T1ρ定量磁共振成像在评估椎间盘年龄相关性退变中的优势：一项多参数对比研究

《Zeitschrift für Medizinische Physik》：Quantitative comparison of T 1, T 2, T 1ρ, and ADC for assessing age-related intervertebral disc degeneration

本研究针对椎间盘年龄相关性退变早期诊断难题，系统比较了T1、T2、T1ρ和ADC四种定量MRI参数在髓核组织的敏感性。研究发现T1ρ与年龄相关性最强（r=-0.93），年变化率达-1.28%，显著优于其他参数，为早期退变检测提供了理想生物标志物。

　　

慢性腰痛是全球范围内致残的主要原因之一，而椎间盘退变是其重要的独立危险因素。传统磁共振成像（MRI）虽然能够有效显示晚期退变的 structural abnormalities（结构异常），如椎间盘高度降低、突出等，但对早期发生的生化改变，如细胞外基质中蛋白聚糖和水分含量的细微变化，却不够敏感。这些早期生化改变往往在结构损伤出现之前就已发生，因此开发能够早期检测椎间盘退变的定量方法具有重要的临床意义。

定量磁共振成像（qMRI）通过提供可重复的数值参数，为组织生理和病理状态的客观评估开辟了新途径。参数如T₁（纵向弛豫时间）、T₂（横向弛豫时间）、T_1ρ（在旋转坐标系中的纵向弛豫时间）以及表观扩散系数（ADC）分别反映了组织水合状态、胶原结构、蛋白聚糖浓度和细胞外基质组成的不同方面。尽管已有研究探讨了这些参数中的部分在椎间盘退变中的应用，但在同一受试者、同一椎间盘水平上，系统比较所有这些参数对年龄相关变化的敏感性研究尚属空白。

为了解决这一问题，由 Lennart Notni、Maximilian Gram 等研究人员组成团队，在《Zeitschrift für Medizinische Physik》上发表了一项研究，旨在通过多参数定量MRI比较，评估T₁、T₂、T_1ρ和ADC在评估年龄相关性椎间盘退变中的相对价值，并确定最敏感的影像学生物标志物。

主要技术方法

研究纳入了20名健康志愿者（平均年龄40±15岁，范围19-64岁）。使用3T临床全身MRI扫描仪（Siemens Magnetom Prisma）和脊柱32通道接收线圈，在L3/L4椎间盘水平进行成像。采用了一套全面的成像方案，总采集时间为33分钟，分别获取T₁、T₂、T_1ρ和ADC的定量图。T_1ρ测量采用了平衡自旋锁（B-SL）准备模块以优化稳定性，T₁量化使用反转恢复序列，ADC测定采用基于自旋回波的扩散加权序列与读出分段平面回波成像（EPI）读出来减少伪影。T₁、T₂和T_1ρ测量采用螺旋读出策略。通过逐像素拟合程序生成定量参数图。手动勾画感兴趣区域（ROI）将椎间盘分割为髓核（NP）和纤维环（AF），并进行区域特异性统计分析，包括配对t检验、Wilcoxon-Mann-Whitney U检验以及评估与年龄相关性的线性回归分析。

研究结果

1. 参数分布与区域差异

所有定量参数在髓核中的平均值均显著高于纤维环（T₁(NP): 1536 ± 258 ms vs T₁(AF): 1076 ± 88 ms；T₂(NP): 80 ± 19 ms vs T₂(AF): 40 ± 6 ms；T_1ρ(NP): 104 ± 30 ms vs T_1ρ(AF): 52 ± 10 ms；ADC(NP): 2000 ± 167 × 10^?6 mm²/s vs ADC(AF): 1336 ± 154 × 10^?6 mm²/s）。统计检验显示髓核与纤维环之间所有参数的差异均具有高度统计学显著性（p值远小于0.05），且效应量大（Cohen's d值均大于0.8），证实了定量MRI有效区分椎间盘内不同组织的能力。

2. 年龄相关性分析

线性回归分析显示，在髓核区域，所有四个参数均与年龄呈显著的负相关（p < 0.05），即参数值随年龄增长而下降。相反，在纤维环区域，未发现任何参数与年龄存在显著相关性。在髓核中，T_1ρ表现出与年龄最强的负相关性（相关系数 r = -0.93），其次是T₁（r = -0.89）和T₂（r = -0.74），ADC的相关性相对最弱（r = -0.68）。计算年变化率（线性拟合斜率与19岁时估计值的比值）显示，T_1ρ的年变化率最大（-1.28 %/年），其次是T₂（-1.06 %/年）、T₁（-0.79 %/年）和ADC（-0.24 %/年）。

研究结论与讨论

本研究首次在体内对同一椎间盘同时测量T₁、T₂、T_1ρ和ADC参数，并系统分析了它们与年龄的关系。研究结果明确显示，年龄相关的椎间盘退变主要发生在髓核组织，这与髓核富含水分和蛋白聚糖，随年龄增长其含量下降的生物学过程一致。纤维环未显示显著年龄相关性，可能与其不同的组织结构和更慢的退变进程有关。

在评估的四个参数中，T_1ρ表现出最强的年龄依赖性和最大的年变化率。这支持了研究初始的假设，即T_1ρ对慢速大分子相互作用，特别是对蛋白聚糖浓度的变化高度敏感，使其在检测椎间盘早期生化退变方面具有独特优势。其强大的相关性（r = -0.93）凸显了它作为早期椎间盘退变生物标志物的巨大潜力。

研究的优势在于使用了标准化的多参数成像协议，并在同一解剖位置进行比较，减少了变异。采用的螺旋读出技术和优化的序列设计有助于获得高质量数据。然而，研究也存在一些局限性，例如横断面设计、样本量相对较小、仅检查了L3/L4单个椎间盘水平，以及每个年龄点仅有一个受试者数据，限制了区分真实衰老效应与个体差异的能力。

总之，这项研究证实了在3T临床扫描仪上进行椎间盘多参数定量MRI的可行性。在所有研究的参数中，T_1ρ在髓核中显示出与年龄最强烈的负相关和最大的相对年变化率，表明它可能是监测年龄相关性椎间盘早期退变的最敏感指标。这些发现为将来开展更大规模、多中心研究，验证T_1ρ的临床效用，并最终开发用于早期检测和监测椎间盘退变的标准化定量MRI协议奠定了重要基础。未来的研究方向包括将这种方法应用于多个椎间盘水平、结合纵向研究设计、利用人工智能进行更精细的空间分析，并探索其在有症状患者群体中的诊断和预后价值。