3.0T MR扩散张量成像在腰椎间盘退变机制研究及诊断中的价值

刘超 陈兴灿 刘琦 闫春丽

●检测诊断

3.0T MR扩散张量成像在腰椎间盘退变机制研究及诊断中的价值

刘超 陈兴灿 刘琦 闫春丽

目的探讨3.0TMR扩散张量成像（DTI）在腰椎间盘退变机制研究及诊断中的价值。方法选择29例腰痛或腰腿痛患者行腰椎DTI扫描，共获得82个腰椎间盘。在常规MRI上将82个腰椎间盘分为未膨出、膨出、突出、脱出等4个类型，按照纤维示踪（FT）图纤维环形态学改变分为完整型、断裂型、不规则型，比较FT图与常规MRI诊断腰椎间盘退变的价值；同时分析国际公认用于椎间盘退变程度的Pfirrmann（Pm）分级与各向异性（FA）值、表观扩散系数（ADC）值的相关性。结果FT图与常规MRI表现不完全符合；不同FT图分型患者的ADC值比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。Pm分级与ADC值呈负相关(rs=-0.643，P＜0.05），与FA值呈正相关（rs=0.712，P＜0.05）。结论3.0TMR DTI在阐述腰椎间盘退变机制、定量评价退变程度方面具有一定价值；在临床工作中，腰椎间盘退变的影像学诊断首选常规MRI。

扩散张量成像腰椎间盘退变纤维示踪椎间盘退变是多种因素共同作用的结果。在退变过程中，椎间盘的生物力学、生物化学和超微结构均发生了相应变化。对于椎间盘退变机制的研究，目前主要集中在氧化应激、炎症因子、细胞凋亡、营养通路、生物力学等方面[1-2]。扩散张量成像（DTI）是一种新的椎间盘成像技术，能无创地显示椎间盘纤维环的形态和完整性，发现纤维环是否断裂及断裂位置，对椎间盘纤维环退变的发生机制及影像诊断具有重要意义[3-4]。以往关于腰椎间盘的DTI研究多局限于1.5T MR，主要观察纤维环形态并对腰椎间盘退变作定量分析。本文采用3.0T MR DTI定量指标来探讨腰椎间盘退变机制，并评价活体椎间盘退变程度，探讨纤维示踪（FT）图对于腰椎间盘退变的诊断价值。

1 对象和方法

1.1 对象选取2016年3至5月在中国人民解放军第117医院医学影像科行MRI检查的29例患者，其中男15例，女14例；年龄18～62（33.8±10.9）岁；均有腰痛或腰腿痛，均无脊柱手术史、炎症、肿瘤及其他严重全身性病变。

1.2 方法

1.2.1 MRI检查采用GE DISCOVERY MR 750 3.0T，常规扫描用HRCTL8通道脊柱线圈行矢状位T1WI和T2WI以及轴位T2WI扫描。DTI采用平面回波序列（EPI）进行轴位扫描，扫描参数：TR/TE-4000/minimum，层厚4mm，间隔0mm，FOV 24cm，b=600，扩散方向：12，NEX=6，扫描时间316s。

1.2.2 原始数据后处理将DTI原始数据输入ADW 4.6工作站，应用FUNCTOOL软件进行处理，得到部分各向异性（FA）伪彩图和表观扩散系数（ADC）伪彩图，沿髓核边缘设置髓核椭圆形兴趣区（ROI），分别测量各椎间盘髓核FA值和ADC值，即DTI定量指标。利用Fiber tracking软件得到FT图。

1.2.3 图像分析由2位MRI诊断经验丰富的高年资医师进行图像分析，若有分歧者则经双方商议后达成一致意见。（1）腰椎间盘退变分级：参照国际公认用于椎间盘退变程度的Pfirrmann（Pm）分级标准[5]，即根据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。Ⅰ级：髓核呈均匀的高信号（白），与纤维环分界清楚，椎间盘高度正常；Ⅱ级：髓核不均匀的高信号，有或无低信号水平带，与纤维环分界清楚，椎间盘高度正常；Ⅲ级：髓核不均匀中等信号（灰），与纤维环分界模糊，椎间盘高度正常或轻度减低；Ⅳ级：髓核不均匀中等或低信号（灰或黑），与纤维环分界消失，椎间盘高度正常或中度减低；Ⅴ级：髓核低信号（黑），与纤维环分界消失，椎间盘塌陷。（2）腰椎间盘退变分组：根据常规MRI影像学表现分为4组：未膨出（椎间盘形态规则，未见膨出、突出及脱出征象）、膨出（纤维环低信号影像四周均匀膨隆）、突出（椎间盘可向前、外侧和后方突出）、脱出（髓核突出于低信号纤维环之外，突出部分与髓核本体无联系）。（3）腰椎间盘纤维环FT图分型：依据文献[6]并结合本组病例分为3型：完整型（纤维环结构完整、纤维环与髓核分界清楚，形态对称或不对称，见图1a-c）、断裂型（纤维环局部断裂，见图1d-f）、不规则型（纤维环结构紊乱，甚至扭曲成团，髓核与纤维环分界不清，见图1g-i）。

图1 纤维环FT图分型及MRI表现[a-c：男，23岁，L5/S1膨出（箭头所示），完整型；d-f：男，24岁，L4/5椎间盘后缘高信号（箭头所示），断裂型；g-i：男，40岁，L5/S1突出（箭头所示），不规则型]

1.3 统计学处理应用SPSS 22.0统计软件。计量资料不同FT图分型患者的ADC值比较采用单因素方差分析；Pm分级与FA值、ADC值的相关性采用Spearman秩相关分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同FT图分型患者的腰椎间盘退变情况及ADC值比较取得所有患者腰椎间盘的DTI图像，共获得腰椎间盘82个，经工作站后处理取得FA图和ADC图，并能利用Fiber tracking软件获得被检椎间盘的FT图。FT图显示46个完整型腰椎间盘，常规MRI显示腰椎间盘未膨出、膨出、突出和脱出分别为36、7、3和0个；FT图显示14个断裂型腰椎间盘，常规MRI显示腰椎间盘未膨出、膨出、突出和脱出分别为0、2、10和2个；FT图显示22个不规则型腰椎间盘，常规MRI显示腰椎间盘未膨出、膨出、突出和脱出分别为0、7、14和1个。不同FT图分型患者的ADC值比较，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 不同FT图分型患者的腰椎间盘退变情况及ADC值

2.2 Pm分级与FA值、ADC值的相关性经Spearman秩相关分析，椎间盘退变Pm分级与ADC值呈负相关（rs=-0.643，P＜0.05），与FA值呈正相关（rs=0.712，P＜0.05）。

3 讨论

DTI通过在多个方向上施加弥散敏感梯度测量水分子扩散的程度和方向并生成FA图，是目前描述水分子弥散方向特征的新技术。FT是基于DTI上的一种新的可视化成像技术，可以利用水分子扩散的各向异性来追踪纤维的走行，将走行方向各异的纤维束以三维形式重组，以观察纤维束的连续性和完整性。FA是DTI最主要的评价参数之一。在人体组织内，水分子的扩散受到各种因素的影响，且各个方向不相等。由于局部环境的影响导致扩散运动在各个方向不同步时，这种扩散运动表现为各向异性。FA值是水分子扩散各向异性成分占整个扩散张量的比例，主要描述水分子弥散方向的不均匀性，水分子弥散受阻，则FA值增高。既往研究表明正常纤维环与髓核FA值存在差异，说明纤维环与髓核在水分子扩散的不均匀性方面有明显差异[7]。

椎间盘主要由髓核、纤维环及软骨终板组成。腰椎间盘退变的病理过程包括细胞外基质合成与降解失衡，纤维环胶原变性、髓核含水量下降和粘弹性降低等，其中髓核的退变较纤维环和软骨终板早且更明显，椎间盘退变主要表现为髓核生化成份的改变，即水分含量的变化、蛋白多糖浓度的下降和胶原成分的改变等[8]。在本研究中，ADC值、FA值在不同退变等级的腰椎间盘髓核内存在差异，Pm分级与ADC值呈负相关，与FA值呈正相关。髓核ADC值降低预示着髓核储水能力下降，含水量逐渐减少，胶原纤维成分逐渐增加，水分子扩散受限。本文不同FT图分型患者的ADC值为完整型＞破裂型＞不规则型。髓核ADC值越低，则腰椎间盘退变越严重，FT图越不规则，髓核纤维化加剧且髓核与纤维环趋向融合，同时纤维环规律的同心圆结构破坏，最终丧失环状结构。FA值升高预示着髓核中基质退变，胶原纤维不规则网状结构破坏，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。目前，临床上广泛采用Pm分级标准来判断椎间盘退变的程度，该标准是依据MRT2WI图像作出的判断，因此存在主观性的缺陷。由于DTI定量指标ADC值、FA值的标准不统一，故不易判断腰椎间盘的退变程度；但FT图通过显示纤维环的不同形态，能直观地反映腰椎间盘退变的病理状态。因此，DTI能进一步解释腰椎间盘退变的发生机制，评估腰椎间盘退变的程度。本研究中FT图显示46个完整型腰椎间盘，但常规MRI显示腰椎间盘突出3个，笔者认为这为包容性腰椎间盘突出；按照陈兴灿等[9]提出的腰椎间盘突出症分型及介入治疗适应证标准，此类腰椎间盘后方纤维环并未完全断裂，适合介入治疗；其余常规MRI显示为未膨出和膨出，故此型FT图与常规MRI基本符合。FT图显示14个断裂型腰椎间盘，常规MRI显示为突出和脱出12个、腰椎间盘膨出2个，与此型的FT图不符合；笔者认为原因可能与脑积液搏动影响MRI信号收集有关，下一步将继续研究。FT图显示22个不规则型腰椎间盘，但常规MRI显示腰椎间盘突出14个、脱出1个，其余均为膨出，此型FT图与常规MRI不完全符合；笔者认为原因与此类腰椎间盘退变严重、髓核严重纤维化有关，且与ADC值表现一致。杨海涛等[3]在1.5T MR上获得了较好的图像，但是扫描时间较长（452s）。本研究采用3.0T MR，既满足了图像质量的要求，而扫描时间仅为316s，明显缩短了扫描时间，对于受检者尤其是病情紧急需及时治疗的患者是个更好的选择。马晓晖等[10]、刘永波等[11]认为磁场强度越高，梯度磁场的幅度及切换率也越高，对水分子扩散运动的检测越灵敏。龙厚清等[7]认为DTI采用的EPI序列对磁场均匀性要求较高，加之腰椎间盘本身的解剖特点，对于腰椎间盘DTI的效果会有影响。由于3.0T MR更能满足EPI序列对磁场均匀性的要求，且对水分子扩散运动更灵敏，对于DTI扫描能达到更好的效果，获得更好的图像质量。总之，3.0T MR相比1.5T MR，在DTI扫描时间、灵敏度、图像质量等方面都有较大优势。

综上所述，DTI可作为一种无创性的检查方法应用于椎间盘退变的研究。ADC值、FA值能更准确地反映组织细胞的细微结构变化，在阐述腰椎间盘退变机制、定量评价退变程度方面具有一定的价值；但在临床工作中，腰椎间盘退变的影像学诊断首选常规MRI。

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10.12056/j.issn.1006-2785.2017.39.23.2016-1856

南京军区医学科技创新课题项目（10MA128）；浙江省医学会临床科研基金项目（2011ZYC-A43）

325000温州医科大学（刘超、陈兴灿、闫春丽）；中国人民解放军第117医院放射科（刘琦）

陈兴灿，E-mail：genius1174@163.com

2016-11-10）

（本文编辑：陈丹）