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磁共振T_1p、T₂Mapping及DWI定量检测技术诊断腰椎间盘退变的初步研究

作　者: 王伟
导　师: 全显跃
学　校: 南方医科大学
专　业: 影像医学与核医学
关键词: 磁共振成像椎间盘退行性改变脊柱 Pfirrmann分级 T1ρ 自旋锁定 T2Mapping 弥散加权成像针刺介入磁共振
分类号: R445.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

第一章腰椎间盘退变与Pfirrmann分级研究目的：应用3.0TMRI T2WI检查技术,分析节段、性别和年龄与Pfirrmann分级的关系,探讨与腰椎间盘退变有关的生理因素,并为后续定量分析奠定基础。材料和方法：病例选择：健康志愿者88例,其中男36,女52,年龄20-76岁,平均(33.5+14.0)岁,纳入标准：无长期体力劳动史、脊柱外伤史、无长期后背痛、腰痛及脊柱畸形。检查设备及参数：采用多源发射3.0T磁共振(Achieva3.0T TX, Philips),脊柱专用线圈,仰卧位,头先进模式。采用TSE序列采集常规矢状位T2加权像：参数如下TR=3000ms,TE=128ms,FOV=220mm(FH)×201mm(AP)×55mm(RL),层厚5mm,层数11,矩阵448×448,翻转角=90°。图像处理：由两位有丰富MRI诊断经验的副主任医师以T2WI正中矢状位图像为基础对椎间盘进行Pfirrmann分级,对有分歧者结合改良型Pfirrmann分级系统由两者商议后确定。统计学方法：采用SPSS15.0软件,分别对腰椎间盘节段、性别、年龄与Pfirrmann分级进行检验：腰椎间盘节段与Pfirrmann分级采用Kruskal-Wallis秩和检验；性别与Pfirrmann分级采用Wilcoxon秩和检验；年龄与Pfirrmann分级检验采用方差分析并进行Spearman相关性检测。方差分析首先进行Levene方差齐性检验,如方差齐则采用单向分类的方差分析(ANOVA),多重比较采用LSD检验；方差不齐则采用Welch检验,多重比较采用Dnnett T3检验；P≤0.05认为有统计学意义结果：纳入研究的腰椎间盘节段共440个,包括Pfirrmann Ⅰ级69个、Ⅱ级232个、Ⅲ级90个、Ⅳ级37个、V级12个。正常成年人以Ⅱ级椎间盘最多见约占52%,而Ⅴ级椎间盘最少只占约3%。不同腰椎间盘节段Pfirrmann等级未见显著性差异(P=0.156)。不同性别间Pfirrmann等级未见显著性差异(P=0.361)年龄与Pfirrmann分级关系,随着年龄增加,Pfirrmann等级增加,两者显著正相关(rs=0.668,P=0.000)；本研究观察到除Ⅳ、V级外,不同Pfirrmann等级的平均年龄有显著性差异,等级越高、年龄越大。结论：Pfirrmann分级系统作为最常用的腰椎间盘退变的影像学分级方法,对检测椎间盘随年龄的退变具有一定价值,但也存在对早期退变不敏感和主观性影响较大的缺点。第二章腰椎间盘退变的T1p成像研究目的：应用3.OTMRI T1ρ检查技术,分析健康成人腰椎间盘髓核T1ρ值与Pfirrmann分级、腰椎间盘节段、性别、年龄的关系,探讨影响腰椎间盘退变的因素和T1ρ技术在腰椎间盘退变中应用的可行性,为磁共振对腰椎间盘退变的客观评价提供新的技术。材料和方法：病例选择：健康志愿者83例,其中男34例,女49例,年龄20-76岁,平均33.9+14.3岁,把志愿者按年龄分为≤35岁(56例)、36岁～50岁(10例),≥51岁(17例)三组。纳入标准：无长期体力劳动史、脊柱外伤史、无长期后背痛、腰痛及脊柱畸形。检查设备及参数：扫描仪器及常规矢状位T2WI采集同上。T1ρ扫描序列采用3D稳态梯度回波序列,扫描参数：TR=4.85ms,TE=2.39ms,FOV=220mm(FH)×201mm(AP)×55mm(RL),层厚=5mm,层数11,矩阵448×448,翻转角=50。,自旋锁定频率500Hz,自旋锁定时间(Time of spin lock, TSL)分别为0/10/20/30/40ms。图像处理：由两位有丰富MRI诊断经验的副主任医师以T2WI正中矢状位图像为基础对椎间盘进行Pfirrmann分级,对有分歧者结合改良型Pfirrmann分级系统由两者商议后确定。采用Philips公司提供的后处理软件对数据进行处理得到T1ρ值图,再用ImageJ软件进行手动绘制髓核感兴趣区、伪彩化处理、图像融合和T1ρ值的测定。感兴趣区在T2WI图像绘制,在正中矢状位层面对椎间盘进行三等分,取中间区域作为感兴趣区测量平均值。统计学方法：统计学方法采用SPSS15.0软件：(1)采用方差分析不同Pfirrmann等级腰椎间盘髓核的T1ρ值差异并进行Spearman相关性检验；使用非参数法构建ROC曲线,计算曲线下面积,以Youden指数最大的切点为诊断界点,并得到此点对应的灵敏度和特异度；(2)采用方差分析不同腰椎间盘节段髓核的T1ρ值差异；(3)分析各节段椎间盘髓核的T1ρ值性别差异,采用独立样本t检验；(4)分析年龄与T1ρ值的相关性,由于年龄不服从正态分布,故采用Spearman相关分析；采用方差分析不同年龄组间的T1ρ值差异。方差分析首先进行Levene方差齐性检验,如方差齐则采用单向分类的方差分析(ANOVA),多重比较采用LSD检验；方差不齐则采用Welch检验,多重比较采用Dnnett T3检验；P≤0.05认为有统计学意义。结果：纳入研究的腰椎间盘节段共358个,包括Pfirrmann Ⅰ级50例、Ⅱ级188例、Ⅲ级75例、Ⅳ级37例、V级8例。T1ρ伪彩图显示正常髓核可分为外周淡黄绿色中值区和核心的橘红色高值区,纤维环除表现为蓝色低值外也夹杂部分中值色。随着退变加重,髓核量值降低、颜色逐渐呈现均匀蓝色；纤维环量值增加。不同Pfirrmann等级腰椎间盘髓核的T1ρ值：Ⅳ级与V级两者无显著性差异,余各等级间均具有显著性差异。T1ρ值与Pfirrmann分级显著负相关(rs—0.538)。各等级间的参考界值：Ⅰ-Ⅱ级为116.5ms,Ⅱ-Ⅲ级为103.5ms,Ⅲ-Ⅳ级为86.5ms,其诊断不同Pfirrmann等级椎间盘的准确性不高。不同节段腰椎间盘髓核的T1ρ值,L4/5、L5/S1节段与其余节段均具有显著性差异,但此两者之间无显著性差异。不同性别各节段腰椎间盘髓核的T1ρ值无显著性异。年龄与T1ρ值中等负相关(rs=—0.335)；≥51岁组与其它两组存在显著性差异,T1ρ值20-45岁阶段保持相对稳定,在45岁以后则迅速并持续降低。结论：T1ρ成像较T2WI对腰椎间盘内组化成分的变化更敏感,可以早期发现并量检测不同程度的腰椎间盘退变,也可监测随年龄增加腰椎间盘变化的过程减少由于诊断经验、主观感受等因素引起的偏差,提高了检查的客观性和司复性。第三章腰椎间盘退变的T2Mapping成像研究目的：应用3.0TMRI T2Mapping检查技术,分析健康成人腰椎间盘髓核的T2值与Pfirrmann分级、腰椎间盘节段、性别、年龄和Tip值的关系,评价并比较两种定量检测技术对腰椎间盘退变的诊断价值。材料和方法：病例选择：健康志愿者86例,其中男34例,女52例,年龄20-76岁,平均33.5±14.1岁,把志愿者按年龄分为≤35岁(57例)、36岁～50岁(12例),≥51岁(17例)三组。纳入标准：无长期体力劳动史、脊柱外伤史、无长期后背痛、腰痛及脊柱畸形。嘱患者检查前12小时勿作剧烈运动,扫描前平躺半小时,扫描时间段17：00-22：30检查设备及参数：扫描仪器及常规矢状位T2WI采集同上。T2Mapping成像参数如下：TR=1162ms,TE=n×20ms,FOV=220mm(FH)×220mm(AP)×25mm(RL),层厚5mm,层数5,矩阵448×448,翻转角=90°,时间12：41。扫描前自动匀场和抑脂技术,为减少呼吸及胃肠蠕动造成的伪影,在椎体前方设置饱和带,以覆盖全部肠道为宜。图像处理：由两位有丰富MRI诊断经验的副主任医师以T2WI正中矢状位图像为基础对腰椎间盘进行Pfirrmann分级,对有分歧者结合改良型Pfirrmann分级系统由两者商议后确定。采用Philips公司提供的后处理软件对数据进行处理得到T1ρ值和T2Mapping图,再用ImageJ软件进行手动绘制髓核感兴趣区、伪彩化处理、图像融合和定量值的测定。统计学方法：采用SPSS15.0软件：(1)采用方差分析不同Pfirrmann等级腰椎间盘髓核的T2值差异,进行Spearman相关性检验,构建ROC曲线,计算AUC,并以Youden指数最大的切点为诊断界点,得到此点对应的灵敏度和特异度；(2)采用方差分析不同腰椎间盘节段髓核的T2值差异；(3)分析各节段腰椎间盘髓核的T2值性别差异,采用独立样本t检验；(4)年龄与髓核的T2值进行Spearman相关性检验；采用方差分析不同年龄组髓核的T2值差异；(5)对T2值和T1ρ值进行相关性分析,采用Pearson方法。方差分析首先进行Levene方差齐性检验,如方差齐则采用单向分类的方差分析(ANOVA),多重比较采用LSD检验；方差不齐则采用Welch检验,多重比较采用Dnnett T3检验；P≤0.05认为有统计学意义。结果：纳入研究的腰椎间盘节段共420个,包括Pfirrmann I级66例、Ⅱ级225例、Ⅲ级81例、Ⅳ级37例、V级11例。伪彩图显示正常髓核可分为外周淡黄绿色中值区和核心的橘红色高值区,纤维环表现为蓝色低值。相对于T1ρ图像,T2Mapping髓核核心区量值偏低,不论髓核区还是纤维环区其量值更加均匀；随着髓核T2WI信号的降低,髓核量值逐渐降低,两者变化趋势相同；相对于T1ρ伪彩图,纤维环量值变化幅度较小。腰椎间盘髓核的T2值随着Pfirrmann等级增加(Ⅰ-Ⅳ级),T2值逐渐减小；除Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅳ级与V级外,余各等级间均具有显著性差异；T2值与Pfirrmann分级显著负相关(rs—0.665)。各等级间的参考界值：Ⅱ-Ⅲ级为94.5ms,Ⅲ-Ⅳ级为67.5ms；对不同Pfirrmann等级腰椎间盘退变诊断的准确性较高(AUC>0.8)。不同节段腰椎间盘髓核的T2值未见显著性差异。整体上在腰椎间盘各节段,男性髓核的T2值均要高于女性,其中在L1/2及L2/3节段具有显著性差异；在其它各节段差异不显著。年龄与髓核的T2值中度负相关(rs=—0.492)；三组间均存在显著性差异,髓核的T2值自20岁-45岁缓慢降低,约在45-50岁轻度增高,50-55岁以后迅速降低,并在55岁后维持在较低水平。T1ρ值与T2值两者具有中度正相关性,1=0.445,P=0.000。结论：腰椎间盘髓核的T2值可以定量检测不同程度的退变,也可监测随年龄增加椎间盘变化的过程。相对于Tip值,T2值动态变化范围较小,对早期退变的敏感性弱于Tip技术,对中晚期退变的诊断准确度较高。T2值与T1ρ值的中度正相关可能与髓核PG含量的降低导致了水含量的减少有关。第四章腰椎间盘退变的弥散加权成像(DW[)研究目的：应用3.OTMRI DWI检查技术,分析健康成人腰椎间盘髓核的ADC值与Pfirrmann分级、腰椎间盘节段、性别、年龄的关系,探讨三种定量技术的相关性及其可能的意义,比较三者在腰椎间盘退变诊断中的价值并对其进行综合分析。材料和方法：病例选择：健康志愿者42例,其中男16例,女26例,年龄22～63岁,平均38.2±13.9岁,把志愿者按年龄分为≤35岁(22例)、36岁～50岁(9例),≥51岁(11例)三组。纳入标准：无长期体力劳动史、脊柱外伤史、无长期后背痛、腰痛及脊柱畸形。嘱患者检查前12小时勿作剧烈运动,扫描前平躺半小时,扫描时间段17：00-22：30。检查设备及参数：扫描仪器、T1ρ、T2Mapping扫描参数同上。DWI扫描采用平面回波(EPI)脉冲序列,参数：TR=3000ms,TE=64ms,层厚5mm,扫描层数11,FOV=180mm(FH)×56mm(AP)×65mm(RL),矩阵=288×288,翻转角=90°,b值取Osec/mm2和500sec/mm2。扫描二次常规T2WI图像,首次FOV及矩阵与T1ρ技术一致,二次与DWI技术一致。在椎体前方设置饱和带,以覆盖全部肠道为宜,并在FOV头侧设置水平饱和带。图像处理：由两位有丰富MRI诊断经验的副主任医师以T2WI正中矢状位图像为基础对腰椎间盘进行Pfirrmann分级,对有分歧者结合改良型Pfirrmann分级系统由两者商议后确定。采用Philips公司提供的后处理软件对数据进行处理得到ADC图,再用ImageJ软件进行手动绘制髓核感兴趣区、伪彩化处理、图像融合和髓核ADC值的测定。感兴趣区的绘制同前。统计学方法采用SPSS15.0软件：(1)采用方差分析不同Pfirrmann等级椎间盘髓核的ADC值差异,进行Spearman相关性检验,构建ROC曲线,计算AUC,并以Youden指数最大的切点为诊断界点,得到此点对应的灵敏度和特异度；(2)采用方差分析不同节段腰椎间盘髓核的ADC值差异；(3)分析各节段腰椎间盘髓核的ADC值性别差异,采用独立样本t检验；(4)进行年龄与髓核ADC值的Spearman相关性检验,采用方差分析不同年龄组髓核的T2值差异；(5)采用Pearson方法对ADC值与T2值、T1ρ值进行相关性分析。方差分析首先进行Levene方差齐性检验,如方差齐则采用单向分类的方差分析(ANOVA),多重比较采用LSD检验；方差不齐则采用Welch检验,多重比较采用Dnnett T3检验；P≤0.05认为有统计学意义。结果：纳入研究的腰椎间盘节段共207个,包括Pfirrmann Ⅰ级19例、Ⅱ级106例、Ⅲ级44例、Ⅳ级29例、V级9例。ADC伪彩图显示髓核内ADC量值分布与T1ρ、T2Mapping有差异,Ⅱ级椎间盘T1ρ、T2Mapping高值主要位于髓核中心区域,而ADC高值则分布于髓核边缘区域,并且纤维环与髓核的差异性更显著。不同Pfirrmann等级腰椎间盘髓核的ADC值：除Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅳ级与V级外,其余各级间均有显著性差异,虽然部分等级间无统计差异,但随着等级增加,ADC值整体趋势是逐渐减小；ADC值与Pfirrmann分级显著负相关(rs=—0.530)。各等级间的参考界值：Ⅱ-Ⅲ级为1.732×10-3mm2/s,Ⅲ-Ⅳ级为1.587×10-3mm2/s。腰椎间盘不同节段髓核ADC：L1/2与L2/3、L3/4间具有显著性差异(P=0.014,P=0.050)。男性与女性各节段髓核的ADC值均未见显著性差异。年龄与髓核的ADC值中度负相关(rs=—0.422)；≥51岁组与其它两组存在显著性差异；研究ADC值与年龄的趋势图可发现ADC值自20-45岁逐渐降低,约在45-50岁增高,50-60岁再次迅速降低,60岁后轻度抬高。ADC值与T1ρ值、T2值两者显著正相关性。结论：同T1ρ值与T2值类似,髓核的ADC值也与不同程度的腰椎间盘退变相关,并且三者呈显著正相关,但其随年龄的改变却更为复杂。此结果符合腰椎间盘退变的病理变化,即髓核内PG的减少可以导致含水量减少,从而影响水的弥散,证明采用此三种定量方法分析IVDD是可靠的,对于检测IVDD和监测病变进展具有重要价值。第五章X线导引下针刺诱导兔椎间盘退行性改变的初步研究目的：本部分研究X线导引下针刺诱导兔椎间盘退行性改变模型的建立并对椎间盘进行MR定量检测,为MR定量检测技术的深入研究奠定基础。材料和方法：选用清洁级健康新西兰大白兔5只,在X线导引下采用穿刺髓核和穿刺软骨终板两种手术方式。分别在穿刺前、穿刺后30分钟、4周及8周进行常规T2WI、T1ρ、T2Mapping成像和CT三维重建,8周对诸椎间盘进行病理学分析。结果：造模后30分钟,各椎间盘磁共振信号未见明确异常；4周穿刺髓核组T2WI信号明显降低,高信号区范围缩小；T1ρ技术由于分辨率不足未能成功检测到椎间盘量值的改变；T2Mapping显示高值范围明显缩小；8周髓核变化与4周类似,未见明确退变进展；余各椎间盘(包括正常对照组和穿刺软骨终板组)信号改变不明显。病理学发现穿刺髓核组的髓核组织发生非常明显的退变,而穿刺软骨终板组发生轻度退变。结论：本研究采用X线导引下针刺椎间盘髓核的方式成功建立了兔的椎间盘退变模型,此模型具有操作简单、经济、并发症低、影响因素少等优势,并且证明了T2Mapping技术可用于兔椎间盘退变的检测,为采用动物模型研究磁共振定量技术对IVDD的诊断价值奠定了基础。全文总结Pfirrmann等级与三种定量指标的关系：从相关系数看,T2值与Pfirrmann分级相关性最强,可以理解为Pfirrmann分级是以腰椎间盘信号为基础的分级系统,T2WI信号主要反映了组织内含水量,因此与T2值关系更为密切。从准确度讲,对于Ⅱ级以上退变诊断的准确性以T2Mapping技术最高。T2Mapping的ROC曲线显示Ⅱ-Ⅲ级、Ⅳ级-V级的AUC分别为0.865、0.906；高于T1p值(0.720、0.717)和ADC(0.673、0.813)。从检验效能上讲,T2Mapping与DWI技术未能发现Ⅰ级与Ⅱ级的差异,可认为对腰椎间盘早期退变敏感性较低。Ⅳ级与V级在各定量检测中均未见显著性差异,考虑Pfirrmann分级中,Ⅳ级与V级的区别仅是椎间隙的改变,而无关腰椎间盘信号的改变,两者间定量值可无差异；另一方面也可能是由于V级样本量较小而未能显示两者间的差别,同时正常人中V级比例较低可能说明椎间隙改变往往导致临床症状,这需要在患病人群中进一步统计分析。由于临床实践上L4/5、L5/S1是最常发生腰椎间盘退变和膨突出的部位,因此T1ρ技术作为唯一可以检测出L4/5、L5/Sl与其它节段不同的方法对早期退变的敏感性应该高于其它方法；综合对Pfirrmann等级的诊断,我们认为T1ρ技术对早期退变的敏感性高于T2Mapping与DWI技术；而对于Ⅱ级以上的中晚期退变诊断的准确性则以T2Mapping技术最高。研究表明性别对正常人腰椎间盘退变的影响很小。年龄与腰椎间盘退变的关系：本研究所有检测指标均显示出与年龄相关,因此相对于性别、节段而言,年龄对腰椎间盘退变的作用要更显著。其中以Pfirrmann分级与年龄的相关性最强,而T1ρ值相关性最弱,通过趋势图可以发现,正常人T1ρ值在45岁前比较稳定,这同基础研究显示50岁后髓核的基质很难得到修复相一致,因此可以认为中青年时期腰椎间盘内最显著的变化应该是水含量的丢失。通过比较定量检测三种技术时间变化曲线,本研究提出二个假说：(1)髓核的ADC值在腰椎间盘退变过程中处于一种波动性变化中,这是由于ADC值所反映的水分子运动与水含量和基质内PG的含量有关,基质内PG具有结合水的能力因此一方面提高髓核内水的含量,另一方面限制水分子的运动。在45岁之前由于PG保持相对稳定,髓核内水含量则处于缓慢减少节段,ADC值同步下降；45-50岁由于自身修复能力的降低,PG出现明显的丢失,对水分子运动限制能力明显减弱,水分子运动活跃,ADC值中运动增加的权重超过水含量丢失的权重,ADC值增加；随着PG进一步丢失,水含量明显降低,水含量丢失的权重超过运动能力增加的权重,ADC值又明显降低。目前研究中ADC值与退变的关系争议较多,本假说对于ADC值进一步研究提供了参考。(2)更为重要的是认为45-50岁是髓核内组织成分发生剧烈变化的时间点,为临床干预、延缓IVDD进展提供重要参考,对本假说进一步证明需要基础研究和更大样本研究的支持。本研究采用X线导引下针刺椎间盘髓核的方式成功建立了兔的椎间盘退变模型,此模型具有操作简单、经济、并发症低、影响因素少等优势,并且证明了T2Mapping技术可用于兔椎间盘退变的检测,为采用动物模型研究磁共振定量技术对IVDD的诊断价值奠定了基础。

全文目录

摘要  3-15
ABSTRACT  15-32
前言  32-34
第一章腰椎间盘退变与Pfimann分级研究  34-45
  1 材料和方法  34-37
  2 结果  37-39
  3 讨论  39-43
  4 参考文献  43-45
第二章腰椎间盘退变的T_(1ρ)成像研究  45-60
  1 资料与方法  45-47
  2 结果  47-53
  3 讨论  53-58
  4 参考文献  58-60
第三章腰椎间盘退变的T_2 Mapping成像研究  60-75
  1 材料与方法  60-61
  2 结果  61-69
  3 讨论  69-72
  4 参考文献  72-75
第四章腰椎间盘退变的弥散加权成像研究  75-89
  1 材料与方法  75-76
  2 结果  76-84
  3 讨论  84-87
  4 参考文献  87-89
第五章 X线导引下针刺诱导免椎间盘退行性变的初步研究  89-102
  1 材料与方法  89-92
  2 结果  92-96
  3 讨论  96-100
  4 参考文献  100-102
全文总结  102-105
不足及展望  105-106
中英文缩写对照表  106-107
综述一  107-117
  参考文献  112-117
综述二  117-126
  参考文献  123-126
攻读学位期间成果  126-127
致谢  127-130
统计学审稿证明  130

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