Characterization of spinal tissue in lumbar spinal stenosis by advanced image analysis of MR images
No Thumbnail Available
Date
2025-03-24
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Background. Lumbar spinal stenosis (LSS) is known for causing back and leg pain due to nerve compression but the impact on structures such as intervertebral discs (IVDs), vertebrae, and ligaments is still poorly understood. This knowledge gap may limit the diagnostics and the optimization of the treatment plans for patients with LSS. The aim of the present study was to investigate whether patients with LSS exhibit tissue changes at index levels and at lumbar levels designated for surgery.
Method. In 350 LSS-patients awaiting surgery, the IVDs (L1/L2 – L5/S1) and vertebrae (L1 – S1) in both T1- and T2-weighted MR images were segmented. Mean signal intensities (SIs) and standard deviations (SDs) of the means were determined globally and regionally within the segmented IVDs and globally within the vertebrae. Additionally, Δμ (a metric of disc degeneration) was determined and the entropy of the vertebral SI was introduced as a novel metric to evaluate disorganization. All metrics were analyzed for index level and levels planned for surgery and compared between groups. Additionally, Δμ and entropy were correlated to age.
Results. Statistical differences in the metrics mean SI and SD were observed between index and non-index levels, as well as between segments planned and not planned for surgery. The largest differences were found in the nucleus pulposus, located in the central regions of the IVD and including subregion 2,3 and 4 (p <0.04). For vertebrae statistical differences were observed in SD and entropy for both index- and surgery level. Vertebral entropy demonstrated the strongest correlation with index levels (r = -0.166; p= 0.002). While Δμ did not display a statistical difference at a specific index level, it displayed an age dependence (e.g., IVD L1/L2; r = 0.399, p <0.001) at most lumbar levels, except at L4/L5 (r = -0.0975, p= 0.070). Δμ did also depend on specific lumbar level. In contrast, vertebral entropy displayed an age dependence at all levels, but no level-specific variation.
Conclusions. This explorative study shows distinct differences in tissue characteristics in patients with LSS that correlate with index level and levels planned for surgery. As expected, Δμ was found to depend on both age and spine level. In IVDs at level L4/L5, however, an age-dependency could not statistically be established. Notably, vertebral tissue seemed to display a more homogenous pattern with age, as determined by a decreased entropy. This may reflect the transition in the bone marrow composition in older individuals. Further research is needed to explore the combined impact of multiple metrics and develop predictive tools for earlier intervention and improved clinical decision-making.
Description
Bakgrund. Lumbal spinal stenos (LSS) är känt för att orsaka rygg- och bensmärta på grund av nervkompression, men påverkan på strukturer såsom mellankotsskivor (IVDs), kotor och ligament är fortfarande dåligt förstådd. Denna kunskapslucka kan begränsa diagnostiken och optimeringen av behandlingsmetoderna för patienter med LSS. Syftet med denna studie var att undersöka om patienter med LSS visar vävnadsförändringar på indexnivåer samt på nivåer som är planerade för operation.
Metod. Hos 350 patienter med LSS, planerade för operation, segmenterades IVDs (L1/L2 – L5/S1) och kotor (L1 – S1) i både T1- och T2-viktade MR-bilder. Medelsignalintensiteter (SIs) och standardavvikelser (SDs) av medel SI bestämdes globalt och regionalt för IVDs och globalt för kotorna. Dessutom bestämdes Δμ (ett mått på diskdegeneration) och entropi för kotorna introducerades som ett nytt mått för att utvärdera oordning. Alla mätvärden analyserades på indexnivå och nivåer planerade för operation och jämfördes mellan grupper. Dessutom analyserades ålder i relation till både Δμ och entropi.
Resultat. Statistiska skillnader observerades för måtten medel SI och SD vid jämförelse av indexnivå och icke indexnivå, samt mellan segment som planerades och inte planerades för operation. De största skillnaderna återfanns i nucleus pulposus, den mer centrala regionen hos IVD och inkluderar subregion 2,3 and 4 (p <0,04). För kotor observerades skillnader i SD och entropi för både index och operationsnivå. Studien visade också att de centrala subregionerna av IVDs, innehållandes nucleus pulposus (NP), påverkades mest av indexnivå. Entropi i kotorna visade den starkaste korrelationen med indexnivå (r = -0,166; p =0,002). Δμ visade inte på någon statistisk skillnad på specifik indexnivå, det påvisades däremot ett åldersberoende på de flesta nivåerna (tex. L1/L2; r = 0,399, p <0,001), förutom för IVD L4/L5 (r = -0,0975, p =0,070). Δμ varierade dessutom med ryggradsnivå. Däremot visade entropin i kotorna på ett åldersberoende på alla nivåer, men ingen nivåspecifik variation.
Slutsatser. Denna explorativa studie visar skillnader i vävnadsegenskaper hos patienter med LSS som korrelerar till indexnivå och nivåer som planeras för operation. Δμ visade sig bero på både ålder och nivå, som förväntat. Däremot kunde inget åldersberoende fastställas för IVDs L4/L5. Värt att notera är att kotornas vävnad visade mer homogenitet med ökad ålder, vilket påvisade genom minskad entropi. Detta skulle kunna spegla övergången i benmärgsinnehållet hos äldre individer. Ytterligare forskning behövs för att utforska den kombinerade effekten av flera mått och därmed utveckla prediktiva verktyg för tidigare intervention och förbättrat kliniskt beslutsfattande.
Keywords
Entropy, DeltaMu, vertebrae, Intervertebral discs, Signal Intensity, Degeneration, MR, Lumbar Spinal Stenosis