DTI在腰椎間盤退行性改變中的應用初探

褚相樂， 馬景旭， 邱雪玲， 鄧佳敏， 王云玲， 趙麗萍， 王紅

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·骨骼肌肉影像學·

DTI在腰椎間盤退行性改變中的應用初探

褚相樂， 馬景旭， 邱雪玲， 鄧佳敏， 王云玲， 趙麗萍， 王紅

目的：探討擴散張量成像(DTI)定量指標ADC及FA值與腰椎間盤退行性改變Pfirrmann分級的相關性。方法：將105例腰腿痛患者納入研究，所有患者行椎間盤常規(guī)MRI及矢狀面DTI掃描，根據T2WI上椎間盤的特點對525個腰椎椎間盤進行Pfirrmann(Pm)分級，觀察鄰近終板的退變情況，測量椎間盤髓核區(qū)的ADC值及FA值并比較各級椎間盤之間的差異，采用Spearman等級相關檢驗分析ADC和FA值與Pm分級的相關性，并計算2個指標對椎間盤退變(Pm Ⅳ～Ⅴ級)的診斷效能。結果：105例共525個腰椎椎間盤中PmⅠ～Ⅴ級分別有41、112、164、141和67個。經方差分析，PmⅠ和Ⅱ級椎間盤間ADC值、Pm Ⅳ及Ⅴ級椎間盤間ADC值和FA值的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，其余各分級之間2個指標的差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。經ROC分析，ADC值及FA值對Pm Ⅳ、Ⅴ級椎間盤的診斷效能分別為0.846和0.932，兩者間差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。Spearman秩相關分析顯示，椎間盤退變Pm分級與ADC值呈負相關(rs=-0.66，P<0.05)，與FA值呈正相關(rs=0.805，P<0.05)。結論：DTI作為定量MRI的一種特殊檢查技術，其測量參數(shù)與Pfirrmann分級之間具有很好的相關性，可作為一種無創(chuàng)性的檢查方法應用于椎間盤退變的研究。

磁共振成像；擴散張量成像；定量分析；腰椎；椎間盤病變

腰腿痛已成為臨床常見疾病，椎間盤退行性改變目前被認為是腰腿痛的首要病因，可增加中老年人椎間盤突出風險。MRI是診斷椎間盤病變的首選檢查方法，通過椎間盤的信號強度和形態(tài)學改變可對其做出定性診斷。近年來MRI從形態(tài)成像發(fā)展到功能成像，多種MRI技術在椎間盤退變的診斷中得到應用，擴散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技術可反映組織細胞微細結構變化，但在椎間盤退變診斷中的應用報道尚少，本文對DTI在腰椎間盤退行性改變中的診斷價值進行初步探討。

材料與方法

1.病例資料

病例納入標準：①年齡在30～50歲之間；②3個月以上慢性腰腿痛病史；③自愿參加本研究并簽署知情同意書。病例排除標準：①體內有金屬植入物、幽閉恐懼癥、多動、不能配合檢查者；②有脊柱手術史，炎癥、腫瘤及其他嚴重全身性病變者；③圖像后處理質量不合格無法測量相關指標。按以上納入、排除標準，搜集2014年8月-2015年6月在新疆醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院接受腰椎MRI檢查者作為研究對象，共105例患者納入本組研究，其中男50例，女55例，年齡(40.0±9.8)歲。

2.MRI檢查

MRI檢查采用Philips Achieva 1.5T雙梯度磁共振掃描儀，8通道脊柱相控陣表面線圈行常規(guī)MRI及DTI矢狀面掃描。掃描參數(shù)：矢狀面T1WI，TR 400 ms，TE 8 ms，平均激勵次數(shù)1；矢狀面T2WI，TR 2500 ms,TE 100 ms，平均激勵次數(shù)3；軸面T2WI，TR 2584 ms,TE 120 ms，平均激勵次數(shù)3；層厚4 mm，層間隔0.5 mm。DTI-EPI序列掃描參數(shù)：TR 2665 ms，TE 56 ms，平均激勵次數(shù)5，視野30 cm×30 cm，矩陣128×89，b值取0、400 s/mm2，在16個方向上施加擴散敏感梯度，層厚5 mm，間隔1 mm。

3.椎間盤分級

參照國際公認的評價椎間盤退變程度的Pfirrmann(Pm)分級標準[1]，對各椎間盤進行分級。根據T2WI矢狀面圖像上椎間盤髓核信號強度、髓核與纖維環(huán)分界及椎間隙高度將椎間盤退變程度分為Ⅰ～Ⅴ級。以上圖像分析由兩位有豐富MRI診斷經驗的高年資醫(yī)師完成，對有分歧者經兩者商議后達成一致。

4.DTI原始數(shù)據處理

將DTI序列原始數(shù)據傳入Philips后處理工作站，自動生成各向異性分數(shù)圖、表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)圖。因興趣區(qū)(region of interest，ROI)的選擇可影響測量結果的準確性，并且髓核退變后范圍較前增大，故本研究在矢狀面DTI原始圖像(b=0s/mm2)中手動勾畫椎間盤中間1/2區(qū)域作為ROI，大小60～80 mm2(圖1)，各椎間盤重復測量3次，以平均值作為各自ADC值及部分各向異性指數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)值。整個測量過程由一位有5年以上工作經驗的醫(yī)師完成。

5.統(tǒng)計學分析

結　果

1.腰椎間盤Pfirrmann各級分布情況

納入研究的525個腰椎間盤經后處理均獲得較理想的圖像，PmⅠ-Ⅴ級椎間盤數(shù)量見表1。

表1　椎間盤Pfirrmann各級分布情況　(個)

各級腰椎間盤的分布差異有統(tǒng)計學意義(χ2=78.218，P<0.05)，其中PmⅢ級椎間盤數(shù)量最多。圖像分析過程中發(fā)現(xiàn)部分椎體終板退變、椎間盤膨出及突出等退變(圖2、3)。

2.各級椎間盤ADC值及FA值比較

以40歲年齡為界，將105例患者分為兩組(30～40歲50例，40～50歲55例)，經獨立樣本t檢驗，兩年齡組同一Pm分級間ADC值及FA值差異均無統(tǒng)計學意義(表2)。不考慮年齡因素時，經單因素方差分析兩兩比較，PmⅠ與Ⅱ級椎間盤間ADC值、PmⅣ與Ⅴ級椎間盤間ADC值和FA值差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，其余各Pm分級間差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05，表3)。

表3　各級腰椎間盤總體ADC值及FA值比較

注：經單因素方差分析，*與PmⅡ級比較P>0.05，#與PmⅤ級比較P>0.05；余兩兩比較P值均<0.05。

3.ADC值及FA值對椎間盤退變的診斷效能比較

通過ROC曲線分析，ADC值及FA值對PmⅣ、Ⅴ級的診斷效能(曲線下面積)分別為0.846和0.932，F(xiàn)A值的診斷效能明顯高于ADC值(圖4)，差異有統(tǒng)計學意義(Z=4.484，P<0.05)，ADC值診斷PmⅣ、Ⅴ級的敏感度為74.04%，而FA值的診斷敏感度為85.10%，F(xiàn)A值診斷特異度為86.44%，高于ADC值(82.02%)。

4.ADC值、FA值與Pm分級的相關性

經Spearman秩相關分析顯示椎間盤退變Pm分級與ADC值呈負相關(rs=-0.660，P<0.05)，Pm分級與FA值呈高度正相關(rs=0.805，P<0.05，圖5)。

討　論

隨著MRI技術的迅猛發(fā)展，T1ρ、T2Mapping、DWI、磁化傳遞及波譜成像等功能MRI技術將椎間盤退變的診斷由形態(tài)學帶到定量分析的新階段[2-3]，這些技術均可檢測椎間盤退變過程中早期化學組分的改變。DTI技術通過多個方向施加擴散敏感梯度來檢測水分子擴散速度，可顯示水分子擴散方向性，有效避開傳統(tǒng)DWI的T2透射效應，可準確反映腰椎間盤內擴散的微細變化，并用ADC值和FA值定量表現(xiàn)出來。目前，DTI在多個系統(tǒng)疾病的診斷中均有應用，如用于心肌纖維走行、認知障礙等疾病的評估等[4-5]。本研究對患者實行了嚴格的納入、排除標準，為排除雌激素、骨質疏松對椎間盤退變的影響，本研究選擇30～50歲之間的患者為研究對象，并分年齡段進行分組比較，通過ADC值、FA值來定量判斷腰椎間盤不同退變級別的擴散變化。

椎間盤是由中央的髓核、外圍纖維環(huán)及上下終板構成的纖維軟骨組織，其營養(yǎng)極為有限。椎間盤髓核的退變較纖維環(huán)和軟骨終板更明顯，在腰椎負荷量增大時椎間盤變性加速，變性的髓核沿纖維環(huán)的裂隙突向邊緣，形成腰椎間盤膨出、突出及許莫氏結節(jié)等退變性病變[6]。有文獻認為軟骨終板損傷可引起椎間盤營養(yǎng)和代謝障礙，導致椎間盤退變，本研究發(fā)現(xiàn)高級別的椎間盤退變多伴有終板的改變，多以ModicⅡ型為主，分布于L4、L5椎體的上下終板，與既往報道相符[7]。

既往研究認為DTI技術可無創(chuàng)顯示椎間盤纖維環(huán)的形態(tài)和完整性[8]，同時在診斷椎間盤損傷、退變及負荷運動下椎間盤的變化情況方面也有重要價值[9]，但是沒有得出一致的結論。祝靜雅等[10]認為ADC值隨著年齡的增長而下降，并且不同部位間無明顯差異，F(xiàn)A值與年齡無明顯相關性。本研究按年齡組分析顯示，兩年齡組間相同Pm分級的椎間盤ADC值及FA值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，但40～50歲年齡組各分級ADC值稍低于30～40歲組，F(xiàn)A值無明顯規(guī)律，可能與本組患者均處于青壯年時期，各項生理機能處于成熟期，椎間盤退變速度逐漸減慢，處于相對平衡期有關，故兩個指標間差異無統(tǒng)計學意義。不考慮年齡因素時，PmⅠ與Ⅱ級椎間盤ADC值(P=0.064)、PmⅣ與Ⅴ級椎間盤ADC值(P=0.059)和FA值(P=0.111)差異均無統(tǒng)計學意義，筆者認為PmⅣ與Ⅴ級間主要區(qū)別為椎間隙高度的變化，兩級椎間盤細胞外水分含量差異不大，因此ADC值及FA值無明顯差異，其余各級椎間盤ADC值及FA值差異均有統(tǒng)計學意義，本研究中PmI級椎間盤ADC值為(1.947±0.224)×10-3mm2/s，與既往報道一致[11]。隨著Pm分級的增加，ADC值呈下降趨勢，F(xiàn)A值呈升高趨勢[12]。椎間盤髓核主要由蛋白多糖及作為其疏松支架的Ⅱ型膠原纖維組成，具有較強的吸儲水功能，隨著年齡的增長及Pm分級的增大,椎間盤蛋白多糖合成數(shù)量和質量下降，髓核儲水能力受限，含水量逐漸減少，膠原纖維成分逐漸增加，水分子擴散受限，從而導致髓核ADC值降低[13-14]。FA值反映水分子擴散方向與組織結構的關系，由于椎間盤生物力學負荷能力降低,髓核中基質退變，膠原纖維不規(guī)則網狀結構破壞等原因，來自纖維環(huán)及終板的纖維軟骨逐漸取代蛋白多糖，其內水分子擴散的各項同性受限，相對各項異性擴散增加，因此導致FA值升高。

本研究顯示ADC值及FA值對PmⅣ、Ⅴ級椎間盤的診斷效能分別為0.846和0.932，AUCADC值低于AUCFA值，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，ADC值診斷PmⅣ、Ⅴ級的敏感度為74.04%，而FA值的診斷敏感度為85.10%；FA值診斷PmⅣ、Ⅴ級的特異度為86.44%，高于前者的82.02%。Pfirrmann分級是目前國際通用的椎間盤退變分級系統(tǒng)，以往研究擴散與Pm分級的關系多局限于DWI序列，因其受磁場強度及擴散方向數(shù)目的限制，對DWI的定量指標與Pm分級相關性的研究結果仍無統(tǒng)一定論[15]。本研究采用DTI-EPI序列可更準確地測量ADC值、FA值，經Spearman秩相關分析，Pm分級與ADC值呈負相關(rs=-0.660，P<0.05)，較既往研究相關度稍高[16]；Pm分級與FA值呈高度正相關(rs=0.805，P<0.05)。本研究也存在一定不足，如樣本量較小、無癥狀但有椎間盤退變者未納入、年齡范圍有待進一步擴大等，因此這一結論仍需進一步驗證。

總之，DTI技術已廣泛應用于多個系統(tǒng)的疾病診斷，其包括的多項定量指標能更準確地反映組織細胞的細微結構變化，因此可作為一種無創(chuàng)性的檢查方法應用于椎間盤退變程度的研究，為腰腿疼患者的診斷及治療提供重要依據。

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Application of diffusion tensor imaging in lumbar intervertebral disc degeneration:a preliminary study

CHU Xiang-le，MA Jing-xu，QIU Xue-ling，et al.

Department of Medical Imaging,the Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University,Urumqi 830063,P.R.China

Objective:To investigate the correlation between quantitative DTI parameters (ADC and FA) and Pfirrmann grades of human intervertebral disc degeneration.Methods:105 patients with lumbago were included and underwent conventional MRI and DTI.Totally 525 lumbar intervertebral discs were assessed by Pfirrmann grading system in terms of degeneration by analyzing signal intensity and morphology on routine T2WI.The morphological changes of adjacent endplates were observed.ADC and FA values of disc nucleus pulposuses were measured and their variances in different grades were analyzed.The ability of FA and ADC to detect lumbar disc of Pm Ⅳ～Ⅴ grades was compared by ROC curve.The correlations between Pfirrmann grades and the two parameters were assessed by Spearman rank correlation test.Results:In all of the 525 lumbar intervertebral discs，the number of gradeⅠ～V was 41,112,164,141 and 67，respectively．Statistical differences of ADC and FA values were found among degenerated discs of different grades (P<0.05),except ADC values between gradeⅠ and Ⅱ，ADC and FA values between grade Ⅳ and Ⅴ (P>0.05)．The diagnostic efficiency of ADC and FA value for differentiating grade Ⅳ～Ⅴ from gradeⅠ～Ⅲ were 0.846 and 0.932(P<0.05),respectively.There was negative correlation between ADC value and Pm grade (rs=-0.66,P<0.05).On the contrary,disc degeneration grade was positively correlated with FA value (rs=0.805,P<0.05).Conclusion:As a special quantitatively MRI technique,its parameters have good correlation with Pfirrmann grade,which could be used as a noninvasive method for the research of intervertebral disc degeneration.

Magnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Quantitative study； Lumbar； Intervertebral disc diseases

830063新疆醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院影像中心

褚相樂(1986-)，男，河南駐馬店人，住院醫(yī)師，碩士研究生，主要從事磁共振功能成像研究工作。

王紅，E-mail：wangh_xj@163.com

R

A

1000-0313(2016)01-0081-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.01.019

2015-07-06

2015-08-19)