下腰痛是临床的常见病及多发病之一，严重影响患者的生活质量，并且随着年龄的增长其发病率也会随之增加^[1]。目前认为椎间盘退行性变是下腰痛发病的最常见原因^[2]，但临床工作中通常很难提供定量及早期诊断依据。MRI T1rho作为一种新颖的定量检测方法，通过探测细胞外基质中水分子与大分子间的相互慢运动，反映细胞外基质中生物化学成分的改变。最新有动物研究表明，T1rho值与椎间盘髓核（nucleus pulposus，NP)

       中蛋白多糖的含量密切相关^[3]，可以定量反映椎间盘的退变程度，因此MRI T1rho可以用于定量检测椎间盘的退变。本研究主要探讨T1rho对腰椎间盘退行性变的定量诊断价值，为临床提供早期诊断及治疗依据。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       本研究收集38例下腰痛者，男15例，女23例，年龄22~59岁，平均年龄（41.2±14.0）岁，共190个腰椎间盘，纳入标准：MR显示有一个或多个节段的腰椎间盘退变，且有一次或反复发作的下腰痛病史；收集28名无症状志愿者，男18例，女10例，年龄22~38岁，平均年龄（25.6±3.1)岁，共140个椎间盘，纳入标准：无下腰痛及坐骨神经痛病史。

       所有样本排除标准：有脊柱外伤及手术病史，有脊柱感染、肿瘤、代谢疾病、自身免疫疾病、骨关节疾病病史。

1.2　检查设备及方法

       采用GE 750W 3.0 T MR仪，对所有受试者行仰卧位检查，使用腰椎基本线圈分别采集腰椎矢状位T2WI及矢状位T1rho图像。

       矢状位FSE T2WI序列参数：TR=2500 ms，TE=120 ms，矩阵＝320×288，ETL=21，FOV=24 cm，BW=62.5 kHZ，层厚＝3.0 mm，扫描时间1 min 35 s。

       矢状位T1rho序列参数：自旋锁定时间(time of spin locking，TSL)1-TSL4=1/10/30/60 ms，矩阵＝256 × 192，自旋锁功率＝500 HZ，ETL=40，FOV=22 cm，BW= 62.5 kHZ，层厚＝5.0 mm，扫描时间6 min 47 s。

1.3　数据处理

       由两名经验丰富的MR骨关节诊断医师根据Pfirrmann等^[4]提出的IVDD5级分法（表1)通过腰椎间盘矢状位T2WI进行分级，当意见不一致时再请第三位MR骨关节诊断医师给出意见。

       采用GE 750W自带软件T2 mapping进行图像后处理。在腰椎间盘NP中央区域取椭圆形感兴趣区，大小20~50 mm²，对T1rho中间层面连续3幅图像进行测量，并取平均值。

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表1  腰椎间盘退行性变的Pfirrmann分级评估
Tab. 1  Pfirrmann grading system for the assessment of lumbar disc degeneration

1.4　统计学方法

       采用Kruskal-Wallis检验分析各腰椎间盘节段及不同退变等级腰椎间盘T1rho值的差异性，不同腰椎节段及退变等级间两两比较用Bonferroni法；下腰痛者与无症状志愿者各节段椎间盘T1rho值的差异性采用独立样本t检验，并用柱状图表示；用Spearman相关系数分析各椎间盘退变程度与T1rho值的相关性，并用散点图表示；年龄、体质量指数(body mass index，BMI）和NP区T1rho值的相关性用线性关系图表示；所有分析都采用双侧检验，P<0.05为差异有统计学意义。所有数据采用SPSS 16.0软件分析。

2　结果

       代表性腰椎矢状位T2WI图像及相应的T1rho后处理伪彩图像见图1。

       38例下腰痛者及28名无症状志愿者共330个腰椎间盘纳入本研究，其各节段腰椎间盘(L1/2、L2/3、L3/4、L4/5、L5/S1)NP区T1rho值见表2。下腰痛者L1-S1各节段椎间盘NP区T1rho值均比对照组低，且差异存在统计学意义(P<0.01)，且下腰痛者L4/5、L5/S1椎间盘T1rho值明显低于L1/2、L2/3(P<0.05)。

       所有研究对象Pfirrmann Ⅰ~Ⅴ级的总个数分别为24、179、81、41、5，其中下腰痛者Pfirrmann Ⅰ~Ⅴ级的椎间盘个数分别为5、67、74、39、5，对照组Pfirrmann Ⅰ~Ⅴ级的椎间盘个数分别为19、112、7、2、0。因Pfirrmann V级椎间盘数目较少，故未纳入统计学分析，Pfirrmann Ⅰ~Ⅳ级NP区T1rho值分别约(141.5±9.8) ms、(117.1±13.0) ms、(85.6±13.9) ms、(60.5±10.5) ms，椎间盘Pfirrmann等级与T1rho值呈负相关(r=-0.86，P<0.05)，见图2，且各Pfirrmann等级间T1rho值差异均存在统计学意义(P<0.01)，随着Pfirrmann退变等级增加，椎间盘NP区T1rho值逐渐减低。

       各腰椎间盘NP区T1rho值与年龄及BMI均呈负相关(r=-0.63，P<0.01；r=-0.33，P<0.01)，随着年龄和BMI的增长，椎间盘NP区T1rho值呈减低趋势，见图3及图4。

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图1  A和B为25岁女性无症状志愿者T2WI和T1rho伪彩图，A：L1-S1各椎间盘髓核区为Ⅱ级，B：各椎间盘髓核区信号较高为绿色；C和D为35岁男性下腰痛患者T2WI和T1rho伪彩图，C：L4/5、L5/S1椎间盘髓核区为Ⅲ级，D：相应椎间盘髓核区信号减低为浅红色
Fig. 1  A and B representative T2WI and T1rho pseudo color image of an asymptomatic 25-year-old female subject. A: L1-S1 each level of the NP shows Pfirrmann grade Ⅱ , B: Each disc of the NP with high signal shows green; C and D representative T2WI and T1rho pseudo color image of a 35-year-old male subject with low back pain. C: L4/5, L5/S1 level of the NP shows Pfirrmann grade Ⅲ, D: corresponding disc of the NP with low signal shows light red.

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图2  椎间盘Pfirrmann等级与NP区T1rho值相关性散点图
图3  年龄与NP区T1rho值相关性散点图
图4  BMI与NP区T1rho值相关性散点图
Fig. 2  The scatter diagram between Pfirrmann grades and T1rho values in NP region.
Fig. 3  The scatter diagram between age and T1rho values in NP region.
Fig. 4  The scatter diagram between BMI and T1rho values in NP region.

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表2  下腰痛患者及志愿者各节段椎间盘NP区T1rho值（ms)及相关性分析
Tab. 2  T1rho values (ms) in NP region of intervertebral disc and correlation analysis in the low back pain and volunteers

3　讨论

       椎间盘由髓核、纤维环及上下的软骨终板构成，其中髓核主要由25％胶原蛋白和50％蛋白多糖构成，髓核通过蛋白多糖的渗透作用产生的膨胀压力来抵抗脊柱的压力作用。在椎间盘发生退变的早期，主要是髓核中蛋白多糖的丢失，所以早期发现及治疗可以延缓椎间盘退变的进展^[5]。

       目前临床上对于椎间盘退变程度的评估广泛采用Pfirrmann分级系统^[4]，在MRI T2WI上根据椎间盘的结构、信号强度、椎间盘高度及髓核和纤维环的分界将椎间盘退变分为Ⅰ~Ⅴ级，其中认为Ⅰ级为正常椎间盘，Ⅴ级为严重退变的椎间盘。Pfirrmann分级存在一定的人为主观因素，并且不能精确地反映椎间盘早期退变时蛋白多糖含量的变化，所以临床工作中椎间盘髓核中蛋白多糖含量的无创定量检测方法非常有研究价值。MRI T1rho成像技术作为一种无创定量检查方法，已有研究报道T1rho可以定量检测椎间盘髓核中蛋白多糖的含量，对椎间盘的退变程度及早期退变有诊断价值^[3,6]。

       MRI T1rho是一种旋转坐标系下的自旋-晶格弛豫，用于研究细胞外基质中大分子与水分子之间的相互低频运动，尤其在0~100 kHz的低频范围。T1rho序列首先用90°脉冲将Z轴方向的磁化矢量翻转到X-Y平面上，接下来，一串长时间低频率的脉冲运用于X-Y平面来自旋锁定磁化矢量，最后再用90°脉冲将X-Y平面的磁化矢量恢复到Z轴，在自旋锁定脉冲影响下的横向弛豫即为T1rho弛豫。T1rho值取决于所测量组织的特性和所应用的自旋锁定脉冲序列的特点^[7]，在关节软骨的研究中，随着软骨退变程度增加其相应区域T1rho值增加^[8]。而在椎间盘的研究中，随着椎间盘的退变程度增加其T1rho值也随之减小^[6]，虽然这两种结构中都含有蛋白多糖、水和II型胶原蛋白，但由于其结构的差异及退变时结构变化的差异可能对不同组织T1rho值的变化产生影响。

       本研究主要是评估T1rho对腰椎间盘退变的定量诊断价值。在临床工作中，腰椎CT及MR检查运用广泛，主要是提供椎间盘高度减低、椎间盘突出／膨出、纤维环撕裂等信息，但这些改变通常发生在椎间盘退变中晚期阶段，只能通过手术治疗来缓解患者的症状，因此椎间盘退变的早期定量诊断非常具有临床价值。该研究结果中Pfirrmann Ⅰ~Ⅳ级NP区T1rho值分别约(141.5±9.8) ms、(117.1±13.0) ms、(85.6±13.9) ms、(60.5±10.5) ms，与最新研究报道的（161.73±17.14) ms、(128.18±12.65) ms、(98.66±13.61) ms、(61.05±11.01) ms呈相应趋势递减^[9]，即随着退变等级的增加各椎间盘T1rho值逐渐减低，各Pfirrmann等级间两两比较其T1rho值均存在明显差异。目前临床上运用广泛的Pfirrmann分级系统通常认为Ⅰ级为正常椎间盘，Ⅱ~Ⅲ级为早期退变的椎间盘，但Pfirrmann分级系统因为存在一定的主观差异性，所以不能精确反映椎间盘退行性改变。而T1rho属于一种定量检测方法，它对椎间盘中蛋白多糖的含量比较敏感，而蛋白多糖的含量与椎间盘退变密切相关^[3]。本研究中Pfirrmann Ⅱ~Ⅲ级的T1rho值区间范围较大，说明椎间盘T1rho值对椎间盘早期退变比较敏感，因此T1rho可以作为临床上评估椎间盘早期退变的评价手段，发现早期退变并给予相应的非手术治疗，来预防椎间盘退变的进展。

       腰椎间盘退变是引起下腰痛的常见原因^[2]，但椎间盘源性腰痛的发病机制仍未明确，可能与纤维环内层破裂、髓核外渗等相关。本研究发现下腰痛者各椎间盘节段NP区的T1rho值均明显低于志愿者，且下腰痛者各椎间盘NP区T1rho值从L1/2节段到L5/S1节段逐渐减低，其中L4/5、L5/S1椎间盘的T1rho值明显减低，与L1/2、L2/3椎间盘的值存在显著差异性，研究结果表明L4/5、L5/S1椎间盘相对于上节段椎间盘更容易发生蛋白多糖的丢失而发生椎间盘退行性变，与之前的研究结果大致相仿^[10]，这可能与脊柱的负重有关，下段腰椎更容易受力。

       年龄是腰椎间盘退变的一个重要因素，随着年龄的增长椎间盘退变程度逐渐加重，椎间盘髓核内蛋白多糖及水分的含量也逐渐减低，因此椎间盘NP区的T1rho值随着年龄的增长逐渐减低，与文献的报道相符^[11]。

       有文献报道生活方式与腰椎间盘退变也有关，其中肥胖会加重腰椎间盘退变程度^[12]。本研究发现椎间盘NP区T1rho值与BMI呈负相关，随着BMI指数的增加椎间盘髓核的T1rho值呈下降趋势，说明肥胖者的腰椎间盘更容易发生退行性变，这可能与肥胖者腰椎受力增加有关，受力通过脊柱传导，加速了椎间盘中蛋白多糖的降解。

       本研究的局限性：(1)样本量相对较小，以后的研究可以使用更大的样本量来增加可靠性；(2)本研究结果缺乏相应的椎间盘病理组织结果对照，开展椎间盘动物模型研究非常有必要；(3）目前T1rho序列只能采集矢状位图形，需要进一步研究能多方位成像。

       总之，MRI T1rho作为一种无创的检查方法，可对腰椎间盘的退变程度达到定量诊断，特别是退变早期无形态学改变的椎间盘，可以做出早期诊断，从而为临床医生提供早期治疗依据，来延缓及预防椎间盘退变的进展。同时，T1rho对治疗后效果评估方面也存在潜在应用价值，值得进一步研究。