最大圆感兴趣区勾画方法是可靠的颈神经根弥散张量成像测量方法

伍鹏欢，严德星，黄成燕，吴 强，李文虎，袁艾东，史本超

韶关市第一人民医院（南方医科大学附属韶关医院）1关节运医科，2影像中心，广东 韶关 512000；南方医科大学珠江医院3影像中心，4脊柱外科，广东 广州510280

神经根型颈椎病是脊柱外科最常见的疾病之一［1］，但在诊治过程中经常遇到术前影像学表现与症状体征不一致［2-3］、由于多节段颈椎间盘突出或椎管狭窄导致无法确定确切责任节段［4］以及与其他颈周围神经损伤疾病（如尺神经炎、肘管综合征、腕管综合征等）和肩关节相关疾病难以鉴别诊断［2-5］等问题。目前，常规CT和MRI检查可以揭示颈间盘突出和颈椎椎管狭窄的位置，从而间接判断神经根是否受到压迫和损伤，但不能提供神经根损伤的直接证据［6-7］。DTI是一种基于多个b值的弥散加权成像序列，可以定量分析和评估水分子在活体组织中的扩散情况，主要参数包括各向异性分数（FA）和表观扩散系数（ADC）［8］。DTI技术在理论上可以更好地去评价神经根的病理变化，并且进行量化。DTI技术对诊断神经根型颈椎病仍处于验证阶段，目前研究多用患者与正常人或患者的患侧与健侧神经根DTI值对比，验证已知病变神经根DTI值与正常神经根是否有差异。造成目前阶段的最大因素之一是正确选择和描绘感兴趣区域（ROI）［9-10］。既往研究发现，ROI大小对肿瘤组织ADC值有很大影响［11-12］，但目前还没有颈神经根ROI 勾画方法的研究。本研究旨在探讨不同ROI绘制方法对颈神经根测量值一致性的影响，确定最佳颈神经根ROI勾画方法，进一步进行临床相关性分析。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取20名健康志愿者和20名单节段神经根型颈椎病患者，患者选自于2018年12月～2019年5月在南方医科大学珠江医院脊柱外科住院并行常规MR及DTI扫描的患者，健康志愿者为社会招募。神经根型颈椎病的诊断标准为典型的神经根性症状（手臂麻木或疼痛），疼痛麻木体表位置与颈脊神经根支配区域一致，臂丛神经牵拉试验或椎间孔挤压试验阳性。纳入标准：临床诊断为神经根型颈椎病；单节段、单侧颈神经根受压迫的症状和体征；CT、MR影像学显示单节段椎间盘向一侧突出；均行手术治疗，解除神经压迫后，术后症状明显缓解。排除标准：既往有脊柱外伤或手术史；有糖尿病或者神经系统疾病史；有慢性感染史；责任节段存在椎体旋转或者滑脱；有幽闭恐惧症史或其他任何心理问题，无法配合较长时间DTI扫描。

健康志愿者和神经根型颈椎病患者共入组56例，其中5例因无法忍受噪音终止扫描，3例颈神经根显示不清，5例有颈椎手术史，3例有糖尿病史，筛选后最终纳入40例，其中健康志愿者20名，神经根型颈椎病患者20名。健康组年龄为44.50±9.57岁，颈椎病组年龄为45.10±9.89 岁，两组性别比均为1∶0.82（男/女=11/9）。颈椎病组压迫神经根分布为5根C5，9根C6，4根C7，2根C8。两组一般资料（表1）。本研究已经获得韶关市第一人民医院伦理评审委员会批准，所有接受DTI扫描的患者均签署知情同意书。

表1 健康组和颈椎病组的一般资料Tab.1 Baseline characteristics of healthy and cervical spondylosis groups

1.2 MR和DTI扫描

患者检查前至少1 h处于安静状态，均于夜间20:00～22:00进行扫描。采用3.0 T Ingenia MR扫描仪（飞利浦）和32通道体部相控阵线圈对患者行颈椎MRI平扫。常规扫描序列包括：（1）矢状面快速自旋回波T1WI、T2WI：TR 2000，TE 103，激励次数2，FOV 180×282，矩阵，层厚4 mm，层间距0.4 mm；轴面快速自旋回波T2WI：应用矢状面图像行扫描定位，扫描层面与椎间盘平行，TR 2583，TE 120，激励次数2，FOV 155×155，矩阵，层厚3 mm，层间距1 mm；（3）FFE扫描：TR 4.8，TE 2.1，激励次数2，FOV 220×220，矩阵，层厚0，层间距0；DTI扫描采用单次激发平面回波成像序列行轴面成像，TR 4500，TE 67，激励次数2，FOV 224×224，矩阵，层厚2 mm，层间距1 mm。b值取0、800，DTI扫描时间为9 min 49 s。

1.3 图像处理

将DTI图像传至EWS4.1工作站，由2名影像医师独立应用Philips后处理软件测量。FA值、ADC值测量方法如下：b=800为图像高信号区域，融合3D-FFE图像辅助定位，在椎间孔的入口平面勾画ROI（图1），即神经根与上位椎弓根内侧缘与下位椎弓根内侧缘的连线的相交处，对侧神经根ROI位于相同位置。采用4种ROI勾画方法：（1）轮廓法（图2A）：沿神经根轮廓手动描画ROI，不能超出神经根边缘，避免脑脊液干扰；（2）最大圆法（图2B）：尽量画最大圆形，感兴趣区域的边界与神经根边缘相切，覆盖最大神经根区域，并且不能超过边缘；（3）四边形法（图2C）：先画出神经根横截面面积的最长轴，再垂直于长轴画纵轴，然后将两条相垂直轴的4个端点顺时针连接成四边形；（4）多中心平均值法（图2D）：以上2条垂直轴将神经根分为4个象限，在每个象限画最大的圆形，取这四个圆形ROI的平均值作为DTI的测量值。相应的颈4～8神经根重建。

图1 ROI 定位图Fig.1 The diagram of ROI positioning.

图2 4种ROI 勾画方法Fig.2 Four kinds of ROI mapping methods.

1.4 统计学分析

所有统计学分析均采用SPSS 25.0软件，计量资料以均数±标准差表示，计数资料以百分数表示。2名放射科医师之间的DTI测量值采用配对样本t检验进行比较；4种方法的总体差异采用单因素重复测量方差分析，如果整体有差异，再采用最小显著性差异法进行检验。采用组内相关系数（ICC）评价2名医师测量结果的一致性；计算DTI值与年龄、BMI及颈神经根功能评分等相关性行Spearson相关性分析。以P＜0.05为差异有统计学意义；ICC 0.00～0.40为相关性低，0.41～0.60为相关性中等，0.61～0.80为相关性高，0.81～1.00相关性极高。

2 结果

2.1 FA和ADC测量结果

2 名技师分别应用4 种ROI 勾画方法测量FA 和ADC的结果显示：在每位技师方法间比较，FA或ADC值的差异无统计学意义（P＞0.05）；在两名技师间同种方法比较，FA或ADC值的差异无统计学意义（P＞0.05，表2～5）。

表2 C5神经根采用4种ROI方法健康者DTI测量值Tab.2 DTI measurements of C5 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods(n=20,Mean±SD)

表3 C6神经根采用4种ROI方法健康者DTI测量值Tab.3 DTI measurements of C6 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods (n=20,Mean±SD)

表4 C7神经根采用4种ROI方法健康者DTI测量值Tab.4 DTI measurements of C7 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods(n=20,Mean±SD)

表5 C8神经根采用4种ROI方法健康者DTI测量值Tab.5 DTI measurements of C8 nerve roots in healthy subjects using 4 ROI methods(n=20,Mean±SD)

2.2 2名放射科医师的FA和ADC值测量一致性检验

应用ICC检验，分析每种ROI勾画方法在2名放射技师间的一致性。结果显示在健康组和神经根型颈椎病组，轮廓法和最大圆法ICC值均较高（均为＞0.90），但最大圆法的ICC值高于轮廓法（表6～8）。

表6 2名医师采用4种不同ROI方法健康志愿者DTI测量值一致性（C5～C6）Tab.6 Consistency of DTI values of healthy volunteers using four different ROI methods by two physicians(C5-C6)

2.3 DTI值与影响因素的相关性

健康志愿者FA值与年龄呈负相关（P＜0.05），ADC值与年龄呈正相关（P＜0.05）；患者视觉模拟量表（VAS）评分与患侧ADC值呈正相关（P＜0.05）；脊髓损伤神经学分类国际标准（ISNCSCI）评分与患侧FA值呈正相关（P＜0.05）；患者VAS评分与患侧FA/患侧ADC比值呈负相关（P＜0.05）。

表7 2名医师采用4种不同ROI方法健康志愿者DTI测量值一致性（C7～C8）Tab.7 Consistency of DTI values of healthy volunteers using four different ROI methods by two physicians(C7-C8)

表8 2名医师采用4种不同ROI方法神经根型颈椎病者DTI测量值一致性（C7～C8）Tab.8 Consistence of DTI measurement values of two physicians using four different ROI methods for cervical spondylotic radiculopathy(C7-C8)

3 讨论

目前，磁共振DTI技术主要通过FA和ADC值的大小，以显示颈神经根损伤的程度，而DTI值的测量则是通过ROI勾画来实现，ROI的形状和大小直接影响了DTI值的大小，但众学者对ROI勾画方法还未形成统一意见，有学者认为不同ROI方法对DTI测量值可重复性存在差异［13-14］，有学者认为不同ROI勾画方法，需要通过多次测量，才能保证测量结果可靠性［9］；但也有研究表明ROI方法对ICC值无明显影响［15］。本研究旨在找到最佳ROI勾画的方法，为进一步在临床应用打下坚实基础。

本研究发现，当测量神经根型颈椎病患者的FA和ADC值时，观察者间的一致性取决于ROI勾画方法。最大圆法和轮廓法测量FA和ADC的一致性性优于四边形法和小圆法。有学者认为小ROI在乳腺病变DTI诊断中具有较高的ADC重现性［16］；有学者发现，ROI大小对测量前列腺癌的ADC值有相当大的影响，并建议应用最大的圆形ROI，因为该方法在观察者之间产生最好的一致性和重复性［17］。也有研究认为，增加ROI大小可以降低FA和ADC值的偏差［18］。这些均与我们的结果是一致的。我们认为一个更大的圆圈一致性高。有研究认为，增大ROI面积可以提高信噪比，进而提高重复性［19］。当然，神经根的横切面多为圆形，覆盖横截面神经区域的圆形ROI将包括大部分像素，具有较高的同质性。当在一个有限的区域中应用更大的ROI时，比小ROI有更多相同体素。而且，最大圆形ROI方法在实际操作中更容易操作，花费时间更少，可控性更好，大大减少了实际操作过程中勾画超出神经根实际边界所造成的测量误差。然而，由于轮廓法绘制过程耗时长，并且要求操作者不断地判断和识别神经根的实际边界，其结果受操作人员主观因素的影响较大。

表9 DTI 值与影响因素相关性Tab.9 Correlation between DTI value and influencing factors

图3 颈椎间盘突出症患者的MR-DTI图像Fig.3 MR-DTI images of patients with cervical disc herniation.

本研究发现，四边形和多中心平均值ROI方法具有较高的中心变异性和较低的ICCs，需要更长的时间勾画，并且包含像素不如轮廓法和最大圆法多。有学者研究了21例胰腺癌患者，发现应用小固体形状ROI测量的ADC值能够获得最准确的诊断，并且比轮廓法或全体积ROI法获得的值更准确［20］；相反有研究发现，中枢系统淋巴瘤测量，全体积ROI比单层ROI有更高的重复性［21］。但也有研究表明在子宫内膜癌中ROI 形状对ICC无明显影响［15］。有学者认为ROI形状对肿瘤DTI值有较大影响［10］。有研究表明，轮廓法ROI 得到的ADC和FA值高于圆形ROI［22］。以上结论不同的原因可能是不同组织和病变性质，另外一个原因可能是ROI放置层面（横断面或矢状面）不同［19］，本研究4种方法的DTI值差异均无统计学意义，这可能与样本量较小或者神经根横截面积太小有关。此外，FA和ADC值可能与年龄、性别和BMI相关。4种方法所勾画的神经根横截面积相似，即轴突数目差异无统计学意义，因此测量值没有显著性差异。此外，使用最大圆形ROI的一个重要优点是，与分隔整个神经根断面相比，放置最大圆ROI时间要少得多。

在本研究中，我们发现神经根型颈椎病患者患侧与健侧、健康志愿者相比，FA值明显较低，ADC值明显较高，差异具有统计学意义；患者健侧与健康志愿者神经根DTI值相比，差异无统计学意义，这个结果表明神经根DTI参数的改变有助于早期诊断神经根型颈椎病。本研究结果与既往研究［23］结果相当。研究显示，神经根FA值的降低是由于神经根受压导致纤维束密度降低，神经根出现沃勒变性、脱髓鞘损伤［24］。

本研究中，健康志愿者的FA值、ADC值与性别、BMI无显著相关性，FA值与年龄呈负相关，ADC值与年龄呈正相关。DTI测量大脑白质显示，参与者的性别、年龄与DTI值密切相关，因为年龄和性别对大脑白质微观结构有极大影响［25］。既往研究结果认为FA与体质量、BMI和身高有较小关系，并建立多元线性回归模型，认为年龄和BMI预测指标为最佳［26］。虽然不同类型的DTI值与年龄的相关程度不同，但是都具有相关性［27］。有研究测量了腰椎神经根，认为FA值与年龄呈负相关［28］；有研究报道了年龄对胫神经FA值影响的初步研究，结果表明健康成年人的胫神经FA值在45岁前保持不变，45岁出现下降［29］。本研究结论与既往研究［29］一致，健康志愿者颈神经根FA值在45岁前无明显变化，但是45岁之后，逐渐下降。这说明，即使是健康人，虽然颈椎神经根没有受到压迫，随着年龄的增加，FA值和ADC值也会相应变化。因此在临床中应用DTI技术时，要考虑到年龄因素对结果的影响，不同年龄段的DTI值可能不同。本研究中，FA值在男性中稍低于女性，但差异没有统计学意义。本研究样本量较小，可能是造成差异没有统计学意义的原因。

有研究发现神经根型颈椎病患者，不论是急性还是慢性发作，FA或ADC值与ISNCSCI评分没有相关性［26］；有研究同样发现颈椎间盘突出症患者的FA 值与ISNCSCI评分无相关性，而平均扩散系数、纵向扩散系数、径向扩散系数与ISNCSCI评分呈正相关［30］。JOA评分与受压神经中远段的FA值存在显著相关性［31］。既往有学者研究了26例脊髓型颈椎病患者，根据JOA评分改善率，发现FA值是手术结果的良好预测指标［8］；有研究认为FA值和术前JOA评分、Nurick评分有很强的相关性，并且术前的FA值越高，体现患者神经功能ODI评分越好［32］。在受压神经根中，FA值和ODI值与症状持续时间呈显著负相关，然而，在受压侧ODI和ADC值与持续时间之间观察到明显的正相关［33］。FA值与下颈椎损伤临床评分之间也有很强的相关性［34］。本研究发现，患者VAS评分与患侧ADC值呈正相关，与患侧FA值无相关性，疼痛越剧烈，VAS评分越高，ADC值越高，说明神经根水肿越厉害，髓鞘通透性越高，水分子扩散速率越快。ISNCSCI评分与患侧FA值呈正相关，与患侧ADC值无相关性，说明DTI值可以反映神经根损伤的程度，根据DTI值的大小，可以评估经过治疗后神经功能的恢复程度。这也是我们需要进一步研究的内容。因此，FA值改变主要反映的是神经功能情况，而ADC值反映的是疼痛情况，可能与各自反映的水分子的病理变化机制有关系。

神经根型颈椎病患者的DTI值除了受到神经根病变程度本身的影响，还会受到年龄因素影响。为了消除年龄因素影响，我们尝试探索DTI比值与VAS评分、ISNCSC评分的相关性。本研究发现，患者VAS评分与患侧FA/健侧FA比值、患侧ADC/健侧ADC比值无相关性，与患侧FA/患侧ADC比值呈负相关；ISNCSC评分与患侧FA/健侧FA比值、患侧ADC/健侧ADC比值、患侧FA/患侧ADC比值无相关性。经过分析，虽然大部分结果无相关性，但还是有一定相关趋势，推测相关性会随着样本量的扩大而更加明显，因此未来我们也将扩大样本量研究考虑的一个重要方面；另外一个原因是神经损伤程度较轻，DTI比值增大或减小某一程度时，相关性才能显现出来。

本研究的局限性在于：首先，为了获得典型病变的神经根，我们采用了非常严格的病例纳入标准，样本量偏少，可能导致潜在的相关性没有显现出来。第二，我们只是对ROI的勾画方法进行了研究，没有对ROI在神经根定位进行探讨，这也是我们将来研究的内容。第三，由于条件水平所限，没有对颈神经根进行纤维示踪重建，无法直观了解神经损伤情况。第四，我们纳入的患者均为单节段，单侧症状，没有对两节段以上病变患者进行研究。

综上所述，应用最大圆ROI勾画方法测量颈神经根DTI值是可靠的，其对于颈神经根的受损程度和形态学特征评估，可用于DTI技术在神经根型颈椎病的进一步研究中。FA值和ADC值与部分人口学特征、颈椎神经功能评分具有临床相关性。