경피적 섬유륜 천자로 만든 토끼 모델에서 자기공명 T2 지도화를 이용한 디스크 퇴행의 정량적 분석

Abstract

연구의 목적 이 연구의 목적은 첫째, 토끼를 이용한 퇴행성 디스크 모델에서 자기공명 T2 지도화의 유용성을 검정하고, 둘째, 자기공명 T2 지도화와 퇴행성 디스크의 전통적 분석방법인 퍼만 등급법 (Pfirrmann grading), 디스크 높이 지표 (disc height index) 결과와의 관련성을 알아보며, 셋째, T2 이완시간과 퍼만 등급 (Pfirrmann grade)의 조직학적 소견과의 연관성을 밝히는 것이다.

연구 재료와 방법 16마리 토끼의 요추 디스크에 투시하 경피적 섬유륜 천자를 시행하여 퇴행성 디스크 모델을 만들고, 각 토끼마다 하나의 디스크는 대조군으로 하였다. 요추 측면 촬영, 자기공명 T2 강조 시상면 영상, 자기공명 축상면 T2 지도화를 각 토끼에서 섬유륜 천자 전, 섬유륜 천자 2주 후, 4주 후의 세 차례씩 시행하였다. 요추 디스크의 높이는 요추 측면 촬영에서 일정 시간 간격을 두고 두 번 측정하여 평균을 구하였다. 그리고 디스크 높이 지표는 해당 디스크를 대조군에 해당하는 디스크 높이와 비교한 상대적 디스크 높이에서부터 계산하였는데, 이는 마취의 깊이에 따른 측정오차를 줄이기 위함이다. 퍼만 등급법은 자기공명 T2 강조 시상면 영상을 토대로 판단하였는데, 등급 1 (정상 디스크)에서 등급 5 (심한 퇴행성 디스크)로 분석하였다. T2 지도화 영상에서는 5 밀리미터 크기의 관심영역을 디스크의 수핵 중앙에 그려 그 평균 신호강도에서부터 계산되었다. 조직학적 점수는 hematoxylin과 eosin 염색된 디스크의 정중시상면 단면에서 분석하였다. 통계법은 T2 이완시간과 디스크 높이 지표, 퍼만 등급을 비교하기 위하여 1-way ANOVA 법을 이용하였다. T2 이완시간과 퍼만 등급을 조직학적 점수와의 연관성을 검정하는 것은 Spearmanns rho 법을 이용하였다.

연구 결과 16마리 토끼의 153개 디스크가 이 연구에 포함되었는데, 퍼만 등급법으로는 등급 1 (75개), 등급 2 (30개), 등급 3 (23개), 등급 4 (25개)로 분류되었고, 등급 5의 퇴행성 변화를 보인 디스크는 없었다. 퍼만 등급 1, 등급 2, 등급 3, 등급 4 디스크들의 관심영역에서 계산된 T2 이완시간은 각각 132.6 ± 19.4 ms, 113.0 ± 7.4 ms, 81.1 ± 10.4 ms, 66.7 ± 5.8 ms였다. 1-way ANOVA법으로 검정한 결과, T2 이완시간은 같은 퍼만 등급으로 분류된 디스크 그룹간에 유의한 차이를 보였다 (P<0.05). 그러나 디스크 높이 지표는 정상 디스크 (퍼만 등급 1)와 퇴행성 디스크 (퍼만 등급 2, 3, 4) 사이에서만 유의한 차이가 있었다 (P<0.05). T2 이완시간과 퍼만 등급은 조직학적 점수와 강한 선형적 상관관계를 보였다 (각각의 상관계수=-0.805, 0.829, P=0.000)

결론 토끼 모델에서 자기공명 T2 지도화를 이용한 퇴행성 디스크의 정량적인 분석은 기존의 분석방법인 디스크 높이 지표와 퍼만 등급법에 비견할 만 하며, 조직학적 소견과도 강한 상관관계를 보이는 유용한 방법이다.

Purpose: The purposes of this study are (1) to assess the validity of magnetic resonance (MR) T2 mapping on degenerated discs in a rabbit model, (2) to correlate between MR T2 mapping and classical methods specifically the Pfirrmann grading system and disc height index to assess disc degeneration, and (3) to correlate between T2 relaxation time and Pfirrmann grade and histological findings.

Materials and Methods: The degenerated disc model was developed from four lumbar discs of 16 rabbits using different gauges of needle by percutaneous annular puncture under fluoroscopic guidance. Another level of lumbar disc in each rabbit was used as the control level. Lumbar spine lateral radiographs, MR T2 sagittal scans, and MR axial T2 mapping of the lumbar discs of the rabbits were obtained three times: before annular puncture, and two weeks and four weeks after annular puncture. Disc height was measured with lumbar spine lateral radiography two times in separate sessions. Moreover, the disc height index was calculated from the relative disc height to prevent measurement error brought about by differences in depth of anesthesia. Pfirrmann grading was assessed using MR T2 sagittal images with scores from grade 1 (normal disc) to grade 5 (severely degenerated disc). Five millimeter–sized regions of interest (ROIs) were drawn in the center of the disc, and the T2 relaxation times of the ROIs were calculated from mean signal intensity of the ROIs. Histological scores were assessed in hematoxylin and eosin–stained mid-sagittal sections of intervertebral discs. A one-way analysis of variance (ANOVA) test was performed to compare T2 relaxation times to disc height index and Pfirrmann grade. T2 relaxation time and Pfirrmann grade were compared to histological findings using Spearmans rho test.

Results: A total of 153 discs from 16 rabbits were included in this study. The discs were classified as Pfirrmann grade 1 (n = 75), grade 2 (n = 30), grade 3 (n = 23), and grade 4 (n = 25). None of the discs showed grade 5 degeneration. The mean T2 relaxation times of ROIs in Pfirrmann grade 1, grade 2, grade 3, and grade 4 discs were 132.6 ± 19.4 ms, 113.0 ± 7.4 ms, 81.1 ± 10.4 ms, and 66.7 ± 5.8 ms, respectively. One-way ANOVA showed a significant difference in T2 relaxation times between different Pfirrmann grade groups (P < 0.05). However, the disc height index was significantly different only between the normal disc (Pfirrmann grade 1) and the degenerated disc groups (Pfirrmann grade 2, 3, 4) (P < 0.05). T2 relaxation time and Pfirrmann grade showed a strong linear correlation with histological score (correlation coefficient = -0.805, 0.829 respectively, p = 0.000).

Conclusion: T2 mapping of a degenerated disc model in rabbits is a valuable method for quantitative assessment of disc degeneration. Furthermore, quantitative T2 mapping is comparable to disc height index and Pfirrmann grade system, as well as correlated strongly with histological findings.