3.0T磁共振扩散张量成像在腰椎间盘突出诊治中的应用

钱海峰 吴晓 徐万里 宣浩波 胡明芳

3.0T磁共振扩散张量成像在腰椎间盘突出诊治中的应用

钱海峰 吴晓 徐万里 宣浩波 胡明芳

目的 探讨3.0T磁共振扩张量成像（DTI）在椎间盘突出中的应用。方法 回顾30例腰椎间盘突出患者和30例健康志愿者的磁共振平扫和DTI资料，测量两组L3～S1双侧神经根的表现扩散系数（ADC）、部分各向异性（FA）及纤维来示踪成像（DTT）显示神经根走行情况，比较椎间盘突出患者受压神经根与非受压神经根、健康志愿者正常神经根ADC值、FA值的差异。结果 健康志愿者正常神经根及腰椎间盘突出患者受压神经根与非受压神经根的ADC值、FA值分别为（2.248±0.048）×10-3mm2/s、（2.751±0.052）×10-3mm2/s、（2.255±0.044）×10-3mm2/s和0.207±0.015、0.178±0.019、0.209±0.011。受压神经根的ADC值明显高于非受压神经根和正常神经根，差异均有统计学意义（均P＜0.01），而受压神经根的平均FA值明显低于非受压神经根和正常神经根，差异均有统计学意义（均P＜0.01）。DTT清晰显示神经根正常走行及受压改变。结论 3.0T磁共振DTI技术ADC值、FA值在腰椎间盘突出致神经根受压时有明显改变，DTT技术能够直观多方位显示神经根走行，对临床诊断和术前定位有指导意义。

磁共振成像 扩散张量成像 腰骶丛 椎间盘突出

椎间盘突出是临床常见疾病，发病时脊椎活动受限，产生神经根受压症状，可有放射性痛。然而，其在常规MRI上的表现与临床神经根受压症状常不一致，这使临床诊断和治疗缺乏客观依据[1]。磁共振扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）及纤维束示踪成像（diffusion tensor tractography，DTT）技术是基于扩散加权成像（diffusion weight imaging，DWI）发展而来的一项新技术，从三维立体角度分解、量化弥散的各向异性数据，能更加精细、准确地显示组织微结构，并在活体显示纤维束的方向及完整性[2-3]。目前，DTI及DTT技术在中枢神经系统的应用已成熟，但在椎间盘突出致腰骶丛神经根受压中的应用国内外较少报道[4-5]。笔者对DTI及DTT技术在椎间盘突出致腰骶丛神经根受压的应用作了研究，现将结果报道如下。

1 资料和方法

1.1 一般资料 收集2014年1月至2015年3月在我院行术前磁共振平扫及DTI检查且手术证实为腰椎间盘突出的患者30例，男18例，女12例，年龄37～53岁，中位年龄45岁；其中单侧神经根受压22例（左后型突出12例、右后型突出10例）、双侧神经根受压8例（正中型突出8例）。收集同期我院健康志愿者30例，均无放射性腿痛及其他临床表现，无腰部手术史；男16例，女14例，年龄39～51岁，中位年龄46岁。所有患者及志愿者检查前均签署知情同意书。两组间性别、年龄的比较差异均无统计学意义（均P＞0.05）。

1.2 检查方法 采用美国GE公司Discovery MR 750 3.0T超导型磁共振仪，以体部32通道线圈为表面接收线圈。扫描方位及序列包括：（1）矢状位自旋回波（spin echo，SE）T1WI：重复时间（repetition time，TR）500ms、回波时间（echo time，TE）6.3ms，视野（field of view，FOV）32cm×32cm，矩阵 320×256，激励次数（Number of Excitation，NEX）=2，层厚4mm，层间距1mm，回波链长度为6。（2）矢状位快速自旋回波（fast spin echo，FSE）T2WI：TR 3 000ms、TE 90ms，FOV 32cm× 32cm，矩阵256×256，NEX=2，层厚4mm，层间距1mm，回波链长度为12。（3）轴位FSE T2WI：TR 3 200ms、TE 109ms，FOV 20cm×20cm，矩阵320×224，NEX=2，层厚4mm，层间距1mm，回波链长度为12。（4）轴位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-SEEPI），扩散敏感梯度取25个方向，b值=0、600s/mm2，TR 8 000ms、TE 85ms，FOV 24cm×24cm，矩阵96×192，层厚 4mm，层间距 0mm，STIR压脂，扫描时间5min12s。扫描范围L3～S1神经根。

1.3 图像分析 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数据分析软件包定量分析腰骶丛神经根的表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值、各向异性（fraction anisotropy，FA）值，并以DTT技术显示L3～S1神经根，共4个节段8根。测量神经根ADC值及FA值时，感兴趣区域（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20～50mm2，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，分别记录为该节段平均ADC值和FA值，以降低因手动勾画感兴趣区造成的漏画和噪音误差。取健康志愿者所有神经根的ROI测量结果的平均值，为正常神经根的ADC值和FA值；取腰椎间盘突出患者所有受压神经根（或非受压神经根）的ROI测量结果的平均值，为受压神经根（或非受压神经根）的ADC值和FA值。

1.4 统计学处理 应用MedCalc 12.7.0统计软件。非正态分布的计量资料以中位数表示，组间比较采用非参数秩和检验；正态分布的计量资料以表示，健康志愿者的L3～S1不同节段神经根ADC值和FA值的比较采用方差分析，两两比较采用SNK法；健康志愿者的L3～S1同一节段左右侧神经根ADC值和FA值的比较采用配对样本t检验；椎间盘突出患者受压神经根与非受压神经根、非受压神经根与正常神经根的ADC值和FA值的比较采用独立样本t检验。

2 结果

2.1 健康志愿者DTI检查结果 测量得出，30例健康志愿者L3～S1神经4个节段共240根正常神经根，同一节段正常神经根左右侧的平均ADC值和FA值，差异均无统计学意义（均P＞0.05），详见表1。测得L3～S1正常神经根的ADC值和FA值平均值分别为（2.248± 0.048）×10-3mm2/s和 0.207±0.015。各个节段的平均ADC值和 FA值分别为（2.253±0.049）×10-3mm2/s、（2.241±0.048）×10-3mm2/s、（2.242±0.041）×10-3mm2/s、（2.263±0.045）×10-3mm2/s和0.205±0.012、0.207±0.015、0.206±0.013、0.209±0.011，任意两节段间的平均ADC值和FA值组间差异均无统计学意义（均P＞0.05）。

表1 30例健康志愿者L3～S1同一节段神经根左右侧的平均ADC值和FA值

2.2 腰椎间盘突出患者DTI检查结果 手术证实30例腰椎间盘突出患者中单侧神经根受压22例，其中左后型突出12例（L3节段2例，L4节段3例，L5节段4例，S1节段3例）、右后型突出10例（L3节段1例，L4节段3例，L5节段4例，S1节段2例）；双侧神经根受压8例（正中型突出8例，L4节段3例，L5节段4例，S1节段1例），共测量受压神经根38根，非受压神经根202根。测得受压神经根的平均ADC值和FA值分别为（2.751±0.052）×10-3mm2/s和0.178±0.019；非受压神经根的平均ADC值和FA值分别为（2.255±0.044）× 10-3mm2/s和0.209±0.011。腰椎间盘突出患者受压神经根的平均ADC值明显高于非受压神经根、健康志愿者正常神经根，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；而受压神经根的平均FA值明显低于非受压神经根、健康志愿者正常神经根，差异均有统计学意义（均P＜0.05）。非受压神经根的平均ADC值和FA值与健康志愿者正常神经根比较差异均无统计学意义（均P＞0.05）。

2.3 DTT技术显示神经根走行及受压改变 30例腰椎间盘突出患者及30例健康志愿者的DTI图像均无严重伪影或运动相关信号缺失，神经根DTT技术显示L3～S1双侧神经根的纤维束解剖结构。30例健康志愿者中有26例的4节段未受压神经根可清晰显示，神经根连续、完整，走行自然，符合正常解剖（图1，见插页）；4例出现解剖变异，其中1例为L4神经双侧与L5神经部分相连汇入腰骶干，3例为L4神经单侧与L5神经部分相连汇入腰骶干。30例腰椎间盘突出患者中受压神经根出现单侧或双侧神经根受压移位、部分纤维束中断等表现；20例显示单一节段单侧神经根受压移位（L3神经3例，L4神经5例，L5神经7例，S1神经5例）；8例显示单一节段双侧神经根受压移位（L4神经3例，L5神经4例，S1神经1例），2例显示单一节段单侧神经根部分纤维束中断、部分移位（L4神经1例，L5神经1例）（图2，见插页）。30例腰椎间盘突出患者中，28例解剖结构正常，2例出现解剖变异，其中1例为L4神经单侧与L5神经部分相连汇入腰骶干，1例为L4神经单侧汇人腰丛和骶丛。

3 讨论

3.1 腰骶丛神经DTI技术在腰椎间盘突出应用的基础 DTI技术是一种基于弥散加权的磁共振神经成像（magnetic resonance neurography，MRN）技术，主要通过抑制血管信号从而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ADC值和FA值量化分析神经内水质子的弥散情况，因而具有评价周围神经微观结构和功能的潜能。近年来的一些研究已证实DTI技术在周围神经系统的定量评估是可行的[6-7]。正常情况下，由于髓鞘的限制，沿着神经长轴方向的质子弥散速度是垂直于神经方向质子弥散速度的3倍，称为各向异性；当发生椎间盘突出压迫神经根时，轴浆流动受阻、近端静脉瘀血和远端神经发生华勒变性，导致轴突与鞘膜之间的间隙增宽，弥散向量增加，引起ADC值增大和FA下降[8]。在本研究中，健康志愿者L3～S1同一节段的左右侧神经根的FA值和ADC值，差异均无统计学意义（均P＞0.05），这与前期的一些研究[3-4，8]是相一致的；但L3～S1不同节段间平均ADC值和FA值是否存在差异则有争议，Balbi等[8]认为L5～S1神经根的FA值无统计学差异，认为平均ADC值和FA值大小与MRI检查时采用的梯度场方向数目、象素大小、b值大小等有关。本研究中健康志愿者的L3～S1不同节段间平均ADC值和FA值无统计学差异（P＞0.05），但时寅等[4]在健康志愿者的L3～S1不同节段间FA值有统计学差异的，并认为与各节段神经本身的解剖生理差异、神经走行区域不同、周围组织对信号产生的干扰，如骨盆、椎体等骨质产生的磁敏感伪影有关。

本研究中，腰椎间盘突出患者受压神经根的ADC值则明显高于患者非受压神经根和健康志愿者正常神经根的ADC值（P＜0.01），FA值明显低于患者非受压神经根和健康志愿者的FA值（P＜0.01），而健康志愿者的正常神经根平均ADC值、FA值和患者非受压神经根的平均ADC值、FA值差异均无统计学意义（均P＞0.05），说明ADC值增大和FA下降可以量化评估由椎间盘突出致神经根受压而造成腰骶丛神经的慢性损伤。需要说明的是，各种不同的神经病理改变，如外伤、炎症、肿瘤及卡压等均可造成ADC值增大和FA值降低，因此，定量的DTI数据分析必须结合常规MRN检查中神经形态学表现，并参考临床信息综合分析。

3.2 DTT显示腰骶丛神经走行信息的价值 DTT技术可在活体中显示神经纤维束的方向和完整性，但对于MRI硬件有较高要求，与1.5T MRI相比，3.0T MRI的信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）明显提高，几乎是其2倍，从而改善正常解剖结构和病灶的显示，对液体的显示更敏感。本研究中采用多通道相控阵表面线圈（32通道）改善了大FOV信号接收并获得高SNR的图像，采用并行采集技术提高了时间分辨率，缩短扫描时间；通过加大加速因子使大矩阵成像速度加快，并可降低图像模糊度，减少图像变形。纳入本研究的30例健康志愿者和30例腰椎间盘突出患者的DTT重建图像均无严重伪影或运动相关信号缺失，显示的正常解剖神经纤维走行自然，纤维束连续、光整，并可清晰观察到腰骶丛神经的解剖变异，通过多角度、多方向显示神经根走行，显示其他一些常规MRI序列无法显示的解剖细节[9]，可为临床医师提供立体的解剖，有助于术前制定手术路径方案。另外，DTT通过融合背景图像，可以显示神经解剖定位，但存在图像分辨率不高、SNR差等缺陷；但通过融合其他3D序列，如三维容积动态多时相扫描（3D-liver acquisition with volume acceleration，3D-LAVA）作为背景图像，则可以更加清晰显示背景，准确定位神经纤维束。

3.3 本研究的展望与存在的局限性 通过本研究的开展，对于DTI与DTT技术在腰骶丛神经应用可以进一步展望。首先，已有动物模型实验显示[11]，周围神经FA值增加与运动、感觉功能的恢复相关，能够显示近端神经再生的早期征象，而且要比再生的运动单元到达区域肌肉之前早得多。因此，尽管该实验未在人体进行，但可以预想未来通过神经纤维术前、术后FA值的改变，纵向随访评价周围神经退变和再生[12]。其次，DTT通过融合增强的3D-LAVA序列，可以在横断、冠状、矢状位的背景融合图像上同时显示立体解剖的神经纤维束和血管结构，对临床手术避免损伤神经、血管结构有指导意义。

本研究也存在一些局限性。首先，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L3～S1不同节段不同受压程度的受压神经根FA值的改变。其次，在勾画ROI时，不可避免的存在偏差，尤其是不同部位的ROI测量值可能有区别，时寅等[4]测量健康志愿者神经根内口和外口的FA值有差异，并认为是受到脑脊液波动伪影的影响。因此，在作为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。第三，较低b值不能产生足够的图像对比度，不利于神经纤维的辨别，而较高的b值会造成图像SNR降低，不利于纤维束示踪[12-13]。本研究中，采用Chhabra等[10]建议的b值取在600s/mm2，未能与Li等[5]采用b值1 000s/mm2进行参数优化比较，有待进一步比较研究。

综上所述，应用DTI及DTT技术可以定量分析神经受压改变，有助于客观显示神经纤维束走行。

[1] Arana E,Royuela A,Kovacs F M,et al.Lumbar spine:agreement in the inter-pretation of 1.5 T MR images by using the Nordic Modic Consensus Group classification form[J].Radiology,2010, 254(3):809-817.

[2] 郎志谨,苗延巍,吴仁华,等.MRI新技术及在中枢神经系统肿瘤的应用[M].上海:上海科技出版社,2015:34.

[3] Tensaouti F,Lahlou I,Clarisse P,et al.Quantitative and reproducibility study of four tractography algorithms used in clinical routine[J].Magn Reson Imaging,2011,34(1):165-172.

[4] 时寅,王传兵,刘伟,等.采用扩散张量成像定量研究及纤维束示踪成像观察正常腰骶丛神经[J].中华放射学杂志,2014,48(2):135-138.

[5] LiC T,Wang Q Z,Xiao WF,et al.3.0TMRI tractography of lumbar nerve roots in disc herniation[J].Acta Radiol,2014,55(8):969-975.

[6] Wang W,Qin W,Hao N,et al.Diffusion tensor imaging in spinal cord compression[J].Acta Radiol,2012,53(8):921-928.

[7] Kristo G,Leemans A,de Gelder B,et al.Reliability of the corticospinaltractand arcuate fasciculus reconstructed with DTI-based tractography:implications for clinical practice[J].Eur Radiol,2013,23(1):28-36.

[8] Balbi V,Budzik J F,Duhamel A,et al.Tractography of lumbar nerve roots:initialresults[J].Eur Radiol,2011,21(6):1153-1159.

[9] Uda T,Takami T,Sakamoto S,et al.Normal variation of diffusion tensor parameters of the spinal cord in healthy subjects at 3.0-Tesla[J].J Craniovertebr Junction Spine,2011,2(1):77-81.

[10] Chhabra A,Thakkar R S,Andreisek G,et al.Anatomic MR imaging and functional diffusion tensor imaging of peripheral nerve tumors and tumorlike conditions[J].AJNR Am J Neuroradiol, 2013,34(4):802-807.

[11] Lehmann H C,Zhang J,Mori S,et al.Diffusion tensor imaging to assess axonal regeneration in peripheral nerves[J].Exp Neurol, 2010,223(1):238-244.

[12] Chhabra A,Williams E H,Wang K C,et al.MR neurography of neuromas related to nerve injury and entrapment with surgical correlation[J].AJNR Am J Neuroradiol,2010,31(8):1363-1368.

[13] Dallaudiere B,Lincot J,Hess A,et al.Clinical relevance of diffusion tensor imaging parameters in lumbar disco-radicular conflict[J].Diagn interv imaging,2014,95(1):63-68.

Application of MR diffusion tensor imaging in diagnosis of lumbar disc herniation

QIAN Haifeng,WU Xiao,XU Wanli,et al. Department of Radiology,Huzhou Central Hospital,Huzhou 313000,China

【 Abstract】 Objective To assess the application of MRI diffusion tensor imaging(DTI)in diagnosis of lumbar disc herniation. Methods MR examination and DTI were performed in 30 patients of lumbar disc herniation and 30 healthy volunteers. The mean fractional anisotropy(FA)and apparent diffusion coefficient(ADC)values ofL3,L4,L5 and S1 nerves in both sides were calculated by DTI,and these nerves were observed by diffusion tensor tractography(DTT). Results The ADC and FA value ofthe normal spinal nerve roots in healthy volunteers and those of the compressed and uncompressed spinal nerve roots in patients were (2.248±0.048)×10-3mm2/s,(2.751±0.052)×10-3mm2/s,(2.255±0.044)×10-3mm2/s and 0.207±0.015,0.178±0.019, 0.209±0.011.The ADC values of the compressed spinal nerve roots were significantly lower,and the FA values were significantly higher than those ofthe uncompressed and normalspinalnerve roots(P＜0.01).Conclusion The ADC and FA values at MR DTIof the compressed spinal nerve roots are significantly changed in patients with lumbar disc herniation.The lumbar plexus nerve roots can be visualized clearly by using DTT,and it may helpfulin preoperative localization ofthe lesions.

Magnetic resonance imaging Diffusion tensor imaging Lumbar plexus Disc herniation

2015-09-16）

（本文编辑：严玮雯）

湖州市科技局项目（2014GY20）

313000 湖州市中心医院放射科

钱海峰，E-mail：qhf0572@163.com