趙爽，彭如臣，沈秀芝，張雙，鐘佳利，宋海龍

腰椎間盤退行性病變的MRI-DTI定量分析

趙爽，彭如臣*，沈秀芝，張雙，鐘佳利，宋海龍

作者單位：
首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院放射科，北京 101149

目的探討磁共振擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)相關(guān)測(cè)量指標(biāo)作為定量分析方法在腰椎間盤病變的應(yīng)用，并對(duì)擴(kuò)散梯度方向?qū)y(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行研究。材料與方法選取來(lái)我院的腰腿疼患者50例，其中男32例，女18例，年齡24～62歲，平均年齡(46.9±16.2)歲，全部患者進(jìn)行常規(guī)MRI及矢狀位DTI腰椎間盤掃描，DTI擴(kuò)散梯度方向分別為6、12、20。按擴(kuò)散梯度方向?qū)⒀甸g盤分為DD6、DD12、DD20組；按Pfirrmann (Pm)分級(jí)將椎間盤分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ組，測(cè)量并比較不同擴(kuò)散梯度方向組間、不同Pm分級(jí)組間椎間盤髓核區(qū)的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)、各項(xiàng)異向性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、縱向彌散系數(shù)(λ1)。結(jié)果不同擴(kuò)散梯度方向組間ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，而FA值、λ1差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)；不同Pm分級(jí)組間，擴(kuò)散梯度方向?yàn)?時(shí)，F(xiàn)A值在Ⅳ與Ⅴ組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，其余分組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)；擴(kuò)散梯度方向?yàn)?2和20時(shí)，F(xiàn)A值在Ⅱ與其他組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，而Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。擴(kuò)散梯度方向?yàn)?、12、20時(shí)，ADC值在Ⅱ、Ⅲ組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，其余組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。在擴(kuò)散梯度方向?yàn)?、12、20時(shí)，各組λ1差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。結(jié)論DTI可應(yīng)用于腰椎間盤病變的定量分析，擴(kuò)散梯度方向?yàn)?時(shí)，可在較短的掃描時(shí)間內(nèi)獲得較高質(zhì)量的圖像及測(cè)量數(shù)據(jù)，并可應(yīng)用FA值對(duì)不同Pm分級(jí)椎間盤進(jìn)行定量分析。

磁共振成像；擴(kuò)散張量成像；椎間盤退化；表觀擴(kuò)散系數(shù)

腰椎間盤突出癥現(xiàn)已成為臨床上常見(jiàn)的一種疾病，MRI可作為首選的、無(wú)創(chuàng)的腰椎間盤檢查方法，傳統(tǒng)的MRI通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度變化及形態(tài)改變對(duì)椎間盤進(jìn)行診斷分析。近年來(lái)，MRI已發(fā)展到功能成像階段，其中磁共振擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)可以反映細(xì)胞細(xì)微結(jié)構(gòu)和功能的改變，主要用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但在椎間盤退變?cè)\斷中應(yīng)用尚報(bào)道較少，本文將對(duì)DTI在腰椎間盤退行性病變中的應(yīng)用及診斷價(jià)值進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 病例資料

志愿者納入標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)腰椎外傷史、存在或無(wú)腰椎間盤突出者；無(wú)幽閉恐懼癥且能配合靜躺者；無(wú)腰椎手術(shù)、炎癥、腫瘤或其他嚴(yán)重全身性疾病者；知情同意參加本研究者。按以上納入標(biāo)準(zhǔn)，收集2016年11月至2017年1月在我院接受腰椎MRI檢查者作為樣本，共50例，其中男32例，女18例，平均年齡(46.9±16.2)歲。

1.2 MRI儀器、序列及參數(shù)

MRI檢查采用西門子公司Skyra超導(dǎo)型3.0 T磁共振機(jī)掃描，應(yīng)用32通道脊柱線圈。掃描參數(shù)：矢狀面T2WI：TR=2900 ms，TE=98 ms，矩陣320×240，NEX=2；矢狀面T1WI：TR=650 ms，TE=8.1 ms，矩陣320×240，NEX=2；橫斷面T2WI：TR=3000 ms，TE=101 ms，層厚4 mm，層間距0.8 mm，矩陣218×256，NEX=2。矢狀面DTI：采用RESOLVE彌散序列，TR=2000 ms，TE=87 ms，層厚5 mm，層間距0 mm，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，采集矩陣為174×192；共掃11層，NEX=1。彌散加權(quán)系數(shù)(b)分別取0和400 s/mm2，擴(kuò)散梯度方向分別取6、12、20，掃描時(shí)間分別為：2 min 4 s、3 min 44 s、5 min 58 s。

1.3 椎間盤分組

根據(jù)不同擴(kuò)散梯度方向，將所有椎間盤分為DD6、DD12、DD20組。根據(jù)矢狀面圖像上椎間盤髓核信號(hào)強(qiáng)度、髓核與纖維環(huán)分界及椎間隙高度，參照國(guó)際公認(rèn)的評(píng)價(jià)椎間盤退變程度的Pfirrmann (Pm)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]，收集退變程度為Ⅱ～Ⅴ級(jí)的腰椎間盤。以上圖像分析由兩位有豐富MRI診斷經(jīng)驗(yàn)的高年資醫(yī)師完成，對(duì)有分歧者經(jīng)兩者商議后達(dá)成一致。

1.4 圖像后處理及數(shù)據(jù)測(cè)量

全部數(shù)據(jù)使用西門子Syngo.via后處理工作站進(jìn)行采集。由兩名高年資影像科診斷醫(yī)師對(duì)所有椎間盤分別進(jìn)行分級(jí)，對(duì)分級(jí)一致的椎間盤進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。使用神經(jīng)3D進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，包括表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)、各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)及縱向彌散系數(shù)(λ1)。在神經(jīng)3D矢狀T2加權(quán)圖像中手動(dòng)勾畫椎間盤中間約1/2區(qū)域作為感興趣區(qū)(region of interst，ROI)，各椎間盤重復(fù)測(cè)量3次，以平均值作為各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果。整個(gè)測(cè)量過(guò)程由一位有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師完成。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。(1)按不同擴(kuò)散梯度方向(6、12、20)對(duì)椎間盤進(jìn)行分組，采集ADC值、FA值、λ1分別進(jìn)行單因素方差分析；(2)按相同擴(kuò)散梯度方向-不同Pm分級(jí)對(duì)椎間盤進(jìn)行分組，測(cè)量數(shù)據(jù)并行單因素方差分析；方差不齊時(shí)采用Tamhane's T2進(jìn)行兩兩比較，以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Pm分級(jí)情況

采用西門子RESOLVE序列，所有患者均得到較理想的圖像(見(jiàn)圖1～4)，腰椎間盤Pm分級(jí)中，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別對(duì)應(yīng)的椎間盤數(shù)為33、98、63、56。

2.2 按不同擴(kuò)散梯度方向分組椎間盤ADC值、FA值、λ1比較

圖1 女，40歲，該患者矢狀位T2加權(quán)像，L1/2～L3/4腰椎間盤為Pm Ⅲ級(jí)，L4/5、L5/S1為Pm Ⅳ級(jí) 圖2～3 同一患者，擴(kuò)散梯度方向?yàn)?時(shí)與矢狀位T2加權(quán)像同一層面ADC圖及FA圖。L4/5、L5/S1信號(hào)明顯減低 圖4 椎間盤ROI的選取Fig. 1 Female, forty–year-old, sagittal T2WI image, L1/2-L3/4 for Pm Ⅲ, L4/5 and L5/S1 for Pm Ⅳ. Fig. 2—3 DGD for 6, ADC image and FA image respectively of the same patient, in same layer with T2WI. The signals of L4/5, L5/S1 were decreased. Fig.4 Shows the selection of ROI.

以擴(kuò)散梯度方向進(jìn)行分組，分為DD6、DD12、DD20組，對(duì)測(cè)量的所有椎間盤FA值、λ1進(jìn)行單因素方差分析并兩兩比較，其中ADC值在不同彌散梯度組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，其余各組數(shù)據(jù)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05，表1)。

2.3 相同擴(kuò)散梯度方向-不同分級(jí)椎間盤FA值、λ1比較

以椎間盤分級(jí)分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ組，并對(duì)相同擴(kuò)散梯度方向時(shí)ADC值、FA值、λ1進(jìn)行比較(表2)。

表1 不同擴(kuò)散梯度方向組間FA、ADC、λ1比較Tab.1 Comparison of the ADC value and FA value and λ1of different DGD groups

3 討論

鑒于多方位成像、高組織分辨率及對(duì)組織水含量的增減有很強(qiáng)的敏感性等優(yōu)勢(shì)，MRI是目前椎間盤病變最好的檢查手段，并可根據(jù)國(guó)際公認(rèn)的評(píng)價(jià)椎間盤退變程度的Pfirrmann (Pm)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)[1]。但隨著MRI技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)變化已不能滿足目前影像學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多的MRI新技術(shù)將椎間盤病變的診斷由形態(tài)學(xué)帶到定量分析的新階段[2-4]。

DTI是基于擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)磁共振新技術(shù)，利用組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)存在各向異性的原理，探測(cè)組織微觀結(jié)構(gòu)變化，并能夠準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)多種組織纖維的損傷[5-6]。既往研究認(rèn)為DTI可無(wú)創(chuàng)地反映椎間盤纖維環(huán)的形態(tài)及完整性，同時(shí)對(duì)椎間盤損傷、退變及負(fù)荷運(yùn)動(dòng)下椎間盤的變化情況方面也有重要價(jià)值[7]，但對(duì)DTI檢查時(shí)擴(kuò)散梯度方向這一掃描參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果所產(chǎn)生的影響研究尚不足。本研究對(duì)所有椎間盤進(jìn)行6、12、20 3個(gè)擴(kuò)散梯度方向的DTI檢查，按擴(kuò)散梯度方向?qū)⒆甸g盤進(jìn)行分組研究，發(fā)現(xiàn)不同擴(kuò)散梯度方向組間，ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余各項(xiàng)指標(biāo)差異均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，這一結(jié)果說(shuō)明擴(kuò)散梯度方向?qū)ψ甸g盤DTI測(cè)量結(jié)果存在影響，而選擇適合的擴(kuò)散梯度方向則對(duì)椎間盤DTI的定量分析具有重要意義。

表2 相同擴(kuò)散梯度方向不同分級(jí)椎間盤FA值、ADC、λ1比較Tab.2 Comparison of the ADC value and FA value and λ1of different Pm grades groups

目前常用的DTI量化參數(shù)有很多，主要包括ADC值、FA、λ1，而應(yīng)用最多的是FA值及ADC值[8]。ADC值與FA值與椎間盤變性時(shí)髓核儲(chǔ)水能力及組織結(jié)構(gòu)變化相關(guān)[9-11]。本研究按Pm分級(jí)對(duì)椎間盤進(jìn)行分組，并對(duì)相同擴(kuò)散梯度方向下的腰椎間盤DTI各指標(biāo)進(jìn)行比較，在擴(kuò)散梯度方向?yàn)?時(shí)，F(xiàn)A值在Ⅳ與Ⅴ組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，在其余分組間差異均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，本研究結(jié)果顯示隨Pm分級(jí)增加，F(xiàn)A值呈升高趨勢(shì)，這與以往報(bào)道相一致[12]。由于椎間盤髓核中基質(zhì)退變，蛋白多糖合成數(shù)量及質(zhì)量下降、膠原纖維不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞等原因，其內(nèi)水分子擴(kuò)散的各向同性受限，相對(duì)各向異性擴(kuò)散增加，因此導(dǎo)致FA值升高[13-14]。本研究結(jié)果Ⅳ與Ⅴ組間FA值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與Ⅳ與Ⅴ椎間盤主要區(qū)別在于形態(tài)、結(jié)構(gòu)改變，而含水量差異不大有關(guān)[15]。擴(kuò)散梯度方向?yàn)?2和20時(shí)，F(xiàn)A值在Ⅱ與其他組間差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，而Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，可能與掃描時(shí)間偏長(zhǎng)、產(chǎn)熱量較多，患者掃描過(guò)程中不耐受引起運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致圖像及測(cè)量質(zhì)量下降有關(guān)。

擴(kuò)散梯度方向?yàn)?、12、20時(shí)，ADC值在Ⅱ、Ⅲ組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，與其余組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，ADC值隨Pm分級(jí)增高而減低的趨勢(shì)與以往研究結(jié)果相符[15-17]。有研究表明[18]，椎間盤變性髓核中膠原纖維會(huì)發(fā)生不同程度的扭曲，膠原纖維束間裂隙增大。Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)椎間盤的主要區(qū)別是髓核區(qū)的T2信號(hào)減低而無(wú)明顯形態(tài)上的改變，本研究結(jié)果Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)椎間盤ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，筆者認(rèn)為產(chǎn)生這一結(jié)果可能的原因是兩級(jí)椎間盤間含水量確實(shí)存在差異，但微觀結(jié)構(gòu)上無(wú)顯著破壞，水分子彌散受限程度變化不大。本研究顯示Ⅳ級(jí)與Ⅴ級(jí)間ADC值差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與以往研究不符，這可能與Ⅴ級(jí)椎間盤形態(tài)改變較大，ADC圖信號(hào)丟失較多有關(guān)。

縱向彌散系數(shù)λ1代表水分子在縱向的擴(kuò)散能力[19]。本研究另一結(jié)果顯示，擴(kuò)散梯度方向?yàn)?、12、20時(shí)，各組λ1差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。陳德勝等[20]研究認(rèn)為，正常椎間盤內(nèi)膠原纖維排列整齊、規(guī)則，縱橫交錯(cuò)，形態(tài)及走行一致，而退變的膠原纖維主要表現(xiàn)為扭結(jié)成團(tuán)。筆者認(rèn)為可能由于正常椎間盤膠原纖維走行交錯(cuò)，而椎間盤變性時(shí)膠原纖維的扭曲不會(huì)影響水分子的縱向擴(kuò)散能力。本研究也存在一些不足，如樣本量較小，患者年齡跨度較大，因此這一結(jié)論尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

DTI掃描中，擴(kuò)散梯度方向的增加會(huì)延長(zhǎng)DTI的掃描時(shí)間從而引起患者的不適，導(dǎo)致患者運(yùn)動(dòng)而影響測(cè)量結(jié)果，而擴(kuò)散梯度方向的增加并不會(huì)引起FA值及信噪比(signal to noise ratio，SNR)的明顯差異[21]。本研究中采用西門子RESOLVE彌散序列，并選取6、12、20 3個(gè)擴(kuò)散梯度方向進(jìn)行研究，掃描時(shí)間分別為2 min 4 s、3 min 44 s、5 min 58 s。結(jié)果顯示擴(kuò)散梯度方向?yàn)?時(shí)，掃描時(shí)間較短，且可得到較高質(zhì)量的DTI后處理圖像，測(cè)得的FA值和ADC值可對(duì)椎間盤變性進(jìn)行定量分析，更能為臨床所接受。

綜上所述，DTI作為一種無(wú)創(chuàng)性的檢查方法已廣泛應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)的疾病診斷，腰椎間盤DTI檢查可得到腰椎間盤多項(xiàng)定量指標(biāo)，并能反映組織的含水量及細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，可為椎間盤變性的分級(jí)及治療提供重要依據(jù)。

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Quantitative metabolites of lumbar intervertebral disc degeneration by diffusion tensor MR

ZHAO Shuang, PENG Ru-chen*, SHEN Xiu-zhi, ZHANG Shuang, ZHONG Jia-li,SONG Hai-long
Department of Radiology, Beijing Luhe Hospital, Capital Medical University, Beijing 101149, China

Objective:To investigate the MR diffusion tensor imaging (DTI) as an application of quantitative analysis methods in lumbar intervertebral disc degeneration and the effects of different diffusion gradient directions (DGD) of DTI.Materials and Methods:Selected 50 patients with pain of waist or legs, including 32 male and 18 female, from 24 to 62 years old with mean age 46.9±16.2 years old, all the patients underwent sagittal scans for regular lumbar MRI and DTI, and with 6, 12, 20 DGD of DTI. According to the DGD, lumbar intervertebral discs can be divided into DD6,DD12, DD20 groups and divided lumbar intervertebral discs into Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, and Ⅴgroups by Pfirrmann grading system. ADC and FA and λ1valuse were measured and analyzed among the different DGD groups and Pm groups.Results:There were no statistical difference of ADC values among the different DGD groups (P＞0.05), while statistical difference of FA and λ1values were found (P＜0.05); DGD for 6, FA values were statistical differences among the different Pm groups (P＜0.05), except Ⅳ andⅤ(P＞0.05); DGD for 12 and 20, there were no statistical difference of FA values in all PM groups (P＞0.05), except Ⅱ. DGD for 6, 12, 20, ADC values were statistical difference in all Pm groups, except Ⅱ and Ⅲ. In DGD for 6, 12, 20, λ1values had no statistical difference in all Pm groups (P＞0.05).Conclusion:DTI can be applied to the quantitative analysis of lumbar intervertebral disc, DGD for 6 can get high quality images and data in a relatively short time, and FA value can be used for quantitativeanalysis of different Pm grading lumbar intervertebral disc.

Magnetic resonance imaging; Diffusion tensor imaging; Intervertebral disc degeneration; Apparent diffusion coefficient

21 Jan 2017, Accepted 16 Mar 2017

彭如臣，E-mail：13501271260@163.com

2017-01-21

接受日期：2017-03-16

R445.2；R681.57

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.06.011

趙爽, 彭如臣, 沈秀芝, 等. 腰椎間盤退行性病變的MRI-DTI定量分析. 磁共振成像, 2017, 8(6): 457-461.

*Correspondence to: Peng RC, E-mail:13501271260@163.com