DTI在腰椎间盘退行性改变中的应用初探

褚相乐， 马景旭， 邱雪玲， 邓佳敏， 王云玲， 赵丽萍， 王红



·骨骼肌肉影像学·

DTI在腰椎间盘退行性改变中的应用初探

褚相乐， 马景旭， 邱雪玲， 邓佳敏， 王云玲， 赵丽萍， 王红

目的：探讨扩散张量成像(DTI)定量指标ADC及FA值与腰椎间盘退行性改变Pfirrmann分级的相关性。方法：将105例腰腿痛患者纳入研究，所有患者行椎间盘常规MRI及矢状面DTI扫描，根据T2WI上椎间盘的特点对525个腰椎椎间盘进行Pfirrmann(Pm)分级，观察邻近终板的退变情况，测量椎间盘髓核区的ADC值及FA值并比较各级椎间盘之间的差异，采用Spearman等级相关检验分析ADC和FA值与Pm分级的相关性，并计算2个指标对椎间盘退变(Pm Ⅳ～Ⅴ级)的诊断效能。结果：105例共525个腰椎椎间盘中PmⅠ～Ⅴ级分别有41、112、164、141和67个。经方差分析，PmⅠ和Ⅱ级椎间盘间ADC值、Pm Ⅳ及Ⅴ级椎间盘间ADC值和FA值的差异无统计学意义(P>0.05)，其余各分级之间2个指标的差异有统计学意义(P<0.05)。经ROC分析，ADC值及FA值对Pm Ⅳ、Ⅴ级椎间盘的诊断效能分别为0.846和0.932，两者间差异有统计学意义(P<0.05)。Spearman秩相关分析显示，椎间盘退变Pm分级与ADC值呈负相关(rs=-0.66，P<0.05)，与FA值呈正相关(rs=0.805，P<0.05)。结论：DTI作为定量MRI的一种特殊检查技术，其测量参数与Pfirrmann分级之间具有很好的相关性，可作为一种无创性的检查方法应用于椎间盘退变的研究。

磁共振成像；扩散张量成像；定量分析；腰椎；椎间盘病变

腰腿痛已成为临床常见疾病，椎间盘退行性改变目前被认为是腰腿痛的首要病因，可增加中老年人椎间盘突出风险。MRI是诊断椎间盘病变的首选检查方法，通过椎间盘的信号强度和形态学改变可对其做出定性诊断。近年来MRI从形态成像发展到功能成像，多种MRI技术在椎间盘退变的诊断中得到应用，扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术可反映组织细胞微细结构变化，但在椎间盘退变诊断中的应用报道尚少，本文对DTI在腰椎间盘退行性改变中的诊断价值进行初步探讨。

材料与方法

1.病例资料

病例纳入标准：①年龄在30～50岁之间；②3个月以上慢性腰腿痛病史；③自愿参加本研究并签署知情同意书。病例排除标准：①体内有金属植入物、幽闭恐惧症、多动、不能配合检查者；②有脊柱手术史，炎症、肿瘤及其他严重全身性病变者；③图像后处理质量不合格无法测量相关指标。按以上纳入、排除标准，搜集2014年8月-2015年6月在新疆医科大学第二附属医院接受腰椎MRI检查者作为研究对象，共105例患者纳入本组研究，其中男50例，女55例，年龄(40.0±9.8)岁。

2.MRI检查

MRI检查采用Philips Achieva 1.5T双梯度磁共振扫描仪，8通道脊柱相控阵表面线圈行常规MRI及DTI矢状面扫描。扫描参数：矢状面T1WI，TR 400 ms，TE 8 ms，平均激励次数1；矢状面T2WI，TR 2500 ms,TE 100 ms，平均激励次数3；轴面T2WI，TR 2584 ms,TE 120 ms，平均激励次数3；层厚4 mm，层间隔0.5 mm。DTI-EPI序列扫描参数：TR 2665 ms，TE 56 ms，平均激励次数5，视野30 cm×30 cm，矩阵128×89，b值取0、400 s/mm2，在16个方向上施加扩散敏感梯度，层厚5 mm，间隔1 mm。

3.椎间盘分级

参照国际公认的评价椎间盘退变程度的Pfirrmann(Pm)分级标准[1]，对各椎间盘进行分级。根据T2WI矢状面图像上椎间盘髓核信号强度、髓核与纤维环分界及椎间隙高度将椎间盘退变程度分为Ⅰ～Ⅴ级。以上图像分析由两位有丰富MRI诊断经验的高年资医师完成，对有分歧者经两者商议后达成一致。

4.DTI原始数据处理

将DTI序列原始数据传入Philips后处理工作站，自动生成各向异性分数图、表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)图。因兴趣区(region of interest，ROI)的选择可影响测量结果的准确性，并且髓核退变后范围较前增大，故本研究在矢状面DTI原始图像(b=0s/mm2)中手动勾画椎间盘中间1/2区域作为ROI，大小60～80 mm2(图1)，各椎间盘重复测量3次，以平均值作为各自ADC值及部分各向异性指数(fractional anisotropy，FA)值。整个测量过程由一位有5年以上工作经验的医师完成。

5.统计学分析

结　果

1.腰椎间盘Pfirrmann各级分布情况

纳入研究的525个腰椎间盘经后处理均获得较理想的图像，PmⅠ-Ⅴ级椎间盘数量见表1。

表1　椎间盘Pfirrmann各级分布情况　(个)

各级腰椎间盘的分布差异有统计学意义(χ2=78.218，P<0.05)，其中PmⅢ级椎间盘数量最多。图像分析过程中发现部分椎体终板退变、椎间盘膨出及突出等退变(图2、3)。

2.各级椎间盘ADC值及FA值比较

以40岁年龄为界，将105例患者分为两组(30～40岁50例，40～50岁55例)，经独立样本t检验，两年龄组同一Pm分级间ADC值及FA值差异均无统计学意义(表2)。不考虑年龄因素时，经单因素方差分析两两比较，PmⅠ与Ⅱ级椎间盘间ADC值、PmⅣ与Ⅴ级椎间盘间ADC值和FA值差异均无统计学意义(P>0.05)，其余各Pm分级间差异均有统计学意义(P<0.05，表3)。

表3　各级腰椎间盘总体ADC值及FA值比较

注：经单因素方差分析，*与PmⅡ级比较P>0.05，#与PmⅤ级比较P>0.05；余两两比较P值均<0.05。

3.ADC值及FA值对椎间盘退变的诊断效能比较

通过ROC曲线分析，ADC值及FA值对PmⅣ、Ⅴ级的诊断效能(曲线下面积)分别为0.846和0.932，FA值的诊断效能明显高于ADC值(图4)，差异有统计学意义(Z=4.484，P<0.05)，ADC值诊断PmⅣ、Ⅴ级的敏感度为74.04%，而FA值的诊断敏感度为85.10%，FA值诊断特异度为86.44%，高于ADC值(82.02%)。

4.ADC值、FA值与Pm分级的相关性

经Spearman秩相关分析显示椎间盘退变Pm分级与ADC值呈负相关(rs=-0.660，P<0.05)，Pm分级与FA值呈高度正相关(rs=0.805，P<0.05，图5)。

讨　论

随着MRI技术的迅猛发展，T1ρ、T2Mapping、DWI、磁化传递及波谱成像等功能MRI技术将椎间盘退变的诊断由形态学带到定量分析的新阶段[2-3]，这些技术均可检测椎间盘退变过程中早期化学组分的改变。DTI技术通过多个方向施加扩散敏感梯度来检测水分子扩散速度，可显示水分子扩散方向性，有效避开传统DWI的T2透射效应，可准确反映腰椎间盘内扩散的微细变化，并用ADC值和FA值定量表现出来。目前，DTI在多个系统疾病的诊断中均有应用，如用于心肌纤维走行、认知障碍等疾病的评估等[4-5]。本研究对患者实行了严格的纳入、排除标准，为排除雌激素、骨质疏松对椎间盘退变的影响，本研究选择30～50岁之间的患者为研究对象，并分年龄段进行分组比较，通过ADC值、FA值来定量判断腰椎间盘不同退变级别的扩散变化。

椎间盘是由中央的髓核、外围纤维环及上下终板构成的纤维软骨组织，其营养极为有限。椎间盘髓核的退变较纤维环和软骨终板更明显，在腰椎负荷量增大时椎间盘变性加速，变性的髓核沿纤维环的裂隙突向边缘，形成腰椎间盘膨出、突出及许莫氏结节等退变性病变[6]。有文献认为软骨终板损伤可引起椎间盘营养和代谢障碍，导致椎间盘退变，本研究发现高级别的椎间盘退变多伴有终板的改变，多以ModicⅡ型为主，分布于L4、L5椎体的上下终板，与既往报道相符[7]。

既往研究认为DTI技术可无创显示椎间盘纤维环的形态和完整性[8]，同时在诊断椎间盘损伤、退变及负荷运动下椎间盘的变化情况方面也有重要价值[9]，但是没有得出一致的结论。祝静雅等[10]认为ADC值随着年龄的增长而下降，并且不同部位间无明显差异，FA值与年龄无明显相关性。本研究按年龄组分析显示，两年龄组间相同Pm分级的椎间盘ADC值及FA值差异无统计学意义(P>0.05)，但40～50岁年龄组各分级ADC值稍低于30～40岁组，FA值无明显规律，可能与本组患者均处于青壮年时期，各项生理机能处于成熟期，椎间盘退变速度逐渐减慢，处于相对平衡期有关，故两个指标间差异无统计学意义。不考虑年龄因素时，PmⅠ与Ⅱ级椎间盘ADC值(P=0.064)、PmⅣ与Ⅴ级椎间盘ADC值(P=0.059)和FA值(P=0.111)差异均无统计学意义，笔者认为PmⅣ与Ⅴ级间主要区别为椎间隙高度的变化，两级椎间盘细胞外水分含量差异不大，因此ADC值及FA值无明显差异，其余各级椎间盘ADC值及FA值差异均有统计学意义，本研究中PmI级椎间盘ADC值为(1.947±0.224)×10-3mm2/s，与既往报道一致[11]。随着Pm分级的增加，ADC值呈下降趋势，FA值呈升高趋势[12]。椎间盘髓核主要由蛋白多糖及作为其疏松支架的Ⅱ型胶原纤维组成，具有较强的吸储水功能，随着年龄的增长及Pm分级的增大,椎间盘蛋白多糖合成数量和质量下降，髓核储水能力受限，含水量逐渐减少，胶原纤维成分逐渐增加，水分子扩散受限，从而导致髓核ADC值降低[13-14]。FA值反映水分子扩散方向与组织结构的关系，由于椎间盘生物力学负荷能力降低,髓核中基质退变，胶原纤维不规则网状结构破坏等原因，来自纤维环及终板的纤维软骨逐渐取代蛋白多糖，其内水分子扩散的各项同性受限，相对各项异性扩散增加，因此导致FA值升高。

本研究显示ADC值及FA值对PmⅣ、Ⅴ级椎间盘的诊断效能分别为0.846和0.932，AUCADC值低于AUCFA值，差异有统计学意义(P<0.05)，ADC值诊断PmⅣ、Ⅴ级的敏感度为74.04%，而FA值的诊断敏感度为85.10%；FA值诊断PmⅣ、Ⅴ级的特异度为86.44%，高于前者的82.02%。Pfirrmann分级是目前国际通用的椎间盘退变分级系统，以往研究扩散与Pm分级的关系多局限于DWI序列，因其受磁场强度及扩散方向数目的限制，对DWI的定量指标与Pm分级相关性的研究结果仍无统一定论[15]。本研究采用DTI-EPI序列可更准确地测量ADC值、FA值，经Spearman秩相关分析，Pm分级与ADC值呈负相关(rs=-0.660，P<0.05)，较既往研究相关度稍高[16]；Pm分级与FA值呈高度正相关(rs=0.805，P<0.05)。本研究也存在一定不足，如样本量较小、无症状但有椎间盘退变者未纳入、年龄范围有待进一步扩大等，因此这一结论仍需进一步验证。

总之，DTI技术已广泛应用于多个系统的疾病诊断，其包括的多项定量指标能更准确地反映组织细胞的细微结构变化，因此可作为一种无创性的检查方法应用于椎间盘退变程度的研究，为腰腿疼患者的诊断及治疗提供重要依据。

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Application of diffusion tensor imaging in lumbar intervertebral disc degeneration:a preliminary study

CHU Xiang-le，MA Jing-xu，QIU Xue-ling，et al.

Department of Medical Imaging,the Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University,Urumqi 830063,P.R.China

Objective:To investigate the correlation between quantitative DTI parameters (ADC and FA) and Pfirrmann grades of human intervertebral disc degeneration.Methods:105 patients with lumbago were included and underwent conventional MRI and DTI.Totally 525 lumbar intervertebral discs were assessed by Pfirrmann grading system in terms of degeneration by analyzing signal intensity and morphology on routine T2WI.The morphological changes of adjacent endplates were observed.ADC and FA values of disc nucleus pulposuses were measured and their variances in different grades were analyzed.The ability of FA and ADC to detect lumbar disc of Pm Ⅳ～Ⅴ grades was compared by ROC curve.The correlations between Pfirrmann grades and the two parameters were assessed by Spearman rank correlation test.Results:In all of the 525 lumbar intervertebral discs，the number of gradeⅠ～V was 41,112,164,141 and 67，respectively．Statistical differences of ADC and FA values were found among degenerated discs of different grades (P<0.05),except ADC values between gradeⅠ and Ⅱ，ADC and FA values between grade Ⅳ and Ⅴ (P>0.05)．The diagnostic efficiency of ADC and FA value for differentiating grade Ⅳ～Ⅴ from gradeⅠ～Ⅲ were 0.846 and 0.932(P<0.05),respectively.There was negative correlation between ADC value and Pm grade (rs=-0.66,P<0.05).On the contrary,disc degeneration grade was positively correlated with FA value (rs=0.805,P<0.05).Conclusion:As a special quantitatively MRI technique,its parameters have good correlation with Pfirrmann grade,which could be used as a noninvasive method for the research of intervertebral disc degeneration.

Magnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Quantitative study； Lumbar； Intervertebral disc diseases

830063新疆医科大学第二附属医院影像中心

褚相乐(1986-)，男，河南驻马店人，住院医师，硕士研究生，主要从事磁共振功能成像研究工作。

王红，E-mail：wangh_xj@163.com

R

A

1000-0313(2016)01-0081-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.01.019

2015-07-06

2015-08-19)