作者：安徽医科大学第一附属医院/安徽省公共卫生临床中心 张刚
腰痛是临床上最为常见的疾患之一，常反复发作，严重影响患者的生活质量。椎间盘退变（IDD）是引起腰痛最常见的病因。IDD在早期干预治疗效果最佳，当椎间盘退变程度较重时，椎间盘修复的可能性极低。常规影像学检查难以对IDD早期进行检测和定量评估。在一些关于IDD再生修复治疗的新手段的临床研究中，多以患者的疼痛改善、椎旁肌肉肌电信号、椎间盘高度、髓核视觉信号改变等作为疗效评估指标。这些指标无法直接定量反映退变椎间盘内细胞外基质的增减，难以准确客观地说明退变椎间盘的再生修复情况。因此，早期诊断和定量评估IDD的意义重大。近年来，随着影像学的发展，一些新兴技术如定量磁共振成像（MRI）技术、双能CT（DECT）被用于评估IDD，鉴于其在椎间盘退变疾病的早期诊断和评估中的独特优势，笔者对以上影像学定量方法的研究进展进行综述。
椎间盘退变机制及Pfirrmann分级
椎间盘是由终板、纤维环（AF）和髓核（NP）组成的无血管组织。当椎间盘承受外部压力增加和各种原因引起内部营养下降时，会导致椎间盘组织损伤，引起椎间盘细胞减少、细胞外基质（ECM）成分改变，并释放相关炎症因子，使椎间盘内在成分、形态结构和生物力学发生一系列复杂的变化。椎间盘的退变起源于髓核，髓核为透明半胶状体，主要成分是蛋白多糖、水、胶原蛋白等ECM，其产生的内流体静压力较大而使得椎间盘能够承受一定的脊柱压力负荷。髓核内细胞渗透功能减退、细胞过度凋亡以及ECM的丢失导致了髓核的退变。其中，髓核内ECM成分的变化是椎间盘退变早期主要表现，最显著的特征是蛋白多糖含量降低，NP脱水，以及胶原类型发生转换。继而引起椎间盘形态学变化和生物力学异常，致使纤维环某一部位应力过多而出现裂隙。持续的应力刺激及炎性反应使得椎间盘的营养路径进一步受阻，加速退变。因此，能够量化出髓核内蛋白多糖、水分、胶原蛋白等ECM含量的技术理论上就是很好地量化评估椎间盘退变程度的方法。临床上MRI是评估IDD的重要方法，MRIT2加权像（T2WI）图像的信号强度与水和蛋白多糖含量有关。正常的椎间盘髓核内蛋白多糖和水含量较高，表现为中心显著高信号，周围的纤维环表现为低信号。髓核T2WI信号强度的变化可以反映髓核的退变程度。Pfirrmann（Pm）分级标准就是基于MRI-T2WI成像，它依据腰椎T2WI的矢状位成像，通过观察椎间盘的高度、髓核和纤维环分界、髓核结构以及髓核信号强度将椎间盘退变由轻到重分为Ⅰ～Ⅴ级（表1），Ⅰ级为正常椎间盘，Ⅱ~Ⅲ级为轻度退变椎间盘。Pm分级简单易行，是目前应用最多的评价IDD方法，但有明显局限性，在评估时容易受到周围环境和MRI成像参数的影响，对于老年人Ⅲ级和Ⅳ级区分较困难，并且难以量化。开发易操作、无创、精确地定量评估腰椎间盘退变程度的影像学方法对于临床意义深远。
MRI定量技术
根据北美脊柱协会（NASS）目前的循证医学临床指南，MRI是最受关注的评估IDD的影像学手段。传统MRI可显示椎间盘的信号强度和形态学改变，但不能客观量化椎间盘退变的程度，对早期IDD诊断敏感性不高。随着设备升级和技术提升，定量MRI越来越多地应用到IDD诊断和评估中，得到了广泛的认可。
DWI、DTI、DKI 扩散加权成像（DWI）、扩散张量成像（DTI）和扩散峰度成像（DKI）都是通过探测水分子的运动来反映椎间盘内生物化学状态（表2）。DWI的主要测量指标是获得椎间盘平均表观扩散系数（ADC）值，DWI/ADC基于水含量及其流动性和扩散、胶原结构和它们的相互作用，可以反映水分子运动以及胶原纤维的完整性，广泛应用于骨关节、中枢神经系统疾病的诊断，准确性较高。近年来研究发现椎间盘组织学ADC值下降与蛋白多糖和Ⅱ型胶原的减少也趋势一致，Kapoo等通过扫描分析68例年龄20~74岁受试者的300个椎间盘发现，退变椎间盘中NP、AF和整个椎间盘的ADC值和T2*值明显低于正常椎间盘，ADC值与椎间盘退变程度呈负相关。Chen等研究得到了相似的结果，认为DWI可早期识别IDD，可用于持续定量监测IDD或治疗IDD的生物治疗效果。最近有报道体素内不相干运动弥散加权成像（IVIM-DWI）可通过测定灌注分数（f值）、慢速弥散系数（D值）对骨髓、髓核内单纯水分子的弥散与微循环灌注进行量化分析，可全面观察组织细微结构的变化。
但是DWI无法探测水分子扩散的各向异性，只能检测扩散敏感梯度场方向上的水扩散运动。而DTI是在DWI的基础上施加多个方向的扩散敏感梯度场，并采集每个方向上的信号，记录水分子的扩散速度与方向，可以计算出ADC及各向异性分数（FA）。随着IDD程度的加重，ADC值不断降低，而FA值升高。ADC与FA比较，修正Pfirrmann分级与ADC值的相关性强于FA值，两者联合能更有效地反映椎间盘退变的微观病理改变，为退变程度的评估和早期诊断提供依据。另外，通过DTI成像获取的平均扩散系数（MD）是水分子在不同方向弥散系数的平均值，反映了IDD过程中髓核水分的流失和体积的萎缩。MD值与椎间盘组织内的自由水含量呈正相关，与Pm分级呈负相关。
实际上，DWI、DTI都是基于高斯分布模型在单指数扩散基础上的成像技术，反映的是理想状态下水分子扩散信息。考虑到组织内结构的复杂性，组织内水分的扩散运动概率不再符合高斯分布，故DWI、DTI对反映IDD的水分子真实扩散情况有一定局限。DKI是一种新型的以非高斯分布模型的成像技术，基于多指数模型获取目标参数，可以更精确地揭示局部组织微观结构和病理生理改变，广泛用于组织微结构变化的检测与分级。DKI除采集FA、ADC值、MD值外，还可以得到平均扩散峰度（MK）值。MK是指所有梯度方向的扩散峰度平均值，主要反映组织整体扩散的不均匀性，其大小取决于组织结构的复杂程度，椎间盘MK值越大说明组织的成分结构越复杂，Pm分级越高。对比而言，DKI能得到更多参数，在Pm分级Ⅰ~Ⅲ级的IDD评估中更优，缺点是高阶的峰度成像较扩散更容易出现点状伪影。
合成MRI 合成MRI是一种新型的多模态定量MRI技术，可以一次生成多组常规加权序列和定量序列，包括T1mapping、T2mapping、T2*mapping三种特殊序列。三者对比研究中，T2mapping重复性最好，诊断效能最高，较余两者优势巨大。T2值对水的含量和胶原网状结构敏感，椎间盘退变时髓核水分减少、胶原纤维增多，导致T2值减低，随着Pm分级的增高而减小，T2值与各Pm分级呈负相关。T2mapping通过测量出椎间盘感兴趣区的T2值，可准确定量地反映椎间盘内的物质组成。大量研究证实T2值的定量数据可靠性强，张洧蓝等通过对85例腰痛患者的414个腰椎间盘进行合成MRI图像后处理，发现合成MRI技术可以定量评估IDD的Pm分级，其中髓核T2值是重复性好、诊断效能较高的定量指标。Bouhsina等、Nagy等的研究得到相似的结论，均认为合成MRI可为量化IDD提供技术支持。目前成像速度更快的梯度回波技术T2*mapping，受场强条件限制小，扫描的时间更短，图像信噪比更高，研究显示其对纤维环的检测更为敏感，对于定量评估纤维环修复程度更加准确，但早期诊断椎间盘退变方面不如T2mapping价值高。综合来说，合成MRI技术可为临床对腰椎间盘变性的早期诊断、进展监测和疗效评估提供定量的客观依据。
MRIT1rho序列和T1ρmapping序列 MRI旋转坐标系下的自旋晶格弛豫时间用于定量评估IDD的成像技术主要有T1rho序列和T1ρmapping序列，其中rho、ρ代表了旋转坐标系。T1rho通过探测ECM中水分子与大分子间的相互慢运动，反映细胞外基质中生化成分的改变。T1rho值与髓核的蛋白多糖含量呈密切相关，用于检测ECM中蛋白多糖的早期耗尽。椎间盘T1rho值与Pm分级呈高度负相关。多项研究结果提示MRIT1rho成像可用于定量评估腰痛患者IDD程度，对于早期IDD，T1rho在生物力学、组织学和糖胺聚糖的变化的相关性甚至优于T2值和ADC值，但是T1rho序列只能采集矢状位图形。T1ρ反映细胞外基质大分子间相互作用的成像技术，与组织中的蛋白多糖含量具有很强的相关性，在于T2mapping对比的多项研究结果显示，T1ρ可重复性优于T2mapping。对于早期IDD，T2mapping敏感性更高，对髓核退变的评价两者相当，但椎间盘其他结构的评价不及T2mapping。对于中后期IDD，T1ρ敏感性更佳，这可能是因为T2mapping能够较准确地反映水含量变化，而在IDD中晚期，主要以蛋白多糖、胶原蛋白等分子降解丢失为主，故T1ρ优势更大。
磁共振波谱分析（MRS） MRS利用磁共振现象和化学位移等物理原理，通过探测PG中GAG链的N-乙酰直接评估PG的含量来检测椎间盘退变，可以无创获得椎间盘组织乳酸、蛋白多糖等成分的波谱信息。研究发现椎间盘髓核区的N-acetyl峰下面积、Water峰下面积及N-acetyl/Water比值均与椎间盘Pm分级呈负相关，提示MRS也可用于IDD的定量评估。Gornet等应用MRS评估DLBP术后的长期效果，认为MRS的诊断信息可以辅助选择干预节段，提高干预措施的成功率，在其他治疗椎间盘源性腰痛的治疗方法中同样适用，能够很好地帮助选择需要使椎间盘再生或抑制炎症过程的生物疗法的责任节段。MRS缺点是成像不稳定，重复性差，图像信噪比低，所得结果并不稳定。导致关于其在IDD临床评价中的应用研究较少，现并未推广。但是通过MRS对特定代谢物质含量的测量以及代谢物质比值的分析，可以获得并发现更多椎间盘退变的标志物，对组织内代谢成分的无创获取方式使其在椎间盘相关研究中拥有独特的价值。随着未来技术的改进，MRS用于诊断和评估IDD将会更多。
其他 如钠成像磁共振（23NaMRI）、磁共振延迟增强软骨成像（dGEMRIC）、化学交换饱和转移（gagCEST）磁共振等也可以直接或间接定量反映出椎间盘内的生化变化，也被用于IDD的定量评估和早期诊断。这些新手段为评估IDD提供新思路，但现有的研究较少，临床应用价值有限，且操作相对复杂，临床推广度不高，未来需要进一步探索和技术改进。
双能CT（DECT）
DECT是利用组织在不同能量X线下具有不同衰减系数的原理实现的双能量成像，利用不同组织的X线吸收效应不同来达到物质分离的目的。DECT通过特定后处理技术可以减少伪影，提高图片质量，并定量分析目标组织的成分变化，也开始应用于IDD的诊断与定量评估。对于体内有金属物或有幽闭恐惧症等无法进行MRI检查的IDD患者，可以选择双能CT作为替代方法。
DECTVNCa DECT虚拟非钙（VNCa）成像技术是以连接红骨髓和黄骨髓的CT值为基线，利用钙的X线衰减值特征斜率将目标体素投射到基线上，再去除钙成分，这样体素间的差异即可反映组织含水量。由于这个特性，VNCa成像研究被广泛用于定量显示急性椎体压缩性骨折或骨挫伤的骨髓水肿等。近年来，也有学者应用VNCa成像评估IDD。Shinohara等回顾分析了53例同时接受DECT和MRI检查的IDD患者，发现NP与Pm分级的VNCaCT值呈显著正相关，认为通过DECT扫描和后处理获得的VNCa成像可作为定量评估腰椎间盘退变的成像标志物。但是VNCaCT值在Pm分级Ⅲ级和Ⅳ级之间无显著差异，提示对于中重度椎间盘退变VNCa的敏感性较差。张琪研究发现，VNCaCT值在Pm分级Ⅲ级和Ⅳ级之间有显著差异，但在Ⅳ级和Ⅴ级之间差异不显著，另外的两项研究中所有Pm分级都存在差异，这可能与他们研究所选取的参照不同引起的。综合来说，VNCa可以诊断早期IDD，对Pm分级Ⅰ~Ⅲ级尤为准确，所得到的髓核CT值可用于定量评估IDD，并与Pm分级呈正相关。
DECTcMaps DECT软骨素/胶原图谱（cMaps）可以通过利用胶原蛋白、软骨素的三种物质分解生成cMaps，来评估IDD的内在结构。DECTVNCa是从图像中减钙，提供了与传统CT类似的胶原含量的间接测量，cMaps则是通过双能吸收直接测量目标物质。Poland等研究发现，DECTcMaps和MRI在退行性椎间盘疾病特征方面有高度一致性。在后续对一只体外大丹犬腰椎IDD模型的研究中，Poland等通过重建cMaps，发现DECTcMaps对NP病变的总体准确性为91.3%，说明DECTcMaps对于腰椎IDD诊断和评估的巨大潜力。
DLCT 双层探测器光谱CT（DLCT）是双能CT的一种，DLCT基于双层闪烁体探测器实现物质分离，通过重建彩色编码电子密度图像（EDM）、轴位碘图MIP图像、单能谱图像等，能显示扫描对象形态学变化及定量参数并抑制金属伪影。其中，EMD可通过获得扫描对象中椎间盘电子密度（ED）的分布来反应髓核的脱水状态。曹珊等研究发现各Pm分级髓核的ED值及CT值呈正相关，NP的ED值始终大于水的，同时随改良Pm分级升高，认为可以根据ED值区分不同程度的IDD。EDM图像结合髓核ED值，可以敏感地评估IDD程度并监测治疗效果。Shim等的研究得到相似结论，并认为带ED的图像重建的光谱CT诊断IDD敏感性高于标注灰阶CT和虚拟去钙图像。
小结
综上所述，众多新兴影像学定量技术如定量MRI、双能CT均可用于早期诊断和定量评估IDD，不仅为临床患者精准治疗提供可靠依据，还为IDD修复再生治疗的新方法提供客观有力的评估指标，对临床工作和研究的意义重大。然而，现有定量方法对PmⅠ~Ⅲ多具有较高准确性，但对于Pm分级Ⅳ~Ⅴ的IDD评估的精准性存在较大争议。各种定量成像方法也都存在不足之处，这就要求临床医生或研究者要充分了解各类技术的原理和优缺点，根据现实条件选择合适的定量方法，实际操作时最大限度地排除干扰，这样才能减小误差，充分发挥影像学定量技术的价值。
来源：中国脊柱脊髓杂志2024年第34卷第7期
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