DTI在腰椎間盤突出癥神經(jīng)根受卡壓中的應(yīng)用

施夢(mèng)燁,滕皋軍

(東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 放射科，江蘇 南京 210009)

目前，腰椎間盤突出癥的發(fā)病率愈來愈高，下腰痛已成為當(dāng)今世界最為普遍、代價(jià)最高的健康問題之一[1]。有研究人員報(bào)道腰椎神經(jīng)根中最常受累的是L5神經(jīng)根(75%)，其次是L4(15%)、L3(5%)、L2(4%)神經(jīng)根[2]。

自從影像學(xué)技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)腰椎間盤突出癥以來，經(jīng)過影像學(xué)的飛速發(fā)展，愈來愈多的影像技術(shù)例如X線、CT、脊髓造影、MR成像等被應(yīng)用于腰椎間盤突出癥的診斷。其中，磁共振通過多重對(duì)比，如T1、T2加權(quán)成像的對(duì)比具備多維成像能力、高的空間分辨率和好的解剖顯示作用，被認(rèn)為在診斷腰椎間盤突出癥方面敏感性優(yōu)于其他檢查，甚至優(yōu)于脊髓造影與CT的聯(lián)合使用[3]，故而成為評(píng)價(jià)脊柱的主要影像學(xué)技術(shù)[4]。然而，不幸的是尸檢、脊髓造影、CT、MR都顯示出了在許多沒有腰背痛的患者中存在腰椎間盤突出癥[5- 6]，由髓核引起的神經(jīng)根炎癥而不伴神經(jīng)根受壓的情況也被詳細(xì)描述過[7]。這就意味著腰椎間盤突出癥的MR表現(xiàn)與患者的臨床癥狀間存在差異性，MR對(duì)于腰椎間盤突出癥的診斷缺乏特異性。因此，能將影像學(xué)表現(xiàn)與腰椎間盤突出癥臨床癥狀結(jié)合起來的新的影像學(xué)技術(shù)正被迫切需要[6- 7]，而腰椎的彌散張量成像(DTI)被認(rèn)為可以提高診斷的特異性[4]。

DTI技術(shù)由Basser等在1994年首次被提出[8]，此后被廣泛用于證實(shí)腦、脊髓及各種器官包括肝、心、關(guān)節(jié)軟骨等的微結(jié)構(gòu)改變[9- 10]。最近，DTI開始被用于評(píng)價(jià)和診斷多發(fā)性硬化[11]和周圍神經(jīng)受壓紊亂如腕管綜合征[12]、新生物存在時(shí)的臂叢神經(jīng)狀況[13]等。因?yàn)镈TI成像技術(shù)除了可以提供神經(jīng)纖維束信息，還允許對(duì)神經(jīng)微結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行探測(cè)[14]。最近，Eguchi 等已開始將DTI技術(shù)應(yīng)用于腰椎神經(jīng)根的研究中[6- 7]。結(jié)果表明,DTI在評(píng)價(jià)腰椎神經(jīng)根疼痛方面是一種有價(jià)值的技術(shù)[6- 7,15]。

1 DTI的原理

DTI是一種以組織中水分子擴(kuò)散各向異性為基礎(chǔ)的功能磁共振成像[16]，它是彌散張量追蹤成像的一種延伸，當(dāng)水分子與組織相互作用時(shí)DTI能夠敏感地檢測(cè)到水分子的運(yùn)動(dòng)，這樣就可以反映出當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)環(huán)境[17]。因?yàn)樗肿釉诮M織中是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的，即進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)[17]，并且水分子彌散的改變常常是領(lǐng)先于傳統(tǒng)MRI上的形態(tài)學(xué)變化的[4,7]。

在DTI中，使用一些列彌散梯度能夠決定3個(gè)獨(dú)立方向的向量[17]。與垂直于主要纖維的方向相比，沿著平行于軸突縱軸方向水分子的彌散要迅速7倍之多[17]。垂直于軸突方向的限制水分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)包括髓鞘、軸突膜和軸漿內(nèi)的神經(jīng)纖絲[17- 18]。目前，DTI有4個(gè)最常用的測(cè)量方式，這4個(gè)測(cè)量方式衍生于3個(gè)本征向量，這3個(gè)本征向量定義了在每個(gè)體素中的彌散橢圓體[17]。每個(gè)體素的本征向量可以被測(cè)量[17]，這3個(gè)本征向量用e1、e2、e3表示,其中主本征向量e1與水分子擴(kuò)散最強(qiáng)方向平行。

本征值是這3個(gè)本征向量的長(zhǎng)度等級(jí)，并且代表著在3個(gè)原理方向的彌散等級(jí)、彌散系數(shù)[17]。3個(gè)本征向量對(duì)應(yīng)的本征值則用λ1、λ2、λ3表示，λ1、λ2、λ3的描述通常借助橢球體的3個(gè)直徑，3個(gè)值大小分別代表橢球體最長(zhǎng)徑(最長(zhǎng)軸)、前后徑(中問軸)和左右徑(最短軸)的彌散強(qiáng)度。彌散橢圓球的最長(zhǎng)軸代表最大的彌散值和方向，而最短軸則代表最小彌散值和方向。如果這3個(gè)本征值是相同的，這種彌散模式就稱之為各向同性彌散，此時(shí)彌散張量就可以視為一個(gè)球體[19]。

平均彌散(MD)是一個(gè)體素內(nèi)彌散總量的數(shù)量測(cè)量，為MRI體素內(nèi)各方向擴(kuò)散幅度的均值，并且作為所有彌散張量的3個(gè)本征向量的平均值被測(cè)量，代表某一體素內(nèi)水分子擴(kuò)散的大小或程度，主要反映擴(kuò)散的速度而忽略各向異性[17]。一般情況下ADC和MD是相同的[16]。

各向異性分?jǐn)?shù)(FA)是指擴(kuò)散各向異性占所有擴(kuò)散的比值，它是3個(gè)彌散張量本征向量的加權(quán)平均[17],它的大小介于0～1之間[16]，F(xiàn)A可以反映水分子擴(kuò)散的主要方向。FA值趨于0表示擴(kuò)散趨于各向同性，表明纖維束被破壞或發(fā)育不成熟，細(xì)胞膜、髓鞘以及軸索方向的一致性被破壞或不完整；而FA值趨于1表示擴(kuò)散趨于各向異性，表明纖維束的細(xì)胞膜、髓鞘以及軸索具有良好的完整性，且發(fā)育良好[20]。也就是說組織結(jié)構(gòu)排列越規(guī)律緊密，組織的各向異性越強(qiáng)，各向異性系數(shù)越大[8]。

MD=(λ1+λ2+λ3)/3

2 腰椎間盤突出癥的DTI研究

Julio Carballido- Gamio等報(bào)道了在1.5 T和3.0 T MRI中腰椎的單激發(fā)快速自旋回波彌散張量成像(Single- shot fast spin- echo diffusion tensor imaging，DTI- SSFSE)的應(yīng)用。文中指出，在1.5 T和3.0 T MRI中DTI- SSFSE的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)證實(shí)了在計(jì)算腰椎間盤ADC值方面，DTI與線性掃描彌散成像(line scan diffusion imaging，LSDI)執(zhí)行的一樣好，但是獲得多層面圖像具有更短的獲得時(shí)間，可以使掃描時(shí)間縮短4 min。但是，速度的加快伴隨著新的問題：一個(gè)分布更廣泛的ADC值及更低的信噪比。當(dāng)然，在3.0 T MR上，DTI- SSFSE成像在保留ADC值準(zhǔn)確性上具有更高的空間分辨率，其信噪比亦可被提高[4]。

Jean- F ranεois Budzi k等報(bào)道了降低的視野(reduced field of view)較全視野(full field of view)在3.0 T MR上能顯示出更高質(zhì)量的腰椎神經(jīng)根圖像[15]。如果沒有降低的視野，所獲圖像會(huì)被偽影所影響，導(dǎo)致圖像扭曲、質(zhì)量下降，甚至不能進(jìn)行神經(jīng)纖維束的示蹤成像[15]。此外，降低的視野也會(huì)使信噪比更加均勻[15]。

Eguchi等報(bào)道：在3.0 T MRI中，使用DTI和示蹤成像技術(shù)能夠看到腰椎神經(jīng)根，顯示神經(jīng)纖維束，并能測(cè)量健康志愿者和腰椎間孔狹窄患者神經(jīng)根的FA值，從而定量評(píng)價(jià)椎間孔狹窄時(shí)的神經(jīng)根受卡壓的情況[6- 7]。文章指出，比起完整的神經(jīng)根，受到卡壓的神經(jīng)根會(huì)表現(xiàn)出更低的平均FA值[6]，表明由于受卡壓在組織中引起水腫，導(dǎo)致組織中的彌散表現(xiàn)出更高的等向性，從而創(chuàng)造出一種等向性環(huán)境和FA值的降低[6- 7]。在有著椎孔狹窄的患者中將感興趣區(qū)域放置在椎孔的近端和遠(yuǎn)端，由于FA值的降低，在椎孔中的神經(jīng)纖維束則不可見；這樣，纖維束示蹤成像技術(shù)就能夠看到腰椎神經(jīng)根纖維束的斷裂、神經(jīng)的狹窄及通過神經(jīng)根孔的凹陷切跡，通過這些解剖及精確的神經(jīng)卡壓定位信息可以幫助臨床外科醫(yī)生制定手術(shù)計(jì)劃。因而，作者相信DWI在診斷腰椎神經(jīng)根受卡壓方面會(huì)是一種有潛力的工具[6]。

3 總 結(jié)

DTI在腰椎間盤突出癥的神經(jīng)檢測(cè)研究中仍存在以下局限性：(1) 目前的相關(guān)研究均是小樣本研究；(2) 由于術(shù)中金屬器械的植入產(chǎn)生偽影大，術(shù)后無法重復(fù)試驗(yàn)；(3) 由于部分容積效應(yīng)，彌散的各向異性會(huì)變得等向性，并且方向信息亦容易丟失；(4) 在椎管狹窄的患者行纖維束示蹤成像后所呈現(xiàn)的神經(jīng)纖維束的明顯不可見并不能確定就是纖維束的缺失或是患者發(fā)生癱瘓，僅是存在等向性改變及FA值的降低[6]。盡管如此，DTI依然被認(rèn)為是診斷腰椎間盤突出癥所致神經(jīng)根卡壓的一種潛在的、具備臨床實(shí)用性的影像技術(shù)[6- 7, 15, 22]。因此，更多DTI關(guān)于腰椎間盤突出癥神經(jīng)根受卡壓的研究正迫切需要實(shí)施，以確認(rèn)這項(xiàng)新技術(shù)在該疾病方面的應(yīng)用。

[1] 孫長(zhǎng)根.后路腰椎間盤鏡手術(shù)治療腰椎間盤突出癥失誤分析[J].現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，2011,39(2):159- 161.

[2] TOMOHIRO Y,THOMAS C,TARO T,et al.Whole- body magnetic resonance neurography[J].N Engl J Med,2009,361(5):538- 539.

[3] BODEN S D,DAVIS D O,DINA T S,et al.Abnormal magnetic- resonance scans of the lumbar spine in asymptomatic subjects.A prospective investigation[J].J Bone Joint Surg Am,1990,72(3):403- 408.

[4] CARBALLIDO- GAMIO J,XU D,NEWITT D,et al.Single- shot fast spin- echo diffusion tensor imaging of the lumbar spine at 1.5 and 3 T[J].Magn Reson Imaging,2007,25(5):665- 670.

[5] JENSEN M C,BRANT M N,OBUCHOWSKI N,et al.Magnetic resonance imaging of the lumbar spine in people without pain[J].N Engl J Med,1994,331(2):69- 73.

[6] EGUCHI Y,OHTORY S,ORITA S,et al.Quantitative evaluation and visualization of lumbar foraminal nerve root entrapment by using diffusion tensor imaging:preliminary results[J].AJNR Am J Neuroradiol,2011,32(10):1824- 1829.

[7] BALBI V,BUDZIK JF,DUHAMEL A,et al.Tractography of lumbar nerve roots:initial results[J].Eur Radiol,2011,21(6):1153- 1159.

[8] 郭睿,鄧奎品,劉鐵軍.磁共振彌散張量成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2009，19(6)：762- 765.

[9] ZHANG Z,CHAN Q,ANTHONY MP,et al.Age- related diffusion patterns in human lumbar intervertebral discs:a pilot study in asymptomatic subjects[J].Magn Reson Imaging,2012,30(2):181- 188.

[10] EGUCHI Y,ORITA S,OHTORI S,et al.Clinical applications of diffusion magnetic resonance imaging of the lumbar foraminal nerve root entrapment[J].Eur Spine J,2010,19(11):1874- 1882.

[11] CRUZ L C,DOMINGUES R C,GASPARETTO E L,et al.Diffusion tensor imaging of the cervical spinal cord of patients with relapsing- remising multiple sclerosis:a study of 41 cases[J].Arq Neuropsiquiatr,2009,67(2B):391- 395.

[12] KHALIL C,HANCART C,THUC L,et al.Diffusion tensor imaging and tractography of the median nerve in carpal tunnel syndrome:preliminary results[J].Eur Radiol,2008,18(10):2283- 2291.

[13] VARGAS M I,VIALLON M,NGUYEN D,et al.Diffusion tensor imaging (DTI) and tractography of the brachial plexus:feasibility and initial experience in neoplastic conditions[J].Neuroradiology,2010,52(3):237- 245.

[14] CHHABRA A,ANDREISEK G,SOLDATOS T,et al.MR neurography:past,present,and future[J].AJR Am J Roentgenol,2011,197(3):583- 591.

[15] BUDZIK J F,VERCLYTTE S,LEFEBVRE G,et al.Assessment of reduced field of view in diffusion tensor imaging of the lumbar nerve roots at 3 T[J].Eur Radiol,2013,23(5):1361- 1366.

[16] NUCIFORA P G,VERMA R,LEE S K,et al.Diffusion- tensor MRimaging and tractography_ exploring brain microstructure and connectivity[J].Radiology,2007,245(2):367- 384.

[17] GOLD B T,JOHNSON N F,POWELL D K,et al.White matter integrity and vulnerability to Alzheimer’s disease:preliminary findings and future directions[J].Biochim Biophys Acta,2012,1822(3):416- 422.

[18] BEAULIEU C.The basis of anisotropic water diffusion in the nervous system- a technical review[J].NMR Biomed,2002,15(7- 8):435- 455.

[19] WIEGELL M R,LARSSON H B,WEDEEN V J,et al.Fibre crossing in human brain depicted with diffusion tensor MR imaging[J].Radiology,2000,217(3):897- 903.

[20] MUKHERJEE P,BERMAN J I,CHUNG S W.Diffusion tensor MR imaging and fiber tractography_ theoretic underpinnings[J].AJNR Am J Neuroradiol,2008,29(4):632- 641.

[21] 李仰康，劉國瑞.彌散張量成像技術(shù)及其應(yīng)用價(jià)值[J].放射學(xué)實(shí)踐,2003,18(12)：908- 911.

[22] KARAMPINOS D C,MELKUS G,SHEPHERD T M,et al.Diffusion tensor imaging and T(2) relaxometry of bilateral lumbar nerve roots:feasibility of in- plane imaging[J].NMR Biomed,2013,26(6):630- 637.