賴志權

（河源市人民醫(yī)院 醫(yī)療設備科，廣東 河源517000）

彌散張量成像在腰椎間盤早期退化研究中的應用價值

賴志權

（河源市人民醫(yī)院 醫(yī)療設備科，廣東 河源517000）

目的 彌散張量成像 （DTI）可以無創(chuàng)傷地探測人體腰椎間盤退化中的間質(zhì)改變，本研究應用彌散張量成像來研究人體腰椎間盤在不同年齡段的早期退化現(xiàn)象。方法 本研究招募了30名25～67歲無腰部受傷史且無腰痛癥狀的正常志愿者。所有被試在本院一臺1.5T臨床磁共振上行單次激發(fā)回波平面DTI掃描，DTI圖像經(jīng)離線后處理得到定量的彌散各向異性圖 （FA）和平均彌散系數(shù) （MD），隨后對腰椎間盤髓核區(qū)域的FA和MD數(shù)值提取后進行直方圖分析。應用非參數(shù)Mann－Whitney test在兩個不同年齡組之間比較FA和MD的平均值。結果 老年組腰椎間盤的MD顯著降低 （P＜0.001），F(xiàn)A顯著升高 （P＜0.001）。結論 衰老過程中人體腰椎間盤的早期退化性改變可以通過DTI的定量參數(shù)來反映，而此時常規(guī)解剖圖像上并無發(fā)現(xiàn)。很有必要進一步研究腰椎間盤退化級別和DTI定量參數(shù)的相關性，這樣可以推進DTI在椎間盤退化的臨床應用。

彌散張量成像；腰椎間盤退化

0 研究背景

椎間盤是位于人體兩個椎體之間具有流體力學特性的結構，由中央部分富有彈性的髓核 （nucleus pulposus，NP）和周圍的纖維環(huán) （annulus fibrosus，AF）組成。髓核和纖維環(huán)具有完全不同的成分和結構，其中纖維環(huán)由多層膠原纖維按同心圓排列， 而髓核包含大量的蛋白多糖， 無定向結構。 有研究［1－2］表明在人體衰老的過程中，髓核和纖維環(huán)內(nèi)都會發(fā)生組織結構的變化，均有纖維化現(xiàn)象，且兩者之間的成分、結構差異會減弱［3］。雖然人們都認為椎間盤退化受到人體衰老中的某些生理過程影響，但是衰老過程引發(fā)椎間盤退化的深層機制和成分變化［4］卻尚未探明。

部分椎間盤的研究［5－6］應用彌散加權成像 （DWI）技術來無創(chuàng)地探測其中水分子的擴散特性，發(fā)現(xiàn)退化椎間盤中表觀彌散系數(shù) （ADC）數(shù)值降低，和水分流失及間質(zhì)結構完整性被破壞有一定相關性，但它們均未研究椎間盤的彌散特性變化與年齡之間的相關性，而且這些研究使用的ADC數(shù)值會隨著DWI采集中彌散梯度方向的不同而變化，是一個半定量參數(shù)，并不能完整地反映組織內(nèi)的水分子彌散特性。因而有必要使用一個不受彌散梯度方向影響的更為客觀的彌散測度來研究椎間盤的結構成分變化。

彌散張量成像 （DTI）技術使用一個橢球體來代表一個體素內(nèi)的水分子彌散快慢的空間分布特征，相比于傳統(tǒng)的ADC測度能更完整地描述組織微結構特征。DTI技術自出現(xiàn)以來被廣泛地應用于大腦［7］、 脊髓［8］、 肝臟［9］和心臟［10］等多個器官或組織的結構研究。DTI技術有多個測度，其中各向異性FA和平均彌散系數(shù)MD應用最多。FA反映生物組織內(nèi)水分子沿空間不同方向彌散速度的差異程度，而MD代表不同方向彌散系數(shù)的平均值。

本研究的目的是使用DTI技術來研究不同年齡組中人腰椎間盤的彌散特性變化，反映人體衰老過程當中的腰椎間盤間質(zhì)微觀結構變化，這些變化對于人體椎間盤早期退化的研究有重大意義。

1 研究方法

1.1 受試

本研究獲得醫(yī)院倫理委員會批準，并告知受試者研究目的和內(nèi)容，均簽署知情同意書。共招募30名無腰部受傷史、無腰痛癥狀的正常志愿者，其中19名女性，11名男性，平均年齡 （46.8±13.3）歲，年齡范圍25～67歲。30名受試被分為兩個年齡組：青年組 （25～48歲，平均年齡34.7歲，14人）和老年組 （53～67歲，平均年齡57.6歲，16人）。

兩名放射科醫(yī)生獨立對所有受試的腰椎間盤T2w圖像按照Schneiderman標準鑒定退化分級，在150個椎間盤中最終判別出85個未退化，這些未退化椎間盤將作為DTI研究對象。

1.2 圖像采集

磁共振圖像采集在本院放射科GE 1.5T HDi（GE Medical System，Milwaukee，WI）掃描儀上完成，采集線圈為相控陣脊柱線圈。每位受試行矢狀位DTI序列掃描，覆蓋L1／L2到L5／S1共5節(jié)腰椎間盤，b值為500 s／mm2，15個彌散方向，頻率編碼方向為S／I，為了減少相位方向偽影，添加2個飽和帶壓制椎間盤之前的腹部信號，其他掃描參數(shù)具體如下：重復時間TR 3 000 ms，回波時間TE 71 ms，F(xiàn)OV 180 mm，成像矩陣128×128，12層，層厚／層間隔5 mm／1 mm，重復采集次數(shù)NEX 4，序列掃描時間為6分24秒。此外還掃描了矢狀位高分辨T2w圖像，F(xiàn)SE T2w序列參數(shù)為：TR 2 500 ms，TE 90 ms，F(xiàn)OV 180 mm，成像矩陣256×256，回波鏈19，12層，層厚／層間隔5 mm／1 mm，NEX 2，序列掃描時間為2分5秒。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

DTI圖像推送到GE AW工作站上進行后處理，得到FA圖和MD圖，并以DICOM格式導出，此外T2w也一并導出，作下一步直方圖分析 （Histogram Analysis）使用。將DTI功能圖像和T2w進行融合顯示，在T2w的中間層面上勾勒髓核ROI，并疊加到DTI功能測度FA圖和MD圖上，在MATLAB中編程獲得髓核內(nèi)所有體素的FA和MD數(shù)值，并進行直方圖分析，計算峰值和峰位。

在SPSS 18.0軟件中應用非參數(shù)Mann－Whitney檢驗方法比較青年組和老年組間腰椎間盤髓核FA和MD分布峰值和峰位的組間差異，P＜0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

圖1顯示了一名青年受試 （25歲女性）和一名老年受試（58歲女性）的腰椎間盤T2w圖像和DTI測度FA圖、MD圖融合顯示效果，這兩名受試的5節(jié)腰椎間盤均未退化。

圖2顯示了青年組和老年組腰椎間盤髓核FA和MD的直方圖分布特征，圖中對比發(fā)現(xiàn)青年組的FA峰位低于老年組，而MD峰位高于老年組，線性衰減分析進一步發(fā)現(xiàn)在老年組中FA和MD變化的速率加快。

圖1 T2w和FA、MD融合圖

圖2 腰椎間盤髓核FA和MD的直方圖分布

圖3為統(tǒng)計分析結果，F(xiàn)A和MD的峰位和峰值在兩個年齡組別之間均有顯著差異性，其中FA峰位、MD峰值和峰位的P值＜0.001，F(xiàn)A峰值的P值＜0.05。

圖3 FA和MD的峰位和峰值的統(tǒng)計學結果

3 討論

傳統(tǒng)影像學研究往往采取勾勒ROI比較ROI內(nèi)測度平均值的方式，這種方法獲得的平均值受ROI大小、位置等主觀因素影響很大。本研究使用直方圖分析方法，比較ROI內(nèi)數(shù)值的分布特征，如峰值和峰位，這些直方圖分布特征受ROI的大小和位置影響相對較小，因而更為客觀。由于腰椎間盤纖維環(huán)含水分少，在DTI掃描中信噪比過低，故本研究只對中央部的髓核進行直方圖分析和統(tǒng)計比較。

本研究結果顯示，青年組髓核的 MD為 （1.75～2.25）× 10－3mm2／s，老年組為 （1.51～2.02）×10－3mm2／s，與其他椎間盤DWI研究報道的ADC（1.1～2.3）×10－3mm2／s比較吻合，位于中間數(shù)值范圍。本研究得到的青年組髓核 FA值為0.1～0.2，老年組FA為0.13～0.23。由于之前沒有椎間盤的研究使用過DTI，因而無法比較。

通過直方圖分析，本研究發(fā)現(xiàn)從青年到老年的衰老過程中，髓核的FA值降低，這和期間髓核的纖維化和微結構復雜化相關。前期研究［11－12］已經(jīng)證實人體衰老過程中椎間盤髓核會發(fā)生成分和結構的劇烈變化，從青年期的類液體彈性狀態(tài)演變?yōu)槔夏昶诘念惞腆w纖維狀態(tài)，而且這種變化隨著年齡的增長而加快速度，F(xiàn)A和MD的線性變化加快也反映了這一趨勢。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)髓核MD隨年齡而降低，這可能反映了期間髓核水分的流失和體積的萎縮。有研究［13］報道在老年化過程中，髓核和纖維環(huán)中的蛋白多糖含量會顯著降低，而髓核中的膠原含量基本不變。因而，本研究認為髓核中蛋白多糖的減少使髓核保持水分的能力和彈性都減弱，進而造成水分的流失。

本研究存在三點不足。首先，DTI圖像中纖維環(huán)信噪比不足，只研究了髓核的變化，下一步研究需要提高信噪比，得到纖維環(huán)FA圖和MD圖。其次，研究的受試數(shù)目較少，因而沒有使用雙樣本t檢驗，而是采用非參數(shù)檢驗統(tǒng)計方法。最后，只研究了無腰痛癥狀的正常志愿者，無法得到FA、MD數(shù)值和臨床癥狀如腰痛的相關性。

綜上所述，本研究的初步結果表明DTI測度的直方圖分布特征可以發(fā)現(xiàn)老年化過程中的腰椎間盤早期退變，而常規(guī)解剖磁共振圖像如T2w上無法觀測到這些變化。DTI技術可以用于腰椎間盤退化的早期發(fā)現(xiàn)和進展跟蹤，對此疾病的及時診斷治療有重大意義。

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（責任編輯：常海慶）

Application Value of Diffusion Tensor Imaging in the Study of Early Degeneration in Human Lumbar Intervertebral Disc

LAI Zhiquan
(Depeartment of Medical Equipment,Heyuan People's Hospital,Heyuan 517000,China)

ObjectiveDiffusion tensor imaging(DTI)may noninvasively detect degenerative matrix alterations in human lumbar intervertebral discs(IVDs).This study aimed to investigate age-related degenerative changes in human lumbar IVDs using DTI.Methods30 asymptomatic volunteers ranging from 25 to 67 years old underwent single-shot diffusion weighted echo-planar imaging on a 1.5T scanner. DTI-derived fractional anisotropy(FA)and mean diffusivity(MD)in nucleus pulposus were analyzed by histogram analysis.A Mann-Whitney test was used to compare the mean values of FA and MD between young and elderly groups.ResultsAge-related changes were significant in the elderly adult group,with decrease of MD(P＜0.001)and increase of FA(P＜0.001).ConclusionsEarly degenerative-related changes in the IVDs through aging can be quantified by DTI-derived metrics other than morphological images.It would be worthwhile to validate the relationship between DTI metrics and the actual degenerative status of IVDs by studying patients with degenerative discs in order to further explore the clinical usefulness and relevance of DTI.

Diffusion tensor imaging;Lumbar intervertebral discs degeneration

R339.3+8

A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.04.0440

2016－08－18

2016－11－22

賴志權 （1981－），男，廣東河源人，本科學歷，醫(yī)療器械工程師，從事醫(yī)院醫(yī)療器械管理工作。