取比值后彌散張量成像參數對脊髓型頸椎病的診斷價值

姚瑞鑫，郭會利，張斌青，葉艷君

1河南中醫藥大學第三臨床學院，河南 鄭州 450046；2河南省洛陽正骨醫院（河南省骨科醫院）影像中心，河南洛陽471002

脊髓型頸椎病（CSM）是由于脊椎退行性病變引起的脊髓壓迫而導致的神經系統病變［1］。影像學對于CSM的診斷多由脊髓受壓處MRI T2加權的高信號來確定，然而這一征象并不是在每位CSM患者中都能見到［2］。此外，患者對脊髓受壓的耐受性可能會有所不同，因此MRI上顯示椎管狹窄的程度和臨床癥狀之間經常脫節［3］。表明單純的器質層面的影像學表現不能完全展示頸髓的損傷程度。近年來，磁共振彌散張量成像（DTI）發展迅速，并在神經成像的應用中取得了良好的效果［4］。以往的DTI多用于腦部神經纖維束的成像，廣泛被研究用于評估神經病變的參數包括表觀擴散系數（ADC）和部分各向異性分數（FA）［5］。有研究表明，與磁共振T2加權上描述的高信號相比，FA值降低是一種更敏感的脊髓損傷測量方法，因為一些患者的脊髓壓縮程度足以引起CSM，但在常規磁共振成像上沒有顯示明確的信號變化［6］。此前關于DTI對CSM診斷價值的研究較多。然而，以往的研究中多采用各參數的絕對值作為觀察指標［7］，忽略了個體差異本身對DTI參數的影響。本課題組前期研究發現，不同個體DTI參數的絕對值差異較大，例如相同的FA值在一些個體中與周圍椎間盤相對比認為是健康數值，而在其他個體中可能已達到損傷的程度。一些研究也發現，不同年齡段的健康人群DTI成像參數結果存在差異［8］。有研究提出采用頸3/4～頸6/7的FA及ADC值與頸1/2的比值，而不是絕對值，可以部分減少年齡的影響，但并未進行取比值前后的對比［9］。因此，采用DTI參數的絕對值進行診斷，可能會產生誤差，對于不同個體的DTI參數值進行自身對比校正很有必要。本研究通過對脊髓型頸椎病患者進行DTI掃描，然后與自身的節段取比值校正，并與健康組之間作對比，探討取比值后DTI參數在CSM中的診斷價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2020年10月～2021年5月本院收治的脊髓型頸椎病患者56例，其中男性24例，女性32例，年齡20～63（41.00±11.23）歲。納入標準：有明確的臨床CSM表現；行頸椎MRI檢查，顯示頸髓4/5（C4/5）、頸髓5/6（C5/6）節段有受壓但頸髓2/3（C2/3）段未受壓；無磁共振檢查禁忌證。排除標準：發現其他原因引起的頸髓病變：如先天性椎管狹窄，頸椎外傷等；有幽閉恐懼癥或無法配合檢查患者；伴有明顯頸椎不穩，易導致誤差患者。同時隨機選取62名年齡，文化程度相匹配的健康志愿者作為健康組，其中男性26例，女性36例，年齡22～63（40.11±10.62）歲，附加無神經病史，無脊髓病史，影像學顯示脊髓無壓迫征象。本研究已通過本院倫理委員會審查，所有組員及家屬均被告知研究內容和風險性，并簽署知情同意書。

1.2 分組標準

為了研究健康人群頸髓的DTI參數是否存在天然差異，本研究根據健康組成員5節椎間盤對應頸髓FA值和ADC值的平均值由小到大進行排序，并根據排序結果分組：前1～20例為Ⅰ組；21～30例為Ⅱ組；31～62例為Ⅲ組。

1.3 MRI及DTI檢查

受試者均采用快速相位梯度回波序列進行定位掃描，常規MRI檢查包括矢狀位T1WI、T2WI和橫軸位T2WI。掃描參數T2WI：TR/TE 3280/98 ms，T1WI：TR/TE 501/11 ms，層厚3 mm，FOV 280 mm×250 mm，采集矩陣120×128。采用SIEMENS 的3.0 T 磁共振掃描儀。梯度場40 Mt/m，切換率200 mT·m-1·ms-1，b值選擇600，發射線圈使用體線圈，接受線圈采用四通道相控陣脊柱線圈。對所獲得的DTI圖像采用SEMENS自帶的后處理工具進行圖像融合，可自動獲取FA、ADC的融合圖像。擴散張量纖維束成像（DTT）的重建：先后將3D矢狀位T2WI 薄層序列及DTI tensor 序列拖入MR Neuro 3D環境中，可自動生成T2WI矢狀位、冠狀位、橫軸位以及3D融合圖像，通過同時按住Ctrl+左鍵在橫軸面上涂抹種子區域，范圍包括全部的頸髓橫截面，盡量避免兩側脊神經走形區域。設置纖維束追蹤參數：FA閾值為0.18，軌道角度閾值為35.00°，步長為0.9 mm，同時追蹤后的纖維長度＜20 mm 的自動舍棄；點擊“Start Tractography”選項，即可生成正常頸髓神經纖維束示蹤圖像；最后調整角度使之與3D矢狀位圖像對應，觀察其空間形態特征及走行。

1.4 影像學測量

1.4.1 DTI參數值的測量及校正 頸髓FA值與ADC值的測量：在Neuro 3D程序中點擊測量值選項，然后選擇感興趣區（ROI）為體素測量，主界面區域會順時針分別顯示彩色編碼的FA 圖，灰階ADC 圖，同步定位的T2WI 3D容積序列圖及ROI測值列表。在3D容積圖上選取感興趣區，把ROI分別放置在各頸椎間隙水平的頸髓中央區域，大小為3個體素，盡量避開腦脊液，軟件會同步在彩色編碼的FA圖和灰階ADC圖，頸髓相同位置復制ROI并自動計算出FA值及ADC值顯示在列表中，每個ROI重復測量3次，取平均值，測量方法（圖1）。采用此法對C2/3到C6/7的5個椎間盤對應的ROI，測量ADC、FA。由于納入的均為C2/3段頸髓未受壓的受試者，所獲得的數值均與C2/3頸髓的數值取比值，采用比值后的數據FA和ADC作為研究指標，驗證比值法是否可以減少個體差異對DTI成像參數結果的影響。

圖1 DTI參數的測量Fig. 1 Measurement of DTI parameters.

1.4.2 頸髓縱橫比測量 在常規頸椎MRI掃描的軸向視圖上測量頸髓的前后徑（a）和左右徑（b），前后徑和左右徑保持垂直，用前后徑和左右徑的比值（R=a/b）作為脊髓壓迫程度的量化指標（圖2）。由于頸椎前凸，或在某些情況下脊柱后凸，不能保證在所有水平上都不與椎管平面相切。

圖2 脊髓縱橫比的測量示意圖（左），實測圖（右）Fig. 2 Schematic diagram of measurement of spinal cord aspect ratio (left),measured diagram(right).

1.5 統計學分析

采用SPSS25.0對數據進行統計分析。FA、ADC等計量資料以均數±標準差的形式表示，多組數據間的比較經過驗證滿足正態性及方差齊性則使用單因素方差分析，否則采用非參數檢驗。對DTI參數與脊髓壓縮比的相關性比較采用Pearson相關性分析。對DTI參數診斷CSM的診斷結果繪制ROC曲線，并計算最佳臨界值。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 DTI成像結果

DTT圖像可任意旋轉觀察3D效果，正常節段呈現均勻且走形一致的藍色，受壓節段紅藍綠色相間，連續性中斷，纖維束變窄，邊緣的纖維束中斷、游離（圖3A～B）。灰階FA圖像顯示正常頸髓信號均勻，呈高信號（圖3C）；彩色編碼FA圖顯示正常頸髓呈均勻藍色，周圍的組織呈現混雜的紅藍綠色相間信號（圖3D）。灰階ADC圖像顯示周圍腦脊液及韌帶呈高信號，正常頸髓呈均勻中等信號（圖3E）。

圖3 患者女，57歲，常規MRI顯示C3/4,C4/5及C5/6椎間盤突出，以C5/6節段突出為重Fig. 3 A57-year-old female patient,MRI showed C3/4,C4/5and C5/6 disc herniation,especially C5/6 segment herniation.

2.2 健康組不同節段頸髓的FA和ADC參數分析

健康組62例受試者共310個節段，分析不同節段的FA值及ADC值的差異性，結果顯示FA值及ADC值在各節段之間差異均無統計學意義（P＞0.05，表1）。

表1 健康組各節段DTI參數的比較Tab.1 Comparison of DTI parameters of each segment in healthy group(Mean±SD)

2.3 健康組人群FA和ADC參數差異性分析

根據頸髓FA值和ADC值的均值由小到大排序并分組，研究健康人群DTI成像參數是否存在天然差異，其Ⅰ組20例，Ⅱ組20例，Ⅲ組22例。組間比較采用單因素方差分析，結果顯示，健康人群的FA及ADC絕對值差異均有統計學意義（P＜0.001，表2）。

表2 健康組FA和ADC參數差異性分析Tab.2 Difference analysis of FA and ADC parameters in healthy group(Mean±SD)

2.4 取比值后健康組人群FA和ADC參數差異性分析

將健康組所有成員中C3/4、C4/5、C5/6、C6/7段的FA值和ADC值分別與自身C2/3段的FA值和ADC值取比值后，對所得的比值后FA和ADC匯總，然后各組進行比較。結果顯示取比值后各組FA和ADC之間差異無統計學意義（P＞0.05，表3）。

2.5 取比值后對照組和病例組DTI參數比較

病例組共56例患者，均為多節段壓迫，由于納入時所有患者均包含C4/5及C5/6節段的突出壓迫，故將病例組C4/5及C5/6節段的FA值和ADC值分別與自身C2/3段的值取比值后，取兩組數據的平均值作為病例組的參數。將對照組C4/5和C5/6段的FA值和ADC值分別與自身C2/3段的值取比值后，計算其平均值作為對照組的參數最終比較。采用非參數檢驗的方法，結果顯示比值后FA 和ADC 值差異均有統計學意義（P＜0.001），病例組的比值后FA較對照組減小，病例組的比值后ADC較對照組增大（表4）。

2.6 取比值后病例組DTI參數與頸髓縱橫比的相關性分析

Pearson相關性分析顯示，比值后FA與頸髓壓縮縱橫比呈中度的正相關（r=0.617，P＜0.05）；比值后ADC與頸髓壓縮縱橫比相關性較弱，呈低度負相關（r=-0.478，P＜0.05）。繪制兩變量之間相關性的散點圖（圖4）。

圖4 病例組取比值后FA（左）和ADC（右）與脊髓縱橫比的散點圖Fig. 4 Scatter plot of the aspect ratio of FA(left)andADC(right)to spinal cord after taking the ratio in the case group.

2.7 取比值后病例組DTI參數對脊髓型頸椎病的診斷效能分析

對各定量繪制ROC曲線（圖5），結果顯示，比值后FA 診斷CSM 的曲線下面積為0.821（95%CI:0.745～0.896），當診斷臨界值為0.917時，診斷效能最高，敏感度和特異性分別為82.1%和71.0%；比值后ADC診斷CSM的曲線下面積為0.791（95%CI:0.707～0.874），當診斷臨界值為1.140時，診斷效能最高，敏感度和特異性分別76.8%和75.8%。兩參數值診斷CSM的曲線下面積比較差異無統計學意義（P＞0.05）。當將兩參數通過二元logistic回歸方程進行聯合診斷時，曲線下面積為0.896（95%CI:0.803～0.934），相對于單用一個參數的診斷效能更高，與單一使用FA和ADC的曲線下面積比較均具有統計學意義（P＜0.05）。

圖5 取比值后FA、ADC診斷CSM的ROC曲線（左），FA、ADC聯合診斷CSM的ROC曲線（右）Fig. 5 ROC curve of FA and ADC diagnosing CSM after taking the ratio,and ROC curve of FA and ADC jointly diagnosing CSM.

3 討論

DTI是一種基于生物組織中分子各向異性擴散原理的磁共振成像技術［10］。各向異性是指分子在介質中的運動被限制在一個特定方向［11］。大多數生物組織，如肌肉纖維和神經元，都是各向異性的，因為它們的分子擴散受到髓鞘等物理屏障的限制，在這些組織中，分子擴散方向沿纖維走行方向［12］。DTI特征通常由FA和ADC量化，這些數據度量是從特征值中計算得到的［13］。FA是一個擴散指數，表示擴散的方向性差異，取值0～1［14］，其中0表示各向同性擴散（向各個方向擴散），比如腦脊液的FA值接近0［15］；而1則表示完全各向異性擴散（沿單個縱向方向擴散），在鞘壁完整的神經元軸突中，水分子的擴散受到鞘壁的限制主要沿軸突的走行進行，FA值接近1［16］。ADC表示從成像結構內的3個垂直相交方向測量的平均擴散率［17］，反映了水分子在各個方向上的平均彌散能力，而與彌散的方向無關［18］。ADC值越大，說明活體組織內所含自由水分子則越多，水分子彌散能力就越強；ADC值越小，則說明活體組織內所含自由水分子越少，水分子彌散能力越弱［19］，與FA相反，ADC在腦脊液中較大而在神經纖維中則較小［20］。

由于DTI對頸髓的顯像是基于脊髓在受壓損傷時水分子運動方向和強度的變化［21］，而水分子的運動受到各類因素的影響，例如損傷的類型及程度，組織的水腫變性情況，受試者本身的脊髓活性狀態等［22］。因此在成像時不同個體的DTI參數基礎值存在著較大差異，這些差異可能是多種因素作用的結果［23］。本研究中健康組的FA值及ADC值均表現出個體差異性，這些差異反映了與神經組織相關的微結構變化。有研究認為FA值隨著年齡的增長而下降，與神經元細胞的損失，白質纖維束的退化和星形膠質細胞的增殖與肥大等病理變化密切相關［24］；有研究采用壓迫最重節段與自身C1/2節段比較的方法進行分析，減少了個體差異的影響［25］，但是缺乏與健康組對比的有效數據。本研究將健康組受試者各個節段的參數值分別與C2/3對應脊髓的參數值取比值，由于C2/3椎間盤的突出極為少見［26］，且C2/3節段在圖像上顯示更清晰，與受壓節段距離更近，可比性更強，其DTI參數值數值可作為個體的基數值。通過取比值法后的對比發現，健康組成員比值后的FA及ADC后數據趨向于1，在1左右微小波動。對比值后數據分析發現，取比值后各組的FA和ADC之間差異不具有統計學意義（P＞0.05）。結果表明自身取比值后，可以有效減少患者自身DTI參數值天然差異對診斷的影響，臨床診斷CSM時可以根據懷疑病變節段的FA及與ADC值與C2/3節段取比值進行輔助診斷，無需再考慮個人自身脊髓基本情況的差異，比FA及與ADC的絕對值更有臨床實用意義。

有研究認為脊髓壓迫程度對CSM患者的癥狀（疼痛除外）影響很大，而椎旁肌退行性變的影響相對較小，頸脊髓壓迫程度可以預測CSM 患者癥狀的嚴重程度［27］。脊髓縱橫比在一定程度上顯示脊髓受壓的狀態，正常人群的脊髓是前后徑較短的扁平狀［28］，當椎間盤突出壓迫時，脊髓根據受壓程度的不同，縱橫比（前后徑與左右徑的比值）會發生變化［29］，縱橫比與DTI參數的相關性分析，可以有效提示在脊髓受壓不同狀態時各DTI參數的變化。本研究發現，比值后FA與脊髓縱橫比具有中度相關性，表明隨著脊髓受壓嚴重程度的加深，比值后FA 會逐漸減小，這對我們在臨床中診斷CSM的嚴重性具有提示意義，可以根據比值后FA結合影像學表現來判斷患者的嚴重程度，為臨床診斷和治療方式的選擇提供新的思路。

有研究發現FA和ADC絕對值在診斷CSM時與T2WI高信號相比存在顯著差異［30］。與ADC（71%）和T2WI高信號（50%）相比，FA（79%）在鑒別脊髓病變方面的敏感性最高。本研究采用比值后的數據代替絕對值對健康組和病例組的數據作對比，病例組取比值后FA較健康組顯著降低，而ADC則顯著增高，差異具有統計學意義（P＜0.05），這與既往研究結果一致［31］。采用比值后的數據作為診斷標準對118例受試者的定量診斷數據發現，當比值后FA的診斷臨界值為0.917時，診斷效能最高，敏感度和特異性分別為82.1%和71.0%，表示突出節段的FA參數值在與未突出的C2/3節段取比值后，若比值小于0.917，則提示發生CSM；比值后ADC診斷臨界值為1.140時，診斷效能最高，敏感度和特異性分別76.8%和75.8%，表示突出節段的ADC參數值在與未突出的C2/3節段取比值后，若比值大于1.140，則提示發生CSM。當兩參數進行聯合診斷時，所得的曲線下面積最大，表明若將這兩個指標聯合使用，具有更佳的診斷效能。

本研究存在一定的局限性，由于DTI掃描及后處理的操作較復雜，需要專業人士參與調試，導致本研究納入的樣本量有限，這對提出的診斷參考值的準確性產生了影響，未來還需要大樣本的驗證；本研究只是提出了健康人群DTI參數存在天然差異，并嘗試采用比值法減少這種差異對臨床診斷的影響，并未證實這些差異發生的原因，未來有待于研究并闡明是何種因素造成了這些差異。

綜上所述，DTI參數可以對CSM進行客觀定量的評價，有效的彌補常規MRI對脊髓細微功能損傷診斷的局限性。DTI成像診斷具有多樣化的特點，既可以通過DTT等成像方式直觀的展現脊髓纖維束的中斷、游離，又可以根據不同參數的差異來進行定量分析。DTI成像參數具有個體差異性，通過與自身C2/3節段對比后，可以有效降低個體差異對診斷結果的影響，更具有臨床實用性。FA及ADC與脊髓壓縮縱橫比有一定相關性，以其比值參考值作為診斷標準可以有效輔助常規MRI對脊髓型頸椎病的診斷。