腰椎間盤退行性病變的MRI-DTI定量分析

趙爽，彭如臣，沈秀芝，張雙，鐘佳利，宋海龍

腰椎間盤退行性病變的MRI-DTI定量分析

趙爽，彭如臣*，沈秀芝，張雙，鐘佳利，宋海龍

作者單位：
首都醫(yī)科大學附屬北京潞河醫(yī)院放射科，北京 101149

目的探討磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)相關測量指標作為定量分析方法在腰椎間盤病變的應用，并對擴散梯度方向?qū)y量結(jié)果的影響進行研究。材料與方法選取來我院的腰腿疼患者50例，其中男32例，女18例，年齡24～62歲，平均年齡(46.9±16.2)歲，全部患者進行常規(guī)MRI及矢狀位DTI腰椎間盤掃描，DTI擴散梯度方向分別為6、12、20。按擴散梯度方向?qū)⒀甸g盤分為DD6、DD12、DD20組；按Pfirrmann (Pm)分級將椎間盤分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ組，測量并比較不同擴散梯度方向組間、不同Pm分級組間椎間盤髓核區(qū)的表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)、各項異向性分數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、縱向彌散系數(shù)(λ1)。結(jié)果不同擴散梯度方向組間ADC值差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，而FA值、λ1差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)；不同Pm分級組間，擴散梯度方向為6時，F(xiàn)A值在Ⅳ與Ⅴ組間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，其余分組間差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)；擴散梯度方向為12和20時，F(xiàn)A值在Ⅱ與其他組間差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，而Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ組間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。擴散梯度方向為6、12、20時，ADC值在Ⅱ、Ⅲ組間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，其余組間差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。在擴散梯度方向為6、12、20時，各組λ1差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。結(jié)論DTI可應用于腰椎間盤病變的定量分析，擴散梯度方向為6時，可在較短的掃描時間內(nèi)獲得較高質(zhì)量的圖像及測量數(shù)據(jù)，并可應用FA值對不同Pm分級椎間盤進行定量分析。

磁共振成像；擴散張量成像；椎間盤退化；表觀擴散系數(shù)

腰椎間盤突出癥現(xiàn)已成為臨床上常見的一種疾病，MRI可作為首選的、無創(chuàng)的腰椎間盤檢查方法，傳統(tǒng)的MRI通過信號強度變化及形態(tài)改變對椎間盤進行診斷分析。近年來，MRI已發(fā)展到功能成像階段，其中磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術可以反映細胞細微結(jié)構(gòu)和功能的改變，主要用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但在椎間盤退變診斷中應用尚報道較少，本文將對DTI在腰椎間盤退行性病變中的應用及診斷價值進行探討。

1 材料與方法

1.1 病例資料

志愿者納入標準：無腰椎外傷史、存在或無腰椎間盤突出者；無幽閉恐懼癥且能配合靜躺者；無腰椎手術、炎癥、腫瘤或其他嚴重全身性疾病者；知情同意參加本研究者。按以上納入標準，收集2016年11月至2017年1月在我院接受腰椎MRI檢查者作為樣本，共50例，其中男32例，女18例，平均年齡(46.9±16.2)歲。

1.2 MRI儀器、序列及參數(shù)

MRI檢查采用西門子公司Skyra超導型3.0 T磁共振機掃描，應用32通道脊柱線圈。掃描參數(shù)：矢狀面T2WI：TR=2900 ms，TE=98 ms，矩陣320×240，NEX=2；矢狀面T1WI：TR=650 ms，TE=8.1 ms，矩陣320×240，NEX=2；橫斷面T2WI：TR=3000 ms，TE=101 ms，層厚4 mm，層間距0.8 mm，矩陣218×256，NEX=2。矢狀面DTI：采用RESOLVE彌散序列，TR=2000 ms，TE=87 ms，層厚5 mm，層間距0 mm，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，采集矩陣為174×192；共掃11層，NEX=1。彌散加權(quán)系數(shù)(b)分別取0和400 s/mm2，擴散梯度方向分別取6、12、20，掃描時間分別為：2 min 4 s、3 min 44 s、5 min 58 s。

1.3 椎間盤分組

根據(jù)不同擴散梯度方向，將所有椎間盤分為DD6、DD12、DD20組。根據(jù)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，參照國際公認的評價椎間盤退變程度的Pfirrmann (Pm)分級標準[1]，收集退變程度為Ⅱ～Ⅴ級的腰椎間盤。以上圖像分析由兩位有豐富MRI診斷經(jīng)驗的高年資醫(yī)師完成，對有分歧者經(jīng)兩者商議后達成一致。

1.4 圖像后處理及數(shù)據(jù)測量

全部數(shù)據(jù)使用西門子Syngo.via后處理工作站進行采集。由兩名高年資影像科診斷醫(yī)師對所有椎間盤分別進行分級，對分級一致的椎間盤進行相關測量。使用神經(jīng)3D進行數(shù)據(jù)收集，包括表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)、各向異性分數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)及縱向彌散系數(shù)(λ1)。在神經(jīng)3D矢狀T2加權(quán)圖像中手動勾畫椎間盤中間約1/2區(qū)域作為感興趣區(qū)(region of interst，ROI)，各椎間盤重復測量3次，以平均值作為各項指標測量結(jié)果。整個測量過程由一位有5年以上工作經(jīng)驗的醫(yī)師完成。

1.5 統(tǒng)計學分析

應用SPSS 19.0統(tǒng)計學軟件進行統(tǒng)計學分析，結(jié)果采用均數(shù)±標準差表示。(1)按不同擴散梯度方向(6、12、20)對椎間盤進行分組，采集ADC值、FA值、λ1分別進行單因素方差分析；(2)按相同擴散梯度方向-不同Pm分級對椎間盤進行分組，測量數(shù)據(jù)并行單因素方差分析；方差不齊時采用Tamhane's T2進行兩兩比較，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 腰椎間盤Pm分級情況

采用西門子RESOLVE序列，所有患者均得到較理想的圖像(見圖1～4)，腰椎間盤Pm分級中，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別對應的椎間盤數(shù)為33、98、63、56。

2.2 按不同擴散梯度方向分組椎間盤ADC值、FA值、λ1比較

圖1 女，40歲，該患者矢狀位T2加權(quán)像，L1/2～L3/4腰椎間盤為Pm Ⅲ級，L4/5、L5/S1為Pm Ⅳ級 圖2～3 同一患者，擴散梯度方向為6時與矢狀位T2加權(quán)像同一層面ADC圖及FA圖。L4/5、L5/S1信號明顯減低 圖4 椎間盤ROI的選取Fig. 1 Female, forty–year-old, sagittal T2WI image, L1/2-L3/4 for Pm Ⅲ, L4/5 and L5/S1 for Pm Ⅳ. Fig. 2—3 DGD for 6, ADC image and FA image respectively of the same patient, in same layer with T2WI. The signals of L4/5, L5/S1 were decreased. Fig.4 Shows the selection of ROI.

以擴散梯度方向進行分組，分為DD6、DD12、DD20組，對測量的所有椎間盤FA值、λ1進行單因素方差分析并兩兩比較，其中ADC值在不同彌散梯度組間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，其余各組數(shù)據(jù)差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05，表1)。

2.3 相同擴散梯度方向-不同分級椎間盤FA值、λ1比較

以椎間盤分級分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ組，并對相同擴散梯度方向時ADC值、FA值、λ1進行比較(表2)。

表1 不同擴散梯度方向組間FA、ADC、λ1比較Tab.1 Comparison of the ADC value and FA value and λ1of different DGD groups

3 討論

鑒于多方位成像、高組織分辨率及對組織水含量的增減有很強的敏感性等優(yōu)勢，MRI是目前椎間盤病變最好的檢查手段，并可根據(jù)國際公認的評價椎間盤退變程度的Pfirrmann (Pm)分級標準進行分級[1]。但隨著MRI技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的形態(tài)學變化已不能滿足目前影像學的發(fā)展趨勢，越來越多的MRI新技術將椎間盤病變的診斷由形態(tài)學帶到定量分析的新階段[2-4]。

DTI是基于擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)基礎發(fā)展起來的一項磁共振新技術，利用組織中水分子擴散運動存在各向異性的原理，探測組織微觀結(jié)構(gòu)變化，并能夠準確地評價多種組織纖維的損傷[5-6]。既往研究認為DTI可無創(chuàng)地反映椎間盤纖維環(huán)的形態(tài)及完整性，同時對椎間盤損傷、退變及負荷運動下椎間盤的變化情況方面也有重要價值[7]，但對DTI檢查時擴散梯度方向這一掃描參數(shù)對測量結(jié)果所產(chǎn)生的影響研究尚不足。本研究對所有椎間盤進行6、12、20 3個擴散梯度方向的DTI檢查，按擴散梯度方向?qū)⒆甸g盤進行分組研究，發(fā)現(xiàn)不同擴散梯度方向組間，ADC值差異無統(tǒng)計學意義，其余各項指標差異均存在統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，這一結(jié)果說明擴散梯度方向?qū)ψ甸g盤DTI測量結(jié)果存在影響，而選擇適合的擴散梯度方向則對椎間盤DTI的定量分析具有重要意義。

表2 相同擴散梯度方向不同分級椎間盤FA值、ADC、λ1比較Tab.2 Comparison of the ADC value and FA value and λ1of different Pm grades groups

目前常用的DTI量化參數(shù)有很多，主要包括ADC值、FA、λ1，而應用最多的是FA值及ADC值[8]。ADC值與FA值與椎間盤變性時髓核儲水能力及組織結(jié)構(gòu)變化相關[9-11]。本研究按Pm分級對椎間盤進行分組，并對相同擴散梯度方向下的腰椎間盤DTI各指標進行比較，在擴散梯度方向為6時，F(xiàn)A值在Ⅳ與Ⅴ組間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，在其余分組間差異均存在統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，本研究結(jié)果顯示隨Pm分級增加，F(xiàn)A值呈升高趨勢，這與以往報道相一致[12]。由于椎間盤髓核中基質(zhì)退變，蛋白多糖合成數(shù)量及質(zhì)量下降、膠原纖維不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞等原因，其內(nèi)水分子擴散的各向同性受限，相對各向異性擴散增加，因此導致FA值升高[13-14]。本研究結(jié)果Ⅳ與Ⅴ組間FA值差異無統(tǒng)計學意義，可能與Ⅳ與Ⅴ椎間盤主要區(qū)別在于形態(tài)、結(jié)構(gòu)改變，而含水量差異不大有關[15]。擴散梯度方向為12和20時，F(xiàn)A值在Ⅱ與其他組間差異存在統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，而Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ組間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，可能與掃描時間偏長、產(chǎn)熱量較多，患者掃描過程中不耐受引起運動導致圖像及測量質(zhì)量下降有關。

擴散梯度方向為6、12、20時，ADC值在Ⅱ、Ⅲ組間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，與其余組間差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，ADC值隨Pm分級增高而減低的趨勢與以往研究結(jié)果相符[15-17]。有研究表明[18]，椎間盤變性髓核中膠原纖維會發(fā)生不同程度的扭曲，膠原纖維束間裂隙增大。Ⅱ級、Ⅲ級椎間盤的主要區(qū)別是髓核區(qū)的T2信號減低而無明顯形態(tài)上的改變，本研究結(jié)果Ⅱ級、Ⅲ級椎間盤ADC值差異無統(tǒng)計學意義，筆者認為產(chǎn)生這一結(jié)果可能的原因是兩級椎間盤間含水量確實存在差異，但微觀結(jié)構(gòu)上無顯著破壞，水分子彌散受限程度變化不大。本研究顯示Ⅳ級與Ⅴ級間ADC值差異存在統(tǒng)計學意義，與以往研究不符，這可能與Ⅴ級椎間盤形態(tài)改變較大，ADC圖信號丟失較多有關。

縱向彌散系數(shù)λ1代表水分子在縱向的擴散能力[19]。本研究另一結(jié)果顯示，擴散梯度方向為6、12、20時，各組λ1差異均無統(tǒng)計學意義。陳德勝等[20]研究認為，正常椎間盤內(nèi)膠原纖維排列整齊、規(guī)則，縱橫交錯，形態(tài)及走行一致，而退變的膠原纖維主要表現(xiàn)為扭結(jié)成團。筆者認為可能由于正常椎間盤膠原纖維走行交錯，而椎間盤變性時膠原纖維的扭曲不會影響水分子的縱向擴散能力。本研究也存在一些不足，如樣本量較小，患者年齡跨度較大，因此這一結(jié)論尚需進一步驗證。

DTI掃描中，擴散梯度方向的增加會延長DTI的掃描時間從而引起患者的不適，導致患者運動而影響測量結(jié)果，而擴散梯度方向的增加并不會引起FA值及信噪比(signal to noise ratio，SNR)的明顯差異[21]。本研究中采用西門子RESOLVE彌散序列，并選取6、12、20 3個擴散梯度方向進行研究，掃描時間分別為2 min 4 s、3 min 44 s、5 min 58 s。結(jié)果顯示擴散梯度方向為6時，掃描時間較短，且可得到較高質(zhì)量的DTI后處理圖像，測得的FA值和ADC值可對椎間盤變性進行定量分析，更能為臨床所接受。

綜上所述，DTI作為一種無創(chuàng)性的檢查方法已廣泛應用于多個系統(tǒng)的疾病診斷，腰椎間盤DTI檢查可得到腰椎間盤多項定量指標，并能反映組織的含水量及細微結(jié)構(gòu)變化，可為椎間盤變性的分級及治療提供重要依據(jù)。

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Quantitative metabolites of lumbar intervertebral disc degeneration by diffusion tensor MR

ZHAO Shuang, PENG Ru-chen*, SHEN Xiu-zhi, ZHANG Shuang, ZHONG Jia-li,SONG Hai-long
Department of Radiology, Beijing Luhe Hospital, Capital Medical University, Beijing 101149, China

Objective:To investigate the MR diffusion tensor imaging (DTI) as an application of quantitative analysis methods in lumbar intervertebral disc degeneration and the effects of different diffusion gradient directions (DGD) of DTI.Materials and Methods:Selected 50 patients with pain of waist or legs, including 32 male and 18 female, from 24 to 62 years old with mean age 46.9±16.2 years old, all the patients underwent sagittal scans for regular lumbar MRI and DTI, and with 6, 12, 20 DGD of DTI. According to the DGD, lumbar intervertebral discs can be divided into DD6,DD12, DD20 groups and divided lumbar intervertebral discs into Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, and Ⅴgroups by Pfirrmann grading system. ADC and FA and λ1valuse were measured and analyzed among the different DGD groups and Pm groups.Results:There were no statistical difference of ADC values among the different DGD groups (P＞0.05), while statistical difference of FA and λ1values were found (P＜0.05); DGD for 6, FA values were statistical differences among the different Pm groups (P＜0.05), except Ⅳ andⅤ(P＞0.05); DGD for 12 and 20, there were no statistical difference of FA values in all PM groups (P＞0.05), except Ⅱ. DGD for 6, 12, 20, ADC values were statistical difference in all Pm groups, except Ⅱ and Ⅲ. In DGD for 6, 12, 20, λ1values had no statistical difference in all Pm groups (P＞0.05).Conclusion:DTI can be applied to the quantitative analysis of lumbar intervertebral disc, DGD for 6 can get high quality images and data in a relatively short time, and FA value can be used for quantitativeanalysis of different Pm grading lumbar intervertebral disc.

Magnetic resonance imaging; Diffusion tensor imaging; Intervertebral disc degeneration; Apparent diffusion coefficient

21 Jan 2017, Accepted 16 Mar 2017

彭如臣，E-mail：13501271260@163.com

2017-01-21

接受日期：2017-03-16

R445.2；R681.57

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.06.011

趙爽, 彭如臣, 沈秀芝, 等. 腰椎間盤退行性病變的MRI-DTI定量分析. 磁共振成像, 2017, 8(6): 457-461.

*Correspondence to: Peng RC, E-mail:13501271260@163.com