顯。

表4 不同節(jié)段椎間盤ADC值比較

2.5 腰痛患者腰椎間盤ADC值影響因素分析 多元回歸分析顯示，體重、年齡均影響ADC值的大小，與ADC值的大小均呈明顯的負(fù)相關(guān)(見表5)。

表5 多元線性回歸分析結(jié)果

2.6 典型病例 25歲男性患者，“腰痛6個(gè)月余”來我院門診就診，既往無腰部外傷史、無脊柱結(jié)核及腫瘤病史，查體示雙下肢肌力及肌張力正常，腱反射正常；腰椎棘突壓痛陰性、叩擊痛陽性，Lasegue征(-)，影像學(xué)資料見圖1～4。

3 討 論

椎間盤是位于相鄰的兩個(gè)椎骨之間的纖維軟骨墊，由中心凝膠狀的髓核、外圍的纖維環(huán)及上下具有毛細(xì)血管床的軟骨終板構(gòu)成，是脊柱運(yùn)動(dòng)單位的部分。纖維環(huán)由約15～25層膠原纖維薄片組成，圍繞著凝膠狀的髓核排列成同心圓，主要為I型膠原蛋白。纖維環(huán)承受著脊柱在屈伸或扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的髓核膨脹張力所需的張應(yīng)力，外層纖維環(huán)與上下椎骨相連，維持著脊柱的穩(wěn)定性，也有較強(qiáng)的抗壓及抗拉能力。而中心的髓核主要由Ⅱ型膠原蛋白、多聚蛋白聚糖和水組成，多聚蛋白聚糖的親水性使髓核具有較高的溶脹力，其功能是緩沖及分散椎間盤的壓縮負(fù)荷，并維持椎間盤的高度[9，16-17]。椎間盤髓核、內(nèi)層纖維環(huán)及部分外層纖維環(huán)的營養(yǎng)供應(yīng)主要通過終板下毛細(xì)血管網(wǎng)的擴(kuò)散進(jìn)入椎間盤內(nèi)部，而外層纖維環(huán)的營養(yǎng)則依靠其周圍的血管網(wǎng)直接供應(yīng)。椎間盤退變的確切機(jī)制尚不清楚，但營養(yǎng)物質(zhì)滲透所依賴的水分子擴(kuò)散的改變被認(rèn)為是椎間盤退行性變的最后共同途徑。營養(yǎng)的減少影響細(xì)胞外基質(zhì)的代謝，導(dǎo)致纖維環(huán)的脫水、髓核基質(zhì)多聚蛋白聚糖的降解、水分的丟失和纖維化[18-19]。MR DWI技術(shù)是一種以組織細(xì)胞中水分子的布朗運(yùn)動(dòng)為基本原理的檢測技術(shù)，可以敏感的檢測到組織中水分子分布及彌散的特征。本研究利用MRI彌散加權(quán)成像序列的參數(shù)表觀彌散系數(shù)值來定量描述椎間盤內(nèi)水分子的含量及彌散狀況。退變的早期，椎間盤內(nèi)水分子含量減少，MRI成像上信號變低。同時(shí)，彌散能力下降，彌散加權(quán)成像信號相應(yīng)增高，對應(yīng)的表觀彌散系數(shù)值下降[8]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明椎間盤的退變程度與ADC值明顯相關(guān)(r=-0.796，P<0.05)，ADC值隨退變的加重而降低。

圖1 T1WI矢狀面示椎間盤形態(tài)及信號正常 圖2 T2WI矢狀面示L1～2～L5S1椎間盤均為均勻的高信號，Pfirrmann分級全部為Ⅱ級 圖3 DWI序列矢狀面，b值=600 s/mm2 圖4 ADC偽彩圖示L4～5椎間盤中央水平放置3個(gè)ROI，大小為25 mm2

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，每個(gè)年齡段患者的椎間盤都存在不同程度的退變，且隨著年齡的增大，椎間盤退變分級越高。多元線性回歸分析結(jié)果也表明，年齡與ADC值呈明顯負(fù)相關(guān)(t=-5.864，P=0.000)。椎間盤退變被認(rèn)為最早開始于十幾歲[20]，但年齡相關(guān)的椎間盤退變機(jī)制目前尚不明確。研究表明，年齡相關(guān)的椎間盤退變除了與遺傳，機(jī)械因素等相關(guān)，還包括椎間盤細(xì)胞的衰老、增殖減少、自我修復(fù)能力下降、炎癥反應(yīng)、基質(zhì)分解代謝增強(qiáng)等因素。椎間盤是無血管結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)供應(yīng)主要依靠終板毛細(xì)血管網(wǎng)的擴(kuò)散。隨著年齡增長，椎間盤逐漸老化，導(dǎo)致終板變薄、鈣化及毛細(xì)血管減少，從而使擴(kuò)散能力下降，影響營養(yǎng)的供給，營養(yǎng)的減少使基質(zhì)合成受限。終板的鈣化還會(huì)影響氧的供應(yīng)，氧供減少使細(xì)胞進(jìn)行無氧代謝，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)因椎間盤的無血管結(jié)構(gòu)而排出受阻，椎間盤內(nèi)PH降低，導(dǎo)致基質(zhì)的合成減少，分解代謝增強(qiáng)。親水性的多聚蛋白聚糖減少使椎間盤失去水合作用，椎間盤內(nèi)滲透壓降低和水分減少。椎間盤的脫水又導(dǎo)致彌散能力下降，營養(yǎng)供應(yīng)減少，從而形成惡性循環(huán)。另一方面，衰老的細(xì)胞隨年齡增高逐漸增多，無血管結(jié)構(gòu)損害了累積在椎間盤細(xì)胞中的衰老細(xì)胞的免疫清除，惡化了椎間盤的微環(huán)境，從而加劇了椎間盤的退變[19，21-22]。

本研究還比較了相同部位不同體重指數(shù)的ADC值，結(jié)果表明正常組、超重組和肥胖組之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，體重指數(shù)越大，ADC值越小，存在明顯負(fù)相關(guān)。另外，對于椎間盤不同節(jié)段的ADC值也進(jìn)行了比較，除L1～2與L2～3、L4～5與L5S1間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余各節(jié)段之間ADC值均有差異，且尾端椎間盤ADC值明顯小于頭端，表明椎間盤退變程度更高，與Pfirrmann分級系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果相同[13]。本組研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)V級椎間盤均位于L5S1，其ADC值較其他椎間盤明顯減低，分析原因可能與解剖及力學(xué)因素有關(guān)。L5S1椎間盤位于腰椎的最下端，處于腰椎與骶椎交界處，其剪切力最大，尤其在運(yùn)動(dòng)時(shí)，L5S1椎間盤承載的負(fù)菏顯著大于頭端椎間盤。Casey等[23]通過體外實(shí)驗(yàn)，研究了不同載荷下動(dòng)態(tài)壓縮對椎間盤的機(jī)械和生物學(xué)狀態(tài)的影響，結(jié)果表明高強(qiáng)度的負(fù)荷會(huì)造成椎間盤損傷和分解代謝的增加。高強(qiáng)度負(fù)荷及循環(huán)的機(jī)械性應(yīng)力通過影響分解代謝基因的表達(dá)，促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶等生物合成，同時(shí)使髓核和纖維環(huán)細(xì)胞產(chǎn)生更多的腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1等炎性介質(zhì)，加速了細(xì)胞外基質(zhì)的降解。循環(huán)的機(jī)械應(yīng)力也會(huì)影響營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散，導(dǎo)致早期細(xì)胞死亡和基質(zhì)降解，加速了椎間盤的退變[17，19，24]。肥胖和超重引起的椎間盤退變機(jī)制除機(jī)械負(fù)荷因素外，機(jī)體的系統(tǒng)因素也備受關(guān)注。肥胖被認(rèn)為是一種全身炎癥性疾病[25]，脂肪細(xì)胞分泌繼發(fā)性炎性介質(zhì)如脂肪細(xì)胞因子、IL-1β、IL-6、C反應(yīng)蛋白及腫瘤壞死因子-α等，促進(jìn)椎間盤髓核基質(zhì)降解，導(dǎo)致椎間盤退變。

本組研究結(jié)果顯示患者腰痛疼痛程度與其平均ADC值呈明顯負(fù)相關(guān)，ADC值越低，疼痛程度越高。說明腰痛受椎間盤退變程度的影響。椎間盤退變導(dǎo)致腰痛具體機(jī)制仍不明確，研究指出椎間盤退變使基質(zhì)含量及水分減少，椎間盤的生物力學(xué)特性發(fā)生變化，在機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)作用下容易發(fā)生纖維環(huán)撕裂，從而引起損傷修復(fù)的炎癥反應(yīng)。同時(shí)變性的髓核組織作為抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)、釋放炎性介質(zhì)，這些炎癥介質(zhì)通過退變椎間盤的放射狀裂隙到達(dá)外層纖維環(huán)，刺激神經(jīng)引起疼痛[17，26]。

本研究所測的ADC值要高于Zhang等[4]的報(bào)道，其所使用的b值為800 s/mm2，而本實(shí)驗(yàn)的b值取600 s/mm2，即提高了對水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的敏感性，又保證組織信號強(qiáng)度，降低偽影的影響。ROI的選取也有所不同，本實(shí)驗(yàn)通過選取掃描列正中矢狀位像椎間盤的中間層面，避開上下終板及前后纖維環(huán)，每個(gè)椎間盤由前向后依次放置3個(gè)ROI，取其平均值納入數(shù)據(jù)分析，這樣極大程度上減小周圍纖維環(huán)及軟骨終板的影響所造成的誤差。該實(shí)驗(yàn)也存在一定的局限性。手動(dòng)繪制感興趣區(qū)時(shí)，可能會(huì)造成主觀偏見，特別是Pfirrmann分級為Ⅲ～Ⅴ的椎間盤，中間髓核與周圍纖維環(huán)分界不清楚，繪制ROI可能包含部分終板及纖維環(huán)影響髓核ADC的測量。另外，實(shí)驗(yàn)選取的樣本量較少，患者的入選指標(biāo)較局限，異質(zhì)性較大，可能使研究結(jié)果存在一定的假陽性相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明腰椎間盤的退變程度與ADC值呈顯著負(fù)相關(guān)，ADC值可以很好的評估早期椎間盤的退變，但該研究未能制定基于ADC值的椎間盤退變的分期標(biāo)準(zhǔn)，而理想的標(biāo)準(zhǔn)是通過生物化學(xué)和組織學(xué)方法來評估，這也是以后的研究需要解決的問題。

綜上所述，MRI彌散加權(quán)成像作為一種無創(chuàng)的影像學(xué)檢查手段，能夠敏感地反映水分子的擴(kuò)散特性，評價(jià)水分子的動(dòng)態(tài)分布狀況。ADC值可以敏感、精準(zhǔn)、客觀地反應(yīng)腰痛患者椎間盤的退變，相比于Pfirrmann分級系統(tǒng)等傳統(tǒng)評估方法，降低了觀察者間的差異，增加了診斷的敏感性，對椎間盤退變的診斷具有重要的價(jià)值。

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