最大圓感興趣區(qū)勾畫方法是可靠的頸神經(jīng)根彌散張量成像測量方法

伍鵬歡，嚴(yán)德星，黃成燕，吳 強(qiáng)，李文虎，袁艾東，史本超

韶關(guān)市第一人民醫(yī)院（南方醫(yī)科大學(xué)附屬韶關(guān)醫(yī)院）1關(guān)節(jié)運(yùn)醫(yī)科，2影像中心，廣東 韶關(guān) 512000；南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院3影像中心，4脊柱外科，廣東 廣州510280

神經(jīng)根型頸椎病是脊柱外科最常見的疾病之一［1］，但在診治過程中經(jīng)常遇到術(shù)前影像學(xué)表現(xiàn)與癥狀體征不一致［2-3］、由于多節(jié)段頸椎間盤突出或椎管狹窄導(dǎo)致無法確定確切責(zé)任節(jié)段［4］以及與其他頸周圍神經(jīng)損傷疾?。ㄈ绯呱窠?jīng)炎、肘管綜合征、腕管綜合征等）和肩關(guān)節(jié)相關(guān)疾病難以鑒別診斷［2-5］等問題。目前，常規(guī)CT和MRI檢查可以揭示頸間盤突出和頸椎椎管狹窄的位置，從而間接判斷神經(jīng)根是否受到壓迫和損傷，但不能提供神經(jīng)根損傷的直接證據(jù)［6-7］。DTI是一種基于多個(gè)b值的彌散加權(quán)成像序列，可以定量分析和評估水分子在活體組織中的擴(kuò)散情況，主要參數(shù)包括各向異性分?jǐn)?shù)（FA）和表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）［8］。DTI技術(shù)在理論上可以更好地去評價(jià)神經(jīng)根的病理變化，并且進(jìn)行量化。DTI技術(shù)對診斷神經(jīng)根型頸椎病仍處于驗(yàn)證階段，目前研究多用患者與正常人或患者的患側(cè)與健側(cè)神經(jīng)根DTI值對比，驗(yàn)證已知病變神經(jīng)根DTI值與正常神經(jīng)根是否有差異。造成目前階段的最大因素之一是正確選擇和描繪感興趣區(qū)域（ROI）［9-10］。既往研究發(fā)現(xiàn)，ROI大小對腫瘤組織ADC值有很大影響［11-12］，但目前還沒有頸神經(jīng)根ROI 勾畫方法的研究。本研究旨在探討不同ROI繪制方法對頸神經(jīng)根測量值一致性的影響，確定最佳頸神經(jīng)根ROI勾畫方法，進(jìn)一步進(jìn)行臨床相關(guān)性分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取20名健康志愿者和20名單節(jié)段神經(jīng)根型頸椎病患者，患者選自于2018年12月～2019年5月在南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院脊柱外科住院并行常規(guī)MR及DTI掃描的患者，健康志愿者為社會(huì)招募。神經(jīng)根型頸椎病的診斷標(biāo)準(zhǔn)為典型的神經(jīng)根性癥狀（手臂麻木或疼痛），疼痛麻木體表位置與頸脊神經(jīng)根支配區(qū)域一致，臂叢神經(jīng)牽拉試驗(yàn)或椎間孔擠壓試驗(yàn)陽性。納入標(biāo)準(zhǔn)：臨床診斷為神經(jīng)根型頸椎??；單節(jié)段、單側(cè)頸神經(jīng)根受壓迫的癥狀和體征；CT、MR影像學(xué)顯示單節(jié)段椎間盤向一側(cè)突出；均行手術(shù)治療，解除神經(jīng)壓迫后，術(shù)后癥狀明顯緩解。排除標(biāo)準(zhǔn)：既往有脊柱外傷或手術(shù)史；有糖尿病或者神經(jīng)系統(tǒng)疾病史；有慢性感染史；責(zé)任節(jié)段存在椎體旋轉(zhuǎn)或者滑脫；有幽閉恐懼癥史或其他任何心理問題，無法配合較長時(shí)間DTI掃描。

健康志愿者和神經(jīng)根型頸椎病患者共入組56例，其中5例因無法忍受噪音終止掃描，3例頸神經(jīng)根顯示不清，5例有頸椎手術(shù)史，3例有糖尿病史，篩選后最終納入40例，其中健康志愿者20名，神經(jīng)根型頸椎病患者20名。健康組年齡為44.50±9.57歲，頸椎病組年齡為45.10±9.89 歲，兩組性別比均為1∶0.82（男/女=11/9）。頸椎病組壓迫神經(jīng)根分布為5根C5，9根C6，4根C7，2根C8。兩組一般資料（表1）。本研究已經(jīng)獲得韶關(guān)市第一人民醫(yī)院倫理評審委員會(huì)批準(zhǔn)，所有接受DTI掃描的患者均簽署知情同意書。

表1 健康組和頸椎病組的一般資料Tab.1 Baseline characteristics of healthy and cervical spondylosis groups

1.2 MR和DTI掃描

患者檢查前至少1 h處于安靜狀態(tài)，均于夜間20:00～22:00進(jìn)行掃描。采用3.0 T Ingenia MR掃描儀（飛利浦）和32通道體部相控陣線圈對患者行頸椎MRI平掃。常規(guī)掃描序列包括：（1）矢狀面快速自旋回波T1WI、T2WI：TR 2000，TE 103，激勵(lì)次數(shù)2，F(xiàn)OV 180×282，矩陣，層厚4 mm，層間距0.4 mm；軸面快速自旋回波T2WI：應(yīng)用矢狀面圖像行掃描定位，掃描層面與椎間盤平行，TR 2583，TE 120，激勵(lì)次數(shù)2，F(xiàn)OV 155×155，矩陣，層厚3 mm，層間距1 mm；（3）FFE掃描：TR 4.8，TE 2.1，激勵(lì)次數(shù)2，F(xiàn)OV 220×220，矩陣，層厚0，層間距0；DTI掃描采用單次激發(fā)平面回波成像序列行軸面成像，TR 4500，TE 67，激勵(lì)次數(shù)2，F(xiàn)OV 224×224，矩陣，層厚2 mm，層間距1 mm。b值取0、800，DTI掃描時(shí)間為9 min 49 s。

1.3 圖像處理

將DTI圖像傳至EWS4.1工作站，由2名影像醫(yī)師獨(dú)立應(yīng)用Philips后處理軟件測量。FA值、ADC值測量方法如下：b=800為圖像高信號區(qū)域，融合3D-FFE圖像輔助定位，在椎間孔的入口平面勾畫ROI（圖1），即神經(jīng)根與上位椎弓根內(nèi)側(cè)緣與下位椎弓根內(nèi)側(cè)緣的連線的相交處，對側(cè)神經(jīng)根ROI位于相同位置。采用4種ROI勾畫方法：（1）輪廓法（圖2A）：沿神經(jīng)根輪廓手動(dòng)描畫ROI，不能超出神經(jīng)根邊緣，避免腦脊液干擾；（2）最大圓法（圖2B）：盡量畫最大圓形，感興趣區(qū)域的邊界與神經(jīng)根邊緣相切，覆蓋最大神經(jīng)根區(qū)域，并且不能超過邊緣；（3）四邊形法（圖2C）：先畫出神經(jīng)根橫截面面積的最長軸，再垂直于長軸畫縱軸，然后將兩條相垂直軸的4個(gè)端點(diǎn)順時(shí)針連接成四邊形；（4）多中心平均值法（圖2D）：以上2條垂直軸將神經(jīng)根分為4個(gè)象限，在每個(gè)象限畫最大的圓形，取這四個(gè)圓形ROI的平均值作為DTI的測量值。相應(yīng)的頸4～8神經(jīng)根重建。

圖1 ROI 定位圖Fig.1 The diagram of ROI positioning.

圖2 4種ROI 勾畫方法Fig.2 Four kinds of ROI mapping methods.

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均采用SPSS 25.0軟件，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，計(jì)數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)表示。2名放射科醫(yī)師之間的DTI測量值采用配對樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行比較；4種方法的總體差異采用單因素重復(fù)測量方差分析，如果整體有差異，再采用最小顯著性差異法進(jìn)行檢驗(yàn)。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）評價(jià)2名醫(yī)師測量結(jié)果的一致性；計(jì)算DTI值與年齡、BMI及頸神經(jīng)根功能評分等相關(guān)性行Spearson相關(guān)性分析。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；ICC 0.00～0.40為相關(guān)性低，0.41～0.60為相關(guān)性中等，0.61～0.80為相關(guān)性高，0.81～1.00相關(guān)性極高。

2 結(jié)果

2.1 FA和ADC測量結(jié)果

2 名技師分別應(yīng)用4 種ROI 勾畫方法測量FA 和ADC的結(jié)果顯示：在每位技師方法間比較，F(xiàn)A或ADC值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在兩名技師間同種方法比較，F(xiàn)A或ADC值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，表2～5）。

表2 C5神經(jīng)根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.2 DTI measurements of C5 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods(n=20,Mean±SD)

表3 C6神經(jīng)根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.3 DTI measurements of C6 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods (n=20,Mean±SD)

表4 C7神經(jīng)根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.4 DTI measurements of C7 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods(n=20,Mean±SD)

表5 C8神經(jīng)根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.5 DTI measurements of C8 nerve roots in healthy subjects using 4 ROI methods(n=20,Mean±SD)

2.2 2名放射科醫(yī)師的FA和ADC值測量一致性檢驗(yàn)

應(yīng)用ICC檢驗(yàn)，分析每種ROI勾畫方法在2名放射技師間的一致性。結(jié)果顯示在健康組和神經(jīng)根型頸椎病組，輪廓法和最大圓法ICC值均較高（均為＞0.90），但最大圓法的ICC值高于輪廓法（表6～8）。

表6 2名醫(yī)師采用4種不同ROI方法健康志愿者DTI測量值一致性（C5～C6）Tab.6 Consistency of DTI values of healthy volunteers using four different ROI methods by two physicians(C5-C6)

2.3 DTI值與影響因素的相關(guān)性

健康志愿者FA值與年齡呈負(fù)相關(guān)（P＜0.05），ADC值與年齡呈正相關(guān)（P＜0.05）；患者視覺模擬量表（VAS）評分與患側(cè)ADC值呈正相關(guān)（P＜0.05）；脊髓損傷神經(jīng)學(xué)分類國際標(biāo)準(zhǔn)（ISNCSCI）評分與患側(cè)FA值呈正相關(guān)（P＜0.05）；患者VAS評分與患側(cè)FA/患側(cè)ADC比值呈負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

表7 2名醫(yī)師采用4種不同ROI方法健康志愿者DTI測量值一致性（C7～C8）Tab.7 Consistency of DTI values of healthy volunteers using four different ROI methods by two physicians(C7-C8)

表8 2名醫(yī)師采用4種不同ROI方法神經(jīng)根型頸椎病者DTI測量值一致性（C7～C8）Tab.8 Consistence of DTI measurement values of two physicians using four different ROI methods for cervical spondylotic radiculopathy(C7-C8)

3 討論

目前，磁共振DTI技術(shù)主要通過FA和ADC值的大小，以顯示頸神經(jīng)根損傷的程度，而DTI值的測量則是通過ROI勾畫來實(shí)現(xiàn)，ROI的形狀和大小直接影響了DTI值的大小，但眾學(xué)者對ROI勾畫方法還未形成統(tǒng)一意見，有學(xué)者認(rèn)為不同ROI方法對DTI測量值可重復(fù)性存在差異［13-14］，有學(xué)者認(rèn)為不同ROI勾畫方法，需要通過多次測量，才能保證測量結(jié)果可靠性［9］；但也有研究表明ROI方法對ICC值無明顯影響［15］。本研究旨在找到最佳ROI勾畫的方法，為進(jìn)一步在臨床應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量神經(jīng)根型頸椎病患者的FA和ADC值時(shí)，觀察者間的一致性取決于ROI勾畫方法。最大圓法和輪廓法測量FA和ADC的一致性性優(yōu)于四邊形法和小圓法。有學(xué)者認(rèn)為小ROI在乳腺病變DTI診斷中具有較高的ADC重現(xiàn)性［16］；有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，ROI大小對測量前列腺癌的ADC值有相當(dāng)大的影響，并建議應(yīng)用最大的圓形ROI，因?yàn)樵摲椒ㄔ谟^察者之間產(chǎn)生最好的一致性和重復(fù)性［17］。也有研究認(rèn)為，增加ROI大小可以降低FA和ADC值的偏差［18］。這些均與我們的結(jié)果是一致的。我們認(rèn)為一個(gè)更大的圓圈一致性高。有研究認(rèn)為，增大ROI面積可以提高信噪比，進(jìn)而提高重復(fù)性［19］。當(dāng)然，神經(jīng)根的橫切面多為圓形，覆蓋橫截面神經(jīng)區(qū)域的圓形ROI將包括大部分像素，具有較高的同質(zhì)性。當(dāng)在一個(gè)有限的區(qū)域中應(yīng)用更大的ROI時(shí)，比小ROI有更多相同體素。而且，最大圓形ROI方法在實(shí)際操作中更容易操作，花費(fèi)時(shí)間更少，可控性更好，大大減少了實(shí)際操作過程中勾畫超出神經(jīng)根實(shí)際邊界所造成的測量誤差。然而，由于輪廓法繪制過程耗時(shí)長，并且要求操作者不斷地判斷和識別神經(jīng)根的實(shí)際邊界，其結(jié)果受操作人員主觀因素的影響較大。

表9 DTI 值與影響因素相關(guān)性Tab.9 Correlation between DTI value and influencing factors

圖3 頸椎間盤突出癥患者的MR-DTI圖像Fig.3 MR-DTI images of patients with cervical disc herniation.

本研究發(fā)現(xiàn)，四邊形和多中心平均值ROI方法具有較高的中心變異性和較低的ICCs，需要更長的時(shí)間勾畫，并且包含像素不如輪廓法和最大圓法多。有學(xué)者研究了21例胰腺癌患者，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用小固體形狀ROI測量的ADC值能夠獲得最準(zhǔn)確的診斷，并且比輪廓法或全體積ROI法獲得的值更準(zhǔn)確［20］；相反有研究發(fā)現(xiàn)，中樞系統(tǒng)淋巴瘤測量，全體積ROI比單層ROI有更高的重復(fù)性［21］。但也有研究表明在子宮內(nèi)膜癌中ROI 形狀對ICC無明顯影響［15］。有學(xué)者認(rèn)為ROI形狀對腫瘤DTI值有較大影響［10］。有研究表明，輪廓法ROI 得到的ADC和FA值高于圓形ROI［22］。以上結(jié)論不同的原因可能是不同組織和病變性質(zhì)，另外一個(gè)原因可能是ROI放置層面（橫斷面或矢狀面）不同［19］，本研究4種方法的DTI值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這可能與樣本量較小或者神經(jīng)根橫截面積太小有關(guān)。此外，F(xiàn)A和ADC值可能與年齡、性別和BMI相關(guān)。4種方法所勾畫的神經(jīng)根橫截面積相似，即軸突數(shù)目差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此測量值沒有顯著性差異。此外，使用最大圓形ROI的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，與分隔整個(gè)神經(jīng)根斷面相比，放置最大圓ROI時(shí)間要少得多。

在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)根型頸椎病患者患側(cè)與健側(cè)、健康志愿者相比，F(xiàn)A值明顯較低，ADC值明顯較高，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；患者健側(cè)與健康志愿者神經(jīng)根DTI值相比，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這個(gè)結(jié)果表明神經(jīng)根DTI參數(shù)的改變有助于早期診斷神經(jīng)根型頸椎病。本研究結(jié)果與既往研究［23］結(jié)果相當(dāng)。研究顯示，神經(jīng)根FA值的降低是由于神經(jīng)根受壓導(dǎo)致纖維束密度降低，神經(jīng)根出現(xiàn)沃勒變性、脫髓鞘損傷［24］。

本研究中，健康志愿者的FA值、ADC值與性別、BMI無顯著相關(guān)性，F(xiàn)A值與年齡呈負(fù)相關(guān)，ADC值與年齡呈正相關(guān)。DTI測量大腦白質(zhì)顯示，參與者的性別、年齡與DTI值密切相關(guān)，因?yàn)槟挲g和性別對大腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)有極大影響［25］。既往研究結(jié)果認(rèn)為FA與體質(zhì)量、BMI和身高有較小關(guān)系，并建立多元線性回歸模型，認(rèn)為年齡和BMI預(yù)測指標(biāo)為最佳［26］。雖然不同類型的DTI值與年齡的相關(guān)程度不同，但是都具有相關(guān)性［27］。有研究測量了腰椎神經(jīng)根，認(rèn)為FA值與年齡呈負(fù)相關(guān)［28］；有研究報(bào)道了年齡對脛神經(jīng)FA值影響的初步研究，結(jié)果表明健康成年人的脛神經(jīng)FA值在45歲前保持不變，45歲出現(xiàn)下降［29］。本研究結(jié)論與既往研究［29］一致，健康志愿者頸神經(jīng)根FA值在45歲前無明顯變化，但是45歲之后，逐漸下降。這說明，即使是健康人，雖然頸椎神經(jīng)根沒有受到壓迫，隨著年齡的增加，F(xiàn)A值和ADC值也會(huì)相應(yīng)變化。因此在臨床中應(yīng)用DTI技術(shù)時(shí)，要考慮到年齡因素對結(jié)果的影響，不同年齡段的DTI值可能不同。本研究中，F(xiàn)A值在男性中稍低于女性，但差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。本研究樣本量較小，可能是造成差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的原因。

有研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)根型頸椎病患者，不論是急性還是慢性發(fā)作，F(xiàn)A或ADC值與ISNCSCI評分沒有相關(guān)性［26］；有研究同樣發(fā)現(xiàn)頸椎間盤突出癥患者的FA 值與ISNCSCI評分無相關(guān)性，而平均擴(kuò)散系數(shù)、縱向擴(kuò)散系數(shù)、徑向擴(kuò)散系數(shù)與ISNCSCI評分呈正相關(guān)［30］。JOA評分與受壓神經(jīng)中遠(yuǎn)段的FA值存在顯著相關(guān)性［31］。既往有學(xué)者研究了26例脊髓型頸椎病患者，根據(jù)JOA評分改善率，發(fā)現(xiàn)FA值是手術(shù)結(jié)果的良好預(yù)測指標(biāo)［8］；有研究認(rèn)為FA值和術(shù)前JOA評分、Nurick評分有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且術(shù)前的FA值越高，體現(xiàn)患者神經(jīng)功能ODI評分越好［32］。在受壓神經(jīng)根中，F(xiàn)A值和ODI值與癥狀持續(xù)時(shí)間呈顯著負(fù)相關(guān)，然而，在受壓側(cè)ODI和ADC值與持續(xù)時(shí)間之間觀察到明顯的正相關(guān)［33］。FA值與下頸椎損傷臨床評分之間也有很強(qiáng)的相關(guān)性［34］。本研究發(fā)現(xiàn)，患者VAS評分與患側(cè)ADC值呈正相關(guān)，與患側(cè)FA值無相關(guān)性，疼痛越劇烈，VAS評分越高，ADC值越高，說明神經(jīng)根水腫越厲害，髓鞘通透性越高，水分子擴(kuò)散速率越快。ISNCSCI評分與患側(cè)FA值呈正相關(guān)，與患側(cè)ADC值無相關(guān)性，說明DTI值可以反映神經(jīng)根損傷的程度，根據(jù)DTI值的大小，可以評估經(jīng)過治療后神經(jīng)功能的恢復(fù)程度。這也是我們需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。因此，F(xiàn)A值改變主要反映的是神經(jīng)功能情況，而ADC值反映的是疼痛情況，可能與各自反映的水分子的病理變化機(jī)制有關(guān)系。

神經(jīng)根型頸椎病患者的DTI值除了受到神經(jīng)根病變程度本身的影響，還會(huì)受到年齡因素影響。為了消除年齡因素影響，我們嘗試探索DTI比值與VAS評分、ISNCSC評分的相關(guān)性。本研究發(fā)現(xiàn)，患者VAS評分與患側(cè)FA/健側(cè)FA比值、患側(cè)ADC/健側(cè)ADC比值無相關(guān)性，與患側(cè)FA/患側(cè)ADC比值呈負(fù)相關(guān)；ISNCSC評分與患側(cè)FA/健側(cè)FA比值、患側(cè)ADC/健側(cè)ADC比值、患側(cè)FA/患側(cè)ADC比值無相關(guān)性。經(jīng)過分析，雖然大部分結(jié)果無相關(guān)性，但還是有一定相關(guān)趨勢，推測相關(guān)性會(huì)隨著樣本量的擴(kuò)大而更加明顯，因此未來我們也將擴(kuò)大樣本量研究考慮的一個(gè)重要方面；另外一個(gè)原因是神經(jīng)損傷程度較輕，DTI比值增大或減小某一程度時(shí)，相關(guān)性才能顯現(xiàn)出來。

本研究的局限性在于：首先，為了獲得典型病變的神經(jīng)根，我們采用了非常嚴(yán)格的病例納入標(biāo)準(zhǔn)，樣本量偏少，可能導(dǎo)致潛在的相關(guān)性沒有顯現(xiàn)出來。第二，我們只是對ROI的勾畫方法進(jìn)行了研究，沒有對ROI在神經(jīng)根定位進(jìn)行探討，這也是我們將來研究的內(nèi)容。第三，由于條件水平所限，沒有對頸神經(jīng)根進(jìn)行纖維示蹤重建，無法直觀了解神經(jīng)損傷情況。第四，我們納入的患者均為單節(jié)段，單側(cè)癥狀，沒有對兩節(jié)段以上病變患者進(jìn)行研究。

綜上所述，應(yīng)用最大圓ROI勾畫方法測量頸神經(jīng)根DTI值是可靠的，其對于頸神經(jīng)根的受損程度和形態(tài)學(xué)特征評估，可用于DTI技術(shù)在神經(jīng)根型頸椎病的進(jìn)一步研究中。FA值和ADC值與部分人口學(xué)特征、頸椎神經(jīng)功能評分具有臨床相關(guān)性。