椎間盤退變的磁共振彌散加權成像研究

俎金燕，王晨光，賈寧陽，劉洪超，張沉石，徐雪元

目前，椎間盤退變的發生率越來越高，其中約10%的患者會喪失正常生活能力［1］。常規磁共振掃描可觀察椎間盤形態和信號及其與神經根的關系，在臨床治療中發揮著重要作用，但缺乏對椎間盤退變量化的評價標準。無創定量診斷椎間盤退變已引起越來越多的關注［2］。

本文擬通過磁共振彌散加權成像技術定量分析椎間盤退變過程中微結構變化，以期指導臨床從椎間盤微結構功能水平進行治療和預防。

1 資料與方法

1.1 研究對象

隨機選擇研究對象88例，女50例，男38例;年齡為16～63歲，平均37歲。對象納入標準:①性別不限，有或無腰腿痛。②年齡＜65歲。③所有對象均無脊柱手術史、外傷、感染和腫瘤病史。④所有對象無脊柱畸形。每個病例選取5 個椎間盤(L1/L2/L3/L4/L5/S1)，共440 個椎間盤，排除磁敏感性偽影較重的10 個椎間盤，最后430 個椎間盤納入研究。

1.2 掃描方法與參數

采用GE SIGNA EXCITE 1.5T 超導型MRI 成像儀及脊柱表面線圈，患者仰臥位、頭先進，行脊柱常規掃描及彌散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)掃描。

脊柱常規掃描采用快速自旋回波(fast spin echo，FSE)脈沖序列脈沖序列，DWI 采用平平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)脈沖序列。

FSE 脈沖序列掃描參數:T1 加權，重復時間(repetition time，TR)=450 ms，回波時間(echo time，TE)=Minimum;T2 加權，TR=3 500 ms，TE=Minimum，脈沖重復激發次數(number of excitations，NEX)=2，層厚(slice，Sl)=4 mm，掃描野(field of view，FOV)=30 cm×30 cm，距陣=320×224。

EPI 脈沖序列掃描參數:TR=4 000 ms，TE=Minimum，b 值=600 s/mm2，NEX=8，Sl=3 mm，FOV=30 cm×30 cm。

1.3 椎間盤PM 分級［3］

椎間盤PM 分級標準是目前國際上公認的評價椎間盤退變程度的方法之一，根據T2 加權正中矢狀面椎間盤信號是否均勻、髓核與纖維環的邊界是否清晰、椎間盤的高度是否正常等進行分級。

1.4 圖像分析與處理

所有數據經ADW4.3 后處理工作站，使用Function tool 軟件進行后處理。選擇正中矢狀面DWI 作為測量平面，沿椎間盤髓核邊緣對每個椎間盤手動畫出感興趣區，同時測量表觀彌散系數值(apparent diffusion coefficient，ADC)。

以上數據測量及分型均由2 位有豐富MRI 診斷經驗(從事MRI 工作＞10年)的放射科醫師獨立完成，然后取其平均值來做數據分析。

1.5 數據統計分析

采用SPSS 17.0 軟件包進行統計學分析。ADC值以中位數(median，md)及四分位間距(Q1～Q3)表示;比較PM 各級之間ADC 值，檢驗水準P＜0.05為有統計學意義。

2 結 果

2.1 ADC 值與PM 等級分布情況

各級ADC 值分布箱式圖見圖1，經Kruskal-Wallis 秩和檢驗，不同PM 等級的ADC 值差異見表1，不同PM 等級的ADC 值差異有統計學意義(χ2=210.35，P＜0.01)，ADC 值可定量評價椎間盤退變程度。

圖1 矢狀位DWI 不同PM 分級ADC 值分布箱式圖Fig.1 Distribution box diagram of DWI(sagittal)ADC value in different PM grades

表1 ADC 值與PM 等級分布情況Tab.1 Distribution of ADC values and PM grade

2.2 ADC 值評價椎間盤狀態

把PMⅡ級作為正常椎間盤，Ⅲ～Ⅴ級作為退變椎間盤，以ADC 值來評價椎間盤狀態，繪制受試者工作特征(receiver operator characteristic，ROC)曲線(見圖2)。DWI 矢狀面曲線下面積為0.825 3，ADC 界值為1.05×10-3mm2/s，其評價椎間盤狀態的靈敏度為73.48%，特異度為75.30%。

3 討 論

3.1 DWI 技術原理

圖2 ADC 值評價椎間盤狀態的ROC 曲線Fig.2 ROC curve of ADC evaluation of disc status

椎間盤退變主要表現為髓核脫水、纖維環斷裂和椎間隙塌陷，髓核脫水是椎間盤退變時最初的形態學改變。組織學研究發現，初生嬰兒椎間盤髓核含水量約為90%，成年后降至約80%。DWI 是目前唯一能在活體測量水分子擴散的無創性技術手段，通過檢測組織內水分子的運動狀態來反映組織的結構特點。活體測量椎間盤含水量有利于椎間盤退變的早期診斷及評價。不同退變程度的椎間盤其髓核含水量和纖維環完整性明顯不同，退變程度越高，含水量越少，纖維環的完整性越易受到損害。在DWI上，椎間盤含水量越高，其分子彌散越快，其ADC 值越高;椎間盤含水量越低，其分子彌散越慢，ADC 值越低。本研究的目的在于通過椎間盤DWI 定量評價椎間盤狀態。

3.2 DWI 的主要參數

體內水分子的擴散比較復雜，除了布朗運動，還受到多種因素的影響，包括組織間隙內游離水含量、細胞膜的通透性、細胞器的數量等，因此單純物理學的擴散系數不能代表機體的復雜情況。由于彌散系數受多種因素影響，體內一般用ADC 值來描述活體擴散成像上所觀察到的表觀彌散現象。在DWI，水分子擴散越快，平均隨機移動距離越大，信號衰減越快，信號強度越低。病變組織與正常組織的水分子的離散程度不同，病變組織信號降低的程度與正常組織之間形成差別，從而發現病變。

DWI 的主要影響因素是彌散敏感因子，即b值。活體內由于血液灌注、細胞膜、細胞器等的影響，磁共振信號與b 值關系復雜。b 值的大小和數量影響擴散的測量，一個脈沖序列采取2 種不同的b 值即可獲得ADC 值，并擬合出ADC 圖。ADC 圖的信號強度與DWI 的信號強度相反:分子擴散快，信號衰減快，ADC 值高，DWI 呈低信號，ADC 圖呈高信號;分子擴散慢，信號衰減慢，ADC 值低，DWI 呈高信號，ADC 圖呈低信號。

ADC 值的大小主要受組織內各種形式水分子運動的影響，包括:①細胞內水分子運動。主要與細胞內細胞器數量、大小及胞漿的黏滯性有關，細胞器數量越多、體積越大、胞漿黏滯性越高，水分子彌散越易受限，ADC 值越低;反之越高。②細胞外水分子運動。主要與細胞數目、大小和排列方式及細胞外間隙有關，細胞數量越多、排列越密集，水分子彌散越受限，其ADC 值越低;反之越高。③跨細胞水分子運動。主要與細胞膜通透性、完整性和細胞內外分子轉運機制有關。④組織血流灌注，包括血管通透性、血容量、血流灌注速度等。組織血流灌注狀態和細胞外水分子運動對ADC 值影響最大。當b值較小時，組織灌注對ADC 值影響較大;當b 值＞500 s/mm2時，ADC 值受血流灌注影響較小，可較準確反映水分子擴散運動。

有研究表明椎間盤突出的發生可能與分子擴散率降低有關。基于DWI 可以定量研究活體組織內水分子擴散程度，其可能在研究椎間盤疾病發病機制、無創評價治療效果以及預后判斷等方面具有潛在應用價值［4-5］。本研究采用2 個b 值(0 s/mm2和600 s/mm2)，ADC 值能較準確反映水分子擴散運動。椎間盤髓核為富含水分的結構，椎間盤發生退變，髓核及纖維環含水量會發生相應的變化，其分子擴散運動不同，所得ADC 值亦有很大區別。

3.3 DWI 對椎間盤退變的定量診斷價值

隨著快速成像技術的迅速發展，近年來，DWI在椎間盤生理、功能及病理方面的研究受到眾多學者關注。Eguchi 等［6-7］運用DWI 評價腰椎椎間盤突出壓迫神經根的病理變化，發現ADC 值可定量分析這一病理變化，并且有助于解釋神經根的放射性疼痛。文獻［8-9］報道使用ADC 值評價椎間盤退變，但存在分歧。文獻［10］報道正常腰椎椎間盤ADC值與突出椎間盤ADC 值有顯著差異，后者明顯下降，DWI 可能成為椎間盤疾病發生機制、早期診斷及療效評價研究的重要手段。但也有不同意見，文獻［11-12］報道正常與退變椎間盤ADC 值有很大程度的重疊，認為從目前的技術水平來看，ADC 值的測量對于腰椎椎間盤退變的診斷沒有明確的臨床價值。

本研究分別對椎間盤行矢狀面DWI 掃描，測量其ADC 值。利用ADC 值對不同退變程度的椎間盤進行定量分析發現，退變椎間盤ADC 值(PM≥Ⅲ級)較正常椎間盤(PMⅡ級)明顯降低。矢狀面以ADC=1.05×10-3mm2/s 為界值評價椎間盤狀態，其靈敏度為73.48%，特異度為75.30%。且PM 分級越高，椎間盤退變程度越高，椎間盤ADC 值越低。分析其原因如下:①椎間盤的生理結構。椎間盤主要有髓核和纖維環2 部分組成，是少細胞結構。髓核富含水分，隨年齡增長，其含水量逐漸下降。椎間盤退變越明顯，其含水量越低。②正常成熟椎間盤在T2 加權像上顯示為均勻的高信號影，細胞外含水量豐富，水分子擴散快，ADC 值大;椎間盤退變時，髓核含水量下降，髓核逐漸被纖維組織所取代，細胞外含水量下降，其彌散明顯受阻，水分子擴散慢，ADC 值下降。③椎間盤退變時呈同心圓規律排列的纖維環水分減少，完整性受到破壞，其纖維環呈像亦出現相應的改變。

［1］Maniadakis N，Gray A.The economic burden of back pain in the UK［J］.Pain，2000，84(1):95-103.

［2］Mwale F，Iatridis JC，Antoniou J.Quantitative MRI as a diagnostic tool of intervertebral disc matrix composition and integrity［J］.Eur Spine J，2008，17(Suppl 4):432-440.

［3］Pfirrmann CW，Metzdorf A，Zanetti M，et al.Magnetic resonance classification of lumbar intervertebral disc degeneration［J］.Spine(Phila Pa 1976)，2001，26(17):1873-1878.

［4］Kealey SM，Aho T，Delong D，et al.Assessment of apparent diffusion coefficient in normal and degenerated intervertebral lumbardisks:initial experience［J］.Radiology，2005，235(2):569-574.

［5］Antoniou J，Demers CN，Beaudoin G，et al.Apparent diffusion coefficient of intervertebral discs related to matrix composition and integrity［J］.Magn Reson Imaging，2004，22(7):963-972.

［6］Eguchi Y，Ohtori S，Yamashita M，et al.Clinical applications of diffusion magnetic resonance imaging of the lumbar foraminal nerve root entrapment［J］.Eur Spine J，2010，19(11):1874-1882.

［7］Eguchi Y，Ohtori S，Yamashita M，et al.Diffusion-weighted magnetic resonance imaging of symptomatic nerve root of patients with lumbar disk herniation［J］.Neuroradiology，2010，53(9):633-641.

［8］Nakanishi K，Kobayashi M，Takahashi S，et al.Whole body MRI for detecting metastatic bone tumor:comparison with bone scintigrams［J］.Magn Reson Med Sci，2005，4(1):11-17.

［9］Boulanger Y，Amara M，Lepanto L，et al.Diffusion-weighted MR imaging of the liver of hepatitis C patients［J］.NMR Biomed，2003，16(3):132-136.

［10］Kealey SM，Aho T，Delong D，et al.Assessment of apparent diffusion coefficient in normal and degenerated intervertebral lumbar disks:initial experience［J］.Radiology，2005，235(2):569-574.

［11］Niinim¨aki J，Korkiakoski A，Ojala O，et al.Association between visual degeneration of intervertebral discs and the apparent diffusion coefficient［J］.Magn Reson Imaging，2009，27(5):641-647.

［12］Chiu EJ，Newitt DC，Segal MR，et al.Magnetic resonance imaging measurement of relaxation and water diffusion in the human lumbar intervertebral disc under compression in vitro［J］.Spine(Phila Pa 1976)，2001，26(19):E437-444.