彌散張量成像在腰椎間盤(pán)早期退化研究中的應(yīng)用價(jià)值

賴(lài)志權(quán)

（河源市人民醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科，廣東 河源517000）

彌散張量成像在腰椎間盤(pán)早期退化研究中的應(yīng)用價(jià)值

賴(lài)志權(quán)

（河源市人民醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科，廣東 河源517000）

目的 彌散張量成像 （DTI）可以無(wú)創(chuàng)傷地探測(cè)人體腰椎間盤(pán)退化中的間質(zhì)改變，本研究應(yīng)用彌散張量成像來(lái)研究人體腰椎間盤(pán)在不同年齡段的早期退化現(xiàn)象。方法 本研究招募了30名25～67歲無(wú)腰部受傷史且無(wú)腰痛癥狀的正常志愿者。所有被試在本院一臺(tái)1.5T臨床磁共振上行單次激發(fā)回波平面DTI掃描，DTI圖像經(jīng)離線后處理得到定量的彌散各向異性圖 （FA）和平均彌散系數(shù) （MD），隨后對(duì)腰椎間盤(pán)髓核區(qū)域的FA和MD數(shù)值提取后進(jìn)行直方圖分析。應(yīng)用非參數(shù)Mann－Whitney test在兩個(gè)不同年齡組之間比較FA和MD的平均值。結(jié)果 老年組腰椎間盤(pán)的MD顯著降低 （P＜0.001），F(xiàn)A顯著升高 （P＜0.001）。結(jié)論 衰老過(guò)程中人體腰椎間盤(pán)的早期退化性改變可以通過(guò)DTI的定量參數(shù)來(lái)反映，而此時(shí)常規(guī)解剖圖像上并無(wú)發(fā)現(xiàn)。很有必要進(jìn)一步研究腰椎間盤(pán)退化級(jí)別和DTI定量參數(shù)的相關(guān)性，這樣可以推進(jìn)DTI在椎間盤(pán)退化的臨床應(yīng)用。

彌散張量成像；腰椎間盤(pán)退化

0 研究背景

椎間盤(pán)是位于人體兩個(gè)椎體之間具有流體力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)，由中央部分富有彈性的髓核 （nucleus pulposus，NP）和周?chē)睦w維環(huán) （annulus fibrosus，AF）組成。髓核和纖維環(huán)具有完全不同的成分和結(jié)構(gòu)，其中纖維環(huán)由多層膠原纖維按同心圓排列， 而髓核包含大量的蛋白多糖， 無(wú)定向結(jié)構(gòu)。 有研究［1－2］表明在人體衰老的過(guò)程中，髓核和纖維環(huán)內(nèi)都會(huì)發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的變化，均有纖維化現(xiàn)象，且兩者之間的成分、結(jié)構(gòu)差異會(huì)減弱［3］。雖然人們都認(rèn)為椎間盤(pán)退化受到人體衰老中的某些生理過(guò)程影響，但是衰老過(guò)程引發(fā)椎間盤(pán)退化的深層機(jī)制和成分變化［4］卻尚未探明。

部分椎間盤(pán)的研究［5－6］應(yīng)用彌散加權(quán)成像 （DWI）技術(shù)來(lái)無(wú)創(chuàng)地探測(cè)其中水分子的擴(kuò)散特性，發(fā)現(xiàn)退化椎間盤(pán)中表觀彌散系數(shù) （ADC）數(shù)值降低，和水分流失及間質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性被破壞有一定相關(guān)性，但它們均未研究椎間盤(pán)的彌散特性變化與年齡之間的相關(guān)性，而且這些研究使用的ADC數(shù)值會(huì)隨著DWI采集中彌散梯度方向的不同而變化，是一個(gè)半定量參數(shù)，并不能完整地反映組織內(nèi)的水分子彌散特性。因而有必要使用一個(gè)不受彌散梯度方向影響的更為客觀的彌散測(cè)度來(lái)研究椎間盤(pán)的結(jié)構(gòu)成分變化。

彌散張量成像 （DTI）技術(shù)使用一個(gè)橢球體來(lái)代表一個(gè)體素內(nèi)的水分子彌散快慢的空間分布特征，相比于傳統(tǒng)的ADC測(cè)度能更完整地描述組織微結(jié)構(gòu)特征。DTI技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)被廣泛地應(yīng)用于大腦［7］、 脊髓［8］、 肝臟［9］和心臟［10］等多個(gè)器官或組織的結(jié)構(gòu)研究。DTI技術(shù)有多個(gè)測(cè)度，其中各向異性FA和平均彌散系數(shù)MD應(yīng)用最多。FA反映生物組織內(nèi)水分子沿空間不同方向彌散速度的差異程度，而MD代表不同方向彌散系數(shù)的平均值。

本研究的目的是使用DTI技術(shù)來(lái)研究不同年齡組中人腰椎間盤(pán)的彌散特性變化，反映人體衰老過(guò)程當(dāng)中的腰椎間盤(pán)間質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化，這些變化對(duì)于人體椎間盤(pán)早期退化的研究有重大意義。

1 研究方法

1.1 受試

本研究獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并告知受試者研究目的和內(nèi)容，均簽署知情同意書(shū)。共招募30名無(wú)腰部受傷史、無(wú)腰痛癥狀的正常志愿者，其中19名女性，11名男性，平均年齡 （46.8±13.3）歲，年齡范圍25～67歲。30名受試被分為兩個(gè)年齡組：青年組 （25～48歲，平均年齡34.7歲，14人）和老年組 （53～67歲，平均年齡57.6歲，16人）。

兩名放射科醫(yī)生獨(dú)立對(duì)所有受試的腰椎間盤(pán)T2w圖像按照Schneiderman標(biāo)準(zhǔn)鑒定退化分級(jí)，在150個(gè)椎間盤(pán)中最終判別出85個(gè)未退化，這些未退化椎間盤(pán)將作為DTI研究對(duì)象。

1.2 圖像采集

磁共振圖像采集在本院放射科GE 1.5T HDi（GE Medical System，Milwaukee，WI）掃描儀上完成，采集線圈為相控陣脊柱線圈。每位受試行矢狀位DTI序列掃描，覆蓋L1／L2到L5／S1共5節(jié)腰椎間盤(pán)，b值為500 s／mm2，15個(gè)彌散方向，頻率編碼方向?yàn)镾／I，為了減少相位方向偽影，添加2個(gè)飽和帶壓制椎間盤(pán)之前的腹部信號(hào)，其他掃描參數(shù)具體如下：重復(fù)時(shí)間TR 3 000 ms，回波時(shí)間TE 71 ms，F(xiàn)OV 180 mm，成像矩陣128×128，12層，層厚／層間隔5 mm／1 mm，重復(fù)采集次數(shù)NEX 4，序列掃描時(shí)間為6分24秒。此外還掃描了矢狀位高分辨T2w圖像，F(xiàn)SE T2w序列參數(shù)為：TR 2 500 ms，TE 90 ms，F(xiàn)OV 180 mm，成像矩陣256×256，回波鏈19，12層，層厚／層間隔5 mm／1 mm，NEX 2，序列掃描時(shí)間為2分5秒。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

DTI圖像推送到GE AW工作站上進(jìn)行后處理，得到FA圖和MD圖，并以DICOM格式導(dǎo)出，此外T2w也一并導(dǎo)出，作下一步直方圖分析 （Histogram Analysis）使用。將DTI功能圖像和T2w進(jìn)行融合顯示，在T2w的中間層面上勾勒髓核ROI，并疊加到DTI功能測(cè)度FA圖和MD圖上，在MATLAB中編程獲得髓核內(nèi)所有體素的FA和MD數(shù)值，并進(jìn)行直方圖分析，計(jì)算峰值和峰位。

在SPSS 18.0軟件中應(yīng)用非參數(shù)Mann－Whitney檢驗(yàn)方法比較青年組和老年組間腰椎間盤(pán)髓核FA和MD分布峰值和峰位的組間差異，P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

圖1顯示了一名青年受試 （25歲女性）和一名老年受試（58歲女性）的腰椎間盤(pán)T2w圖像和DTI測(cè)度FA圖、MD圖融合顯示效果，這兩名受試的5節(jié)腰椎間盤(pán)均未退化。

圖2顯示了青年組和老年組腰椎間盤(pán)髓核FA和MD的直方圖分布特征，圖中對(duì)比發(fā)現(xiàn)青年組的FA峰位低于老年組，而MD峰位高于老年組，線性衰減分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在老年組中FA和MD變化的速率加快。

圖1 T2w和FA、MD融合圖

圖2 腰椎間盤(pán)髓核FA和MD的直方圖分布

圖3為統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，F(xiàn)A和MD的峰位和峰值在兩個(gè)年齡組別之間均有顯著差異性，其中FA峰位、MD峰值和峰位的P值＜0.001，F(xiàn)A峰值的P值＜0.05。

圖3 FA和MD的峰位和峰值的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果

3 討論

傳統(tǒng)影像學(xué)研究往往采取勾勒ROI比較ROI內(nèi)測(cè)度平均值的方式，這種方法獲得的平均值受ROI大小、位置等主觀因素影響很大。本研究使用直方圖分析方法，比較ROI內(nèi)數(shù)值的分布特征，如峰值和峰位，這些直方圖分布特征受ROI的大小和位置影響相對(duì)較小，因而更為客觀。由于腰椎間盤(pán)纖維環(huán)含水分少，在DTI掃描中信噪比過(guò)低，故本研究只對(duì)中央部的髓核進(jìn)行直方圖分析和統(tǒng)計(jì)比較。

本研究結(jié)果顯示，青年組髓核的 MD為 （1.75～2.25）× 10－3mm2／s，老年組為 （1.51～2.02）×10－3mm2／s，與其他椎間盤(pán)DWI研究報(bào)道的ADC（1.1～2.3）×10－3mm2／s比較吻合，位于中間數(shù)值范圍。本研究得到的青年組髓核 FA值為0.1～0.2，老年組FA為0.13～0.23。由于之前沒(méi)有椎間盤(pán)的研究使用過(guò)DTI，因而無(wú)法比較。

通過(guò)直方圖分析，本研究發(fā)現(xiàn)從青年到老年的衰老過(guò)程中，髓核的FA值降低，這和期間髓核的纖維化和微結(jié)構(gòu)復(fù)雜化相關(guān)。前期研究［11－12］已經(jīng)證實(shí)人體衰老過(guò)程中椎間盤(pán)髓核會(huì)發(fā)生成分和結(jié)構(gòu)的劇烈變化，從青年期的類(lèi)液體彈性狀態(tài)演變?yōu)槔夏昶诘念?lèi)固體纖維狀態(tài)，而且這種變化隨著年齡的增長(zhǎng)而加快速度，F(xiàn)A和MD的線性變化加快也反映了這一趨勢(shì)。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)髓核MD隨年齡而降低，這可能反映了期間髓核水分的流失和體積的萎縮。有研究［13］報(bào)道在老年化過(guò)程中，髓核和纖維環(huán)中的蛋白多糖含量會(huì)顯著降低，而髓核中的膠原含量基本不變。因而，本研究認(rèn)為髓核中蛋白多糖的減少使髓核保持水分的能力和彈性都減弱，進(jìn)而造成水分的流失。

本研究存在三點(diǎn)不足。首先，DTI圖像中纖維環(huán)信噪比不足，只研究了髓核的變化，下一步研究需要提高信噪比，得到纖維環(huán)FA圖和MD圖。其次，研究的受試數(shù)目較少，因而沒(méi)有使用雙樣本t檢驗(yàn)，而是采用非參數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法。最后，只研究了無(wú)腰痛癥狀的正常志愿者，無(wú)法得到FA、MD數(shù)值和臨床癥狀如腰痛的相關(guān)性。

綜上所述，本研究的初步結(jié)果表明DTI測(cè)度的直方圖分布特征可以發(fā)現(xiàn)老年化過(guò)程中的腰椎間盤(pán)早期退變，而常規(guī)解剖磁共振圖像如T2w上無(wú)法觀測(cè)到這些變化。DTI技術(shù)可以用于腰椎間盤(pán)退化的早期發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展跟蹤，對(duì)此疾病的及時(shí)診斷治療有重大意義。

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（責(zé)任編輯：常海慶）

Application Value of Diffusion Tensor Imaging in the Study of Early Degeneration in Human Lumbar Intervertebral Disc

LAI Zhiquan
(Depeartment of Medical Equipment,Heyuan People's Hospital,Heyuan 517000,China)

ObjectiveDiffusion tensor imaging(DTI)may noninvasively detect degenerative matrix alterations in human lumbar intervertebral discs(IVDs).This study aimed to investigate age-related degenerative changes in human lumbar IVDs using DTI.Methods30 asymptomatic volunteers ranging from 25 to 67 years old underwent single-shot diffusion weighted echo-planar imaging on a 1.5T scanner. DTI-derived fractional anisotropy(FA)and mean diffusivity(MD)in nucleus pulposus were analyzed by histogram analysis.A Mann-Whitney test was used to compare the mean values of FA and MD between young and elderly groups.ResultsAge-related changes were significant in the elderly adult group,with decrease of MD(P＜0.001)and increase of FA(P＜0.001).ConclusionsEarly degenerative-related changes in the IVDs through aging can be quantified by DTI-derived metrics other than morphological images.It would be worthwhile to validate the relationship between DTI metrics and the actual degenerative status of IVDs by studying patients with degenerative discs in order to further explore the clinical usefulness and relevance of DTI.

Diffusion tensor imaging;Lumbar intervertebral discs degeneration

R339.3+8

A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.04.0440

2016－08－18

2016－11－22

賴(lài)志權(quán) （1981－），男，廣東河源人，本科學(xué)歷，醫(yī)療器械工程師，從事醫(yī)院醫(yī)療器械管理工作。