俎金燕，王晨光，賈寧陽(yáng)，劉洪超，張沉石，徐雪元

目前，椎間盤(pán)退變的發(fā)生率越來(lái)越高，其中約10%的患者會(huì)喪失正常生活能力［1］。常規(guī)磁共振掃描可觀察椎間盤(pán)形態(tài)和信號(hào)及其與神經(jīng)根的關(guān)系，在臨床治療中發(fā)揮著重要作用，但缺乏對(duì)椎間盤(pán)退變量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)創(chuàng)定量診斷椎間盤(pán)退變已引起越來(lái)越多的關(guān)注［2］。

本文擬通過(guò)磁共振彌散加權(quán)成像技術(shù)定量分析椎間盤(pán)退變過(guò)程中微結(jié)構(gòu)變化，以期指導(dǎo)臨床從椎間盤(pán)微結(jié)構(gòu)功能水平進(jìn)行治療和預(yù)防。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

隨機(jī)選擇研究對(duì)象88例，女50例，男38例;年齡為16～63歲，平均37歲。對(duì)象納入標(biāo)準(zhǔn):①性別不限，有或無(wú)腰腿痛。②年齡＜65歲。③所有對(duì)象均無(wú)脊柱手術(shù)史、外傷、感染和腫瘤病史。④所有對(duì)象無(wú)脊柱畸形。每個(gè)病例選取5 個(gè)椎間盤(pán)(L1/L2/L3/L4/L5/S1)，共440 個(gè)椎間盤(pán)，排除磁敏感性偽影較重的10 個(gè)椎間盤(pán)，最后430 個(gè)椎間盤(pán)納入研究。

1.2 掃描方法與參數(shù)

采用GE SIGNA EXCITE 1.5T 超導(dǎo)型MRI 成像儀及脊柱表面線(xiàn)圈，患者仰臥位、頭先進(jìn)，行脊柱常規(guī)掃描及彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)掃描。

脊柱常規(guī)掃描采用快速自旋回波(fast spin echo，F(xiàn)SE)脈沖序列脈沖序列，DWI 采用平平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)脈沖序列。

FSE 脈沖序列掃描參數(shù):T1 加權(quán)，重復(fù)時(shí)間(repetition time，TR)=450 ms，回波時(shí)間(echo time，TE)=Minimum;T2 加權(quán)，TR=3 500 ms，TE=Minimum，脈沖重復(fù)激發(fā)次數(shù)(number of excitations，NEX)=2，層厚(slice，Sl)=4 mm，掃描野(field of view，F(xiàn)OV)=30 cm×30 cm，距陣=320×224。

EPI 脈沖序列掃描參數(shù):TR=4 000 ms，TE=Minimum，b 值=600 s/mm2，NEX=8，Sl=3 mm，F(xiàn)OV=30 cm×30 cm。

1.3 椎間盤(pán)PM 分級(jí)［3］

椎間盤(pán)PM 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是目前國(guó)際上公認(rèn)的評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退變程度的方法之一，根據(jù)T2 加權(quán)正中矢狀面椎間盤(pán)信號(hào)是否均勻、髓核與纖維環(huán)的邊界是否清晰、椎間盤(pán)的高度是否正常等進(jìn)行分級(jí)。

1.4 圖像分析與處理

所有數(shù)據(jù)經(jīng)ADW4.3 后處理工作站，使用Function tool 軟件進(jìn)行后處理。選擇正中矢狀面DWI 作為測(cè)量平面，沿椎間盤(pán)髓核邊緣對(duì)每個(gè)椎間盤(pán)手動(dòng)畫(huà)出感興趣區(qū)，同時(shí)測(cè)量表觀彌散系數(shù)值(apparent diffusion coefficient，ADC)。

以上數(shù)據(jù)測(cè)量及分型均由2 位有豐富MRI 診斷經(jīng)驗(yàn)(從事MRI 工作＞10年)的放射科醫(yī)師獨(dú)立完成，然后取其平均值來(lái)做數(shù)據(jù)分析。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 17.0 軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。ADC值以中位數(shù)(median，md)及四分位間距(Q1～Q3)表示;比較PM 各級(jí)之間ADC 值，檢驗(yàn)水準(zhǔn)P＜0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 ADC 值與PM 等級(jí)分布情況

各級(jí)ADC 值分布箱式圖見(jiàn)圖1，經(jīng)Kruskal-Wallis 秩和檢驗(yàn)，不同PM 等級(jí)的ADC 值差異見(jiàn)表1，不同PM 等級(jí)的ADC 值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=210.35，P＜0.01)，ADC 值可定量評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退變程度。

圖1 矢狀位DWI 不同PM 分級(jí)ADC 值分布箱式圖Fig.1 Distribution box diagram of DWI(sagittal)ADC value in different PM grades

表1 ADC 值與PM 等級(jí)分布情況Tab.1 Distribution of ADC values and PM grade

2.2 ADC 值評(píng)價(jià)椎間盤(pán)狀態(tài)

把PMⅡ級(jí)作為正常椎間盤(pán)，Ⅲ～Ⅴ級(jí)作為退變椎間盤(pán)，以ADC 值來(lái)評(píng)價(jià)椎間盤(pán)狀態(tài)，繪制受試者工作特征(receiver operator characteristic，ROC)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。DWI 矢狀面曲線(xiàn)下面積為0.825 3，ADC 界值為1.05×10-3mm2/s，其評(píng)價(jià)椎間盤(pán)狀態(tài)的靈敏度為73.48%，特異度為75.30%。

3 討 論

3.1 DWI 技術(shù)原理

圖2 ADC 值評(píng)價(jià)椎間盤(pán)狀態(tài)的ROC 曲線(xiàn)Fig.2 ROC curve of ADC evaluation of disc status

椎間盤(pán)退變主要表現(xiàn)為髓核脫水、纖維環(huán)斷裂和椎間隙塌陷，髓核脫水是椎間盤(pán)退變時(shí)最初的形態(tài)學(xué)改變。組織學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，初生嬰兒椎間盤(pán)髓核含水量約為90%，成年后降至約80%。DWI 是目前唯一能在活體測(cè)量水分子擴(kuò)散的無(wú)創(chuàng)性技術(shù)手段，通過(guò)檢測(cè)組織內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)反映組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?；铙w測(cè)量椎間盤(pán)含水量有利于椎間盤(pán)退變的早期診斷及評(píng)價(jià)。不同退變程度的椎間盤(pán)其髓核含水量和纖維環(huán)完整性明顯不同，退變程度越高，含水量越少，纖維環(huán)的完整性越易受到損害。在DWI上，椎間盤(pán)含水量越高，其分子彌散越快，其ADC 值越高;椎間盤(pán)含水量越低，其分子彌散越慢，ADC 值越低。本研究的目的在于通過(guò)椎間盤(pán)DWI 定量評(píng)價(jià)椎間盤(pán)狀態(tài)。

3.2 DWI 的主要參數(shù)

體內(nèi)水分子的擴(kuò)散比較復(fù)雜，除了布朗運(yùn)動(dòng)，還受到多種因素的影響，包括組織間隙內(nèi)游離水含量、細(xì)胞膜的通透性、細(xì)胞器的數(shù)量等，因此單純物理學(xué)的擴(kuò)散系數(shù)不能代表機(jī)體的復(fù)雜情況。由于彌散系數(shù)受多種因素影響，體內(nèi)一般用ADC 值來(lái)描述活體擴(kuò)散成像上所觀察到的表觀彌散現(xiàn)象。在DWI，水分子擴(kuò)散越快，平均隨機(jī)移動(dòng)距離越大，信號(hào)衰減越快，信號(hào)強(qiáng)度越低。病變組織與正常組織的水分子的離散程度不同，病變組織信號(hào)降低的程度與正常組織之間形成差別，從而發(fā)現(xiàn)病變。

DWI 的主要影響因素是彌散敏感因子，即b值。活體內(nèi)由于血液灌注、細(xì)胞膜、細(xì)胞器等的影響，磁共振信號(hào)與b 值關(guān)系復(fù)雜。b 值的大小和數(shù)量影響擴(kuò)散的測(cè)量，一個(gè)脈沖序列采取2 種不同的b 值即可獲得ADC 值，并擬合出ADC 圖。ADC 圖的信號(hào)強(qiáng)度與DWI 的信號(hào)強(qiáng)度相反:分子擴(kuò)散快，信號(hào)衰減快，ADC 值高，DWI 呈低信號(hào)，ADC 圖呈高信號(hào);分子擴(kuò)散慢，信號(hào)衰減慢，ADC 值低，DWI 呈高信號(hào)，ADC 圖呈低信號(hào)。

ADC 值的大小主要受組織內(nèi)各種形式水分子運(yùn)動(dòng)的影響，包括:①細(xì)胞內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)。主要與細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器數(shù)量、大小及胞漿的黏滯性有關(guān)，細(xì)胞器數(shù)量越多、體積越大、胞漿黏滯性越高，水分子彌散越易受限，ADC 值越低;反之越高。②細(xì)胞外水分子運(yùn)動(dòng)。主要與細(xì)胞數(shù)目、大小和排列方式及細(xì)胞外間隙有關(guān)，細(xì)胞數(shù)量越多、排列越密集，水分子彌散越受限，其ADC 值越低;反之越高。③跨細(xì)胞水分子運(yùn)動(dòng)。主要與細(xì)胞膜通透性、完整性和細(xì)胞內(nèi)外分子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制有關(guān)。④組織血流灌注，包括血管通透性、血容量、血流灌注速度等。組織血流灌注狀態(tài)和細(xì)胞外水分子運(yùn)動(dòng)對(duì)ADC 值影響最大。當(dāng)b值較小時(shí)，組織灌注對(duì)ADC 值影響較大;當(dāng)b 值＞500 s/mm2時(shí)，ADC 值受血流灌注影響較小，可較準(zhǔn)確反映水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

有研究表明椎間盤(pán)突出的發(fā)生可能與分子擴(kuò)散率降低有關(guān)?；贒WI 可以定量研究活體組織內(nèi)水分子擴(kuò)散程度，其可能在研究椎間盤(pán)疾病發(fā)病機(jī)制、無(wú)創(chuàng)評(píng)價(jià)治療效果以及預(yù)后判斷等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值［4-5］。本研究采用2 個(gè)b 值(0 s/mm2和600 s/mm2)，ADC 值能較準(zhǔn)確反映水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。椎間盤(pán)髓核為富含水分的結(jié)構(gòu)，椎間盤(pán)發(fā)生退變，髓核及纖維環(huán)含水量會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，其分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不同，所得ADC 值亦有很大區(qū)別。

3.3 DWI 對(duì)椎間盤(pán)退變的定量診斷價(jià)值

隨著快速成像技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來(lái)，DWI在椎間盤(pán)生理、功能及病理方面的研究受到眾多學(xué)者關(guān)注。Eguchi 等［6-7］運(yùn)用DWI 評(píng)價(jià)腰椎椎間盤(pán)突出壓迫神經(jīng)根的病理變化，發(fā)現(xiàn)ADC 值可定量分析這一病理變化，并且有助于解釋神經(jīng)根的放射性疼痛。文獻(xiàn)［8-9］報(bào)道使用ADC 值評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退變，但存在分歧。文獻(xiàn)［10］報(bào)道正常腰椎椎間盤(pán)ADC值與突出椎間盤(pán)ADC 值有顯著差異，后者明顯下降，DWI 可能成為椎間盤(pán)疾病發(fā)生機(jī)制、早期診斷及療效評(píng)價(jià)研究的重要手段。但也有不同意見(jiàn)，文獻(xiàn)［11-12］報(bào)道正常與退變椎間盤(pán)ADC 值有很大程度的重疊，認(rèn)為從目前的技術(shù)水平來(lái)看，ADC 值的測(cè)量對(duì)于腰椎椎間盤(pán)退變的診斷沒(méi)有明確的臨床價(jià)值。

本研究分別對(duì)椎間盤(pán)行矢狀面DWI 掃描，測(cè)量其ADC 值。利用ADC 值對(duì)不同退變程度的椎間盤(pán)進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，退變椎間盤(pán)ADC 值(PM≥Ⅲ級(jí))較正常椎間盤(pán)(PMⅡ級(jí))明顯降低。矢狀面以ADC=1.05×10-3mm2/s 為界值評(píng)價(jià)椎間盤(pán)狀態(tài)，其靈敏度為73.48%，特異度為75.30%。且PM 分級(jí)越高，椎間盤(pán)退變程度越高，椎間盤(pán)ADC 值越低。分析其原因如下:①椎間盤(pán)的生理結(jié)構(gòu)。椎間盤(pán)主要有髓核和纖維環(huán)2 部分組成，是少細(xì)胞結(jié)構(gòu)。髓核富含水分，隨年齡增長(zhǎng)，其含水量逐漸下降。椎間盤(pán)退變?cè)矫黠@，其含水量越低。②正常成熟椎間盤(pán)在T2 加權(quán)像上顯示為均勻的高信號(hào)影，細(xì)胞外含水量豐富，水分子擴(kuò)散快，ADC 值大;椎間盤(pán)退變時(shí)，髓核含水量下降，髓核逐漸被纖維組織所取代，細(xì)胞外含水量下降，其彌散明顯受阻，水分子擴(kuò)散慢，ADC 值下降。③椎間盤(pán)退變時(shí)呈同心圓規(guī)律排列的纖維環(huán)水分減少，完整性受到破壞，其纖維環(huán)呈像亦出現(xiàn)相應(yīng)的改變。

［1］Maniadakis N，Gray A.The economic burden of back pain in the UK［J］.Pain，2000，84(1):95-103.

［2］Mwale F，Iatridis JC，Antoniou J.Quantitative MRI as a diagnostic tool of intervertebral disc matrix composition and integrity［J］.Eur Spine J，2008，17(Suppl 4):432-440.

［3］Pfirrmann CW，Metzdorf A，Zanetti M，et al.Magnetic resonance classification of lumbar intervertebral disc degeneration［J］.Spine(Phila Pa 1976)，2001，26(17):1873-1878.

［4］Kealey SM，Aho T，Delong D，et al.Assessment of apparent diffusion coefficient in normal and degenerated intervertebral lumbardisks:initial experience［J］.Radiology，2005，235(2):569-574.

［5］Antoniou J，Demers CN，Beaudoin G，et al.Apparent diffusion coefficient of intervertebral discs related to matrix composition and integrity［J］.Magn Reson Imaging，2004，22(7):963-972.

［6］Eguchi Y，Ohtori S，Yamashita M，et al.Clinical applications of diffusion magnetic resonance imaging of the lumbar foraminal nerve root entrapment［J］.Eur Spine J，2010，19(11):1874-1882.

［7］Eguchi Y，Ohtori S，Yamashita M，et al.Diffusion-weighted magnetic resonance imaging of symptomatic nerve root of patients with lumbar disk herniation［J］.Neuroradiology，2010，53(9):633-641.

［8］Nakanishi K，Kobayashi M，Takahashi S，et al.Whole body MRI for detecting metastatic bone tumor:comparison with bone scintigrams［J］.Magn Reson Med Sci，2005，4(1):11-17.

［9］Boulanger Y，Amara M，Lepanto L，et al.Diffusion-weighted MR imaging of the liver of hepatitis C patients［J］.NMR Biomed，2003，16(3):132-136.

［10］Kealey SM，Aho T，Delong D，et al.Assessment of apparent diffusion coefficient in normal and degenerated intervertebral lumbar disks:initial experience［J］.Radiology，2005，235(2):569-574.

［11］Niinim¨aki J，Korkiakoski A，Ojala O，et al.Association between visual degeneration of intervertebral discs and the apparent diffusion coefficient［J］.Magn Reson Imaging，2009，27(5):641-647.

［12］Chiu EJ，Newitt DC，Segal MR，et al.Magnetic resonance imaging measurement of relaxation and water diffusion in the human lumbar intervertebral disc under compression in vitro［J］.Spine(Phila Pa 1976)，2001，26(19):E437-444.