磁共振张量成像在脊髓型颈椎病中的应用进展

陈 峰，余永强

(安徽医科大学第一附属医院影像科，安徽合肥 230022)

颈椎病本是中老年人易患疾病，多随着年龄增长，颈椎的退变引起，但是近年来随着电脑办公娱乐等的普及，伏案人群的数量快速上升，脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy，CSM)发病率呈现出不断上升的趋势，于此同时，病人患病的平均年龄也逐年下降。颈椎病的常见临床症状有头晕、颈痛等，严重的甚至会累及神经，出现四肢麻木无力等临床症状。CSM在颈椎病中很常见［1］。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是CSM的最佳影像检查手段，但在常规MRI可明确诊断时，病情已经发展至后期，而磁共振张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)则可能较好的弥补这一缺陷，可以在病变发展的早期就及时的发现疾病，因此，DTI有可能是一种对CSM早期的诊断和治疗预后均有较大作用的新的检测方法［2］。

1 CSM及其常规MRI表现

颈椎病是指颈椎退变及其继发病理改变累及其周围组织结构，出现相应的临床表现。而CSM是指颈椎的退变引起脊髓受压或者脊髓缺血，临床症状主要是四肢麻木无力疼痛、活动不灵、走路时踩棉花样等。CSM诊断标准，大多采用2008年标准［3］，并将影像学标准添加为常规MRI。

作为颈椎病中常见的一种，CSM的临床症状主要表现为颈部的疼痛不适、四肢麻木疼痛等，病情常呈隐匿性进展，当病程已经发展至晚期时，临床症状已经相当严重，手术预后较差。因此，该病的早期诊断对其极其重要。早期发现、及时治疗才能使病人获得更好的预后。在病变的早期无法及时被诊断主要是因为现有的检测手段X线、CT、常规MR有其局限性。其中，最好的检查方式是MRI，常规MRI能清楚显示组织的结构，较以往X平片及CT扫描能更清楚显示脊髓的组织结构及其受压后的改变，当脊髓发生病变时，脊髓的形态及信号会发生改变。当CSM出现严重的脊髓损伤时，会出现T2WI信号异常。

T2WI上脊髓高信号是脊髓受损的重要标志，但是当T2WI上出现高信号时，脊髓的病变往往已经相当严重，因为当T2WI上可见明显高信号时，则意味着脊髓已经出现水肿、炎性反应、缺血、脊髓软化等，即脊髓慢性损伤已达到了相当严重的程度，此时再进行治疗往往错过了最好时机，预后不良。早期CSM患者T2WI上脊髓信号往往并无改变。所以T2WI对颈椎早期损伤变性敏感度较低。颈髓早期的病变往往是微观层面上的改变，常规MRI无法观察脊髓的微观结构，所以颈椎病变的早期，现有的检查方式往往不能发现。因此，常规MRI对早期CSM脊髓损伤的判断存在局限性［4］。

2 DTI原理及主要指标

布朗运动指物质分子在空间中的自由运动，由于受各种因素的影响，在三维空间内，分子在各个方向上运动的快慢是不同的，DTI技术是通过测量水分子在扩散的各个方向上速度，进行统计分析计算，了解空间结构中各个点上的状况。在人体内，这种自由的运动是体内多种重要的物质转运方式之一。水分子在人体内的运动就存在这样的方式，运动的快慢受到细胞本身生化特点及内环境的状况的影响，如分子的大小，极性;细胞膜的通透性;组织液的黏滞度、温度等。当DTI应用于人体时就可以通过比较不同部位不同状态的不同扩散情况来评价组织结构和生理状态的。DTI扫描成像是在磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)的基础上发展而来的，要求至少在六个非线性方向上施加梯度场而获取图像，这种检测方式，是一个从面到体的过程。从而可以立体的分析人体空间结构上各个部位水分子的位移情况，进而了解该部位的组织结构及病理生理变化。所以，DTI技术通过分析水分子在脊髓中扩散运动，统计水分子在脊髓各个方向上运动的状况，分析各个方向上水分子扩散的速度，计算出脊髓各个方向空间位置上不同部位的水分子扩散状况，间接的表现了脊髓不同部位的解剖结构，空间构型，脊髓的受损程度，进而反映出脊髓微观的病理变化。在颈髓中水分子的扩散在平行于脊髓神经纤维束方向上要比垂直于神经纤维束方向上更快一些，所以其空间立体上看是一个椭球体［5］。

DTI的几个主要指标包括:(1)表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值;(2)各向异性分数(fractional anisotropy，FA)值;(3)扩散张量成像的三个本征值:λ1，λ2，λ3;(4)扩散敏感系数(b值)。

ADC值反映水分子的扩散能力，是其在各个方向上扩散能力的均值，水分子的平均扩散能力越强，ADC值越高;反之，水分子的平均扩散能力越弱，ADC值越低，ADC值的测量受人体内环境的状况的影响，同时也受机器扫描参数的影响。

FA表示各向异性成分与整个扩散张量的比值，其范围在0～1之间，当水分子运动轨迹是一个立体均匀的球时，FA取0;但是在现实生活中，由于受各种因素的影响，水分子的运动存在各向异性，向各个方向移动的速度是不同的。学者们发现，在健康的颈髓中，水分子运动扩散时，在平行于白质纤维束的方向上受到的阻力比垂直于纤维束的方向上小［6］，因而，水分子在脊髓中的运动轨迹是一个椭球体。FA取值越大，在平行于髓鞘轴索纤维的方向上水分子运动的越快，越远;所以FA值越大，神经传导功能越强［7］。在当脊髓发生病变时，水分子的扩散必然收到影响，FA值必然发生变化，研究发现水分子的扩散与髓鞘的完整性相关性很高。所以，FA值能够反映白质纤维的完整性。λ1、λ2、λ3是扩散张量的三个本征值。λ1代表椭球体最长径的扩散能力，λ2和λ3代表椭球体两个短轴的扩散能力。

b值的变化直接影响ADC值，b值太小DTI扫描对水分子扩散的速度差异难以准确区分，当b值越大时DTI扫描对扩散的速度差异越敏感，但仪器对运动产生的伪影也越敏感，颈髓的图像质量越低，信噪比也逐渐降低，但在 b值为600 s·mm－2时，质量指数的下降不明显，信噪比也较好，且b值较高时能降低灌注的影响，其测量的ADC值更接近于真实值。颈髓 DTI成像时取 b值为600 s·mm－2，在保证图像质量的同时，可较好的诊断CSM［8］。

3 DTI扫描序列

DTI扫描序列于1994年首次公布，并于1999年DTI技术第一次被应用于应用于脊髓扫描，之后多种序列进行脊髓DTI成像已被广泛运用。目前应用的技术包括平板扩散成像和平面回波成像(echo planar imaging，EPI)、半傅立叶探测单发射快速自旋回波成像、导航自旋回波扩散加权成像、双回波扩散成像等。每种扫描技术各有其优越性及缺陷。

目前在临床研究中使用的主要技术为EPI，EPI有多种扫描方式。单次激发EPI成像速度快，但是图像分辨率和信噪比无法保证，无法应用于科研。多次激发EPI速度较慢，但图像质量大大提高。而应用导航系统进行交叉EPI可以缩短扫描时间，降低运动和磁敏感性伪影，提高图像的信噪比，具有比较好的实际临床应用价值及可靠的科研价值，因此这种扫描方式在脊髓DTI成像研究中被广泛的应用。采用并行采集EPI技术对脊髓纤维进行测量研究，可以较好的显示脊髓中水分子运动的运动状况，进而了解脊髓受损情况。

4 正常人及CSM患者的颈髓DTI表现

曹新山等［9］的研究表明研究，健康人颈髓DTI参数值范围约为ADC ［(0.629～1.139)×10－3mm2·s－1］、FA(0.585 ～0.790)。FA 图上颈髓呈深红色信号，脑脊液呈蓝绿色信号，ADC图上健康者颈髓呈蓝绿色信号，脑脊髓液呈黄色信号。但是不同人不同仪器都会产生不同的结果，同是使用3.0T超导磁共振仪，孟祥水等［10］报道的结果为ADC值为(0.78 ±0.08)× 10－3mm2·s－1，FA 值为(0.72±0.03)，但宗会迁等［11］的研究报道平均ADC值为(0.81 ±0.06)×10－3mm2·s－1，平均 FA 值(0.65±0.04)。陈蕾等［12］在 1.5T 超导磁共振仪上进行了相同的实验，正常成年人脊髓的平均ADC值为(830.84 ±215.86)×10－6mm2·s－1，平均 FA 值为(536.03 ±40.00)×10－3。这些结果相差较大，往往无法取得统一的标准。陈蕾等［12］的研究同时发现λ1、λ2和λ3与诊断相关性较小，临床意义不大，往往不做考虑。

慢性颈髓压迫时，同时存在白质内脱髓鞘的改变和轴索损害，脊髓的微观病理学改变减少了水分子横向扩散障碍。主要是颈髓神经细胞髓鞘松散，微血管内皮细胞肿胀导致的管壁裂隙等。这些改变表现在数据上则为FA降低，ADC升高，所以，慢性颈脊髓压迫会导致FA降低，ADC升高。

苏佳佳等［13］对多篇临床测量结果进行了Meta分析，显示CSM患者颈髓的ADC值和FA值与正常人有统计学差异。多位学者进行了类似的试验，刘涛等［14］进行了试验，先分组(A组)为对照组;再根据CSM患者常规T2WI图像表现，分为脊髓T2无高信号组(B组)和T2脊髓高信号组(C组)。三组年龄、性别无统计学差异。A、B、C三组的平均ADC值分别为(1 117.65 ±13.99)×10－6、(1 287.52 ±16.49)× 10－6、(1 453.37 ± 31.62)× 10－6mm2·s－1，平均 ADC值逐渐上升。平均 FA值分别为(678.54 ±13.23)×10－3、(537.81 ±5.77)×10－3、(458.25 ±6.69)×10－3，平均 FA 值逐渐下降。

陈蕾等［15］进行了相似的试验，正常成年人脊髓的平均 ADC 值为(830.84±215.86)×10－6mm2·s－1，平均 FA 值为(536.03 ±40.00)×10－3，颈髓慢性损伤患者平均ADC值为(11 07.60±47.55)×10－6mm2·s－1，较正常组升高，有统计学意义(P ＜0.01)，平均 FA 值为(425.91 ±59.48)×10－3，较正常组下降，有统计学意义(P＜0.01)。虽然数据有差异，但各组试验结论均相同，颈髓慢性损伤患者平均ADC值较正常人升高;平均FA值较正常下降。T2W1等信号的CSM患者，DTI亦可观察到变化，表现为ADC值增高、FA值减低。

CSM脊髓损伤会导致T2W1高信号，但常规MRI对此的敏感度仅为15% ～65%［16］。部分研究表明DTI对脊髓损伤检出的灵敏度远远高于常规MRI，达 65% ～ 87.5%［17］。例如陈蕾等［15］通过研究，计算出不同的参数结果:T2WI检查方法的敏感度为23.44%，特异度为56.8%，阳性预测值常规为21.84%，阴性预测值为 60.7%;DTI敏感度为76.56%;特异度为 43.2%;阳性预测值常规为78.2%;阴性预测值为 39.3%。

Facon等［18］对脊髓受压损伤的DTI研究中发现，FA 的敏感度为73.3%，T2WI敏感度为46.7%;两者的特异度为都是100%，所以得出结论，FA值对CSM的诊断的敏感度高于T2WI;有利于FA的诊断标准的确立。但是他同时测得ADC敏感度为13.4%、特异度为80%，敏感度及特异度较T2WI为低，对于这一不符合既定结果和已知的病理模型的结果，作者推测可能是由部分容积效应引起。因而FA值较ADC值能更为准确的判断脊髓受损的程度。

健康人FA图显示正常颈髓为红色信号，当脊髓受损时;FA图显示脊髓病变区颜色变淡，甚至出现斑片状黄色信号。健康人ADC图显示颈髓内呈蓝绿色信号，当脊髓受损时，FA图显示信号由蓝绿色变为绿色。

与此同时，要注意在脊髓急性损伤时ADC值及FA值的异常表现，王倩等［19］的研究表明:在急性颈髓损伤时ADC和FA均下降。原因可能是，在急性脊髓损伤时，颈髓出现细胞性水肿，内环境发生了改变，水分子扩散障碍，ADC降低。而FA下降可能是由于急性颈脊髓损伤时虽然轴位的方向水分子扩散受到影响，但平行于脊髓纤维束的方向上，水分子扩散更严重，比如出现脊髓的断裂。所以FA值会降低。

5 其他研究

宗会迁等［11］探讨脊髓慢性受压后非病变处水分子运动状况，研究发现，慢性CSM患者距离受压部位较远处的颈髓ADC值显著小于病变段。原因可能如下:在受压早期，颈髓轴突肿胀，水分子扩散受阻，ADC值降低;随后病变部位液化或坏死，细胞膜通透性提高，ADC值提高;在慢性阶段，轴突坏死组织被逐步清除，水分子扩散能力继续上升，ADC值进一步提高;但病变部位远处的颈髓受病变处的影响，微结构发生了改变，但其损伤的效应晚于病灶处，这导致其ADC值在晚期降低。但这一理论需进一步研究证实，差异的存在可能是由于检测部位的不同、脊髓损伤的急慢性程度的不同、DTI脉冲序列不同导致的。其还研究了年龄与ADC值的关系，FA值与年龄呈负相关，ADC值与年龄呈正相关。但是不同年龄没有明显的统计学差异。所以一般认为，随着年龄增长，ADC值轻度增加，FA值轻度降低。

除了临床研究，很多学者将DTI技术应用于脊髓损伤动物模型中，并取得了相应的成果。Schwartz等［20］建立了大鼠脊髓横断损伤后成纤维细胞植入模型，测量分析脊髓损伤修复不同时期FA值和ADC值的变化，证明应用DTI观察脊髓损伤修复过程是可行的。王霄英等［21］通过实验，建立了犬急性脊髓损伤后神经前体细胞移植模型，并测量分析了FA值和ADC值的变化情况，其测量结果与脊髓的微观病理改变具有较好的相关性，可以通过FA的变化量化的显示微观病理改变。张劲松等［22］的研究表明脊髓的ADC值和FA值的变化，有利于量化分析脊髓损伤和修复的不同阶段中微观的病理学改变，从而可直观的了解微观病理学改变。

6 展望

DTI用于颈髓不过十余年，但其对早期颈髓损伤的敏感性较常规MRI高，同时也更有利于准确地判定颈髓受损程度。有助于临床医生及时的诊断CSM，并及时的予以治疗，以致取得更好的预后。与此同时，因运动伪影、解剖结构、机器质量造成的数据失真也不可避免。随着科技的进步，相信在不久的将来，DTI技术将越发准确，在CSM分析病变、临床诊断、治疗计划及效果评价等方面的价值将越来越高。

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