DCE-MRI和IVIM-DWI對下腰痛患者退變椎間盤新生血管的研究

李瑞梅，王丹，魏小二，姚婷婷，郁偉斌，刁云雁，李躍華

下腰痛(low back pain，LBP)是以腰骶部疼痛為主的一組疾病[1]，是當(dāng)今社會主要的醫(yī)療問題[2]。腰椎間盤退變是引起腰痛最主要的影響因素[3]。然而，迄今為止椎間盤退變的發(fā)病機(jī)制和確切病因尚未完全闡明。研究表明，炎性介質(zhì)與椎間盤退變密切相關(guān)[4-5]。但這些炎性介質(zhì)如何進(jìn)入無血管結(jié)構(gòu)的椎間盤，是否與血管浸潤有關(guān)，椎間盤退變等與血管形成多少是否相關(guān)等問題仍未完全清楚。

微血管密度(microvessel density，MVD)是反映組織血管生成的金標(biāo)準(zhǔn)和常用指標(biāo)[6]。目前，對退變椎間盤內(nèi)炎癥因子和新生血管的評估主要是通過在動物體內(nèi)或外科手術(shù)時所切除的病理性椎間盤組織進(jìn)行免疫組化測定，但這些方法均具有一定創(chuàng)傷性。近幾年，采用磁共振新技術(shù)評估組織血管形成已成為目前研究熱點，體素內(nèi)不相干運動擴(kuò)散加權(quán)成像(introvoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI)與動態(tài)增強(qiáng)磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)主要應(yīng)用于評估腫瘤血管的生成[7-8]，在椎間盤中的應(yīng)用報道較少。本研究旨在通過應(yīng)用DCE-MRI和IVIM-DWI磁共振成像新技術(shù)，將動態(tài)增強(qiáng)藥代動力學(xué)參數(shù)(Ktrans，Kep，Ve)和IVIM-DWI參數(shù)(D，D*，f)并與免疫組織化學(xué)結(jié)果[微血管密度(microvessel density，MVD)]及椎間盤退變Pm分級進(jìn)行相關(guān)分析，探討DCE-MRI和IVIM-DWI對下腰痛患者退變椎間盤新生血管的評估價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本實驗研究對象取自上海市第六人民醫(yī)院2016年4月至2017年12月行腰椎后路減壓手術(shù)患者，并分為兩組：(1)退變組：51例57個椎間盤，取自于腰椎間盤突出癥患者手術(shù)切除的椎間盤標(biāo)本，男25例28個椎間盤，女26例29個椎間盤，年齡20～69歲，平均(48±14)歲，病程為1周至20年，平均(26.0±38.2)個月。臨床上有反復(fù)發(fā)作的腰腿痛病史。MRI檢查顯示為腰椎間盤退變、突出。排除結(jié)核、椎體及椎管內(nèi)腫瘤或腫瘤樣病變等患者。(2)正常對照組：8例15個椎間盤，來源于急性腰椎外傷骨折術(shù)后切除的椎間盤，男5例9個椎間盤，女3例6個椎間盤，年齡18～65歲，平均(45±25)歲。對照組患者受傷前均無腰腿痛病史或其他相關(guān)疾病史；MRI檢查未發(fā)現(xiàn)椎間盤突出、變性等改變，為正常椎間盤；排除結(jié)核、椎體及椎管內(nèi)腫瘤或腫瘤樣病變等患者。本研究獲得當(dāng)?shù)貍惱砦瘑T會批準(zhǔn)，所有入組患者術(shù)前均自愿接受多期DCE-MRI檢查和IVIM-DWI檢查，并均已簽署知情同意書。

1.2 MRI檢查方法

(1)磁共振常規(guī)平掃序列：①矢狀位T1WI序列，TR 2000 ms，TE 90ms，層厚4 mm，層間距0.4 mm，F(xiàn)OV 180 mm×300 mm，矩陣300×392；②矢狀位T2WI序列，TR 3072 ms，TE 80 ms，層厚5 mm，層間距0.4 mm，F(xiàn)OV 160 mm×303 mm，矩陣228×347；③軸位T2WI序列，TR 2583 ms，TE 120 ms，層厚4 mm，層間距0.3 mm，F(xiàn)OV 160 mm×179 mm，矩陣268×215。(2) DWI-IVIM掃描序列：IVIM (多b值)矢狀位掃描序列，b取(0、10、20、50、100、200、500、800) s/mm2，TR 4584 ms，TE 63 ms，激勵次數(shù)2，層厚5 mm，層間距1 mm，F(xiàn)OV 300 mm×198 mm，矩陣152×98。(3)磁共振動態(tài)增強(qiáng)掃描序列：平掃結(jié)束后，采用動態(tài)增強(qiáng)掃描技術(shù)，掃描序列分為兩個部分，其一為T1 mapping序列，其二為多期DCE-MRI序列，經(jīng)肘前靜脈使用雙筒高壓注射器快速注入釓噴酸葡胺注射液(Gd-DTPA)，注射劑量15 ml，后注入20 ml生理鹽水，注射速率3.0 ml/s。具體參數(shù)如下：TR 4 ms，TE 2 ms，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，矩陣180×138，層厚5 mm，激勵次數(shù)1，無間隔連續(xù)動態(tài)掃描40期。

表1 腰椎間盤退變P firrmann分級Tab. 1 Classi fication of IDD as reported by P firrmann

表2 實驗組和正常對照組D、f、D*、Ktrans、Kep、Ve值比較Tab. 2 Comparison of D, f, D*,Ktrans, Kep, Ve in the experimental group and the control group

表2 實驗組和正常對照組D、f、D*、Ktrans、Kep、Ve值比較Tab. 2 Comparison of D, f, D*,Ktrans, Kep, Ve in the experimental group and the control group

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表3 不同P firrman等級腰椎間盤DCE-MRI參數(shù)、IVIM-DWI參數(shù)值的比較Tab. 3 Comparison of DCE-MRI parameters and IVIM-DWI parameters of lumbar discs with different P firrman grades

表3 不同P firrman等級腰椎間盤DCE-MRI參數(shù)、IVIM-DWI參數(shù)值的比較Tab. 3 Comparison of DCE-MRI parameters and IVIM-DWI parameters of lumbar discs with different P firrman grades

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表4 實驗組 DCE-MRI參數(shù)和IVIM-DWI參數(shù)與MVD的相關(guān)性Tab 4 Correlation between DCE-MRI parameters or IVIMDWI parameters and intervertebral disc microvascular density

1.3 診斷與評價標(biāo)準(zhǔn)

椎間盤退變分級主要是Pfirrmann (Pm)分級(表1)。Pm分級主要依據(jù)在T2WI正中矢狀層面上的椎間盤信號改變，高度變化和形態(tài)變化將椎間盤分級為五個等級[9]。

1.4 MRI圖像后處理

(1) IVIM-DWI序列：將IVIM-DWI序列掃描所得數(shù)據(jù)傳輸至外置后處理工作站。將軟件進(jìn)行設(shè)置，之后調(diào)整好參數(shù)，得到擬合圖像：D值圖、f值圖及D*值圖；勾畫興趣區(qū)(region of interest，ROI)，計算參數(shù)值，即D值、D*值及f值。在測量IVIM-DWI各參數(shù)值時，可先在圖像信噪比最好的D值圖上勾畫出ROI，之后分別拷貝至f值圖和D*值圖。(2)DCE-MRI序列：將所采集圖像數(shù)據(jù)上傳至后處理軟件進(jìn)行分析；采用定量分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理：①首先導(dǎo)入T1 mapping序列，得到時間對比劑濃度曲線；②導(dǎo)入動態(tài)增強(qiáng)掃描數(shù)據(jù)，選擇該區(qū)域內(nèi)正常供血血管區(qū)勾畫出感興趣區(qū)，將獲得的時間濃度曲線作為動脈輸入函數(shù)(arterial input function，AIF)曲線；③通過選擇Tofts 模型進(jìn)行定量分析，獲得血管滲透性參數(shù)，即Ktrans、Kep及Ve值，然后生成與各參數(shù)相對應(yīng)的偽彩圖。

1.5 組織病理學(xué)檢查

標(biāo)本為椎間盤髓核組織，用光學(xué)顯微鏡觀察免疫組化切片中CD34表達(dá)情況。采用改進(jìn)的Weidner方法，在200倍鏡下觀察被染成淺棕黃色、棕黃色或褐色的細(xì)胞[10]。記錄每張切片鏡下棕色著色的血管數(shù)目，以使用5個高倍鏡野的微血管數(shù)目的平均數(shù)記錄為該標(biāo)本血管的MVD。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有計量資料數(shù)據(jù)采用表示。對所獲得的IVIMDWI參數(shù)D值、f值、D*值和DCE-MRI參數(shù)Ktrans值、Ve值、Kep值分別與MVD進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析；采用方差分析比較不同椎間盤退變分級間椎間盤DCE和IVIM參數(shù)值的差異。所有結(jié)果分析均采用雙側(cè)檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 實驗組和對照組DCE-MRI參數(shù)和IVIM-DWI各參數(shù)值的比較(表2)

與正常對照組相比，實驗組的Ktrans值較高，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義；但是，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗組的D值明顯低于正常對照組，P＜0.05。而其他參數(shù)在兩組間無明顯統(tǒng)計學(xué)差異。

2.2 不同Pfrirrmann等級間DCE參數(shù)、IVIM參數(shù)值的比較(表3)

在不同退變分級中，Ktrans值和D值的總體分布不同(P＜0.05)，但f、D*、Kep、Ve值在不同退變分級中均無顯著性差異。當(dāng)退變等級為Ⅰ級至Ⅴ級時，Ktrans值隨著退變等級增加而增加；但D值隨著退變等級增加卻減低。除Ⅳ和Ⅴ級外，各組間Ktrans值和D值的差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖1 散點圖示退變椎間盤Ktrans值與微血管密度MVD呈正相關(guān)，r=0.794 圖2 散點圖示退變椎間盤f值與微血管密度MVD呈正相關(guān)，r=0.589Fig. 1 The correlation between Ktrans value and Microvascular density density of degenerative intervertebral disc,r=0.794. Fig. 2 The correlation between f value and Microvascular density density of degenerative intervertebral disc, r=0.589.

2.3 DCE-MRI參數(shù)、IVIMDWI各參數(shù)和MVD的相關(guān)性(表4)

圖3 男，39歲，L5～S1椎間盤脫出。A：T2WI壓脂序列，矢狀位；B：矢狀位多b值DWI圖；C：矢狀位DCE-MRI增強(qiáng)圖；D：D值偽彩圖；E：f偽彩圖；F：D*偽彩圖；G：Ktrans偽彩圖；H：Kep偽彩圖；I：Ve偽彩圖；J：病理圖像(HE ×20)；K：CD34染色圖像( ×20)Fig. 3 Male, 39 years old, L5—S1 disc herniation. A: T2WI pressure fat sequence sagittal. B: Sagittal b value DWI. C: DCE-MRI sagittal image enhancement. D: D pseudo color image. E: f pseudo color image. F: D* pseudo color image. G: Ktrans pseudo color image. H: Kep pseudo color image. I: Ve pseudo color image. J: Pathological image (HE ×20). K: CD34 staining image ( ×20).

經(jīng)典病例如圖1所示。兩種成像方法中的f值、D*值、Ktrans值、Kep值分別與微血管密度MVD呈正相關(guān)(r分別為0.589、0.477、0.794、0.496；P值均小于0.05)。其中，Ktrans值、f值具有較好的相關(guān)性。相關(guān)性散點圖可以直觀反映參數(shù)Ktrans和f與MVD的關(guān)系(圖2，圖3)。

3 討論

3.1 DCE-MRI和IVIM-DWI各參數(shù)與MVD的相關(guān)分析

Ktrans值反映了組織中血管滲透性的高低，其值越大，則提示血管滲透性越高，血管內(nèi)皮細(xì)胞的完整性越差[11]。f值是微血管灌注分?jǐn)?shù)，它表示與微循環(huán)相關(guān)的擴(kuò)散分?jǐn)?shù)，理論上f值是由毛細(xì)血管和組織的信號強(qiáng)度比值決定的。本研究以MVD為金標(biāo)準(zhǔn)，采用了DCE-MRI和IVIM-DWI兩種磁共振新技術(shù)評估了下腰痛患者退變椎間盤新生血管。研究結(jié)果表明，Ktrans和f值與MVD存在較好的相關(guān)性，即f值、Ktrans與椎間盤退變新生血管的密度相匹配，提示f值、Ktrans值越高，新生血管越多。因此，筆者認(rèn)為可以應(yīng)用Ktrans和f值評估椎間盤退變微血管的浸潤情況。IVIM的應(yīng)用在脊柱方面應(yīng)用比較少，IVIM各種參數(shù)值在脊柱方面的穩(wěn)定性，確實有待探討，但本研究確實證實D*和f值在椎間盤微循環(huán)評估方面有一定的價值，隨著機(jī)器和序列的改進(jìn)，IVIM 相關(guān)參數(shù)在椎間盤病變方面應(yīng)用的穩(wěn)定性有待得到進(jìn)一步提高。

3.2 腰椎間盤DCE-MRI和IVIM-DWI各參數(shù)與Pm分級的相關(guān)性

本研究采用單因素方差分析比較了不同退變級別間各參數(shù)值，結(jié)果表明D值隨著退變等級的增加而減低，這提示D值與椎間盤退變關(guān)系密切，能夠成為評價椎間盤退變的量化指標(biāo)。目前，相關(guān)文獻(xiàn)主要集中于報道ADC值和椎間盤退變的嚴(yán)重程度之間的關(guān)系，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為ADC值與椎間盤退變等級具有相關(guān)性。Antoniou等[12]認(rèn)為ADC值降低與基質(zhì)內(nèi)蛋白多糖減少有關(guān)，在退變的椎間盤中蛋白多糖含量下降，髓核的含水量減少，因此ADC值降低。單指數(shù)模型計算的ADC，由于包含血流灌注，并不能單純地反映水分子的擴(kuò)散能力，而IVIM-DWI采用雙指數(shù)模型計算的D值則排除了血流灌注的影響，因此，與ADC值相比，它能夠更客觀地反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散運動受限的程度。由于IVIM尚未用于椎間盤退變方面的研究，D值與椎間盤退變分級是否具有相關(guān)性尚不確定。本研究發(fā)現(xiàn)椎間盤退變等級與D值具有顯著相關(guān)性，因此筆者認(rèn)為D值可以應(yīng)用于對椎間盤退變嚴(yán)重程度的評估。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)Ktrans值隨著退變等級增加而增加，在Pm Ⅰ～Ⅳ級的范圍內(nèi)，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，這與胡浩然等[13]的研究結(jié)果一致。這表明當(dāng)椎間盤的退變在Pm Ⅰ～Ⅳ級時，隨著退變的程度增加，退變椎間盤內(nèi)的新生血管的形成情況發(fā)生了明顯的差異。炎性因子通過微血管浸潤到椎間盤基質(zhì)和髓核細(xì)胞內(nèi)，從而加速了椎間盤的退變。

3.3 不足之處

本研究尚存在一些不足之處：(1) DCE及IVIM定量分析仍處于早期研究階段，在脊柱病變尤其是椎間盤退變中的相關(guān)研究較少；(2)本研究對象選擇的是臨床癥狀較重的腰痛患者，需要經(jīng)過動物實驗進(jìn)一步研究；(3)本研究樣本量較小，需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量。

綜上所述，本研究通過椎間盤退變的病理組織學(xué)、DCE-MRI、IVIM-DWI等技術(shù)均證實了椎間盤退變突出后出現(xiàn)了血管化的現(xiàn)象。結(jié)果表明可以采用DCE-MRI和IVIM-DWI等無創(chuàng)性磁共振技術(shù)重復(fù)地觀察椎間盤退變的血管形成情況，對患者椎間盤退變程度進(jìn)行評估，有助于指導(dǎo)患者選擇合適的治療方案，并為開展新的治療方式提供了影像學(xué)理論依據(jù)。