HISTO及DWI序列在脊柱結核中的定量研究

鄭歡露，李白艷，陳鷹，楊柳，郭輝

脊柱結核是一種嚴重的骨關節疾病，約占骨肌系統結核的50%，大約10%的脊柱結核病人合并神經損害及脊柱畸形，嚴重者甚至截癱,其早期診斷及治療尤為重要[1-3]。然而早期脊柱結核發病隱匿，特別是非典型脊柱結核，臨床缺乏特異性，因此影像學檢查尤為重要[4]。MRI由于多參數多方位成像特點，可以清楚顯示脊柱的病變范圍及周圍軟組織改變等情況。尤其MRI對組織中水和蛋白質的含量變化非常敏感，即使沒有骨質破壞，少許骨髓水腫也能很好地顯示，因此MRI對早期脊柱結核的診斷具有一定的價值。典型的脊柱結核影像診斷不難，目前對不典型脊柱結核診斷較為困難，易誤診并耽誤治療。其次脊柱結核量化分析內部變化的研究也較少[5]，且波譜對脊柱結核的研究國內外少見報道。筆者采用常規MRI結合3.0 T MRI多回波(multi-echo，ME)磁共振氫質子波譜成像(high-speed T2-corrected multiecho acquisition at1H MR spectroscopy，HISTO)及擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)序列對脊柱結核含量進行定量測定，前瞻性初步探討脊柱結核FF%、R2water值及ADC值診斷脊柱結核的臨床價值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取我院2017年1月至2017年8月經臨床、實驗室診斷或病理證實17例脊柱結核(病例組)男12例，女5例，年齡范圍20～76歲，平均年齡(39.37±15.00)歲，平均體重(59.41±8.89) kg，平均身高(171.18±5.87) cm；17例健康志愿者(對照組)男12例，女例5例，年齡范圍23～72歲，平均年齡(40.82±14.89)歲，平均體重(60.00±7.21) kg，平均身高(170.59±5.32) cm，排除有幽閉恐懼癥或磁共振檢查禁忌證者，本研究經醫院倫理委員會許可，患者均簽署MRI檢查知情同意書。納入標準：(1)術后病理或實驗室金標準診斷脊柱結核且未經任何治療的患者；(2)患者知情同意并能配合完成DWI及HISTO檢查；(3)對照組與病例組性別相同，年齡及體重指數與病例組相差5歲及2 kg以內。排除標準：(1) MRI檢查禁忌者；(2)不能滿足后處理需要的病灶，如病情嚴重者、椎間盤破壞嚴重者甚至消失、椎體融合、壞死嚴重者；(3)合并其他脊柱疾病者。

1.2 掃描方法

采用我院GE 3.0 T磁共振，常規行矢狀位T1、T2加權成像、T2加權壓脂成像、軸位T2加權成像及矢狀位DWI、HISTO成像；HISTO序列以脊柱矢狀位TW1或TW2為定位像，感興趣區的體素塊置于椎體中部，每個椎體體素塊一致，體素塊大小(VOI)為1 cm×1 cm×l cm，設置5個TE，第一個TE為12 ms，每個TE間隔設為12 ms。DWI共選用8個b值(0、50、100、150、200、400、600、800 s/mm2)，NSA 掃描時間為6 min，根據8個b值自動擬合成一個最佳ADC圖。掃描序列及各參數見表1。

1.3 圖像處理

在后處理工作站上利用Function Tool 2軟件，HISTO序列會自動根據掃描前選擇的感興趣區自動繪制曲線并計算曲線下面積及比值，觀察HISTO序列的病例組及對照組單體素磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)圖，記錄脂質峰、水峰、FF%值及R2water值；DWI在自動擬合的ADC圖上選擇感興趣區(region of interest，ROI)，病例組感興趣置于病灶正中區域，選取病變椎體、受累椎間盤(排除椎間盤破壞較嚴重、形態消失的病例)顯示最大的3個層面，對照組及病變相鄰正常椎體(病變上1個椎體)、病變跳躍2個正常椎體(病變上3個椎體) ROI選取椎體信號強度顯示最均勻且前或正中的連續三個層面且所選ROI與病例組病灶位置及椎體數一一對應，為避免由ROI的大小、外形及解剖位置不同引起的影響，病例組及對照組ROI均取0.2 mm (ROI采用復制粘貼的方法)，測量時將圖像適當放大，并盡量避開血管、偽影及骨皮質、膿腫等，病例組和對照組每個層面測量三次，取平均值作為最后的結果，其中ADC值由2名經驗豐富的醫師雙盲下對圖像進行測量，當出現結果不一致時，由經驗豐富的主任醫師雙盲下進行驗證，并對照結果驗證一致性。

1.4 統計學分析

所有數據均用Spss 16.0統計學分析軟件，符合正態分布數據以x±s表示。2名測量者對所得ADC值的一致性采用組內相關系數評價：0～1為不一致，0.01～0.20為一致性弱，0.20～0.40為輕度一致，0.41～0.60為一致性較好，0.81～0.99為幾乎一致，1.00為完全一致。方差齊時組內及組間采用配對t檢驗和兩獨立樣本t檢驗(配對t檢驗中病變椎體取每例病變的平均值)，方差不齊則采用非參數檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 圖像分析

17例脊柱結核共侵犯50個椎體，其中胸椎、腰椎分別為24個、26個，病變椎體主要征象為骨髓水腫及骨質破壞，受累椎間盤形態尚完整或輕度破壞39例，6例病例形成椎旁冷膿腫[ADC值=(1.506±0.446)×10-3]，5例累及椎管，4例累及腰大肌。且所有病例的病變范圍在ADC圖上較常規序列大。圖像隨著b值的增加，其敏感度增加，當b=0、50、100、150及800 s/mm2的時候所示圖像比較模糊，而當b=400～600 s/mm2時，敏感度顯示最好，DWI圖像上顯示病變椎體、椎間盤及椎旁膿腫相對健康志愿者椎體呈高信號，ADC圖上呈稍高信號。HISTO序列會自動根據掃描前選擇的感興趣區測定水及脂類物質的化學位置，脂峰1.33 ppm左右，水峰4.7 ppm左右(圖1～5)。

表1 所有患者MR常規序列和HISTO、DWI序列的掃描參數Tab. 1 Scanning parameters of conventional MR sequences,HISTO and DWI sequences in all patients

病例組及對照組的年齡(P＞0.05)、體重(P＞0.05)、身高(P＞0.05)差異均無統計學意義。2名觀察者所測ADC值一致性好(ICC值＞0.8)，取兩者均值作為結果。

HISTO序列上病變椎體及健康志愿者椎體FF%值及R2water值如表2所示，病變椎體水峰在右，脂峰在左，病變椎體脂峰減低，水峰升高、變窄；兩者與健康志愿者椎體差異有統計學意義(FF%：Z=-7.438，P＜0.01；R2water：Z=-4.623，P＜0.01)。

圖1 DWI序列，b=600 s/mm2時DWI圖像。示腰L3～L4椎間隙狹窄，相鄰關節面骨質破壞，椎旁可見膿腫，椎體前緣呈典型的“拱橋樣”流注膿腫圖2 ADC圖。病變椎體和椎旁膿腫在DWI上呈高信號，ADC圖上亦呈高信號 圖3，4 健康志愿者椎體DWI及ADC圖，椎體為藍色，擴散受限，呈低信號；椎間盤為淡黃色，彌漫較快 圖5 HISTO序列。A、B：為病變椎體，脂肪含量為5.54%，R2water值為11.53 s-1；C、D：為正常椎體，脂肪含量為33.07%，R2water值為40.30 s-1，脂峰在左，位于1.15 ppm附近，相比健康志愿者椎體脂峰明顯下降，水峰在右，位于4.7 ppm附近，比健康志愿者椎體水峰升高Fig. 1 DWI sequence: Figure 1 shows the lumbar L3—L4 intervertebral space stenosis in the DWI image at b=600 s/mm2, bone destruction in the adjacent articular surface, abscess in the paravertebral, and typical “arch bridge-like” flow abscess on the anterior edge of the vertebral body. Fig. 2 The ADC map. The diseased vertebral body and paraspinal abscess showed a high signal on DWI and a high signal on the ADC map. Fig. 3，4 Shows the DWI and ADC images of the vertebral body of healthy volunteers. The vertebral body is blue, and the diffusion is limited, showing a low signal. The healthy volunteers have a pale yellow intervertebral disc and diffuse faster. Fig. 5 HISTO sequence. Figure A, B is a diseased vertebral body with a fat content of 5.54% and an R2Water value of 11.53 s-1. Figure C,D is a normal vertebral body with a fat content of 33.07%, an R2water value of 40.30 s-1, and a lipid peak at the left, at 1.15 ppm. Nearby, compared with healthy volunteers, the vertebral fat peak decreased signi ficantly, and the water peak was on the right, located near 4.7 ppm, which was higher than that of healthy volunteers.

表2 病變椎體與健康志愿者椎體HISTO序列的FF%值及R2water值Tab. 2 Fat and R2water values of the vertebral HISTO sequence of the diseased vertebral body and healthy volunteers

表3 病變椎體、病變鄰近正常椎體、受累椎間盤與健康志愿者椎體及椎間盤的ADC值Tab. 3 ADC of the diseased vertebral body, the lesion near the normal vertebral body, the involved intervertebral disc, the lesion jumping 2 vertebral bodies and the healthy volunteers’ vertebrae and intervertebral disc

DWI上病變椎體、病變鄰近正常椎體、跳躍2個正常椎體、受累椎間盤與健康志愿者椎體及正常椎間盤ADC值見表3，病變椎體與其鄰近正常椎體、病變跳躍2個正常椎體及健康志愿者椎體ADC值相差很大，三者ADC值均明顯低于病變椎體，差異有統計學意義(Z=-9.649，P＜0.01；t=9.252，P＜0.01；t=8.594，P＜0.01)；病變鄰近正常椎體與病變跳躍2個正常椎體或健康志愿者椎體ADC值相近，差異無統計學意義(t=0.06，P=0.953，t=1.286，P=0.217)；受累椎間盤的ADC值與健康志愿者椎間盤有一定的差異性(t=6.407，P＜0.01)，受累椎間盤的ADC值高于健康志愿者椎間盤。

3 討論

3.1 高速ME T2校正HISTO序列在脊柱結核中的應用

MRS技術作為新型分子影像技術，主要通過組織的化學位移及其自旋耦合現象，從分子層面定量分析組織代謝及成分[6]，高速ME T2校正HISTO序列是西門子公司基于MRS推出的新型序列，HISTO序列是多個TE時間采集的單體素MRS，多回波計算不用TE時間下水脂峰的面積，其中T2校正對定量水和脂肪的MRI非常重要，尤其是在骨髓中骨小梁可造成磁場的不均性中，校正T2衰減，較常規MRS可以擬合出最準確的FF%值及R2water參數，而且本研究采用T2校正多回波采集方式，較好地平衡了采集時間及T2衰減效應[7]。

本組中17例脊柱結核選擇在病變范圍較大、信號較均勻的病變椎體，可以測量每個感興趣區FF%值及R2water值，是因為峰值的絕對值會隨著患者的不同而有差異，而比值較固定，結果顯示HISTO序列可見兩個波峰，即脂峰和水峰，水峰在右，位于4.7 ppm附近，脂峰在左，位于1.15 ppm附近。病變椎體脂峰降低，曲線下面積較少，水峰變高、變窄，R2water值減低，FF%值減低幅度較R2water值明顯，提示病變椎體脂肪減少，骨小梁密度減低，這與病變椎體的炎性反應等細胞應激反應通路的激活，使骨髓微環境發生變化，使前脂細胞老化，進而導致細胞因子生成增多，抑制脂肪形成有關[8]。健康志愿者椎體隨著年齡的增長，FF%含量增加，與健康人的椎體隨年齡增大紅骨髓逐漸減少，脂肪黃骨髓成分含量逐漸增多有關[6]。

常規MR難以區別椎體骨髓內脂肪和水所占的相對百分比，而HISTO可將椎體骨髓的MRI信號轉換為水與脂類兩類波峰，可以量化水和脂肪的變化，定量疾病的相對百分比，如趙秀芹等[9]報告脊柱轉移瘤脂峰明顯減低，FF%值為3.36±2.28，而水峰變化不大，而本研究中脊柱結核FF%值為19.90±12.59，其FF%平均值高于脊柱結核，而本研究中水峰升高、變窄，量化數值與脊柱轉移瘤有明顯的區別。

3.2 DWI序列在脊柱結核中的應用

DWI能從分子水平上反映人體各組織水分子的功能變化、可以檢測組織中含水量改變有關的早期病理生理變化[10-11]，其中擴散梯度的大小用b值表示，由于受到微循環等因素的干擾, 較難測得精確的擴散，因而目前更多擴散成像的結果是用ADC代替擴散系數(D)，ADC值可直觀顯示成像層面中各體素ADC值分布情況。ADC值越大，代表組織內水分子運動越強，DWI圖像上信號越弱。

DWI序列對脊柱結核診斷有一定的價值，本研究中6例患者的7個病變椎體在常規MR序列上顯示不如DWI序列，說明DWI序列對病變敏感度更好。本研究中DWI異常信號主要分布在脊柱結核前中部，這是由于結核桿菌易侵入椎體前部或中央血流緩慢處，易致椎體骨髓炎性水腫甚至骨質破壞有關。病變椎體、椎間盤及冷膿腫在DWI上主要表現呈較均勻的高信號，均與結核桿菌缺乏蛋白溶菌酶有關；椎旁膿腫在DWI信號較高，ADC值為(1.506±0.446)×10-3，這主要是由于膿液里所含蛋白質含量增加，限制水分擴散，含水量增加，擴散增快，其ADC值明顯高于健康志愿者椎體有關；而健康志愿者椎體或病變鄰近正常椎體隨著年齡的增加，其DWI信號減低，ADC值減小，這一現象可能是由于年輕人骨髓內以造血細胞為主，脂肪細胞數量較少，而隨著年齡的增長骨髓出現脂肪替代；此外，骨小梁隨著年齡的增加逐漸稀疏，增加了水分子擴散自由度，這些因素均可能導致隨著年齡的增加而DWI上的信號降低有關[12]。

本研究中病變椎體、病變跳躍2椎體及鄰近正常椎體與健康志愿者椎體ADC值相差很大，差異有統計學意義，這與脊柱結核早期表現為骨髓水腫，繼而骨質破壞，形成結核性肉芽腫，最后形成干酪樣壞死，在局部炎癥刺激下發生液化形成結核性膿腫[13]，上述各種病理改變均可導致細胞膜的破壞，引起病變椎體病理生理改變，在DWI上表現出ADC值的異常，病變椎體擴散加強有關。但本研究中10個椎體擴散異常卻未見骨髓水腫，DWI上亦無明顯異常高信號，ADC圖上卻表現出擴散異常，說明椎體ADC圖上的擴散異常可以與DWI上的信號異常分布區域不完全相同。本研究中受累椎間盤的ADC值與健康志愿者椎間盤有一定的差異性(t=6.407，P＜0.01)，受累椎間盤的ADC值高于健康志愿者椎間盤，健康人椎間盤的雖然含水量高，但脊柱結核時結核桿菌通過已破壞的椎體終板侵入椎間盤，導致椎間盤營養供應減少，從而引起細胞水腫，細胞外間隙水分進入細胞內，細胞外水分減少，椎間盤擴散受限，含水量更高有關。

ADC值的大小反映了組織間隙內自由水成分的含量，楊宏志等[14]認為骨髓水腫導致局部水分子運動加快，在健康人椎體組織間隙內自由水成分較少，而脊柱結核時，局部骨髓水腫，自由水含量增加，表現為擴散加強，ADC值增加。李光紀等[15]報告脊柱轉移瘤ADC值[(0.72±0.12)×10-3mm2/s]低于脊柱感染性病變(1.43±0.14)×10-3mm2/s，而本組脊柱結核ADC值為1.05±0.25×10-3mm2/s與李光紀等[15]的報道一致，說明量化ADC值可以對常規序列進行補充診斷提供一定的應用價值，更好地診斷及鑒別診斷疾病。

多回波T2校正磁共振波譜成像較常規MRS可以擬合出更準確的FF%值及R2water參數,更能評價脊柱結核，隨著這種成像技術不斷完善及臨床應用,定將能為脊柱結核提供新的、準確的手段及更豐富的信息。其次初步量化脊柱結核的FF%值、R2water值及ADC值可以為大數據的建立提供一定的基礎，未來HISTO及DWI對各種疾病的準確量化的數值，可以補充常規序列的診斷，可以有助于疾病的診斷與鑒別診斷。

利益沖突：無。