磁共振扩散张量成像证实下腰部肌群动力失衡与椎间盘退变的相关性

田 欣，刘怀军，耿左军，卜静英 （河北医科大学第二医院医学影像科，河北石家庄050000）

·临床与转化医学·

磁共振扩散张量成像证实下腰部肌群动力失衡与椎间盘退变的相关性

田 欣，刘怀军，耿左军，卜静英 （河北医科大学第二医院医学影像科，河北石家庄050000）

目的：利用磁共振扩散张量成像技术研究下腰部肌群动力失衡与椎间盘退变的相关性.方法：本研究纳入52例腰椎间盘退变患者和20名健康志愿者.采用MRI扫描序列包括：矢状位T1WI、矢状位和轴位T2WI和横断面DTI.根据腰椎间盘在T2WI上的信号，按照Pfrimann分级，将腰4⁃5和腰5⁃骶1椎间盘分为Ⅰ～Ⅴ级.测量每个椎间盘水平两侧的腰大肌、竖脊肌FA值和ADC值.比较各组两侧腰大肌、竖脊肌的参数值，并进行统计学分析.结果：Ⅰ～Ⅴ级椎间盘左、右两侧腰大肌的FA值、ADC值差异均无统计学意义，左右两侧竖脊肌的FA值差异无统计学意义，除Ⅴ级椎间盘水平外，其余Ⅰ～Ⅳ级椎间盘水平两侧竖脊肌的ADC值差异无统计学意义.结论：DTI技术能够从分子水平定量评价腰肌纤维束的功能，下腰部肌群的动力失衡不是椎间盘退变的主要因素.

磁共振；扩散张量成像；腰椎；退行性改变；腰大肌；竖脊肌

0 引言

腰椎间盘退变是引起腰痛的主要原因之一.腰椎间盘的原因有很多［1］，脊柱及其周围软组织构成的平衡系统可能与腰椎间盘退变有关.腰部肌群对于保持脊柱的正常生理姿势有重要作用［2］，并会影响脊柱的负荷力，但这是否与腰椎间盘退变有关还尚未有研究论证.本研究利用磁共振扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）技术探讨了下腰部脊柱动力平衡与腰椎间盘退变的相关性.

1 资料和方法

1.1 一般资料选取河北医科大学第二医院2016－01／2016－10收治的56例患者和20名健康志愿者为研究对象.其中患者年龄20～82（平均55.73±13.42）岁.男25例，女31例.纳入标准：①临床症状为腰痛和／或一侧下肢疼痛；②MRI图像上可以见椎间盘T2WI信号减低.排除标准：①患有除腰椎退变之外的其他腰椎疾病；②有外伤、肿瘤、炎症病史.③脊柱侧弯、脊柱畸形.④没有椎小关节结构紊乱.志愿者无腰部不适，无腰椎疾病病史，年龄14～60（平均29.26±13.90）岁.其中男11例，女9例.所有受试者均已签署知情同意书，其中未成年者由监护人签署.

1.2 试验设计本研究只涉及L4⁃5及L5⁃S1椎间盘平面的两侧腰部肌群.

1.3 仪器与扫描本研究使用Signa Excite HD 3.0T（美国GE公司）高场强MR扫描仪，使用脊柱线圈.扫描序列包括：矢状位T1WI、矢状位和轴位T2WI和轴位DTI.DTI扫描参数为TR／TE：2300／75.5 ms，层厚5 mm，FOV38×38 mm，b值为0和600 s／mm2，6个方向.矢状位T1WI参数：TR 3294 ms，TE 25.4 ms.矢状位T2WI参数：TR 2500 ms，TE 108.9 ms.轴位T2WI参数TR 2440 ms，TE 120.8 ms.

1.4 测量值和方法按照T2WI图像所见，对腰椎间盘进行Pfirrmann分级.然后，在MRI工作站（work⁃station4.2）使用FuncTool2测量软件对每幅图像进行测量，计算每个椎间盘平面左、右两侧腰部肌群表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值和各向异性（fractional anisotropy，FA）值.测量由2名高年资医生独立进行.在DWI图的b＝0图上，选择肌肉的中心区作为测量的感兴趣区.左右两边选择对称的感兴趣区计算腰部肌群的FA值、ADC值.由于腰方肌在DTI图像上易受伪影影响，所以排除研究.本研究仅限于腰大肌和竖脊肌.

使用volume one软件对左右两侧腰大肌、竖脊肌的纤维束进行三维示踪显示.

1.5 评价标准将正常志愿者与椎间盘退变患者的腰4⁃5和腰5⁃骶1椎间盘按照磁共振扫描图像T2WI上所见，以Pfirrmann分级为评定标准，分为Ⅰ～Ⅴ级.比较各组各椎间盘平面腰部肌群左右两侧的ADC值、FA值是否有差异，并比较组间差异.

1.6 统计学处理同一椎间盘层面两侧肌群ADC值、FA值比较采用配对设计t检验方法，P＜0.05表示差异有统计学意义.使用SAS9.0软件进行统计学处理.

2 结果

2.1 患者及健康志愿者的腰椎间盘分级目前临床上广泛采用Pfirrmann分级系统对椎间盘进行分类，它具有很好的可操作性（表1）.

表1 椎间盘Pfirrmann分级方法

将健康志愿者和腰椎间盘退变患者的椎间盘按照Pfirrmann分级进行分类，分为Ⅰ～Ⅴ级.其中，Ⅰ级椎间盘22个，Ⅱ级椎间盘30个，Ⅲ级椎间盘30个，Ⅳ级椎间盘22个，Ⅴ级椎间盘9个.

2.2 各级椎间盘两侧腰部肌肉FA值、ADC值比较

各级椎间盘左右两侧腰大肌的FA值、ADC值差异无统计学意义（表2）.

表2 Ⅰ～Ⅴ级椎间盘两侧腰大肌FA值和ADC值比较

除Ⅴ级椎间盘水平两侧竖脊肌ADC值差异有统计学意义外，其余各级别椎间盘左右两侧竖脊肌的FA值、ADC值差异无统计学意义（表3）.

表3 Ⅰ～Ⅴ级腰椎间盘两侧竖脊肌FA值和ADC值比较

2.3 组间比较（Pfirrmann分级为Ⅰ～Ⅴ级的椎间盘），两侧腰大肌FA值差异，ADC值差异无统计学意义（P＞0.05）.并且，各组之间两侧竖脊肌FA值差异及ADC值差异亦无统计学意义（P＞0.05）.

2.4 左右两侧腰部肌肉的纤维束示踪图的显示各级别椎间盘水平左、右两侧腰部肌群（腰大肌、竖脊肌）纤维束走行及形态较一致（图1）.

图1 患者女性，55岁.双下肢疼痛、乏力

3 讨论

椎间盘退变是常见病，最常发生于L4⁃5和L5⁃S1椎间盘［3］.正常情况下，脊柱负荷压力时，椎间盘结构能够分散脊柱在各个方向受到的负荷，同时，脊柱的肌群状态也会改变脊柱的形态，从而对椎间盘产生负荷力.脊柱正常的生理运动和稳定是在静力平衡的基础上依靠椎旁肌群的动力平衡作用来实现的.在颈椎间盘退变的研究中，有＂动力失衡为先＂的理论，指脊柱肌群的动力失衡是椎间盘退变的原因.在兔和大鼠的动物模型中，通过损伤椎旁肌群能制作出椎间盘退变的模型［4］，但是人体椎间盘退变是一个多因素共同作用的结果，可能与年龄、长期保持不恰当的姿势、炎性病变等有关［5］.动力失衡是否是人体椎间盘退变的主要原因仍存在争议.

以往研究多是通过动物实验来分析肌群对椎间盘的影响［4］，而本研究利用对水分子自由扩散敏感的磁共振DTI技术，通过测量椎旁肌群的功能状态，达到了活体无创研究脊柱动力失衡与椎间盘退变相关性的目的.

DTI技术有两个参数值，包括ADC值和FA值.ADC也称为表观扩散系数，与DWI信号强度，T2加权信号，梯度磁场的持续时间、间隔时间和强度有关.如果水分子在各个方向的扩散速度不一致，即称该组织具有扩散的各向异性，用FA值表示，其取值范围为0～1之间，纤维束的方向性越一致，FA值越趋近于1.在正常的肌肉纤维束中，其纤维走行基本一致，因此具有较高的FA值.当肌肉纤维束被破坏时，这种各向异性特征就被打乱，FA值降低.

已被证实DTI诊断肌肉损伤具有很好的敏感性［6－8］，常规T2WI序列是解剖成像，而DTI可以显示肌纤维束的功能状态，能早期从分子水平显示肌纤维结构是否完整，当肌肉失去各向异性特征时，提示肌纤维束断裂，肌肉损伤.如果腰部两侧肌群的FA值、ADC值差异有统计学意义，则认为其存在两侧功能失衡情况，也就是处于动力失衡状态.

本研究发现，无论椎间盘是否发生退变，椎旁两侧腰大肌、竖脊肌的FA值均没有差异.由于FA值能够反映肌纤维束的功能状态，因此，可以认为腰椎两侧的腰大肌、竖脊肌不存在功能失衡.虽然损伤椎旁肌群能够导致椎间盘退变，但是在人体结构及实际生活中，若没有外部因素导致椎旁肌群严重损伤，那么腰部肌群的动力失衡并不是引起椎间盘退变的主要因素.同时，严重的椎间盘退变可能也并不导致脊柱椎旁肌群的动力失稳.Kettler等［9］认为，椎间盘退变早期不会引起脊柱旋转不稳，这从侧面证实椎间盘退变早期没有椎旁肌群功能异常.虽然有文献认为，脊柱动态平衡系统与早期椎间盘退变有关［10－14］，但是这些研究对于脊柱动态平衡的变化并没有得出一致的结论：有的作者认为退变程度为中度的椎间盘平面轴向和侧向的动态平衡都会改变，但有的作者却认为仅有退变严重的椎间盘平面的轴向动态失衡.以上研究都是通过测量脊柱在各个位置时的移动角度进行的，最近亦有通过超声测量椎旁肌群厚度研究肌群与腰背痛关系的文献报道［15］，而本研究则首次借助磁共振DTI技术方法，能够不限于从解剖角度而且可以从功能角度更加直观地证实腰部脊柱椎旁肌群功能动态失衡不是腰椎间盘退变的主要因素，同时，没有找到椎间盘退变会加重腰部肌群负荷不均从而导致功能失衡的证据.

另外，V级椎间盘退变组中，虽然左右两侧竖脊肌的FA值没有差异，但是ADC值差异有统计学意义.推测是由于在肌纤维束这样纤维走行明显一致的组织中，ADC值并不能准确描述水分子的扩散特征，因此造成了这种ADC值与FA值不一致现象.

因主诉腰部不适而行磁共振检查的患者绝大多数均有椎间盘不同程度的退变，为了纳入足够数量分级为I级的无退变椎间盘，本研究纳入了部分健康志愿者.

本研究的不足之处在于，没有考虑到腰椎间盘对应的椎旁肌（腰大肌、竖脊肌）在运动力学上可能存在的差异，没有增加L4⁃5联合L5⁃S1分组.

总之，DTI技术能够从分子水平定量评价腰肌纤维束的功能，有助于判断腰部肌群功能状态.腰部肌群功能失衡并不是导致腰椎间盘退变的主要因素，腰椎间盘退变的程度也不和腰部肌群功能失衡相关.

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Correlation between spinal dynamic instabili⁃ty and disk degeneration in inferior lumbar part evaluated by magnetic resonance diffu⁃sion tensor imaging

TIAN Xin，LIU Huai⁃Jun，GENG Zuo⁃Jun，BO Jing⁃Ying
Department of Medical Imaging，the Second Affiliated Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050000，China

AIM：To assess the correlation between spinal dy⁃namic instability and disk degeneration in inferior lumbar part by magnetic resonance diffusion tensor imaging.METHODS：A total of 20 healthy volunteers and 52 patients were examined by 3.0T MRI for T1WI，T2WI and DTI sequences.According to disk sig⁃nal on T2WI，the disks were defined as 5 groups，grade I to V.The ADC values and FA values of bilateral psoas major and erec⁃tor spinae were calculated on MRI workstation.Bilateral lumbar muscle parameters were compared using SAS 9.0 software.The differences of bilateral muscles of each group were also analyzed.RESULTS：There were no statistically significant on FA values and ADC values of bilateral psoas major in group I～V，and also in the FA values of bilateral erector spinae.The ADC values of bi⁃lateral erector spinae showed no statistically significant difference except for group V（P＞0.05）.CONCLUSIONS：DTI could quantitatively evaluate the muscle function，which was indicated by water molecular diffusion.The spinal dynamic instability was not the main cause of disk degenerated in inferior lumbar part.

magnetic resonance；diffusion tensor imaging；lum⁃bar；degeneration；psoas major；erector spinae

R445.2

A

2095⁃6894（2017）04⁃27⁃04

2016－12－17；接受日期：2017－01－04

河北省卫生厅重点课题项目（20120072）

田 欣.博士.研究方向：磁共振功能成像.

E⁃mail：tianx25＠139.com