陈芳 胡明哲 吴海 陈耀孟 朱佩佩

[摘要] 目的 探討体素内不相干运动扩散加权成像（intravoxel incoherent motion in body diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI）序列中慢速表观扩散系数（slow apparent diffusion coefficient，ADCslow）、快速表观扩散系数（fast apparent diffusion coefficient，ADCfast）和灌注分数（perfusion fraction，f）值在青年人群腰椎间盘早期退变定量分析中的预测价值。方法 采用IVIM-DWI技术作为磁共振定量成像，对温州市人民医院120例下腰部疼痛患者（596个腰椎间盘）中的测量腰椎间盘的ADCslow、ADCfast和f值，基于Pfirrmann分级标准分为三组。采用SPSS 20.0统计学软件进行数据分析。结果 ADCfast值区分各分组腰椎间盘具有统计学意义：正常组vs.早期退变组曲线下面积（area under the curve，AUC）=0.766，敏感度64.2%，特异性78.5%；正常组vs.中晚期退变组AUC=0.822，敏感度67.9%，特异性91.3%；早期退变组vs.中晚期退变组AUC=0.797，敏感度62.1%，特异性92.1%。ADCslow值区分各分组腰椎间盘具有统计学意义：正常组vs.早期退变组AUC=0.707，敏感度83.6%，特异性61.0%；正常组vs.中晚期退变组AUC=0.701，敏感度84.5%，特异性58.6%；早期退变组vs.中晚期退变组AUC=0.668，敏感度86.6%，特异性51.0%。f值不能区分各分组腰椎间盘。结论 IVIM-DWI序列的ADCslow与ADCfast在区分青年人群腰椎间盘早期退变有一定的准确性与特异性，可为临床早期治疗提供可靠依据。

[关键词] 腰椎间盘退变；Pfirrmann分级；体素内不相干运动扩散加权成像；磁共振成像

[中图分类号] R445.2      [文献标识码] A    [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2024.12.005

Quantitative analysis of early lumbar disc degeneration in young adults by intravoxel incoherent motion in body diffusion-weighted imaging

CHEN Fang， HU Mingzhe， WU Hai， CHEN Yaomeng， ZHU Peipei

Department of Imaging， Wenzhou Peoples Hospital， Wenzhou 325000， Zhejiang， China

[Abstract] Objective To explore the predictive value of slow apparent diffusion coefficient （ADCslow）， fast apparent diffusion coefficient （ADCfast） and perfusion fraction （f） value of intravoxel incoherent motion in body diffusion-weighted imaging （IVIM-DWI） sequence in early lumbar disc degeneration in young people. Methods The IVIM-DWI technique was used as quantitative magnetic resonance imaging for 120 patients （596 lumbar intervertebral discs） with lower back pain included in Wenzhou Peoples Hospital. The ADCslow， ADCfast and f values of all lumbar intervertebral discs were measured， and then they were divided into 3 groups according to the Pfirrmann grading standard. SPSS 20.0 statistical software was used to analyze the data. Results The ADCfast value has statistical significance in distinguishing the lumbar intervertebral discs of each group： The area under the curve （AUC） of the normal group vs. the early degenerative group was 0.766， with a sensitivity of 64.2% and a specificity of 78.5%; The AUC of the normal group vs. the mid to late stage degenerative group was 0.822， with a sensitivity of 67.9% and a specificity of 91.3%; The AUC of the early degeneration group vs. the middle and late stage degeneration group was 0.797， with a sensitivity of 62.1% and a specificity of 92.1%. The ADCslow value has statistical significance in distinguishing the lumbar intervertebral discs of each group： AUC=0.707 in the normal group vs. the early degenerative group， with a sensitivity of 83.6% and a specificity of 61.0%; The AUC of the normal group vs. the mid to late stage degenerative group was 0.701， with a sensitivity of 84.5% and a specificity of 58.6%; The AUC of the early degeneration group vs. the middle and late stage degeneration group was 0.668， with a sensitivity of 86.6% and a specificity of 51.0%. The f value cannot distinguish between different groups of lumbar intervertebral discs. Conclusion ADCslow and ADCfast of IVIM-DWI sequence have certain accuracy and specificity in distinguishing the early degeneration of lumbar intervertebral disc in young people， which provides a reliable basis for early clinical treatment.

[Key words] Lumbar disc degeneration; Pfirrmann grading; IVIM-DWI; Magnetic resonance imaging

腰椎间盘退变（intervertebral disc degeneration，IVDD）是中老年人常见的疾病。近年来，随着人们生活节奏的加快和生活方式的改变，很多青年人甚至一些青少年也患上IVDD。IVDD是引起下腰痛（low back pain，LBP）的主要原因[1]。IVDD的主要临床表现为腰部及下肢活动受限和功能障碍，是导致45岁以下人群劳动力丧失的主要原因[2-3]。研究表明在IVDD早期阶段，采用干细胞移植可有效治疗IVDD所引起的LBP[4]。在IVDD早期只发生椎间盘内部生化代谢的改变，如黏多糖丢失、渗透压或pH值的降低、水含量减少等，无法被一般影像学检查及临床检验所发现，直到晚期出现形态学或磁共振信号改变时才被重视；而此时已丧失最佳治疗时机，只能保守治疗或单纯手术摘除，严重影响青年患者的劳动能力及生活质量[5-6]。

体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）是基于多個不同强度扩散梯度场（b值）的弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）的一种双指数模型，分离得到的慢速表观扩散系数（slow apparent diffusion coefficient，ADCslow）更真实反映组织内水分子扩散自由度，分离得到的快速表观扩散系数（fast apparent diffusion coefficient，ADCfast）及灌注分数（perfusion fraction，f）值间接反映组织微循环情况。目前在神经系统、肝脏、盆腔等均得到很好的应用。本研究应用IVIM-DWI技术同时从腰椎间盘的水分子自由扩散运动和微循环灌注的角度对青年人群腰椎间盘早期退变进行定量分析及评价，为临床进行针对性的预防和治疗提供依据。

1  资料与方法

1.1  一般资料

选取2021年1月至2022年12月于温州市人民医院就诊的LBP和（或）坐骨神经痛患者共120例。纳入标准：①18岁≤年龄≤40岁；②近3年有下腰背部疼痛或坐骨神经痛史；③无外伤和手术史；   ④无磁共振检查禁忌证。排除标准：①腰椎感染、肿瘤性疾病所致腰背部疼痛者；②有影响钙、磷代谢的内分泌及代谢性疾病病史者；③严重的其他系统性疾病、肿瘤治疗史。本研究经温州市人民医院伦理委员会审批通过（伦理审批号：2021-255），所有患者均签署知情同意书。

1.2  方法

1.2.1  磁共振成像检查方法  磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）扫描均使用3.0T德国西门子Skyra MR扫描仪、16通道spine线圈。患者仰卧位，头先进行扫描。①常规平扫序列：a.矢状位T1加权成像（T1 weighted image，T1WI）序列，重复时间（repetition time，TR）618ms，回波时间（time to echo，TE）8.5ms，层厚4mm，层间距0.4mm，视野（field of view，FOV）180mm×300mm，矩阵300×392；b.矢状位T2加权成像（T2 weighted image，T2WI）序列，TR 3072ms，TE 80ms，层厚4mm，层间距0.4mm；c.轴位T2WI序列TR 2583ms，TE 120ms，层厚4mm，层间距0.3mm。②IVIM-DWI扫描序列：矢状位IVIM（多b值）序列，b值（0、20、40、60、80、100、200、300、400、800）s/mm2，当b值为0～200时激励次数2，当b值为200～800时激励次数4，TR=4584ms，TE=63ms。

1.2.2  图像处理分析  使用VisionTech软件处理采集的IVIM-DWI图像，得到双指数模型参数图，由2名有8年以上工作经验的影像科医师在正中矢状位b=0图像上分别绘制每一位患者L1～S1椎间盘髓核的感兴趣区（regions of interest，ROI）。①Ⅰ～Ⅱ级：在椎间盘中心部位绘制椭圆形ROI，大小60～80mm2；   ②Ⅲ～Ⅴ级：由于髓核与纤维环界限不清，根据髓核可能的位置绘制不规则或椭圆形ROI。测量并记录每一个ROI区域内的ADCslow、ADCfast及f值，结果取两名医师测量的平均值，见图1。同时由另２名副主任职称以上医师分别对各椎间盘（隐去患者个人信息及扫描参数）进行Pfirrmann分级；当腰椎间盘的改变符合两种不同级别的判断标准时，以高级别为准。最后对评价不一致的椎间盘，2名医师共同阅片以达到一致意见。根据Pfirrmann半定量分级原则，将腰椎间盘分为三组：正常组（Pfirrmann Ⅰ级）、早期退变组（Pfirrmann Ⅱ+Ⅲ级）和中晚期退变组（Pfirrmann Ⅳ+Ⅴ级）。

A～D.1例21岁男性腰椎间盘的IVIM-DWI图像，A为正中矢状位b=0的图像，L1～S1椎间盘髓核中央各放置一个ROI；B～D分别代表IVIM序列的ADCslow、ADCfast及f伪彩图

1.3  统计学方法

采用SPSS 20.0统计学软件对数据进行处理分析。计量资料以均数±标准差（）表示；基于Pfirrmann分级的各分组椎间盘ADCslow、ADCfast、f 值的差异评价采用方差分析，同时构建受试者操作特征曲线（receiver operating characteristic curve，ROC曲线）评价并计算曲线下面积（area under the curve，AUC），采取约登指数的最大切点为临界值，得到该点对应的敏感度和特异性。P<0.05为差异有统计学意义。

2  结果

2.1  患者的一般资料

120例患者中男54例，女66例，年龄17～40岁，平均（30.925±6.78）岁。分别测量每例患者L1～2、L2～3、L3～4、L4～5及L5～S1各5个椎间盘，其中有4个椎间盘因伪影无法计入。共计596个椎间盘，其中正常组212个，早期退变组352个，中晚期退变组32个。

2.2  三組腰椎间盘IVIM-DWI参数的比较

随Pfirrmann分级程度的增加，ADCslow的平均值与分级程度呈负相关，ADCfast和f的平均值与分级程度呈正相关，见表1。

2.3  IVIM-DWI各参数值区分不同分组间腰椎间盘的诊断效能

ADCfast和ADCslow值区分基于Pfirrmann分级的各分组腰椎间盘均具有统计学意义，见表2、表3。f值无法区分基于Pfirrmann分级的各分组腰椎间盘，见表4。

3  讨论

椎间盘主要由髓核、纤维环、软骨终板组成，其主要构成为胶原蛋白和蛋白糖类。在研究腰椎间盘退变机制时，有学者认为椎间盘退变不仅有生化环境的改变，还包括神经血管的变化，神经血管改变时引起椎间盘微循环灌注的变化[7-8]。MRI是评估IVDD的最常用影像学方法[9]。Pfirrmann分级是目前评估IVDD程度的常用方法，但它只能反映形态学变化和T2WI信号变化，尤其在早期，敏感度较低[10]。此外，Pfirrmann分级仍是半定量分级，容易产生主观偏差，且判断标准烦琐。近年，国内外多种定量磁共振成像（quantitative magneticresonance imaging，QMRI）技术逐渐涌现，越来越多的学者尝试利用各种QMRI技术对腰椎间盘退变进行量化评价和早期诊断，如T1ρ值、T2 mapping值、ADC值、FA值等；通过以上技术可更好地了解椎间盘内水、蛋白质、脂类、胶原和一些溶质的变化情况，并检测早期蛋白多糖和糖胺聚糖的浓度改变[11-13]。但它们无法很好地检测椎间盘周围的血管微循环[14]。

者将该技术应用于脊柱与脊髓方面。李乃玉等[16]认为IVIM-DWI的ADCslow、ADCfast及f值可很好地反映肌骨肿瘤的细胞密集度及灌注特性，其中f值有助于提高MRI对良恶性肌骨肿瘤的鉴别能力；邹明珠等[17]利用IVIM-DWI序列测定椎体各参数值，无创性地了解椎体骨髓的生理状态及变化规律。目前IVIM-DWI技术对腰椎间盘的研究仍处于探索阶段，李瑞梅等[18]以微血管密度为金标准，采用DCE-MRI和IVIM-DWI两种MR技术对腰痛患者的椎间盘新生血管进行评价，结果表明ADCfast和f值在椎间盘微循环系统评价领域方面具有重要价值。但由于该研究仅限于治疗临床病症较重的腰痛患者，且样本量较小，因此存在一定的局限性。马红菊等[19]用IVIM-DWI序列对60例IVDD患者进行初步研究，发现ADCslow参数可用于定量评价IVDD。但该研究中患者年龄偏大，个别退变程度样本量不足；由于年轻患者IVDD较多处于早期，是否适用于年轻患者尚待求证。本研究通过测量120例有LBP和（或）坐骨神经痛的年轻患者腰椎间盘髓核ADCslow和ADCfast和f值，发现随着Pfirrmann等级的增加，ADCslow值的水平趋于下降，ADCfast、f值的水平趋于上升。

ADCslow可真实反映组织内水分子扩散自由度，相比传统DWI的ADC值，ADCslow值可剔除灌注信息的影响，更接近于真实水分子扩散信息。当腰椎间盘出现早期退变时，Ⅱ型胶原纤维减少，蛋白聚糖减少，水分含量减少，ADCslow值下降。本研究显示ADCslow值在区分正常组与早期退变组、正常组与中晚期退变组、早期退变组与中晚期退变组均有统计学意义。

ADCfast可较好地反映组织微循环灌注的变化。Fournier等[20]研究表明，椎间盘不应仅被定义为一种无血管组织，而应根据其组织成分、老化和退变或损伤状态而发生变化。由于年纪的增加和退行性改变，毛细血管进入纤维环内层，从而影响椎间盘的功能和结构。当IVDD时，炎症因子不断释放，机体也会试图修复受损的组织，而这种修复正是通过新生血管和微血管的浸润来实现。因此，即便在IVDD较轻的情形下，也可发生微血管的形成，从而有助于椎间盘的恢复和修复；随着微血管组织不断增加，组织内的微循环也随之增加。本研究结果显示ADCfast值在区分正常组与早期退变组、正常组与中晚期退变组、早期退变组与中晚期退变组均具有统计学意义，通过定量测量ADCfast值可从微循环灌注方面发现青年人群的早期IVDD。

f值是微血管灌注分数，它表示与微循环相关的扩散分数，理论上f值是由毛细血管和组织的信号强度比值决定的。本研究结果显示f值随着IVDD的进展而增加，这可能与DCE-MRI所反映的退行性IVDD过程中纤维环裂隙和终板裂隙处新肉芽组织和神经的形成类似。肉芽组织有毛细血管，它改变了组织的血管体积比例[21]。但f值在区分Pfirrmann分级的各分组腰椎间盘时敏感度及特异性均较低，对早期IVDD无预测价值。

本研究結果具有很好的临床价值，但仍存在不足之处：①IVIM-DWI图像信噪比低、分辨率低，易引起图像变形，尽管在实验过程中高b值采用更多的采集次数来提高信噪比，但图像变形仍然存在，定量测量更有难度，今后需随着机器设备及技术的更新进一步优化；②缺乏“金标准”，需要在后期研究中不断积累病例并获取IVDD病理组织，从病理生理角度深入分析。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。

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