腰椎間盤纖維環(huán)的MR擴(kuò)散張量成像

閆春麗，周敏，李明英，陳興燦，

（1.溫州醫(yī)科大學(xué) 第一臨床醫(yī)學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.中國(guó)人民解放軍第117醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，浙江 杭州 310013）

擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是一種新的磁共振成像技術(shù)，可在空間定時(shí)定量分析組織內(nèi)不同方向水分子的彌散特性[1]，其纖維示蹤（fiber tracking，F(xiàn)T）技術(shù)利用水分子擴(kuò)散的各向異性實(shí)現(xiàn)纖維素追蹤，即在活體無創(chuàng)地顯示纖維素的走行[2]。DTI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究，在腰椎間盤方面的報(bào)道相對(duì)較少[3]。本研究對(duì)健康志愿者和腰椎間盤突出癥（lumbar intervertebral disc herniation，LDH）患者進(jìn)行DTI成像，同時(shí)利用FT技術(shù)觀察腰椎間盤的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步明確DTI對(duì)腰椎間盤纖維環(huán)的評(píng)價(jià)能力及對(duì)臨床治療的指導(dǎo)意義。

1 資料和方法

1.1 資料 2016年3月至12月來中國(guó)人民解放軍第117醫(yī)院行腰椎手術(shù)治療的LDH患者為病例組，納入標(biāo)準(zhǔn)：①常規(guī)MRI確診為腰椎間盤突出；②具有明確的腰痛、下肢放射痛等臨床表現(xiàn)；③有手術(shù)指征。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育畸形、腰椎腫瘤、感染及外傷等病史；②有腰椎手術(shù)治療史；③體內(nèi)有金屬物、患有幽閉恐懼癥、無法配合檢查者。共入選病例組20例，男11例，女9例，年齡25～60歲，平均（49.2±9.9）歲；獲得86個(gè)腰椎間盤，其中22個(gè)突出椎間盤經(jīng)手術(shù)治療（L2/3椎間盤1個(gè)，L4/5椎間盤10個(gè)，L5/SI椎間盤11個(gè)）。隨機(jī)選取于2016年3月至6月中國(guó)人民解放軍第117醫(yī)院招募的健康志愿者15名，入組標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～30歲；②無運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)育畸形，無腰痛或腰椎部疾病健康人。排除標(biāo)準(zhǔn)：①具有腰腿痛、坐骨神經(jīng)痛、神經(jīng)性跛行等臨床癥狀及體征；②體內(nèi)有金屬物、具有幽閉恐懼癥、無法配合檢查者。入選對(duì)照組15例，男8例，女7例，年齡21～29歲，平均（27.1±2.6）歲；獲得74個(gè)腰椎間盤。本研究為前瞻性，通過中國(guó)人民解放軍第117醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，入選患者及志愿者對(duì)本研究知情同意，并簽署知情同意書。

1.2 成像方法 采用3.0T GE DISCOVERY MR750磁共振成像儀，32通道包裹線圈，使用呼吸門控避免呼吸偽影，患者仰臥位、腳先進(jìn)，進(jìn)行矢狀位T1WI、T2WI及軸位T2WI、DTI掃描。掃描參數(shù)：矢狀位T1WI，TR 500 ms，TE 8 ms，F(xiàn)OV 32 cm×32 cm，平均激勵(lì)次數(shù)（NEX）=2；矢狀位T2WI，TR 2 500 ms，TE 100 ms，NEX=2；軸位T2WI，TR 3 500 ms，TE 120 ms，NEX=4，層厚4 mm，層間隔0 mm；DTI序列參數(shù)：TR/TE 4 000 ms/minimum，NEX=4，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，b值600 s/mm2，擴(kuò)散方向13個(gè)，層厚4 mm，層間隔0 mm。椎體前方設(shè)置飽和帶，掃描時(shí)間5 min 16 s。MRI檢查要求軸位T2WI和軸位DTI掃描的層面、層數(shù)、層厚一致。將DTI原始數(shù)據(jù)輸入ADW4.6工作站，應(yīng)用FUNCTOOL軟件進(jìn)行處理，得到B0圖，沿椎間盤邊緣設(shè)置橢圓形興趣區(qū)（region of interest，ROI），利用Fiber tracking軟件得到FT圖。

1.3 腰椎間盤Pfirrmann分級(jí) 在矢狀位T2WI圖上，將所有的腰椎間盤按Pfirrmann分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]分為I-V級(jí)，其中Pfirrmann I- I級(jí)為正常腰椎間盤，I- V級(jí)為退變腰椎間盤。

1.4 腰椎間盤纖維環(huán)FT圖分型 參考文獻(xiàn)[5-6]，結(jié)合本研究病例組和對(duì)照組，擬將FT圖纖維環(huán)形態(tài)做以下分型：A型（規(guī)則型）、B型（雜亂型）和C型（團(tuán)塊型），A和B型又分為連續(xù)型（A1/B1）及不連續(xù)型（A2/B2）2種亞型。規(guī)則連續(xù)型（A1）：FT圖呈連續(xù)完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)，纖維束走形規(guī)則，纖維環(huán)內(nèi)緣規(guī)則，內(nèi)部未見明顯纖維束；規(guī)則不連續(xù)型（A2）：FT圖呈不連續(xù)，前緣或者后緣缺損，纖維束走形規(guī)則，內(nèi)部未見明顯纖維束；雜亂連續(xù)型（B1）：FT圖呈連續(xù)完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)，但是其纖維束雜亂或者扭曲，纖維環(huán)內(nèi)緣不規(guī)則，內(nèi)部可見雜亂纖維束；雜亂不連續(xù)型（B2）：FT圖呈不連續(xù)，前緣或者后緣缺損，其纖維束雜亂或者扭曲，纖維環(huán)內(nèi)緣不規(guī)則，內(nèi)部可見雜亂纖維束；雜亂團(tuán)塊型（C）：FT圖呈雜亂團(tuán)塊狀，無環(huán)形結(jié)構(gòu)，纖維束走形扭曲，形態(tài)不規(guī)則。腰椎間盤Pfirrmann分級(jí)和纖維環(huán)的FT圖分型采用雙盲原則，分別由2組經(jīng)驗(yàn)豐富的影像學(xué)醫(yī)師獨(dú)立完成，每組由2名醫(yī)師進(jìn)行分析，組間分析過程中有分歧經(jīng)商議后達(dá)成一致。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 應(yīng)用SPSS24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料采用±s表示，組間比較采用t檢驗(yàn)。采用Spearman相關(guān)分析FT圖分型與Pfirrmann分級(jí)的相關(guān)性，計(jì)算相關(guān)系數(shù)r值，其中，r≥0.7為高度相關(guān)，0.5≤r＜0.7為中度相關(guān)，r＜0.5為弱相關(guān)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 腰椎間盤FT圖分型及Pfirrmann分級(jí) 2組剔除偽影嚴(yán)重的椎間盤，共得腰椎間盤共160個(gè)，正常腰椎間盤（Pfirrmann I- II級(jí)）73個(gè)，其中A1型27個(gè)，A2型36個(gè)，B1型9個(gè)，B2型1個(gè)；退變腰椎間盤（Pfirrmann分級(jí)為 III-V級(jí)）87個(gè)，其中A1型3個(gè)，A2型3個(gè)，B1型38個(gè)，B2型6個(gè)，C型37個(gè)。

2.1.1 對(duì)照組腰椎間盤纖維環(huán)FT圖分型：對(duì)照組74個(gè)腰椎間盤中，A1型22個(gè)，包括I級(jí)10個(gè)， II級(jí)12個(gè)，見圖1；A2型32個(gè)，包括I級(jí)14個(gè)， II級(jí)18個(gè)，見圖2；B1型15個(gè)包括I級(jí)1個(gè)， II級(jí)6個(gè)， III級(jí)8個(gè)；B2型3個(gè)，包括 II級(jí)1個(gè)， III級(jí)2個(gè)；C型2個(gè)皆為 III級(jí)。

圖1 正常對(duì)照者腰椎間盤成像（男，28歲）

圖2 正常對(duì)照者腰椎間盤成像（女，23歲）

2.1.2 病例組腰椎間盤的纖維環(huán)FT圖分型：病例組86個(gè)腰椎間盤中，A1型8個(gè)，包括 II級(jí)5個(gè)， III級(jí)3個(gè)；A2型7個(gè)，包括 II級(jí)4個(gè)， III級(jí)3個(gè)；B1型32個(gè)，包括 II級(jí)2個(gè)， III級(jí)27個(gè)，IV級(jí)3個(gè)，見圖3；B2型4個(gè)，皆為 III級(jí)，見圖4；C型35個(gè)，包括 III級(jí)16個(gè)，IV級(jí)17個(gè)，V級(jí)2個(gè)，見圖5。

圖3 LDH患者腰椎間盤成像（男，42歲）

圖4 LDH患者患者腰椎間盤成像（女，40歲）

圖5 LDH患者患者腰椎間盤成像（男，56歲）

2.1.3 22個(gè)突出腰椎間盤的結(jié)果：病例組86個(gè)腰椎間盤中突出腰椎間盤22個(gè)行手術(shù)治療，經(jīng)手術(shù)證實(shí)包容性突出9個(gè)，其中B1型2個(gè)（ III級(jí)、IV級(jí)各1個(gè)），B2型3個(gè)皆為 III級(jí)（見圖4），C型4個(gè)（ III級(jí)1個(gè)，IV級(jí)2個(gè)，V級(jí)1個(gè)）；非包容性突出13個(gè)，其中B1型2個(gè)（ III級(jí)、IV級(jí)各1個(gè)），C型11個(gè)（ III級(jí)2個(gè)，IV級(jí)7個(gè)，V級(jí)2個(gè)），后者有3個(gè)為脫出型，F(xiàn)T圖分型皆為C型。

2.2 相關(guān)性分析 所有腰椎間盤的FT圖分型與其Pfirrmann分級(jí)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析（r=0.741，P＜0.01），說明隨著Pfirrmann分級(jí)的增加，腰椎間盤纖維環(huán)FT圖表現(xiàn)逐漸表現(xiàn)為規(guī)則型、雜亂型到團(tuán)塊型。

3 討論

DTI是BASSER等[7]于1994年首次提出，近年來迅速發(fā)展改進(jìn)，通過在多個(gè)方向上施加彌散敏感梯度測(cè)量水分子擴(kuò)散的速度和方向，利用水分子在不同組織中擴(kuò)散的速率和方向差異成像，F(xiàn)T技術(shù)則利用水分子在具有固定排列順序的結(jié)構(gòu)中更加傾向于沿某一方向擴(kuò)散的特性，即各向異性，來追蹤纖維素的走行。腰椎間盤髓核富含蛋白多糖和 II型膠原纖維，具有較強(qiáng)的吸儲(chǔ)水功能，水分子的彌散方式主要表現(xiàn)為各向同性；纖維環(huán)的層狀結(jié)構(gòu)使得水分子在纖維環(huán)中的擴(kuò)散主要表現(xiàn)為各向異性，因此DTI可通過腰椎間盤內(nèi)水分子擴(kuò)散情況的變化，反映椎間盤的髓核和纖維環(huán)的改變，是目前能夠描述椎間盤水分子彌散方向特征的新技術(shù)。研究[8-11]報(bào)道提到利用DTI通過FT技術(shù)重建出椎間盤的纖維環(huán)對(duì)椎間盤進(jìn)行可視化研究，可直觀顯示其形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

3.1 正常腰椎間盤纖維環(huán)FT圖分型及成像原理

正常腰椎間盤纖維環(huán)由15～25層薄片狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，平行排列，包裹著髓核，每個(gè)平行的層狀結(jié)構(gòu)中整齊排列的是膠原纖維束，每層薄片中的膠原纖維沿縱軸左右按一定角度交替[10]。纖維環(huán)的纖維束在前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)是相互交織的，而在纖維環(huán)的后中區(qū)沒有交織區(qū)域[12-13]，故纖維環(huán)后方比較薄弱。因此正常的腰椎間盤FT圖上纖維素的排列走行為交錯(cuò)規(guī)則地排列，故其FT圖表現(xiàn)為規(guī)則型。有研究[9]認(rèn)為正常的腰椎間盤纖維環(huán)顯示為完整規(guī)則環(huán)型結(jié)構(gòu)，本研究中所有正常腰椎間盤中有部分（占37%）與之符合，F(xiàn)T圖呈A1型，但是部分（占49%）表現(xiàn)為A2型，其原因可能是由于正常的腰椎間盤髓核含水豐富，彌散能力強(qiáng)，纖維環(huán)后方較薄弱，加之腰椎間盤后方的蛛網(wǎng)膜下腔腦脊液的搏動(dòng)或者前方血管搏動(dòng)，致使纖維環(huán)局部的纖維素?zé)o法被追蹤到，因而FT圖出現(xiàn)局部不連續(xù)但纖維素排列仍然規(guī)則，即呈規(guī)則不連續(xù)型FT圖；本研究發(fā)現(xiàn)正常腰椎間盤的FT圖有14%（10/73）呈雜亂型，其中1個(gè)椎間盤表現(xiàn)為雜亂不連續(xù)型，其余為雜亂連續(xù)型，出現(xiàn)這種情況我們認(rèn)為由于部分腰椎間盤已經(jīng)發(fā)生輕度退變，但是其T2WI圖像上信號(hào)改變并不明顯，仍呈Pfirrmann I-I

I級(jí)表現(xiàn)，但是FT圖已經(jīng)出現(xiàn)異常，表現(xiàn)為雜亂型。因此我們認(rèn)為正常腰椎間盤纖維環(huán)FT圖為規(guī)則型。

3.2 腰椎間盤Pfirrmann分級(jí)與纖維環(huán)FT圖分型的相關(guān)性 本研究發(fā)現(xiàn)腰椎間盤纖維環(huán)的FT圖分型與Pfirrmann分級(jí)具有強(qiáng)相關(guān)性，隨著Pfirrmann分級(jí)的增加，腰椎間盤纖維環(huán)FT圖表現(xiàn)從規(guī)則型、雜亂型到團(tuán)塊型。眾所周知，腰椎間盤退變是由于年齡的增長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的加重，遺傳因素及椎間盤本身乏血供等因素，致使椎間盤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，髓核組織脫水變性、透明質(zhì)酸和蛋白聚糖減少，膠原組織被纖維組織取代，導(dǎo)致纖維組織增多；同時(shí)，纖維環(huán)的損傷如放射性斷裂，纖維層分離，引起纖維環(huán)同心圓結(jié)構(gòu)的破環(huán)，髓核與纖維環(huán)分界模糊，趨于融合，因此Pfirrmann分級(jí)為 III-V級(jí)的腰椎間盤的纖維環(huán)FT圖表現(xiàn)應(yīng)該是雜亂型，甚至為團(tuán)塊型。

3.3 包容性與非包容性LDH分型及意義 ONIK等[14]于1991年首次提出包容性突出的概念。包容性LDH的MRI表現(xiàn)為突出腰椎間盤的纖維環(huán)完整，突出物未突破外層纖維環(huán)和后縱韌帶，與硬囊分界清楚[15]；非包容性LDH表現(xiàn)為髓核組織突破纖維環(huán)至后縱韌帶及椎管內(nèi)，壓迫硬膜囊及神經(jīng)根；突出的腰椎間盤后緣模糊或者破裂，與硬膜囊及周圍組織分界不清，突出物部分下掛或上翹征象，腰椎間盤重度突出甚至脫出、游離等[16]。目前LDH的主要治療方法包括保守治療、手術(shù)治療和介于二者之間的微創(chuàng)治療。不同的治療方式具有不同的適應(yīng)證，比如經(jīng)皮腰椎髓核摘除術(shù)（PLD）公認(rèn)的適應(yīng)證為包容性LDH[15-18]，因此明確術(shù)前LDH的分型，對(duì)制定合理的治療方案非常重要[19]。

3.4 突出腰椎間盤纖維環(huán)FT圖分型及臨床意義

有研究[5]認(rèn)為，LDH的FT圖可顯示突出部位的纖維環(huán)破裂口，本研究22個(gè)經(jīng)手術(shù)證實(shí)的突出腰椎間盤中僅發(fā)現(xiàn)3個(gè)FT圖顯示突出部位的纖維環(huán)破裂口，而19個(gè)FT圖未顯示突出部位的纖維環(huán)破裂口，其原因可能是部分包容性LDH和非包容性LDH由于髓核老化嚴(yán)重纖維素化影響破裂口的顯示。其臨床意義主要體現(xiàn)在兩方面，一是治療方法的選擇：LDH的治療原則是先保守治療，觀察突出椎間盤能否自行回復(fù)，如果保守治療無效，再行手術(shù)治療，但如果DTI檢查顯示突出腰椎間盤髓核老化嚴(yán)重，應(yīng)放棄保守治療，積極主動(dòng)進(jìn)行介入治療或骨科手術(shù)治療；二是介入治療病例的選擇，通常認(rèn)為包容性LDH是介入治療的適應(yīng)證，但如果DTI檢查顯示突出部位髓核老化嚴(yán)重，不應(yīng)成為介入治療的適應(yīng)證，而需要骨科手術(shù)治療。

綜上所述，DTI可以無創(chuàng)地顯示腰椎間盤纖維環(huán)的形態(tài)，表現(xiàn)為正常腰椎間盤纖維環(huán)（Pfirrmann I-I I級(jí)）是規(guī)則的，病變腰椎間盤纖維環(huán)（Pfirrmann分級(jí)為 III-V級(jí)）是雜亂的，甚至是團(tuán)塊狀的，但不能絕對(duì)依靠FT圖上纖維環(huán)后緣的連續(xù)性與否判斷腰椎間盤纖維環(huán)的完整性，還需要觀察FT圖上纖維素的排列、形態(tài)及髓核的老化程度等變化，綜合判斷腰椎間盤病變的全貌，對(duì)臨床治療作出指導(dǎo)。

[1]鄒彩云. 擴(kuò)散成像技術(shù)在周圍神經(jīng)病變的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 放射學(xué)實(shí)踐, 2016, 31(3)： 278-280.

[2]李尚輝, 李月春, 梁芙茹. 磁共振擴(kuò)散張量成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)臨床實(shí)用醫(yī)學(xué), 2017, 8(1)： 100-102.

[3]崔運(yùn)能, 李紹林, 趙銀霞. MRI檢測(cè)椎間盤退變的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志, 2015(10)： 797-800.

[4]PFIRRMANN C W, METZDORF A, ZANETTI M, et al.Magnetic resonance classification of lumbar intervertebral disc degeneration[J]. Spine, 2001, 26(17): 1873-1878.

[5]楊海濤, 王仁法, 王娟, 等. 腰椎間盤纖維環(huán)MR擴(kuò)散張量成像的臨床應(yīng)用[J]. 中華放射學(xué)雜志, 2007, 41(10)： 1100-1103.

[6]俎金燕, 王晨光, 賈寧陽, 等. 腰椎間盤退行性變的MR擴(kuò)散張量成像初步研究[J]. 中華放射學(xué)雜志, 2012, 46(11)：1002-1005.

[7]BASSER P J, MATTIELLO J, LEBIHAN D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging[J]. Biophys J, 1994, 66(1):259-267.

[8]EDWARD W H, LORI A S. Diffusion tensor microscopy of the invertebral disc anulus fibrosus[J]. Magn Reson Med,1999, 41(5): 992-999.

[9]楊海濤, 王仁法, 李鋒, 等. 正常椎間盤纖維環(huán)的MR擴(kuò)散張量成像及病理對(duì)照研究[J]. 放射學(xué)實(shí)踐, 2007, 22(10)：1017-1020.

[10]施長(zhǎng)城, 姚海. 退化性椎間盤疾病診斷與治療技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備, 2015, 30(3)： 1-7.

[11]王洪波, 陳焱君, 吳澤文, 等. MR擴(kuò)散張量成像在腰椎間盤病變中的臨床價(jià)值[J]. 中國(guó)臨床醫(yī)學(xué)影像雜志, 2010,21(2)： 103-106.

[12]朱東, 陳塑寰, 董欣, 等. 腰4、5間盤纖維環(huán)結(jié)構(gòu)形態(tài)的細(xì)微觀察[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2007, 24(4)： 842-845.

[13]GEBHARD H, BOWLES R, DYKE J, et al. Total disc replacement using a tissue-engineered intervertebral disc in vivo: New animal model and initial results[J]. Evid Based Spine Care J, 2010, 1(2): 62-66.

[14]ONIK G, HELMS C A. Automated percutaneous lumbar diskectomy[J]. Am J Roentgenol, 1991, 156(3): 531-538.

[15]張學(xué)新, 吉效東, 曹金鳳, 等. 包容性腰椎間盤突出癥的經(jīng)皮摘除術(shù)[J]. 介入放射學(xué)雜志, 2001, 10(3)： 155-156.

[16]陳興燦, 劉淼, 何東, 等. 仰臥位和俯臥過屈位CT、MRI對(duì)腰椎間盤突出癥顯示的比較研究[J]. 中華放射學(xué)雜志,2011, 45(1)： 65-68.

[17]中華放射學(xué)雜志編委會(huì)骨組. 經(jīng)皮腰椎間盤摘除術(shù)規(guī)范化條例(草案)[J]. 中華放射學(xué)雜志, 2002, 36(4)： 380-382.

[18]劉瀟, 楊立文, 王建輝, 等. 腰椎動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在經(jīng)皮穿刺椎間盤摘除術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值[J]. 介入放射學(xué)雜志, 2007, 16(3)：177-179.

[19]李佛保, 龍厚清. 腰椎間盤突出癥病理轉(zhuǎn)歸和對(duì)各種治療方法的評(píng)估[J]. 中國(guó)脊柱脊髓雜志, 2003, 13(7)： 445-448.