腰椎MRI上的这个信号是腰痛和坐骨神经痛的标记

2021-03-17 26 人看过

前言

腰痛(low backpain,LBP)会导致功能障碍、生活质量下降、工作能力下降、潜在的心理困扰和医疗费用增加。腰椎MRI可以用来明确LBP的潜在病因,并有助于指导治疗。然而,临床体征和MRI表现之间经常存在差异。另外,骨科医生对腰椎MRI表型(如黑色椎间盘、终板异常和Modic改变)缺乏了解而做出不恰当的治疗决策可能是LBP患者脊柱手术失败率相对较高和预后较差的原因。据报道,这类腰椎表型可与疼痛通路相互作用或是疼痛产生的源头,因此有可能在决策过程中具有新的临床实用价值,并进一步强调了对影像学表型进行分析的重要性。

高信号区(high-intensityzones,HIZ)是在T2加权相(T2-weighted,T2W)MRI上椎间盘高信号区的一种表型(图1)。最初由Aprill和Bogduk于1992年报道,作为识别症状性椎间盘的潜在影像学标志,HIZ与腰椎间盘突出症的临床相关性在过去20年中一直备受讨论并被仔细研究。一些研究者根据椎间盘造影上一致的疼痛反应提出它具有作为LBP诊断性影像学标志的作用,而另一些研究者则没有发现类似的相关性。然而,在这些研究报告中,有症状和无症状的受试者中HIZ的发病率差别很大。

关于HIZ的病理、病程、形态和部位还存在其他争议。研究者之中未能达成共识的原因包括:对HIZ缺乏标准化的影像学表现及临床表型描述、特定的磁共振序列分辨率不佳、研究从不同的人口学统计学中进行不适当的受试者抽样、统计分析不足、与职业/生活方式因素及其他脊柱表型存在交互作用。然而最近,随着基于大规模人群的研究(图1)对6种类型的HIZ进行了详细的分类,研究者们对HIZ表型的理解已经大大拓宽了(图1)。HIZ可能出现在整个椎间盘的不同位置,具有不同的形态,可能涉及一个以上的腰椎间盘节段。随着对HIZ以及其他MRI表型临床作用的深入了解,HIZ与其临床相关性之间的关键争议需要重新审视。

图1:高强度区分类。在T2加权相矢状面MRI上,高信号区(HIZ)被定义为位于纤维环内的高信号(白色)被低信号(黑色)所包围。根据HIZ的形状(圆型、裂缝型、垂直型、边缘型和膨大型)和椎间盘内的位置(后部或前部)建立6种类型的HIZ。影像学表现为(A)后部圆型,(B)前部圆型,(C)后部裂缝型,(D)前部边缘型,(E)后部垂直型,(F)前部膨大型。

由于上述围绕HIZ的问题及其临床相关性,本文基于人群的队列研究探讨了不同类型的腰椎HIZ是否与LBP以及腰部相关功能障碍和坐骨神经痛显著相关。

方法学

研究人群及研究设计

这是一项基于香港椎间盘退变人群队列的横断面分析。本研究获得了所有受试者的知情同意,当地机构审查委员会批准了研究伦理。受试者是通过报纸广告、海报和电子邮件公开邀请招募的。没有积极招募患有LBP或坐骨神经痛的受试者。这项研究招募的受试者无论性别和认知功4存在LBP。然而,在我们的受试者样本中,为了评估LBP的选择偏差,我们进行了微卫星标记频率(microsatellitemarker frequencies)的测试。这项比较的结果显示,受试者样本可以代表一般人群。研究样本和招募程序已在既往的其他文献中更详细地描述过。

腰痛、坐骨神经痛以及LBP相关功能障碍

LBP及坐骨神经痛持续时间被记录为过去1年内疼痛时间为0天、1-7天、8-30天、超过30天,或每天。用视觉模拟评分法(visual analog scale,VAS)记录既往最差的LBP经历。为了利于分析,LBP的持续时间被分为30天以下或30天以上。根据疼痛程度分为无疼痛或轻度疼痛(VAS<3)、中度疼痛(VAS为3−5.9)以及严重疼痛(VAS>6)。持续性严重LBP被定义为持续至少30天的严重LBP。坐骨神经痛也被定义为向一侧或双侧下肢膝关节以下放射并持续30天以上的疼痛,这被标记为既往最严重的坐骨神经痛经历。LBP相关功能障碍被定义为使用Oswestry功能障碍指数(Oswestry Disability Index,ODI)进行评估时,评分≥15%。

MRI方案

使用3T矢状位T2加权相、无脂肪抑制腰椎(L1−S1)MRI。采用如下方案:重复时间3320ms,回声时间85ms,层厚5mm,层间距1mm,视野280×240mm,成像矩阵448×336。HIZ被定义为位于纤维环(annulus fibrosus,AF)物质中的一种明亮的白色信号,它与髓核(nucleus pulposus,NP)的信号明显分离。它也被AF的低信号(黑色)包围,反过来,亮度与T2加权相矢状面MRI上相同节段的脑脊液信号相似。

对MRI进行评估

对HIZ的详细分类及其与其他MRI表型的相关性进行了评价。所采用的HIZ分类是基于椎间盘节段、形状(圆型、裂缝型、垂直型、边缘型和膨大型)和在椎间盘内的位置(后部或前部)(图1)。另外,定义了形态学和位置的变量(图2),包括不存在HIZ、单节段或多节段HIZ。多节段HIZ(即2个或2个以上腰椎节段)被进一步定义为同质性(相同的形态学类型和位置)或异质性,也被称为“混合型”(不同的形态学类型和位置)。

图2:高信号区(HIZ)的形态学和位置变量:(A)正常腰椎,表示不存在HIZ;(B)单节段HIZ,表示整个腰椎只存在一个HIZ;(C)多节段同质性HIZ,表示存在多个相同类型的HIZ;以及(D)多节段异质性HIZ,表示存在多个不同类型的HIZ。

形态学HIZ变量由一位委员会认证的骨科医生(MT医生)评估,该医生无法接触到受试者的信息。对HIZ进行了观察者内和观察者间的可靠性测试。对其他MRI表型的可靠性评估在其他地方也有报道,并被认为是好到优。两位阅片医生(MT医生和JC医生)对两组单独的50个随机选择的MRI进行HIZ观察者内和观察者间的可靠性评分。这些评估是独立进行的,间隔超过1个多月,阅片医生无法接触到受试者的信息。使用kappa分析可靠性,观察者内和观察者间可靠性分别为0.99和0.83(p<0.001,95%可信区间(CI):MT医生为0.98-0.99,JC医生为0.73-0.91)。kappa>0.90被认为是优,0.80-0.90被认为是良,0.60-0.80被认为是一般,<0.60被认为是差。在完成可靠性评估后,任何分类上的分歧都将以协商一致的方式解决。

使用Pfirrmann分类对椎间盘退变进行评估,每个椎间盘的评分从1(正常)到5(最严重)不等。椎间盘移位评估为椎间盘膨出、突出或脱出。椎间盘膨出被定义为椎间盘向后移位超过相邻椎体后缘的连线。椎间盘突出表现为髓核移位超出AF的范围。当椎间盘前后缘超过椎间盘空间的距离大于椎间盘上下缘之间的距离时,则为椎间盘脱出。Modic改变是椎体终板的高信号改变。存在Modic改变被定义为整个腰椎中的一个或多个节段存在Modic改变。由于只使用了T2加权相MRI,我们没有区分不同类型的Modic。将所有5个腰椎节段(L1-S1)的单项评分相加,得出椎间盘退变综合评分,并进一步分为2类:椎间盘退变评分<16分为正常至轻度退变,评分≥16为中度至重度退变。椎间盘移位评分为每个椎间盘,膨出/突出为1分,脱出为2分。将所有5个腰椎节段评分相加,计算椎间盘移位总分,分为2类进行分析:<2为正常至轻度椎间盘移位,≥3为中度至重度椎间盘移位。

生活方式因素

测量身高(m)、体重(kg)和体重指数(body mass index,BMI,kg/m2)。将吸烟因素分为非吸烟者、一生中吸烟≤10包/年、一生中吸烟>10包/年。根据一包香烟的数量,根据受试者吸烟的频率(每天吸烟)和持续时间(年份)来计算1包/年。体力工作负荷根据职业进行评估,进一步划分为久坐、轻、中、重或非常重,从1到4。

统计学分析

使用JMP 8(日本东京SAS研究所)进行所有统计学分析。对所有变量进行描述性统计,并与HIZ进行比较,使用t检验(年龄、BMI),使用Mann-Whitney U检验(LBP强度、ODI、椎间盘退变和椎间盘移位评分)以及使用卡方检验(性别、吸烟、工作负荷重/非常重、持续性严重LBP、持续性坐骨神经痛、LBP相关功能障碍和是否存在Modic改变)进行比较。

数据以平均值±标准差来表示。采用Logistic回归分析持续性严重LBP、坐骨神经痛和LBP相关功能障碍与单节段、多节段同质性和多节段异质性HIZ的相关性。计算未调整的优势比(OR)和95% CI,以评估与没有HIZ的患者相比,每种HIZ与持续性严重LBP、坐骨神经痛和LBP相关功能障碍之间的粗略关联。在调整了年龄、性别和BMI、中度椎间盘退变、中度椎间盘移位和存在Modic改变后,多变量Logistic回归模型评估了每个HIZ与结果变量之间的关联。另外,多因素Logistic回归分析评估了单节段HIZ、前部多节段HIZ、后部多节段HIZ和前后部多节段HIZ与持续性严重LBP的相关性。在p<0.05处建立有统计学意义的阈值,并评估相应的95% CI。

结果

人群特征影像学研究

本研究对1414名受试者进行了影像学检查。然而,只有1214名(86%)参加问诊和查体的受试者被纳入分析。其中女性761名(63%),男性453名(37%),平均年龄为48.1±6.3岁。平均BMI为23.4±3.5kg/m2,72名(5.9%)受试者一生中吸烟超过10包/年。96名(7.9%)报告工作负荷重或非常重。

HIZ的发生率

HIZ的发生率为59.1%(n=718),其部位分别为后部50.7%(n=364)、前部29.5%(n=212)和后部/前部19.8%(n=142)。在718名受试者中,53.3%为单节段HIZ(n=383),32.5%为两个节段HIZ(n=233),11.1%为三个节段HIZ(n=80),3.1%为四个节段HIZ(n=22)。335名多节段HIZ受试者中,40.0%为同质性HIZ(n=134),60.0%为异质性HIZ(n=201)。134名同质性HIZ受试者中,同质性HIZ的前后部比例分别为40.3%(n=54)和59.7%(n=80)。

HIZ与人口学因素

有HIZ的受试者年龄较大(48.8±6.3对47.2±6.1,p<0.0001)。性别、BMI、吸烟>10包/年、工作负荷重/非常重与HIZ的存在没有显著相关。

HIZ和其他MRI表型

HIZ患者的椎间盘退变评分(13.3±2.7对11.8±3.5,p<0.001)和椎间盘移位评分(3.8±2.1对2.4±2.1,p<0.0001)显著更高。然而,在Modic改变中没有观察到这种相关性(17.7%对14.1%,p=0.09)。

HIZ和临床参数

有的受试者经历持续性严重LBP的频率更高(分别为39.6%对32.5%;p=.011)。然而,没有观察到持续性坐骨神经痛和LBP相关功能障碍的相关性。同质性HIZ(OR为1.57;95%CI为1.10−2.23)和异质性HIZ(OR为1.53;95%CI为1.02−2.31)均有较高的持续性严重LBP风险。在完全调整的多变量回归分析中,单节段HIZ未显示出持续性严重LBP的显著风险(OR为0.84;95%CI为0.63−1.12)。后部多节段HIZ与持续性严重LBP显著相关(OR为2.18;95%CI为1.42−3.37),而前后部多节段HIZ与持续性严重LBP无关(OR为1.09;95%CI为0.66−1.80,OR为1.46,95%CI为0.97−2.19)。

在完全调整的模型中,同质性HIZ持续性坐骨神经痛的风险更高(OR为1.51;95%CI为1.01−2.27)。然而,单节段HIZ(OR为0.94;95%CI为0.70−1.24)和异质性HIZ(OR为1.17;95%CI为0.82−1.66)未观察到类似的结果。HIZ的存在不会增加LBP相关功能障碍的风险(异质性HIZ的OR为1.21;95%CI为0.81−1.77;同质性HIZ的OR为1.31,95%CI为0.83−2.04)。

讨论

据我们所知,这是采用详细系统以及标准化的方法来评估HIZ与LBP、坐骨神经痛和LBP相关功能障碍之间相关性的最大规模研究。我们的大规模人群研究首次注意到腰椎多节段同质性HIZ与持续性严重LBP和坐骨神经痛有显著和独立的相关性。

在LBP患者中,HIZ的总体发病率在文献中为14%-63%,然而这些研究中的大多数都存在缺陷,没有用于比较的症状组,缺乏对照,并利用了不同的人群。既往Wakayama的脊柱研究报告了在814名日本受试者中HIZ的总体发病率为38.0%,而在本研究中HIZ的发病率为59.1%。发病率的差异可能归因于日本研究中的队列受试者年龄较大(63.6岁对48.1岁),既往研究的进一步支持在纤维环撕裂/HIZ中存在类似的年龄效应。

HIZ是否导致患者出现症状仍存争论,这是由于研究的证据结果相互矛盾,这些研究在评估不同的人群时效力不足,缺乏对照和标准化,并且对影像学表型及其标准化了解很少。一些研究者认为HIZ可以作为椎间盘源性LBP的MRI生物标记,因为它在刺激性椎间盘造影上的疼痛反应是一致的。然而,其他研究者无法复制这些最初的发现。另外,Carragee等人的结果显示,在大约70%的病例中椎间盘造影剂注射会引起明显的疼痛,无论患者本来是否存在疼痛。

这表明,即使椎间盘造影注射在有HIZ的椎间盘中可能会产生明显的疼痛,该椎间盘可能不是LBP的原因。另外,Carragee等人回顾了文献,椎间盘造影注射诊断LBP的敏感性和可靠性是值得怀疑的。因此,刺激性椎间盘造影研究在明确LBP方面的作用有限,类似的争议也存在于基于人群、用于研究HIZ和LBP之间相关性的纵向研究中。在本研究中,使用详细的HIZ分类和评估,并调整了混杂的生活方式/环境和其他影像学表型因素进行彻底的评估,发现多节段的同型HIZ与持续性/严重LBP有很强的相关性。

另外,Samartzis等人多年来基于大规模研究的其他研究已经清楚地表明,即使在没有症状的受试者中也可能存在脊柱退化;然而,MRI表型的严重性、特异性和聚集性可能更能说明疼痛的发展和严重程度。当然,这并不意味着存在的所有单一节段HIZ都是无症状的和不重要的。当然,可能有种族、宗教、终生经历、压力源、疼痛遗传因素,以及其他可能在疼痛表达中起作用的因素,需要进一步研究。本大规模基于人群研究也能够解决HIZ和持续性坐骨神经痛之间的相关性。调整混杂因素后,多节段同质性HIZ是持续性坐骨神经痛的重要危险因素。从它的病理学来看,这是一个明智的联系。HIZ是充满液体的区域,代表撕裂的AF之间分离的NP的一部分,通过继发性炎症导致肉芽组织或新生血管形成。因此,可能产生促炎因子和介质来使脊神经的伤害性感受器敏化。本研究进一步强调,特定的HIZ类型和模式可能比其他类型与坐骨神经痛更相关。

至于根据ODI评估的功能障碍,我们找不到与HIZ存在任何重要相关性。因此,HIZ可能不会对用ODI作为评估工具的功能障碍产生重大影响。这些发现说明了这种影像学表型具有更尖锐的性质,这需要进一步的研究。

大多数研究者认为HIZ是退变级联中的一个步骤,因此与椎间盘退变密切相关。HIZ常伴有NP的形态变化,可能与随后更快的髓核退化有关。然而,由于缺乏确凿的证据,一些研究者对这些发现持怀疑态度。在本研究中,我们发现HIZ与椎间盘退变密切相关。椎间盘移位,如椎间盘膨出和突出,也是椎间盘退变的重要表型。Yu等人的大体研究证明椎间盘突出与纤维环撕裂有关。Teraguchi等人在基于人群的队列研究中进一步支持了这一结论。HIZ导致髓核相对于AF发生移位,因此,椎间盘周边变弱,有脱出的危险。根据髓核移位的程度,髓核可能会发生膨出或突出。

在目前的文献中还不清楚哪些危险因素会导致HIZ。尽管创伤性椎间盘破裂是可能的发生机制,Park等人的研究显示,99名HIZ患者中有57名(58%)既往没有创伤史,只有17名有创伤史的患者经历过足以导致椎间盘破裂的高能损伤。然而,这些发现的证据有限,需要进一步研究。尽管创伤史没有在本队列研究中进行研究,但我们没有发现沉重的工作负荷与Modic变化,以及创伤或超负荷的替代与HIZ之间存在任何显著的相关性。没有发现其他生活方式/环境因素与HIZ有关。

与任何临床研究一样,本研究也存在局限性。本研究是一项横断面研究,因此我们不能得出任何因果关系。尽管这些志愿者是从普通人群中招募的,但公开招募存在固有的偏倚和影响。然而,根据我们之前的分析,我们发现我们的队列能很好地代表一般人群。另外,与评估类似参数的其他基于人群的研究相比,我们的队列在评估各种人口学、生活方式/环境、影像学和临床资料维度方面仍然更加详细。另外,由于种族人口学的同质性,这将潜在的种族混淆和偏倚降至最低。

尽管如此,还需要进一步的研究来明确我们的发现在其他种族群体中具有普适性。也就是说,我们的研究第一次提高了人们的意识,并提供了一个框架,即在讨论临床影像学特征时,应该评估特定的HIZ“模式”和“类型”。然而,我们的研究没有纳入对每个志愿者的查体或对躯体症状放大问题的评估。话又说回来,我们的受试者不是以患者为基础的,也不是根据疼痛特征招募的,这可能会使躯体症状放大的因素进一步复杂化。

最后,LBP的发展是多因素的,因此可能由多种因素引起,例如骨质疏松症、腰背部肌肉拉伤、心理社会问题、疼痛遗传等。因此,并不是所有的影像学表现都是LBP的确切疼痛来源。然而,由于本研究的影像和临床资料规模非常大,以及我们对各种MRI表现进行深入地分型,我们可以得出结论,HIZ,尤其是后部多节段HIZ,可能具有重要的临床相关性,代表着一种需要研究者和临床医生共同关注的独特病理过程。这些发现需要进一步探讨,并进一步考虑它们对LBP患者临床决策的影响。

在精准医学和个性化脊柱治疗的时代,了解个体的“脊柱表型特征”至关重要。这可以更好地识别用于诊断的疼痛来源,并有助于制定更精确的临床治疗算法,最终将提高患者的结果并带来更好的成本效益。有了这样的理解,可以进一步强化新的再生椎间盘疗法和患者选择,以及它们各自的结果。

另外,HIZ图谱可能会带来先进的MRI表型靶向治疗,或作为临床医生诊断和临床治疗LBP的标志。这项研究强调,HIZ的特定模式不应被“排除”,它可能是重要的MRI生物标志。也可能是这样的情况,即这种表型与椎间盘移位密切相关;然而,后部多节段HIZ与疼痛特征独立相关,可能代表了一种独特的潜在病理过程,可能代表了更活跃的椎间盘炎症和疼痛生成。随着机器学习和自动影像学分析的创新,HIZ是一种临床相关的影像学表型,应予以注意和描绘。另外,我们的研究还为进一步研究HIZ的分子发病机制、遗传学和预测模型提供了依据。

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