磁共振張量成像在脊髓型頸椎病中的應用進展

陳 峰，余永強

(安徽醫科大學第一附屬醫院影像科，安徽合肥 230022)

頸椎病本是中老年人易患疾病，多隨著年齡增長，頸椎的退變引起，但是近年來隨著電腦辦公娛樂等的普及，伏案人群的數量快速上升，脊髓型頸椎病(cervical spondylotic myelopathy，CSM)發病率呈現出不斷上升的趨勢，于此同時，病人患病的平均年齡也逐年下降。頸椎病的常見臨床癥狀有頭暈、頸痛等，嚴重的甚至會累及神經，出現四肢麻木無力等臨床癥狀。CSM在頸椎病中很常見［1］。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是CSM的最佳影像檢查手段，但在常規MRI可明確診斷時，病情已經發展至后期，而磁共振張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)則可能較好的彌補這一缺陷，可以在病變發展的早期就及時的發現疾病，因此，DTI有可能是一種對CSM早期的診斷和治療預后均有較大作用的新的檢測方法［2］。

1 CSM及其常規MRI表現

頸椎病是指頸椎退變及其繼發病理改變累及其周圍組織結構，出現相應的臨床表現。而CSM是指頸椎的退變引起脊髓受壓或者脊髓缺血，臨床癥狀主要是四肢麻木無力疼痛、活動不靈、走路時踩棉花樣等。CSM診斷標準，大多采用2008年標準［3］，并將影像學標準添加為常規MRI。

作為頸椎病中常見的一種，CSM的臨床癥狀主要表現為頸部的疼痛不適、四肢麻木疼痛等，病情常呈隱匿性進展，當病程已經發展至晚期時，臨床癥狀已經相當嚴重，手術預后較差。因此，該病的早期診斷對其極其重要。早期發現、及時治療才能使病人獲得更好的預后。在病變的早期無法及時被診斷主要是因為現有的檢測手段X線、CT、常規MR有其局限性。其中，最好的檢查方式是MRI，常規MRI能清楚顯示組織的結構，較以往X平片及CT掃描能更清楚顯示脊髓的組織結構及其受壓后的改變，當脊髓發生病變時，脊髓的形態及信號會發生改變。當CSM出現嚴重的脊髓損傷時，會出現T2WI信號異常。

T2WI上脊髓高信號是脊髓受損的重要標志，但是當T2WI上出現高信號時，脊髓的病變往往已經相當嚴重，因為當T2WI上可見明顯高信號時，則意味著脊髓已經出現水腫、炎性反應、缺血、脊髓軟化等，即脊髓慢性損傷已達到了相當嚴重的程度，此時再進行治療往往錯過了最好時機，預后不良。早期CSM患者T2WI上脊髓信號往往并無改變。所以T2WI對頸椎早期損傷變性敏感度較低。頸髓早期的病變往往是微觀層面上的改變，常規MRI無法觀察脊髓的微觀結構，所以頸椎病變的早期，現有的檢查方式往往不能發現。因此，常規MRI對早期CSM脊髓損傷的判斷存在局限性［4］。

2 DTI原理及主要指標

布朗運動指物質分子在空間中的自由運動，由于受各種因素的影響，在三維空間內，分子在各個方向上運動的快慢是不同的，DTI技術是通過測量水分子在擴散的各個方向上速度，進行統計分析計算，了解空間結構中各個點上的狀況。在人體內，這種自由的運動是體內多種重要的物質轉運方式之一。水分子在人體內的運動就存在這樣的方式，運動的快慢受到細胞本身生化特點及內環境的狀況的影響，如分子的大小，極性;細胞膜的通透性;組織液的黏滯度、溫度等。當DTI應用于人體時就可以通過比較不同部位不同狀態的不同擴散情況來評價組織結構和生理狀態的。DTI掃描成像是在磁共振擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)的基礎上發展而來的，要求至少在六個非線性方向上施加梯度場而獲取圖像，這種檢測方式，是一個從面到體的過程。從而可以立體的分析人體空間結構上各個部位水分子的位移情況，進而了解該部位的組織結構及病理生理變化。所以，DTI技術通過分析水分子在脊髓中擴散運動，統計水分子在脊髓各個方向上運動的狀況，分析各個方向上水分子擴散的速度，計算出脊髓各個方向空間位置上不同部位的水分子擴散狀況，間接的表現了脊髓不同部位的解剖結構，空間構型，脊髓的受損程度，進而反映出脊髓微觀的病理變化。在頸髓中水分子的擴散在平行于脊髓神經纖維束方向上要比垂直于神經纖維束方向上更快一些，所以其空間立體上看是一個橢球體［5］。

DTI的幾個主要指標包括:(1)表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)值;(2)各向異性分數(fractional anisotropy，FA)值;(3)擴散張量成像的三個本征值:λ1，λ2，λ3;(4)擴散敏感系數(b值)。

ADC值反映水分子的擴散能力，是其在各個方向上擴散能力的均值，水分子的平均擴散能力越強，ADC值越高;反之，水分子的平均擴散能力越弱，ADC值越低，ADC值的測量受人體內環境的狀況的影響，同時也受機器掃描參數的影響。

FA表示各向異性成分與整個擴散張量的比值，其范圍在0～1之間，當水分子運動軌跡是一個立體均勻的球時，FA取0;但是在現實生活中，由于受各種因素的影響，水分子的運動存在各向異性，向各個方向移動的速度是不同的。學者們發現，在健康的頸髓中，水分子運動擴散時，在平行于白質纖維束的方向上受到的阻力比垂直于纖維束的方向上?。?］，因而，水分子在脊髓中的運動軌跡是一個橢球體。FA取值越大，在平行于髓鞘軸索纖維的方向上水分子運動的越快，越遠;所以FA值越大，神經傳導功能越強［7］。在當脊髓發生病變時，水分子的擴散必然收到影響，FA值必然發生變化，研究發現水分子的擴散與髓鞘的完整性相關性很高。所以，FA值能夠反映白質纖維的完整性。λ1、λ2、λ3是擴散張量的三個本征值。λ1代表橢球體最長徑的擴散能力，λ2和λ3代表橢球體兩個短軸的擴散能力。

b值的變化直接影響ADC值，b值太小DTI掃描對水分子擴散的速度差異難以準確區分，當b值越大時DTI掃描對擴散的速度差異越敏感，但儀器對運動產生的偽影也越敏感，頸髓的圖像質量越低，信噪比也逐漸降低，但在 b值為600 s·mm－2時，質量指數的下降不明顯，信噪比也較好，且b值較高時能降低灌注的影響，其測量的ADC值更接近于真實值。頸髓 DTI成像時取 b值為600 s·mm－2，在保證圖像質量的同時，可較好的診斷CSM［8］。

3 DTI掃描序列

DTI掃描序列于1994年首次公布，并于1999年DTI技術第一次被應用于應用于脊髓掃描，之后多種序列進行脊髓DTI成像已被廣泛運用。目前應用的技術包括平板擴散成像和平面回波成像(echo planar imaging，EPI)、半傅立葉探測單發射快速自旋回波成像、導航自旋回波擴散加權成像、雙回波擴散成像等。每種掃描技術各有其優越性及缺陷。

目前在臨床研究中使用的主要技術為EPI，EPI有多種掃描方式。單次激發EPI成像速度快，但是圖像分辨率和信噪比無法保證，無法應用于科研。多次激發EPI速度較慢，但圖像質量大大提高。而應用導航系統進行交叉EPI可以縮短掃描時間，降低運動和磁敏感性偽影，提高圖像的信噪比，具有比較好的實際臨床應用價值及可靠的科研價值，因此這種掃描方式在脊髓DTI成像研究中被廣泛的應用。采用并行采集EPI技術對脊髓纖維進行測量研究，可以較好的顯示脊髓中水分子運動的運動狀況，進而了解脊髓受損情況。

4 正常人及CSM患者的頸髓DTI表現

曹新山等［9］的研究表明研究，健康人頸髓DTI參數值范圍約為ADC ［(0.629～1.139)×10－3mm2·s－1］、FA(0.585 ～0.790)。FA 圖上頸髓呈深紅色信號，腦脊液呈藍綠色信號，ADC圖上健康者頸髓呈藍綠色信號，腦脊髓液呈黃色信號。但是不同人不同儀器都會產生不同的結果，同是使用3.0T超導磁共振儀，孟祥水等［10］報道的結果為ADC值為(0.78 ±0.08)× 10－3mm2·s－1，FA 值為(0.72±0.03)，但宗會遷等［11］的研究報道平均ADC值為(0.81 ±0.06)×10－3mm2·s－1，平均 FA 值(0.65±0.04)。陳蕾等［12］在 1.5T 超導磁共振儀上進行了相同的實驗，正常成年人脊髓的平均ADC值為(830.84 ±215.86)×10－6mm2·s－1，平均 FA 值為(536.03 ±40.00)×10－3。這些結果相差較大，往往無法取得統一的標準。陳蕾等［12］的研究同時發現λ1、λ2和λ3與診斷相關性較小，臨床意義不大，往往不做考慮。

慢性頸髓壓迫時，同時存在白質內脫髓鞘的改變和軸索損害，脊髓的微觀病理學改變減少了水分子橫向擴散障礙。主要是頸髓神經細胞髓鞘松散，微血管內皮細胞腫脹導致的管壁裂隙等。這些改變表現在數據上則為FA降低，ADC升高，所以，慢性頸脊髓壓迫會導致FA降低，ADC升高。

蘇佳佳等［13］對多篇臨床測量結果進行了Meta分析，顯示CSM患者頸髓的ADC值和FA值與正常人有統計學差異。多位學者進行了類似的試驗，劉濤等［14］進行了試驗，先分組(A組)為對照組;再根據CSM患者常規T2WI圖像表現，分為脊髓T2無高信號組(B組)和T2脊髓高信號組(C組)。三組年齡、性別無統計學差異。A、B、C三組的平均ADC值分別為(1 117.65 ±13.99)×10－6、(1 287.52 ±16.49)× 10－6、(1 453.37 ± 31.62)× 10－6mm2·s－1，平均 ADC值逐漸上升。平均 FA值分別為(678.54 ±13.23)×10－3、(537.81 ±5.77)×10－3、(458.25 ±6.69)×10－3，平均 FA 值逐漸下降。

陳蕾等［15］進行了相似的試驗，正常成年人脊髓的平均 ADC 值為(830.84±215.86)×10－6mm2·s－1，平均 FA 值為(536.03 ±40.00)×10－3，頸髓慢性損傷患者平均ADC值為(11 07.60±47.55)×10－6mm2·s－1，較正常組升高，有統計學意義(P ＜0.01)，平均 FA 值為(425.91 ±59.48)×10－3，較正常組下降，有統計學意義(P＜0.01)。雖然數據有差異，但各組試驗結論均相同，頸髓慢性損傷患者平均ADC值較正常人升高;平均FA值較正常下降。T2W1等信號的CSM患者，DTI亦可觀察到變化，表現為ADC值增高、FA值減低。

CSM脊髓損傷會導致T2W1高信號，但常規MRI對此的敏感度僅為15% ～65%［16］。部分研究表明DTI對脊髓損傷檢出的靈敏度遠遠高于常規MRI，達 65% ～ 87.5%［17］。例如陳蕾等［15］通過研究，計算出不同的參數結果:T2WI檢查方法的敏感度為23.44%，特異度為56.8%，陽性預測值常規為21.84%，陰性預測值為 60.7%;DTI敏感度為76.56%;特異度為 43.2%;陽性預測值常規為78.2%;陰性預測值為 39.3%。

Facon等［18］對脊髓受壓損傷的DTI研究中發現，FA 的敏感度為73.3%，T2WI敏感度為46.7%;兩者的特異度為都是100%，所以得出結論，FA值對CSM的診斷的敏感度高于T2WI;有利于FA的診斷標準的確立。但是他同時測得ADC敏感度為13.4%、特異度為80%，敏感度及特異度較T2WI為低，對于這一不符合既定結果和已知的病理模型的結果，作者推測可能是由部分容積效應引起。因而FA值較ADC值能更為準確的判斷脊髓受損的程度。

健康人FA圖顯示正常頸髓為紅色信號，當脊髓受損時;FA圖顯示脊髓病變區顏色變淡，甚至出現斑片狀黃色信號。健康人ADC圖顯示頸髓內呈藍綠色信號，當脊髓受損時，FA圖顯示信號由藍綠色變為綠色。

與此同時，要注意在脊髓急性損傷時ADC值及FA值的異常表現，王倩等［19］的研究表明:在急性頸髓損傷時ADC和FA均下降。原因可能是，在急性脊髓損傷時，頸髓出現細胞性水腫，內環境發生了改變，水分子擴散障礙，ADC降低。而FA下降可能是由于急性頸脊髓損傷時雖然軸位的方向水分子擴散受到影響，但平行于脊髓纖維束的方向上，水分子擴散更嚴重，比如出現脊髓的斷裂。所以FA值會降低。

5 其他研究

宗會遷等［11］探討脊髓慢性受壓后非病變處水分子運動狀況，研究發現，慢性CSM患者距離受壓部位較遠處的頸髓ADC值顯著小于病變段。原因可能如下:在受壓早期，頸髓軸突腫脹，水分子擴散受阻，ADC值降低;隨后病變部位液化或壞死，細胞膜通透性提高，ADC值提高;在慢性階段，軸突壞死組織被逐步清除，水分子擴散能力繼續上升，ADC值進一步提高;但病變部位遠處的頸髓受病變處的影響，微結構發生了改變，但其損傷的效應晚于病灶處，這導致其ADC值在晚期降低。但這一理論需進一步研究證實，差異的存在可能是由于檢測部位的不同、脊髓損傷的急慢性程度的不同、DTI脈沖序列不同導致的。其還研究了年齡與ADC值的關系，FA值與年齡呈負相關，ADC值與年齡呈正相關。但是不同年齡沒有明顯的統計學差異。所以一般認為，隨著年齡增長，ADC值輕度增加，FA值輕度降低。

除了臨床研究，很多學者將DTI技術應用于脊髓損傷動物模型中，并取得了相應的成果。Schwartz等［20］建立了大鼠脊髓橫斷損傷后成纖維細胞植入模型，測量分析脊髓損傷修復不同時期FA值和ADC值的變化，證明應用DTI觀察脊髓損傷修復過程是可行的。王霄英等［21］通過實驗，建立了犬急性脊髓損傷后神經前體細胞移植模型，并測量分析了FA值和ADC值的變化情況，其測量結果與脊髓的微觀病理改變具有較好的相關性，可以通過FA的變化量化的顯示微觀病理改變。張勁松等［22］的研究表明脊髓的ADC值和FA值的變化，有利于量化分析脊髓損傷和修復的不同階段中微觀的病理學改變，從而可直觀的了解微觀病理學改變。

6 展望

DTI用于頸髓不過十余年，但其對早期頸髓損傷的敏感性較常規MRI高，同時也更有利于準確地判定頸髓受損程度。有助于臨床醫生及時的診斷CSM，并及時的予以治療，以致取得更好的預后。與此同時，因運動偽影、解剖結構、機器質量造成的數據失真也不可避免。隨著科技的進步，相信在不久的將來，DTI技術將越發準確，在CSM分析病變、臨床診斷、治療計劃及效果評價等方面的價值將越來越高。

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