HISTO及DWI序列在脊柱結(jié)核中的定量研究

鄭歡露，李白艷，陳鷹，楊柳，郭輝

脊柱結(jié)核是一種嚴(yán)重的骨關(guān)節(jié)疾病，約占骨肌系統(tǒng)結(jié)核的50%，大約10%的脊柱結(jié)核病人合并神經(jīng)損害及脊柱畸形，嚴(yán)重者甚至截癱,其早期診斷及治療尤為重要[1-3]。然而早期脊柱結(jié)核發(fā)病隱匿，特別是非典型脊柱結(jié)核，臨床缺乏特異性，因此影像學(xué)檢查尤為重要[4]。MRI由于多參數(shù)多方位成像特點(diǎn)，可以清楚顯示脊柱的病變范圍及周圍軟組織改變等情況。尤其MRI對組織中水和蛋白質(zhì)的含量變化非常敏感，即使沒有骨質(zhì)破壞，少許骨髓水腫也能很好地顯示，因此MRI對早期脊柱結(jié)核的診斷具有一定的價值。典型的脊柱結(jié)核影像診斷不難，目前對不典型脊柱結(jié)核診斷較為困難，易誤診并耽誤治療。其次脊柱結(jié)核量化分析內(nèi)部變化的研究也較少[5]，且波譜對脊柱結(jié)核的研究國內(nèi)外少見報(bào)道。筆者采用常規(guī)MRI結(jié)合3.0 T MRI多回波(multi-echo，ME)磁共振氫質(zhì)子波譜成像(high-speed T2-corrected multiecho acquisition at1H MR spectroscopy，HISTO)及擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)序列對脊柱結(jié)核含量進(jìn)行定量測定，前瞻性初步探討脊柱結(jié)核FF%、R2water值及ADC值診斷脊柱結(jié)核的臨床價值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取我院2017年1月至2017年8月經(jīng)臨床、實(shí)驗(yàn)室診斷或病理證實(shí)17例脊柱結(jié)核(病例組)男12例，女5例，年齡范圍20～76歲，平均年齡(39.37±15.00)歲，平均體重(59.41±8.89) kg，平均身高(171.18±5.87) cm；17例健康志愿者(對照組)男12例，女例5例，年齡范圍23～72歲，平均年齡(40.82±14.89)歲，平均體重(60.00±7.21) kg，平均身高(170.59±5.32) cm，排除有幽閉恐懼癥或磁共振檢查禁忌證者，本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會許可，患者均簽署MRI檢查知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)術(shù)后病理或?qū)嶒?yàn)室金標(biāo)準(zhǔn)診斷脊柱結(jié)核且未經(jīng)任何治療的患者；(2)患者知情同意并能配合完成DWI及HISTO檢查；(3)對照組與病例組性別相同，年齡及體重指數(shù)與病例組相差5歲及2 kg以內(nèi)。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1) MRI檢查禁忌者；(2)不能滿足后處理需要的病灶，如病情嚴(yán)重者、椎間盤破壞嚴(yán)重者甚至消失、椎體融合、壞死嚴(yán)重者；(3)合并其他脊柱疾病者。

1.2 掃描方法

采用我院GE 3.0 T磁共振，常規(guī)行矢狀位T1、T2加權(quán)成像、T2加權(quán)壓脂成像、軸位T2加權(quán)成像及矢狀位DWI、HISTO成像；HISTO序列以脊柱矢狀位TW1或TW2為定位像，感興趣區(qū)的體素塊置于椎體中部，每個椎體體素塊一致，體素塊大小(VOI)為1 cm×1 cm×l cm，設(shè)置5個TE，第一個TE為12 ms，每個TE間隔設(shè)為12 ms。DWI共選用8個b值(0、50、100、150、200、400、600、800 s/mm2)，NSA 掃描時間為6 min，根據(jù)8個b值自動擬合成一個最佳ADC圖。掃描序列及各參數(shù)見表1。

1.3 圖像處理

在后處理工作站上利用Function Tool 2軟件，HISTO序列會自動根據(jù)掃描前選擇的感興趣區(qū)自動繪制曲線并計(jì)算曲線下面積及比值，觀察HISTO序列的病例組及對照組單體素磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)圖，記錄脂質(zhì)峰、水峰、FF%值及R2water值；DWI在自動擬合的ADC圖上選擇感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，病例組感興趣置于病灶正中區(qū)域，選取病變椎體、受累椎間盤(排除椎間盤破壞較嚴(yán)重、形態(tài)消失的病例)顯示最大的3個層面，對照組及病變相鄰正常椎體(病變上1個椎體)、病變跳躍2個正常椎體(病變上3個椎體) ROI選取椎體信號強(qiáng)度顯示最均勻且前或正中的連續(xù)三個層面且所選ROI與病例組病灶位置及椎體數(shù)一一對應(yīng)，為避免由ROI的大小、外形及解剖位置不同引起的影響，病例組及對照組ROI均取0.2 mm (ROI采用復(fù)制粘貼的方法)，測量時將圖像適當(dāng)放大，并盡量避開血管、偽影及骨皮質(zhì)、膿腫等，病例組和對照組每個層面測量三次，取平均值作為最后的結(jié)果，其中ADC值由2名經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師雙盲下對圖像進(jìn)行測量，當(dāng)出現(xiàn)結(jié)果不一致時，由經(jīng)驗(yàn)豐富的主任醫(yī)師雙盲下進(jìn)行驗(yàn)證，并對照結(jié)果驗(yàn)證一致性。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)均用Spss 16.0統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件，符合正態(tài)分布數(shù)據(jù)以x±s表示。2名測量者對所得ADC值的一致性采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)評價：0～1為不一致，0.01～0.20為一致性弱，0.20～0.40為輕度一致，0.41～0.60為一致性較好，0.81～0.99為幾乎一致，1.00為完全一致。方差齊時組內(nèi)及組間采用配對t檢驗(yàn)和兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(配對t檢驗(yàn)中病變椎體取每例病變的平均值)，方差不齊則采用非參數(shù)檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像分析

17例脊柱結(jié)核共侵犯50個椎體，其中胸椎、腰椎分別為24個、26個，病變椎體主要征象為骨髓水腫及骨質(zhì)破壞，受累椎間盤形態(tài)尚完整或輕度破壞39例，6例病例形成椎旁冷膿腫[ADC值=(1.506±0.446)×10-3]，5例累及椎管，4例累及腰大肌。且所有病例的病變范圍在ADC圖上較常規(guī)序列大。圖像隨著b值的增加，其敏感度增加，當(dāng)b=0、50、100、150及800 s/mm2的時候所示圖像比較模糊，而當(dāng)b=400～600 s/mm2時，敏感度顯示最好，DWI圖像上顯示病變椎體、椎間盤及椎旁膿腫相對健康志愿者椎體呈高信號，ADC圖上呈稍高信號。HISTO序列會自動根據(jù)掃描前選擇的感興趣區(qū)測定水及脂類物質(zhì)的化學(xué)位置，脂峰1.33 ppm左右，水峰4.7 ppm左右(圖1～5)。

表1 所有患者M(jìn)R常規(guī)序列和HISTO、DWI序列的掃描參數(shù)Tab. 1 Scanning parameters of conventional MR sequences,HISTO and DWI sequences in all patients

病例組及對照組的年齡(P＞0.05)、體重(P＞0.05)、身高(P＞0.05)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2名觀察者所測ADC值一致性好(ICC值＞0.8)，取兩者均值作為結(jié)果。

HISTO序列上病變椎體及健康志愿者椎體FF%值及R2water值如表2所示，病變椎體水峰在右，脂峰在左，病變椎體脂峰減低，水峰升高、變窄；兩者與健康志愿者椎體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(FF%：Z=-7.438，P＜0.01；R2water：Z=-4.623，P＜0.01)。

圖1 DWI序列，b=600 s/mm2時DWI圖像。示腰L3～L4椎間隙狹窄，相鄰關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞，椎旁可見膿腫，椎體前緣呈典型的“拱橋樣”流注膿腫圖2 ADC圖。病變椎體和椎旁膿腫在DWI上呈高信號，ADC圖上亦呈高信號 圖3，4 健康志愿者椎體DWI及ADC圖，椎體為藍(lán)色，擴(kuò)散受限，呈低信號；椎間盤為淡黃色，彌漫較快 圖5 HISTO序列。A、B：為病變椎體，脂肪含量為5.54%，R2water值為11.53 s-1；C、D：為正常椎體，脂肪含量為33.07%，R2water值為40.30 s-1，脂峰在左，位于1.15 ppm附近，相比健康志愿者椎體脂峰明顯下降，水峰在右，位于4.7 ppm附近，比健康志愿者椎體水峰升高Fig. 1 DWI sequence: Figure 1 shows the lumbar L3—L4 intervertebral space stenosis in the DWI image at b=600 s/mm2, bone destruction in the adjacent articular surface, abscess in the paravertebral, and typical “arch bridge-like” flow abscess on the anterior edge of the vertebral body. Fig. 2 The ADC map. The diseased vertebral body and paraspinal abscess showed a high signal on DWI and a high signal on the ADC map. Fig. 3，4 Shows the DWI and ADC images of the vertebral body of healthy volunteers. The vertebral body is blue, and the diffusion is limited, showing a low signal. The healthy volunteers have a pale yellow intervertebral disc and diffuse faster. Fig. 5 HISTO sequence. Figure A, B is a diseased vertebral body with a fat content of 5.54% and an R2Water value of 11.53 s-1. Figure C,D is a normal vertebral body with a fat content of 33.07%, an R2water value of 40.30 s-1, and a lipid peak at the left, at 1.15 ppm. Nearby, compared with healthy volunteers, the vertebral fat peak decreased signi ficantly, and the water peak was on the right, located near 4.7 ppm, which was higher than that of healthy volunteers.

表2 病變椎體與健康志愿者椎體HISTO序列的FF%值及R2water值Tab. 2 Fat and R2water values of the vertebral HISTO sequence of the diseased vertebral body and healthy volunteers

表3 病變椎體、病變鄰近正常椎體、受累椎間盤與健康志愿者椎體及椎間盤的ADC值Tab. 3 ADC of the diseased vertebral body, the lesion near the normal vertebral body, the involved intervertebral disc, the lesion jumping 2 vertebral bodies and the healthy volunteers’ vertebrae and intervertebral disc

DWI上病變椎體、病變鄰近正常椎體、跳躍2個正常椎體、受累椎間盤與健康志愿者椎體及正常椎間盤ADC值見表3，病變椎體與其鄰近正常椎體、病變跳躍2個正常椎體及健康志愿者椎體ADC值相差很大，三者ADC值均明顯低于病變椎體，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-9.649，P＜0.01；t=9.252，P＜0.01；t=8.594，P＜0.01)；病變鄰近正常椎體與病變跳躍2個正常椎體或健康志愿者椎體ADC值相近，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.06，P=0.953，t=1.286，P=0.217)；受累椎間盤的ADC值與健康志愿者椎間盤有一定的差異性(t=6.407，P＜0.01)，受累椎間盤的ADC值高于健康志愿者椎間盤。

3 討論

3.1 高速M(fèi)E T2校正HISTO序列在脊柱結(jié)核中的應(yīng)用

MRS技術(shù)作為新型分子影像技術(shù)，主要通過組織的化學(xué)位移及其自旋耦合現(xiàn)象，從分子層面定量分析組織代謝及成分[6]，高速M(fèi)E T2校正HISTO序列是西門子公司基于MRS推出的新型序列，HISTO序列是多個TE時間采集的單體素MRS，多回波計(jì)算不用TE時間下水脂峰的面積，其中T2校正對定量水和脂肪的MRI非常重要，尤其是在骨髓中骨小梁可造成磁場的不均性中，校正T2衰減，較常規(guī)MRS可以擬合出最準(zhǔn)確的FF%值及R2water參數(shù)，而且本研究采用T2校正多回波采集方式，較好地平衡了采集時間及T2衰減效應(yīng)[7]。

本組中17例脊柱結(jié)核選擇在病變范圍較大、信號較均勻的病變椎體，可以測量每個感興趣區(qū)FF%值及R2water值，是因?yàn)榉逯档慕^對值會隨著患者的不同而有差異，而比值較固定，結(jié)果顯示HISTO序列可見兩個波峰，即脂峰和水峰，水峰在右，位于4.7 ppm附近，脂峰在左，位于1.15 ppm附近。病變椎體脂峰降低，曲線下面積較少，水峰變高、變窄，R2water值減低，F(xiàn)F%值減低幅度較R2water值明顯，提示病變椎體脂肪減少，骨小梁密度減低，這與病變椎體的炎性反應(yīng)等細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)通路的激活，使骨髓微環(huán)境發(fā)生變化，使前脂細(xì)胞老化，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞因子生成增多，抑制脂肪形成有關(guān)[8]。健康志愿者椎體隨著年齡的增長，F(xiàn)F%含量增加，與健康人的椎體隨年齡增大紅骨髓逐漸減少，脂肪黃骨髓成分含量逐漸增多有關(guān)[6]。

常規(guī)MR難以區(qū)別椎體骨髓內(nèi)脂肪和水所占的相對百分比，而HISTO可將椎體骨髓的MRI信號轉(zhuǎn)換為水與脂類兩類波峰，可以量化水和脂肪的變化，定量疾病的相對百分比，如趙秀芹等[9]報(bào)告脊柱轉(zhuǎn)移瘤脂峰明顯減低，F(xiàn)F%值為3.36±2.28，而水峰變化不大，而本研究中脊柱結(jié)核FF%值為19.90±12.59，其FF%平均值高于脊柱結(jié)核，而本研究中水峰升高、變窄，量化數(shù)值與脊柱轉(zhuǎn)移瘤有明顯的區(qū)別。

3.2 DWI序列在脊柱結(jié)核中的應(yīng)用

DWI能從分子水平上反映人體各組織水分子的功能變化、可以檢測組織中含水量改變有關(guān)的早期病理生理變化[10-11]，其中擴(kuò)散梯度的大小用b值表示，由于受到微循環(huán)等因素的干擾, 較難測得精確的擴(kuò)散，因而目前更多擴(kuò)散成像的結(jié)果是用ADC代替擴(kuò)散系數(shù)(D)，ADC值可直觀顯示成像層面中各體素ADC值分布情況。ADC值越大，代表組織內(nèi)水分子運(yùn)動越強(qiáng)，DWI圖像上信號越弱。

DWI序列對脊柱結(jié)核診斷有一定的價值，本研究中6例患者的7個病變椎體在常規(guī)MR序列上顯示不如DWI序列，說明DWI序列對病變敏感度更好。本研究中DWI異常信號主要分布在脊柱結(jié)核前中部，這是由于結(jié)核桿菌易侵入椎體前部或中央血流緩慢處，易致椎體骨髓炎性水腫甚至骨質(zhì)破壞有關(guān)。病變椎體、椎間盤及冷膿腫在DWI上主要表現(xiàn)呈較均勻的高信號，均與結(jié)核桿菌缺乏蛋白溶菌酶有關(guān)；椎旁膿腫在DWI信號較高，ADC值為(1.506±0.446)×10-3，這主要是由于膿液里所含蛋白質(zhì)含量增加，限制水分?jǐn)U散，含水量增加，擴(kuò)散增快，其ADC值明顯高于健康志愿者椎體有關(guān)；而健康志愿者椎體或病變鄰近正常椎體隨著年齡的增加，其DWI信號減低，ADC值減小，這一現(xiàn)象可能是由于年輕人骨髓內(nèi)以造血細(xì)胞為主，脂肪細(xì)胞數(shù)量較少，而隨著年齡的增長骨髓出現(xiàn)脂肪替代；此外，骨小梁隨著年齡的增加逐漸稀疏，增加了水分子擴(kuò)散自由度，這些因素均可能導(dǎo)致隨著年齡的增加而DWI上的信號降低有關(guān)[12]。

本研究中病變椎體、病變跳躍2椎體及鄰近正常椎體與健康志愿者椎體ADC值相差很大，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與脊柱結(jié)核早期表現(xiàn)為骨髓水腫，繼而骨質(zhì)破壞，形成結(jié)核性肉芽腫，最后形成干酪樣壞死，在局部炎癥刺激下發(fā)生液化形成結(jié)核性膿腫[13]，上述各種病理改變均可導(dǎo)致細(xì)胞膜的破壞，引起病變椎體病理生理改變，在DWI上表現(xiàn)出ADC值的異常，病變椎體擴(kuò)散加強(qiáng)有關(guān)。但本研究中10個椎體擴(kuò)散異常卻未見骨髓水腫，DWI上亦無明顯異常高信號，ADC圖上卻表現(xiàn)出擴(kuò)散異常，說明椎體ADC圖上的擴(kuò)散異?？梢耘cDWI上的信號異常分布區(qū)域不完全相同。本研究中受累椎間盤的ADC值與健康志愿者椎間盤有一定的差異性(t=6.407，P＜0.01)，受累椎間盤的ADC值高于健康志愿者椎間盤，健康人椎間盤的雖然含水量高，但脊柱結(jié)核時結(jié)核桿菌通過已破壞的椎體終板侵入椎間盤，導(dǎo)致椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)減少，從而引起細(xì)胞水腫，細(xì)胞外間隙水分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞外水分減少，椎間盤擴(kuò)散受限，含水量更高有關(guān)。

ADC值的大小反映了組織間隙內(nèi)自由水成分的含量，楊宏志等[14]認(rèn)為骨髓水腫導(dǎo)致局部水分子運(yùn)動加快，在健康人椎體組織間隙內(nèi)自由水成分較少，而脊柱結(jié)核時，局部骨髓水腫，自由水含量增加，表現(xiàn)為擴(kuò)散加強(qiáng)，ADC值增加。李光紀(jì)等[15]報(bào)告脊柱轉(zhuǎn)移瘤ADC值[(0.72±0.12)×10-3mm2/s]低于脊柱感染性病變(1.43±0.14)×10-3mm2/s，而本組脊柱結(jié)核ADC值為1.05±0.25×10-3mm2/s與李光紀(jì)等[15]的報(bào)道一致，說明量化ADC值可以對常規(guī)序列進(jìn)行補(bǔ)充診斷提供一定的應(yīng)用價值，更好地診斷及鑒別診斷疾病。

多回波T2校正磁共振波譜成像較常規(guī)MRS可以擬合出更準(zhǔn)確的FF%值及R2water參數(shù),更能評價脊柱結(jié)核，隨著這種成像技術(shù)不斷完善及臨床應(yīng)用,定將能為脊柱結(jié)核提供新的、準(zhǔn)確的手段及更豐富的信息。其次初步量化脊柱結(jié)核的FF%值、R2water值及ADC值可以為大數(shù)據(jù)的建立提供一定的基礎(chǔ)，未來HISTO及DWI對各種疾病的準(zhǔn)確量化的數(shù)值，可以補(bǔ)充常規(guī)序列的診斷，可以有助于疾病的診斷與鑒別診斷。

利益沖突：無。