彌散張量成像技術聯合白質纖維束成像技術在脊髓型頸椎病中的診斷價值研究*

謝思民,樊 淋,胡亦劼,唐 可,權正學

(重慶醫科大學附屬第一醫院骨科,重慶 400016)

脊髓型頸椎病(cervical spondylotic myelopathy,CSM)是導致頸脊髓功能障礙的主要原因[1]。脊髓內特定白質纖維束的損傷通常會導致特定的神經功能缺損和癥狀[2]。臨床上,MRI是CSM診斷和治療策略設計的金標準。常規MRI可以顯示壓迫因素,包括椎間盤、黃韌帶、脊椎骨贅、小關節和后縱韌帶骨化,以及脊髓受壓程度及脊髓實質T2加權高信號[3]。但使用常規MRI很難評估患者的實際神經損傷,在臨床上常見到脊髓受壓嚴重而臨床癥狀輕或脊髓受壓輕而臨床癥狀重的患者,這些影像癥狀與臨床表現不符的患者在臨床上逐漸增多,因此迫切需要一些新技術來評估這類CSM患者的疾病嚴重程度[4-5]。

彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技術是近年來在擴散加權成像(diffusion weighted imaging,DWI)技術基礎上發展起來的一種描述水分子擴散特性的成像技術[6],其基本原理為采集水分子在三維空間內各個方向上擴散運動所致的信號衰減強度,并精確、定量描述出其空間擴散的三維軌跡[7]。其在活體上通過分子水平評價水分子的擴散情況,探測人腦、脊髓白質纖維束的完整性及方向性,是一種從微觀角度研究腦、脊髓等組織的結構和功能變化的無創性成像技術[8]。近年來DTI技術運用于脊髓損傷及功能測定的研究越來越多[9]。白質纖維束成像(diffusion tensor tractography,DTT)技術則是在DTI的基礎上,通過圖像后處理,重建出直觀的脊髓白質纖維束圖像,可用于體內可視化纖維束通路[10]。其最開始常用于大腦病變及急性脊髓損傷,近年來臨床逐漸將其運用在CSM中,并測量出相應平面的白質纖維束密度(DTT-density)值[11]。DTI常見有許多參數值,如表觀彌散系數(apparent diffusion coefficient,ADC)、分數各向異性(fractional anisotropy,FA)、平均彌散系數(average diffusion coefficient,DC-avg)、徑向擴散系數(radial diffusivity,RD)和軸向擴散系數(axial diffusivity,AD)等,本研究主要選取DTI中的FA、DC-avg和DTT參數DTT-density值,研究其與臨床癥狀的關系,指導臨床診斷[12-15]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

于2022年9月至2023年9月從本院健康志愿者中選取20名受試者(對照組),對他們進行MRI及DTI檢查,納入標準:18～59歲的健康成年人。排除標準:(1)有脊髓腫瘤、脊髓外傷、頸椎手術史等;(2)有幽閉恐懼癥或其他無法配合檢查的情況。其中男14例,女6例,平均年齡(49.7±5.2)歲。同期于本院就診的CSM患者中,選取20例CSM患者納入CSM組,所有患者均接受體格檢查及X射線、CT、MRI及DTI掃描。納入標準:(1)經臨床、影像學診斷的CSM患者;(2)臨床、影像學資料完善者;(3)無明確手術禁忌證。排除標準:(1)有頸椎外傷、脊髓腫瘤、頸椎手術病史;(2)頸椎嚴重畸形;(3)有幽閉恐懼癥及其他無法配合檢查的情況。其中男11例,女9例,脊髓受壓節段C2/31例、C3/45例、C4/55例、C5/65例、C6/74例,平均年齡(58.33±4.6),病程1個月到6年,平均2.4年,日本骨科協會(Japanese Orthopaedic Association,JOA)評分(12.0±2.9)分。發病后,所有受試者均出現頸肩部疼痛或不適、四肢麻木、步態不穩、行走乏力和胸腹束帶感中的一個或多個癥狀。對患者的體格檢查顯示,患者脊髓受壓主要在下頸脊髓,四肢出現不同程度的不完全麻痹。此外,四肢有明顯的傳感器和活動障礙,并觀察到反射亢進,病理性肌腱反射陽性。采用JOA評分對CSM患者的頸脊髓功能進行評分[16]。所有CSM患者根據脊髓受壓的位置和節段,以及不同的病理因素,選擇不同的入路(前入路16例、后入路4例)接受手術治療。本研究得到了本院倫理委員會的批準(批準號2023111),并獲得志愿者和患者的書面知情同意。

1.2 方法

1.2.1DTI掃描

常規MRI掃描所有研究對象C1～T1節段,T1、T2、T2壓脂像及T2橫斷面,DTI選擇30個方向掃描C1～T1橫斷面,總掃描時間約15 min[17]。所有MRI常規序列掃描和DTI掃描均在GE Discovery Silent MR 3.0T核磁共振機(美國通用電氣公司)上進行。受試者取仰臥位,戴耳塞,平靜呼吸以避免吞咽,頸椎處于中立位。

1.2.2圖像后處理

將所有圖像傳送到Advantage工作站Volume Share 5 (GE Medical Systems),并使用GE Functool 9.4.05軟件對DTI圖像進行后處理[12]。使用正確的程序對掃描圖像進行校正,然后獲得相應頸脊髓橫斷面的DTI圖像,包括FA色圖、DC-avg色圖、DTT色圖,并根據周圍的白質纖維束進行追蹤重建獲得DTT-density值。研究對象根據脊髓對應的感興趣區域(region of interest,ROI),包括C1/2、C2/3、C3/4、C4/5、C5/6、C6/7、C7/T1,除C1/2選擇樞椎椎體后緣中點對應脊髓層面,其余各ROI均在與頸脊髓對應的椎間盤水平,在盡量排除腦脊液的情況下將ROI放在脊髓上,從而獲得相應參數值(圖1A～D),以T2WI序列為參照,在FA、DC-avg、DTT色圖相應橫斷面進行勾選,并記錄所有ROI的DTI、DTT參數值[18]。同時在T2橫斷面測量脊髓受壓程度,即椎體后緣至椎間盤壓迫最遠點距離與椎體后緣至椎管后緣距離之比(圖1E)。CSM患者在手術前行MRI、DTT檢查,完善相應病歷數據;健康志愿者則于簽署知情同意書后進行MRI和DTI檢查。為了減少主觀誤差,所有參數的測量由兩名脊柱外科醫生完成,最終結果為兩者的平均值[19]。

患者男,65歲,C5/6節段脊髓受壓。A:FA色圖,紅色代表正常脊髓,紅色箭頭所指處為壓迫部位脊髓; B:DC-avg色圖,藍色代表正常脊髓,紅色箭頭所指處為壓迫部位脊髓;C:DTT色圖,深藍色代表正常脊髓,紅色箭頭所指處為壓迫部位脊髓;D:重建后白質纖維束圖像,紅色箭頭所指處為受壓迫后斷裂的白質纖維束;E:脊髓受壓最明顯處與椎管最寬處測量值。

1.3 收集指標

包括患者術前進行DTI掃描后的FA、DC-avg及DTT-density值,MRI評估脊髓受壓程度,以及JOA評分。本研究將CSM患者根據JOA評分分為3個等級:14～<17分為Ⅰ級(輕度功能損傷);10～<14分為Ⅱ級(中度功能受損);<10分為Ⅲ級(重度功能受損)。將脊髓受壓程度分為3級:受壓比率<30%為Ⅰ級(輕度受壓),30%～<60%為Ⅱ級(中度受壓),≥60%為Ⅲ級(重度受壓)。CSM患者常規MRI檢查中頸脊髓受壓程度與患者JOA評分不一致的納入影像學非典型表現組,而脊髓受壓程度與患者JOA評分一致則納入影像學典型表現組。

1.4 統計學處理

2 結 果

除C1/2的FA、DTT-density值及C7/T1的DC-avg、DTT-density值,CSM組患者與對照組健康志愿者其他節段FA、DC-avg、DTT-density值比較差異有統計學意義(P<0.05),見表1。接下來作者將CSM患者存在脊髓壓迫的節段與對照組健康志愿者進行比較,由于無患者在C1/2及C7/T1有脊髓受壓,及C2/3也只有1例患者脊髓受壓,因此本研究就CSM組及對照組的C3～C7節段進行比較,發現除C3/4、C6/7DTT-density值外,CSM組存在脊髓壓迫的節段FA、DC-avg、DTT-density值與對照組健康志愿者比較差異有統計學意義(P<0.05),見表2。將影像學典型表現組與影像學非典型表現組患者的脊髓受壓程度與患者JOA評分進行分類后的數據行Spearman相關性分析,發現影像學典型表現組脊髓受壓程度與患者JOA評分相關(r=-5.27,P<0.05),而影像學非典型表現組JOA評分與脊髓受壓程度不具有相關性(r=0.342,P>0.05)。進一步Pearson相關性分析發現影像學典型表現組患者及影像學非典型表現組患者的FA、DC-avg、DTT-density值與患者JOA評分均相關,其中影像學典型表現組中FA、DC-avg、DTT-density值與患者JOA評分相關系數r分別為0.827、-0.879、0.789,P值分別為<0.001、<0.001、0.001,影像學非典型表現組中FA、DC-avg、DTT-density值與患者JOA評分相關系數r分別為0.847、-0.829、0.775,P值分別為0.016、0.021、0.041。

表1 CSM組與對照組所有節段FA、DC-avg及DTT-density值比較

表2 CSM組受壓迫節段與對照組相應節段FA、DC-avg及DTT-density值比較

3 討 論

DTI在大腦病變及急性脊髓損傷中的研究較多,而近些年才逐漸運用于慢性脊髓損傷如CSM及椎管狹窄患者[20]。先前關于CSM的研究報道,大部分是通過將CSM患者術前的DTI參數值如FA、ADC、AD、RD等與健康對照組比較有哪些差異,其僅僅表明了DTI可以用于診斷CSM,而未與臨床實際聯系起來,部分研究則是通過白質纖維束的形態進行分類,然后與普通MRI 中T2W1高信號改變進行比較,表明白質纖維束形態受損與患者脊髓T2像高信號相關[21]。雖然其進一步研究了白質纖維束在DTI中的診斷價值,表明DTI較普通MRI具有一定的優勢,但是仍不能解釋為何臨床上有部分患者脊髓受壓嚴重而癥狀不典型,無法說明DTI參數是否與患者的真實神經損傷間的相關性。

本研究顯示,在CSM患者的普通MRI中,其雖然可以顯示出患者的脊髓壓迫程度及相應壓迫因素,但是該壓迫是否造成明確的神經損傷是無法判斷的,因此本研究對CSM患者進行了DTI掃描分析來補充診斷。DTI參數值中FA及DC-avg由于受其自身特性所致,壓迫因素造成脊髓的神經纖維病變后,其數值將較無壓迫的脊髓神經產生較大變化,這有利于對CSM進行診斷[22]。其缺點是較易受周圍退行性改變組織及腦脊液影響,所以在進行圖像處理時需盡量避開腦脊液,以免產生數據錯誤;而通過DTT技術重建測量的DTT-density值,可以提示患者在壓迫狀態下的神經纖維數量,不易受椎間盤等壓迫因素影響,受到腦脊液的干擾也較少,在一定程度上反映患者的真實神經損傷。

本研究發現CSM患者與健康志愿者的FA、DC-avg及DTT-density值具有明顯差異,這表明若患者存在脊髓壓迫,則DTI參數值可存在明顯的變化,它可以很好地幫助醫生進行CSM的診斷。但若僅限于此,DTI相對于普通MRI的診斷優勢并不明顯,需要進一步研究DTI參數值與實際損傷之間的關系,故作者將患者的FA、DC-avg及DTT-density值與患者的JOA評分進行相關性分析,發現上述參數值與JOA評分不論在影像學典型表現組還是影像學非典型表現組都具有相關性,這展現了DTI技術在診斷CSM患者較普通MRI的優越性,DTI可以解釋部分患者影像學表現與臨床癥狀不一致的原因,值得臨床上推廣應用。

本研究中也顯示出了一些不足之處,由于FA及DC-avg是通過水分子的彌散運動來進行定量分析,因此所有影響水分子彌散的行為都有可能影響FA及DC-avg的真實性,導致測出來的數值與實際有偏差,這在C5～C7節段表現最為嚴重[23]。因為C5～C7前方為咽喉部位,患者在十幾分鐘的掃描過程中無可避免會有吞咽等動作,因此該節段DTI參數值受影響較大,在數據中也可看出這兩個節段的數據與JOA評分的相關性較其他節段偏弱[24]。另外由于脊髓被腦脊液包圍,腦脊液在任何方向上的彌漫性都很高,如果脊髓表面有ROI突出,DTI值的準確性將會降低,尤其是DC-avg受腦脊液影響很大,這也導致了部分患者DC-avg測量時極高,這需要操作者手動縮小相應范圍[25]。另外DTT-density值測量時需要在白質纖維束重建的界面中選取ROI時稍大一點,這樣可以盡可能將周圍白質纖維束包含進來,避免部分節段因為擠壓等原因導致的分布不均而出現DTT-density值極度減低,使得研究結論出現較大的偏差。本研究的樣本量較少,特別是非典型影像學表現組CSM患者數較少,因此研究結果可能存在一定偏倚,有待更多數據支持,使研究結果得到進一步證實。

DTI可以用來明確CSM的診斷,是評估CSM疾病嚴重程度的有用診斷工具,一定程度上其可以對普通MRI作補充診斷,尤其是對臨床表現與MRI脊髓受壓程度不一致的患者。另外,FA、DC-avg、DTT-density值與患者的JOA評分密切相關,可有效判斷患者的實際神經損傷。