磁共振DTI技术在判断腰椎间盘突出症责任神经根中的应用价值

李晖，栾海，殷庆龙，雷舟杰，王春生

联勤保障部队北戴河康复疗养中心 医学影像科，河北 秦皇岛 066100

引言

腰椎间盘突出症（Lumbar Disc Herniation，LDH）是腰椎间盘突出的病理基础上，由突出的椎间盘组织刺激和（或）压迫神经根、马尾神经所导致的临床综合征，表现为腰痛、下肢放射痛、下肢麻木、下肢无力、大小便功能障碍等[1]。LDH是临床常见病和多发病，常发生于青、中年，且男性多于女性，好发部位为L4/5、L5/S1，占总数的90%以上[2]。临床实际工作中常常遇到常规影像学表现与临床症状、体征并不相符的情况，如有些患者椎间盘突出压迫到两侧神经根，但却只引起一侧下肢的症状；还有一些患者多个腰椎间盘突出，但引起症状的可能并不是突出最明显的那一节段。虽然这种情况下可以使用选择性神经根造影或神经根阻滞术进行鉴别诊断[1]，但它们都属于有创检查，部分患者接受度低，进而给临床诊治带来困难。若治疗不当，可能就会延长患者康复的时间，甚至导致部分患者接受不必要的手术治疗。

作为目前唯一能够显示活体神经组织微观结构的影像学方法，磁共振扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）技术在中枢神经系统和周围神经系统中得到了越来越广泛的应用，例如，一些学者在缺血性脑白质病变、早期脑梗死缺血半暗带、脑胶质瘤术前分级评价、早产儿脑发育评估、腰椎间盘退行性变的定量分析、IgA肾病患者肾功能评估、糖尿病患者下肢周围神经病变、前交叉韧带损伤的研究中都应用了DTI技术[3-10]，并取得了一定的研究成果。本研究尝试运用DTI技术对LDH患者的L4、L5、S1神经根进行定量分析，探讨DTI技术能否准确判断导致症状的具体神经根，从而为临床制定个性化的精准治疗方案提供帮助。

1 材料与方法

1.1 临床资料

本研究前瞻性选取2021年1月至2022年4月联勤保障部队北戴河康复疗养中心符合纳入标准及排除标准的64例 LDH的患者作为研究组，男52例、女12例，年龄范围19～59岁，平均年龄（34.2±8.3）岁，研究L4、L5、S1双侧共384条神经根，其中单一神经根受压患者49例，≥2条神经根受压患者15例。随机选取10例健康志愿者作为对照组，男7例、女3例，年龄范围24～40岁，平均年龄（30.1±4.8）岁，L4、L5、S1双侧共60条神经根。两组间基本资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05）。

1.2 纳入标准及排除标准

研究组纳入标准：① 对临床拟诊为LDH患者；② 根据临床症状体征、查体，选取符合定位为L4、L5、S1神经根受压症状的患者。

对照组纳入标准：① 无腰痛或坐骨神经痛病史；② 磁共振常规序列无明显椎间盘膨出或突出，神经根无受压征象。

研究组及对照组排除标准：① 任何脊髓病变；② 腰椎先天性畸形；③ 腰椎滑脱；④ 腰椎外伤史；⑤ 腰椎外科手术史；⑥ 腰椎结核、肿瘤史；⑦ 合并其他严重代谢性疾病、精神疾病、心脑血管疾病；⑧ 存在MR禁忌证。

1.3 检查方法

所有研究对象均使用同一台 Signa HD 1.5 T高场强磁共振扫描仪（GE公司，美国），进行常规MRI 及DTI序列检查，应用脊柱表面线圈，平躺于检查床，膝关节下使用大三角垫垫高，稳定腰椎防止运动。常规MRI扫描序列及参数包括：OSag T2 frFSE：TR 2660 ms，TE 104.4 ms，FOV 32 cm×32 cm，矩阵 384×224，层厚4 mm，间距5 mm；OSag T1 FSE：TR 400 ms，TE 9.3 ms，FOV 32 cm×32 cm，矩阵384×224，层厚 4 mm，间距5 mm；OSag STIR：TR 2360 ms，TE 50.8 ms，FOV 32 cm×32 cm，矩阵 384×224，层厚4 mm，间距5 mm；OAx T2 FSE：TR 3060 ms，TE 116.6 ms，FOV 20 cm×20 cm，矩阵 320×192，层厚3 mm，间距4 mm；DTI序列参数为：轴位扫描，扫描范围从腰3椎体上缘至骶1椎体下缘。扩散敏感梯度取15个不同方向，b值（扩散加权系数）分别为0和1000 s/mm2，TR 7725 ms，TE 94.1 ms（为自动最小值），FOV 35 cm×28 cm，矩阵 128×96，层数30，层厚5 mm，层间距0，NEX （激励次数）3次。图像后处理均在GE AW4.6工作站上进行，采用 GE Functool 9.4.05软件包，测量双侧L4、L5、S1神经根的平均各向异性分数（Fractional Anisotropy，FA）值，行扩散张量纤维束成像（Diffusion Tensor Tractography，DTT）。

1.4 责任神经根判定方法

（1）临床判定：由骨科或康复医学科医师进行问诊、查体，根据症状及体征定位判定责任神经根，判定方法如表1所示[11]。判定结果如下：64例患者共384条神经根，单一神经根受压49例，≥2条神经根受压15例。其中各条责任神经根的数量及占比情况如表2所示。

表1 腰骶神经根受累的临床特征[11]

表2 临床判定责任神经根的结果

（2）常规MRI判定：在轴位T2WI图像上寻找突出或膨出的椎间盘，并观察相应层面的神经根有无受压，若神经根与椎间盘之间的脂肪间隙消失、神经根受压移位或被椎间盘淹没即可判定为责任神经根。

（3）DTI判定：在GE AW4.6工作站上，选择DTI序列，点击Functool，进入后处理程序。经过校正及计算后，在得到的FA图中测量双侧L4、L5、S1神经根的FA值。对每条神经根由近至远（至少包括椎管内段、椎间孔段和椎间孔外段）分别放置3～6个感兴趣区（Region of Interest，ROI），每个ROI均置于神经根内，不得超出神经根范围，以避免受到周围组织、结构的影响，测量每个ROI的FA值，最后取平均值，即为该神经根FA值。对相同节段的研究组双侧神经根及对照组双侧神经根分别进行比较，若有FA值减低明显的神经根则判定为责任神经根。判断FA值的明显减低由2名经验丰富的副主任医师以经验认定（数值低于对照组相同节段神经根平均FA值约0.03以上），以Kappa系数检验比较2名副主任医师判定责任神经根的一致性，若一致性较好，则最终结果取二者平均值。

在测量各条神经根FA值的同时，选择各个 ROI并点击SetSeedROI，然后点击Tracking，可分段追踪出各神经根的纤维束，全部追踪完毕后即可得到三维DTT图像。观察各条神经根形态，寻找有无中断、变细、稀疏、卡压变形等异常。

1.5 统计学分析

2 结果

2.1 研究组责任神经根（患侧）、健侧、对照组同节段双侧神经根FA值比较

研究组及对照组各节段共444条神经根的平均FA值的统计结果如表3所示。L4节段研究组责任神经根FA值与健侧神经根FA值差异有统计学意义（H=32.885，P＜0.05），与对照组双侧神经根FA值差异有统计学意义（P＜0.05）。L5节段研究组责任神经根FA值与健侧神经根FA值差异有统计学意义（H=80.398，P＜0.05），与对照组双侧神经根FA值差异有统计学意义（P＜0.05）；S1节段研究组责任神经根FA值与健侧神经根FA值差异有统计学意义（H=87.086，P＜0.05），与对照组双侧神经根FA值差异有统计学意义（H=87.086，P＜0.05）。L4、L5、S1研究组健侧、对照组右侧及对照组左侧神经根FA值两两比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表3 各节段神经根FA值统计结果（±s，分）

表3 各节段神经根FA值统计结果（±s，分）

注：aP＜0.05表示与研究组患侧比较。

分类 L4 L5 S1研究组患侧 0.189±0.012 0.196±0.015 0.204±0.013研究组健侧 0.246±0.019a 0.258±0.027a 0.270±0.024a对照组右侧 0.233±0.016a 0.259±0.028a 0.260±0.024a对照组左侧 0.237±0.013a 0.254±0.028a 0.256±0.022a

2.2 常规MRI及DTI判断责任神经根与临床判定的一致性检验结果

两名副主任医师以经验判定DTI责任神经根的一致性较好（Kappa=0.947，P＜0.05），常规 MRI判断责任神经根与临床判定的一致性中等（Kappa=0.473，P＜0.05），见表4；DTI判断责任神经根与临床判定的一致性较好（Kappa=0.797，P＜0.05），见表 5。

表4 常规MRI与临床体征定位判断责任神经根的一致性比较结果（条）

表5 DTI与临床体征定位判断责任神经根的一致性比较结果（条）

2.3 研究组常规MRI及DTI判定责任神经根的ROC曲线分析结果

常规MRI图像分析、DTI序列FA值测定及DTT图像分析结果均与临床责任神经根的定位相符（图1）。以临床体征定位判定责任神经根的结果为金标准，研究组所有神经根分别以常规MRI及DTI判定责任神经根的结果所做ROC曲线分析如图2所示，二者之间诊断效能的指标对比如表6所示。可见AUC、灵敏度、特异性、阳性预测值及阴性预测值等指标DTI均优于常规MRI。

表6 常规MRI及DTI判定责任神经根诊断效能指标对比结果

图1 常规MRI图像分析、DTI序列FA值测定及DTT图像

图2 常规MRI及DTI判定责任神经根的ROC曲线结果

3 讨论

DTI主要通过检测具有各向异性的周围神经水分子的扩散运动来探讨组织微观结构的完整性，是在扩散加权成像技术的基础上发展而来的一种特殊的核磁共振成像形式。FA值是指水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例，表现为各向异性的扩散系数的一小部分，是定量分析各向异性的最常用参数。FA的值为0～1，0代表最大各向同性的弥散，1代表假想下最大各向异性的弥散。FA值反映了神经根脱髓鞘和变性的程度，并在脑白质中与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关[12]。研究表明，同一健康个体同一节段左右两侧神经根FA值无明显差异，不同健康个体相同节段神经根FA值亦无明显差异[13-14]。本研究中研究组健侧神经根及同节段对照组双侧神经根的FA值的两两对比结果与此相符。

在神经损伤的早期，神经解剖形态未发生显著改变时，神经内部水分子的各向扩散运动就已经发生变化，通过测量FA 值和表观扩散系数（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）值等进行量化分析，可在早期就诊断出病变的神经根[15-16]。神经根受压临床症状越重，FA值降低越明显，可用来评价神经根的损伤程度[17-18]。FA值是DTI最重要的参数，能很好地量化分析神经根受损的程度。而ADC值与神经损伤的相关性却仍存在争议，大部分研究认为受损神经根的ADC值明显升高，然而还有一些研究发现受损神经根的ADC值相对健侧无明显变化[19-20]，因此本研究只选择了FA值作为判定责任神经根的参数，以健侧或对照组同节段神经根的FA值为参照来判定FA值明显降低的那条神经为责任神经根，同时本研究以FA值的明显降低判定责任神经根与临床症状体征定位具有较好的一致性，也验证了这种方法的可操作性。另外，本研究中L4、L5、S1神经根健侧或对照组的FA值与其他研究[13-16]测量的数值有一定差异，可能与磁共振机型、场强、扫描参数设定或测量方法等方面有关系，而目前尚未有统一的DTI操作规范或标准，因此建议在做DTI相关研究时应在同一磁共振扫描仪、同一扫描参数及测量方法的条件下进行，并设置一定数量的健康对照组，以便有所参照。

刘立嘉等[21]研究结果显示，术前使用DTI明确责任节段后行经皮内镜治疗短期临床疗效显著，验证了DTI技术明确责任节段的准确性。而本研究中DTI判定责任神经根与临床定位的一致性较常规MRI更好，且诊断灵敏度、特异度等指标优于常规MRI。Zhang等[22]研究显示，使用FA值检测神经根损伤的灵敏度（90.0%）、特异度（91.2%）等数据与本文相近，说明了DTI序列较常规MRI在准确判断LDH责任神经根上具有独特的优势。本研究中研究组有78条神经根在常规MRI影像中有受压征象却未显示出相应的临床症状，而DTI序列中这一数量远少于常规MRI。分析原因可能有以下几点：① 常规MRI是根据椎间盘及神经根形态学上的改变来判断责任神经根，而形态学上的改变不一定就会产生症状，椎间盘与神经根之间脂肪间隙的消失并不意味着一定会产生实质性的压迫，或者轻微的受压并不能使神经根受到足够的刺激而产生症状；② 常规MRI扫描层较厚，有时可能由于部分容积效应而产生椎间盘压迫神经根的假象；③ FA值则是在微观层面上来阐释神经根的损伤。有研究[23-24]认为神经根受到机械压迫造成局部缺血及炎性水肿，或者长期受压的神经发生无菌性炎症，进而释放炎性介质扩散到周围组织，刺激自身或邻近神经根发生炎性水肿，继而产生一系列临床症状，这2种情况都可以影响神经轴突的正常生理活动或者产生髓鞘代谢障碍，从而造成神经纤维中水分子各向异性的异常，导致FA值的降低。因此，相对常规MRI，DTI具备更高的灵敏度、特异性，能够为临床制定个性化的精准治疗方案提供更大帮助。

DTT成像是DTI技术的进一步发展，它利用DTI获得的原始数据进行重建得到神经纤维束三维图像，能够直观地显示神经纤维束的形态及其卡压部位。本研究中约有1/3的病例能获得比较满意的DTT图像，可直接观测到神经根卡压部位的变形、变细、中断等现象。而余下约2/3的病例则不能获得非常满意的DTT图像，基本存在神经纤维细小、粗大、缺失、冗余等假象，在责任神经根或正常神经根上都可发生。出现这种情况，原因可能有：① 我中心为1.5 T磁共振，解剖细节显示不如3.0 T磁共振；② 受软件版本限制，追踪神经纤维准确度不够高；③ 腰骶神经由于个体差异粗细并不一致，较为粗壮的神经根DTT成像效果较好，较为细小的神经根DTT成像效果不佳。因此，DTT成像只能作为一个诊断的辅助手段，必须结合常规MRI或DTI序列综合得出结论。此外，本研究的不足之处为仅以临床症状体征定位作为参照，而临床症状体征定位是由检查医师主观判断的，准确性低于选择性神经根造影、神经根阻滞术[25]，可能会对本研究的结果产生一定的影响。因此，后续将开展LDH治疗前后、手术前后以及与选择性神经根造影或阻滞术的对比研究。

4 结论

本研究应用DTI技术对LDH患者的L4、L5、S1神经根进行分析，以健侧或对照组同节段神经根的FA值为参照来判定FA值明显降低的那条神经为责任神经根，结果表明，此方法与临床症状体征定位具有较好的一致性，而且DTI的AUC、灵敏度、特异性、阳性预测值及阴性预测值等指标均优于常规MRI，证明了DTI序列较常规MRI在准确判断LDH责任神经根上具有更大的优势，特别是在多节段椎间盘突出或是多条神经根受压的情况下，能够更准确地鉴别、判断责任神经根，从而能够为临床制定个性化的精准治疗方案提供更大帮助。