扩散张量成像对放射性腰腿痛定量分析的价值

钱海峰　吴　晓　徐万里　刘　东　姚丽娣　宣浩波

论著

扩散张量成像对放射性腰腿痛定量分析的价值

钱海峰吴晓徐万里刘东姚丽娣宣浩波

目的探讨3.0 T MR扩张张量成像（DTI）及纤维束示踪成像（DTT）的部分各向异性（FA）值对放射性腰腿痛定量分析的价值。方法将40例无症状志愿者（A组）与48例放射性腰腿痛病人（B组）的MRI和临床资料分成4组，分别为无症状有椎间盘突出组（A1组，6例）、无症状无椎间盘突出组（A2组，34例）、有症状有椎间盘突出组（B1组，36例）和有症状无椎间盘突出组（B2组，12例），定量分析L4至S1神经根的平均FA值，采用t检验比较组间神经根的平均FA值的差异；采用ROC曲线分析神经根的FA值诊断椎间盘突出的阈值、敏感度、特异度和曲线下面积（AUC）；相关性分析采用Pearson相关。结果A1组的FA值为0.213±0.003，略低于A2组的0.215±0.009，但组间FA值差异无统计学意义（t=0.628，P＞0.05）；而B1组的FA值为0.190±0.010，明显低于B2组的0.207±0.009（t=5.044，P＜0.01）。ROC曲线分析显示FA值≤0.197时，诊断椎间盘突出的AUC、敏感度和特异度分别为0.886、70.7%和91.5%。相关分析结果显示神经根FA值与椎间盘突出呈中等负相关（r=-0.652，P＜0.000 1）。结论MR DTI及DTT技术的FA值有助于临床对放射性腰腿痛的定量评估。

磁共振成像；扩散张量成像；腰骶丛；椎间盘突出

Int J Med Radiol，2016，39（4）：349-353

椎间盘突出是临床常见疾病，可出现神经根受压症状，引起放射性腰腿痛［1］，但相同部位、大小的椎间盘突出在有的病人却无明显临床症状，另外，临床上其他原因（如椎间孔的狭窄、腰椎骨质增生等）也可引起病人腰腿痛［2］。由于在常规MRI上椎间盘突出的形态、大小、部位等表现与临床神经根受压症状有时不一致，使临床诊断和治疗缺乏客观依据［2］。目前，一些研究通过MR扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）及纤维束示踪成像（diffusion tensor tractography，DTT）技术在健康志愿者的正常腰骶丛神经根和腰椎间盘突出病人受压神经根上观察神经根纤维束的形态学改变和部分各向异性（fraction anisotropy，FA）值的变化［3-7］。本文旨在探讨DTI技术对放射性腰腿痛的神经根FA值与腰椎间盘突出的定量研究。

1　资料与方法

1.1研究对象收集2014年1月—2015年6月在浙江大学湖州医院行MR平扫及DTI检查无腰腿痛症状志愿者40例（A组），要求无放射性腰腿痛及其他临床症状，无腰部手术史；其中男22例，女18例；年龄36～55岁，平均年龄（46.1±6.1）岁。有腰腿痛症状病人48例（B组），包括除放射性腰腿痛以外无其他腰部不适、无腰部手术史、无MR检查禁忌证的病人；男27例，女21例；年龄34～57岁，平均（44.3±5.7）岁。A、B两组病例在年龄、性别方面差异无统计学意义（P＞0.05）。分组标准［8］：A组为无明显临床症状或神经病理性疼痛量表 （douleur neuropathique 4 questions，DN4）评分＜4，按照MR平扫（T1WI/T2WI）表现，分成无症状有椎间盘突出组（A1组，6例）和无症状无椎间盘突出组（A2组，34例）；B组为有明显临床症状或DN4评分≥4，按照MR平扫（T1WI/T2WI）表现，分成有症状有椎间盘突出组（B1组，36例）和有症状无椎间盘突出组（B2组，12例）；其中椎间盘突出诊断分型参考Pfirrmann等［9］常规MR平扫的椎间盘突出分型。0级（正常）：椎间盘与神经根之间无明显接触，脂肪间隙存在；1级（接触）：椎间盘与神经根之间能够看到接触，脂肪间隙消失，但神经根形态正常，无移位；2级（移位）：椎间盘与神经根之间明显接触，且神经根有受压移位；3级（压迫）：突出椎间盘压迫神经根，使其受压变形。本研究获得本院伦理委员会批准，所有病人及志愿者检查前均签署知情同意书。

1.2检查方法采用美国GE公司Discovery MR 750 3.0 T超导型MR设备，以体部32通道线圈为表面接收线圈。扫描序列及参数为：①矢状面SE T1WI：TR 500 ms、TE 6.3 ms，FOV 32 cm×32 cm，矩阵320× 256，激励次数（NEX）=2，层厚4 mm，层间距1 mm，回波链长度为6。②矢状面FSE T2WI：TR 3 000 ms、TE 90 ms，FOV 32 cm×32 cm，矩阵256×256，NEX= 2，层厚4 mm，层间距1 mm，回波链长度为12。③横断面FSE T2WI：TR 3 200 ms、TE 109 ms，FOV 20 cm× 20 cm，矩阵320×224，NEX=2，层厚4 mm，层间距1 mm，回波链长度为12。④横断面DTI扫描：采用单次激发自旋回波-回波平面序列 （single-shot spin echo-echo plain imagine，SS-SE-EPI），扩散敏感梯度取25个方向，b值=0、600 s/mm2，TR 8 000 ms、TE 85 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩阵96×192，层厚4 mm，层间距0 mm，短T1反转恢复（STIR）抑脂，扫描时间约4 min 48 s。扫描范围自L4神经根起始至S1神经根。

1.3影像分析DTI数据存储在GE AW4.6图像后处理工作站，利用Functool（GE Healthcare）软件中DTI数据处理软件包定量分析腰骶丛神经根的FA值，并以DTT技术显示L4至S1神经根，共3个节段6个神经根。测量神经根FA值时，兴趣区（region of interest，ROI）选择在每根神经根相应椎间孔上端层面 （即椎间孔内开口处），手动勾画的ROI面积为20～50 mm2，以尽量避免部分容积效应对数据结果的影响；同时FA值阈值设为下限0.1，上限0.4，以避免脑脊液、周围肌肉组织肌纤维束、空腔脏器内水分及其他信号干扰。由经过培训的放射科高年资医师在同一节段神经根内重复手动勾画ROI 3次，取3次测量结果的平均值，记录为该节段平均FA值，以降低因手动勾画ROI造成的遗漏和噪声误差。

1.4统计学处理所有数据采用MedCalc v 12.7.0医学统计软件处理，符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，2组间比较采用t检验；采用ROC曲线评价神经根FA值对椎间盘突出的诊断价值；相关性分析采用Pearson相关。P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1MR平扫及DTI检查结果A组中，A1组6例（包括L4椎间盘左后型突出1例，L5椎间盘右后型突出1例，L5、S1椎间盘正中型突出各2例），测得平均FA值为0.213±0.003；A2组34例椎间盘正常，测得平均FA值为0.215±0.009，A1和A2两组间平均FA值差异无统计学意义 （t=0.628，P=0.534）。B组中，B1组36例包括L4、L5椎间盘左后型突出各6例，S1椎间盘左后型突出4例，L4椎间盘右后型突出3例，L5椎间盘右后型突出6例，S1椎间盘右后型突出2例，L4椎间盘正中型突出2例，L5椎间盘正中型突出4例，S1椎间盘正中型突出3例，测得平均FA值为0.190±0.010（图1、2）；B2组12例包括侧隐窝骨性狭窄2例，椎间孔狭窄4例，腰椎骨质增生6例，测得平均FA值为0.207±0.009，B1组的平均FA值明显低于B2组，两组间平均FA值差异有统计学意义（t=5.044，P＜0.000 1）。

图1　病人男，48岁。L4/5椎间盘突出。DTI及DTT图显示L5神经根未见明显受压，FA值下降不明显。A横断面T2WI，显示L4/5椎间盘正中型突出；B DTI灰阶图，显示ROI法测量位置；C DTI的FA彩图，显示右侧L5神经根较左侧略增高，呈黄绿色；D DTT重建，显示L4-S1双侧神经根连续性完整；E DTT重组影像融合三维容积内加速采集（3D-LAVA）影像，更加清晰显示神经根走行。

图2　病人男，39岁。L5/S1椎间盘突出。DTI及DTT图显示S1右侧神经根受压，FA值下降。A横断面T2WI，显示L5/S1椎间盘右后型突出；B DTI灰阶图，显示ROI法测量位置；C DTI的FA彩图，显示右侧S1神经根呈黄绿色，较左侧神经根信号减低。D DTT重建，显示S1右侧神经根受压，连续性中断。

A组的平均 FA值为 0.215±0.008，B组为0.194±0.012，B组低于A组（t=9.022，P＜0.000 1）。全部88例中，椎间盘突出者共42例（A1+B1），平均FA值为0.193±0.012，非椎间盘突出者共46例（A2+B2），平均FA值为0.212±0.010，椎间盘突出组的平均FA值明显低于非椎间盘突出组（t=7.934，P＜0.000 1）（图3）。

2.2ROC曲线及相关性分析结果神经根FA值的ROC曲线下面积为0.886（图4），FA阈值为0.197时，诊断椎间盘突出的敏感度和特异度分别为70.7%和91.5%；FA值≤0.188时，诊断椎间盘突出的特异度达到100%。Pearson相关分析结果显示神经根FA值与椎间盘突出呈中等负相关（r=-0.652，P＜0.000 1）。

图3　椎间盘突出与非椎间盘突出FA值箱式图

图4　神经根FA值的ROC曲线

3　讨论

DTI及DTT技术主要通过抑制血管信号来提高周围神经的显示效果，更加清晰显示神经纤维的走行信息，并通过FA值量化分析神经内水质子的扩散情况，定量评估周围神经微观结构和功能。正常情况下，由于髓鞘的限制，沿着神经长轴方向的质子扩散速度是垂直于神经方向质子扩散速度的3倍，称为各向异性。时等［4］以1.5 T MRI对健康青年志愿者在椎间孔内侧测得L3至S1神经根的平均FA值为0.191～0.205，与之相比，本研究采用3.0 T MRI测得34例无症状志愿者且MRI平扫提示椎间盘正常者（A2组）的平均FA值略高（0.215），这与MRI场强、梯度场方向数目、像素大小、b值大小、年龄因素等有关［10-11］。另外6例无症状志愿者且MRI平扫提示椎间盘突出者 （A1组）的平均FA值（0.213）略下降，但两者差异无统计学意义（t=0.628，P＞0.05），说明FA值的改变与临床表现相一致，即突出的椎间盘并未明显压迫神经根，这与Pfirrmann等［9］报道常规MRI平扫的椎间盘突出分级一致。

腰椎间盘突出压迫神经根导致放射性腰腿痛的机制尚不明确，一般认为与椎间盘的机械压迫和微血管病变有关。腰骶丛神经的急性、慢性损伤和/或反复性创伤，可导致近端轴浆流动受阻、微血管缺血性改变、静脉回流受阻淤血和神经内部及周围组织水肿、神经受压部位髓鞘脱失，随后发生轴浆流失、远端神经华勒变性，造成轴突与鞘膜之间的间隙增宽，扩散向量增加，引起FA值下降［9-10］。本研究中48例有症状病人中，MRI平扫提示36例椎间盘突出（B1组），平均FA值明显低于12例其他原因引起腰腿痛病人（B2组）的FA值，且两组间的平均FA值具有显著差异（t=5.044，P＜0.01），结合腰椎X线平片、CT等检查，临床证实为侧隐窝骨性狭窄（2例）、椎间孔狭窄（4例）和腰椎骨质增生（6例）引起腰腿痛。有症状病人（B组）的FA值也明显低于无症状志愿者（A组），且两组间差异有统计学意义（t=9.022，P＜0.01）。以Pearson相关分析统计结果显示FA值与鉴别诊断椎间盘突出具有负相关性，提示神经根FA值越小，椎间盘突出的可能性越大。表明腰腿痛病人如果腰骶丛神经根的FA值明显降低，高度提示病人有明显神经根受压引起腰骶丛神经的慢性损伤，临床医生结合MRI平扫可采取手术或微创介入治疗椎间盘突出；如果病人腰骶丛神经根的FA值下降不明显，提示病人还没有明显神经根受压，即使MRI平扫有腰椎间盘突出存在，临床医生也可采取保守治疗，避免不必要手术。

本研究中，MRI平扫提示共42例病人或志愿者存在椎间盘突出，46例无椎间盘突出，椎间盘突出者的平均FA值低于非椎间盘突出者 （P＜0.01），这与Dallaudiere等［12］报道一致，但通过箱式图可以直观看到，两者的FA值有部分交叉重叠。分析其原因包括：①6例无症状志愿者有椎间盘突出时，未压迫神经根时FA值并未减低；②侧隐窝骨性狭窄、腰椎骨质增生时骨质产生的磁敏感伪影，在测量时不可避免地影响FA值，同时增生的骨质对神经根慢性炎性刺激，在急性水肿期时，FA值也会减低［13］。本研究中有1例病人由于腰椎骨质增生造成神经根压迫，FA值明显下降（0.189），有2例无症状且椎间盘正常志愿者由于腰椎退行性变造成增生的骨质产生磁敏感，引起FA值下降。尽管椎间盘突出与非椎间盘突出的FA值有交叉重叠，但通过ROC曲线分析可以得出FA值≤0.197时，诊断椎间盘突出引起腰腿痛的敏感度、特异度和曲线下面积分别为70.7%、91.5%和0.886，说明具有较高诊断价值，且FA值≤0.188时，特异度达到100%，高度提示临床应及时采取手术或微创介入治疗。

本研究也存在一些局限性：①研究的样本量不够大，对统计结果可能存在偏倚，需进一步收集病例分析L4至S1不同节段不同受压程度的神经根FA值的改变。②在勾画ROI时，不可避免地存在偏差，尤其是不同部位的ROI测量值可能有区别，在随访评估时尽量选用相同机型、采用相同方法扫描、固定相同部位ROI，有助于降低FA值的误差。③较低b值不能产生足够的影像对比度，不利于神经纤维的辨别，而较高的b值会造成影像信噪比降低，不利于纤维束示踪［13-14］。本研究中，采用Chhabra等［10］建议的b值=600 s/mm2，而未能与Li［5］采用b 值=1 000 s/mm2进行参数优化比较，有待今后进一步比较研究。已有动物模型实验研究［15］显示，周围神经FA值增加与运动、感觉功能的恢复相关，而且能够显示近端神经再生的早期征象。本研究未涉及椎间盘突出手术后，神经根术前、术后FA值的改变，以及纵向随访评价神经根的退变和再生情况。

综上所述，对于放射性腰腿痛病人应用MR DTI可以显示腰骶丛神经的慢性损伤，以及所引起的神经根髓鞘脱失和沃勒变性，并通过定量分析显示受压神经根的FA值下降。DTT技术可以多角度、直观显示腰骶丛神经纤维束走行及受压情况，有助于临床制定合理治疗方案。

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（收稿2015-09-21）

Value of quantitative analysis diffusion tensor imaging in radiating leg pain

QIAN Haifeng，WU Xiao，XU Wanli，LIU Dong，YAO Lidi，XUAN Haobo.Department of Radiology，Zhejiang University Huzhou Hospital（Huzhou Central Hospital），Huzhou 313000，China

ObjectiveUsing quantitative analysis diffusion tensor imaging（DTI）and diffusion tensor tractography （DTT）to assess the clinical value of fractional anisotropy（FA）in radiating leg pain.MethodsThe clinical and MR examination data of 40 volunteers and 48 patients with radiating leg pain were divided into four groups：volunteers without clinical symptomatic but with disc hertiation（A1 group，n=6），volunteers without clinical symptomatic and without disc hertiation（A2 group，n=34），patients with clinical symptomatic and with disc hertiation（B1 group，n=36），patients with clinical symptomatic and without disc hertiation（B2 group，n=12）.The mean FA values of L4，L5and S1nerve roots were calculated from DTI and DTT.The t test was used to evaluate the statistical significance.Receiver operating characteristic （ROC）curve analysis was performed for the evaluation of the sensitivity，specificity，and area under ROC curve（AUC）.Pearson correlation analysis test was used to analyze correlation between the FA values of the nerve root and the intervertebral disc herniation.ResultsThe mean FA value of the A1 group was lower than the A2 group（0.213±0.003 vs.0.215±0.009），but did not reach the significant level（t=0.628，P＞0.05）.The mean FA value of the B1 group was significantly lower than the B2 group（0.190±0.010 vs.0.207±0.009，t=5.044，P＜0.01）.ROC curve analysis showed the AUC value，sensitivity，and specificity in diagnosing disc herniation were 0.886，70.7%，and 91.5%，respectively when the FA value was less than 0.197. The results of correlation analysis showed that there was a medium negative correlation between the FA values of the nerve root and the intervertebral disc herniation（r=-0.652，P＜0.000 1）.ConclusionThe FA value calculated from DTI and DTT at 3.0 T MRI could help clinical quantitative assessment in patients of radiating leg pain.

Magnetic resonance imaging；Diffusion tensor imaging；Lumbar plexus；Disc herniation

湖州市科技局项目（2014GY20）

10.19300/j.2016.L3723

R681.5+3；R445.2

A

浙江大学湖州医院（湖州市中心医院）放射科，湖州 313000

钱海峰，E-mail：qhf0572@163.com