磁共振扩散张量成像对脊髓型颈椎病脊髓慢性损伤的评价

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• 临床研究 •

武乐斌朱向玉王光彬林祥涛王涛

武乐斌,朱向玉,王光彬,等.磁共振扩散张量成像对脊髓型颈椎病脊髓慢性损伤的评价.磁共振成像, 2010, 1(3):188-193. DOI:10.3969/j.issn.1674-8034.2010.03.006.

摘要

[摘要] 目的评价磁共振扩散张量成像(DTI)对脊髓型颈椎病脊髓慢性损伤早期诊断的可行性。方法采用单次激发平面回波成像(SE-EPI)序列对31例临床确诊的脊髓型颈椎病患者行颈髓常规MRI和DTI检查。测量病变处ADC值和FA值并按病变常规T2WI高信号阳性与阴性分组进行数据分析，计算常规MRI和DTI对颈髓病变检出的敏感度、特异度、阳性预测值(PPV)、阴性预测值(NPV)。结果所有脊髓型颈椎病患者均能完成DTI检查，后处理图像颈髓显示清晰，无明显图像变形及伪影。9例(29%)表现为颈髓病变T2WI高信号的患者均出现颈髓受压平面ADC值升高，FA值下降，平均ADC值为(1183.44±121.96)×10^-6 mm²/s，相应FA值为(432.56±59.97)×10^-3，与正常值相比有统计学意义；22例(71%)颈髓病变T2WI高信号阴性患者中，7例(32%)病变处平均ADC值及FA较正常值无明显变化；15例(68%)颈髓受压平面ADC值升高，FA值下降，平均ADC值(1055.07±80.61)×10^-6 mm²/s，FA值为(501.87±41.09)×10^-3，有统计学意义。检查方法的敏感度常规T2WI为29.0%，DTI为67.7%；特异度常规T2WI为71.0%，DTI为22.6%；PPV常规T2WI为27.3%，DTI为72.7%；NPV常规T2WI为75.9%，DTI为24.1%。结论 DTI较常规MRI更早期而准确地诊断脊髓型颈椎病颈髓慢性损伤，是一种显示脊髓型颈椎病颈髓病变和观察病变修复过程的有效手段。

[Abstract] Objective: To investigate the capacity of diffusion tensor MR imaging in the spondylosis-related changes of the cervical spinal cord.Materials and Methods: Thirty-one patients with cervical spondylosis were examined with routine MRI and DTI on SIEMENS Sonata 1.5T MR scanner using single shot echo planar imaging (SE-EPI) sequences. The images of cervical spinal cord were obtained. Apparent diffusion coefficient (ADC), fractional anisotropy (FA) values were measured on a sagittal section according to whether there were high signal on T2-weighted images or not.Results: All 31 cervical spondylosis cases completed the examinations without obvious artifacts on the diffusion tensor images. The average ADC and FA values of high signal lesions on conventional T2-weighted images (9 cases) were 1183.44±121.96×10^-6 mm²/s and 432.56±59.97×10^-3 (P<0.01, vs normal cervical spinal cord). The average ADC and FA values of normal signal on T2-weighted images (15 of 22 cases) were 1055.07±80.61×10^-6 mm²/s and 501.87±41.09×10^-3 (P<0.01, vs normal cervical spinal cord), 7 of 22 cases showed no significant difference compared with normal cervical spinal cord. The sensitivity, specificity, positive predictive value, negative predictive value of T2-weighted images and DTI were 29.0% and 67.7%, 71.0% and 22.6%, 27.3% and 72.7%, 75.9% and 24.1%, respectively.Conclusion: Diffusion tensor imaging is a reliable tool in demonstrating the early spondylosis-related changes of the cervical spinal cord compared with conventional T2-weighted images. It can provide useful information for chronic injury and regeneration of the cervical spinal cord.

[关键词] 脊髓；扩散张量成像；颈椎病；表观扩散系数；部分各向异性

[Keywords] Spinal cord；Diffusion tensor imaging；Cervical spondylosis；Apparent diffusion coefficient；Fractional anisotropy

作者信息

武乐斌^* 山东省医学影像学研究所，250021

朱向玉 山东省医学影像学研究所，250021

王光彬 山东省医学影像学研究所，250021

林祥涛 山东省医学影像学研究所，250021

王涛山东省医学影像学研究所，250021

通讯作者：武乐斌，E-mail: cjr.wulebin@vip.163.com

第一作者简介
：武乐斌(1951-)，男，主任医师，教授，博士生导师，泰山学者。

出版信息

基金项目： 本研究为山东省自然科学基金资助项目 Y2006C97 山东省医药卫生科技发展项目 2009QZ027

收稿日期：2010-02-20

接受日期：2010-03-20

中图分类号：R445.2; R681.55

文献标识码：A

DOI: 10.3969/j.issn.1674-8034.2010.03.006

武乐斌,朱向玉,王光彬,等.磁共振扩散张量成像对脊髓型颈椎病脊髓慢性损伤的评价.磁共振成像, 2010, 1(3):188-193. DOI:10.3969/j.issn.1674-8034.2010.03.006.

正文

脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy, CSM)是中老年人的常见病，慢性持续压迫造成脊髓慢性受压和缺血，引起脊髓功能性和器质性损害。早期准确诊断脊髓损伤及程度，了解轴突损伤再生及再髓鞘化过程，对于脊髓型颈椎病治疗及评估预后具有重要意义。磁共振是检出脊髓疾病的最佳影像学方法，但常规MRI检查低估了脊髓损伤的程度^[¹^]，不能及时准确地评估脊髓的损伤程度，有关脊髓的功能评价和疗效验证主要依靠临床主观评价，缺乏客观的影像学标准。磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技术利用多个不同方向的扩散敏感梯度对水分子扩散的各向异性进行量化检测，已成功地用于脑组织微观结构改变的定量分析及神经纤维束成像。早期的动物研究证实DTI能敏感地反映脊髓中水分子扩散各向异性的改变，从而有可能提供活体脊髓的细微病理生理结构变化的信息^[²^]，目前初步应用于包括脊髓肿瘤和脊髓损伤等脊髓疾病的临床研究中^[³^]。有报道称^[⁴^]，ADC图在检测脊髓压迫损伤方面较常规MRI图像能提供更多有价值的信息。本研究探索将DTI技术应用于脊髓型颈椎病检查，了解脊髓慢性损伤DTI参数特点及临床应用价值。

1　材料和方法

1.1　研究对象

对临床诊断为脊髓型颈椎病的31例患者行颈髓磁共振常规及DTI检查，男19例，女12例，年龄27~83岁，平均年龄56岁，主要临床表现为颈部疼痛、头晕、双肩痛及上肢麻木等。大多数患者表现为缓慢起病，进行性或突然加重，均有不同程度脊髓及脊髓神经根受压表现。

1.2　仪器设备

采用SIEMENS公司的Sonata 1.5 T超导型磁共振扫描机，采用Zoom模式，梯度场40 mT/m，切换率200 mT/m/ms，发射线圈使用体线圈，接受线圈采用四通道相控阵脊柱线圈。图像工作站为Leonado图形图像工作站，测量表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)和部分各向异性(fractional anisotropy, FA)值的分析软件为DTI TaskCard 1.69。

1.3　磁共振扫描

颈髓常规FSE序列扫描：所有患者均采用快速扰相位梯度回波序列进行定位扫描，使用快速自旋回波序列(FSE)完成矢状面T2WI及T1WI扫描。扫描参数T2WI：TR 3280 ms/TE 98 ms，T1WI：TR 501 ms/TE 11 ms，层厚3.0 mm，FOV 280 mm×250 mm，采集矩阵120×128。

颈髓DTI扫描：采用单次激发自旋回波平面序列(SE-EPI)行颈髓的矢状面成像，全部使用自动匀场和抑脂技术。扫描层面与常规矢状面扫描定位相同。扩散敏感梯度取12个方向，TR 2400 ms，TE 74 ms，FOV 280 mm×280 mm，矩阵120×128，层厚3.0 mm，层间距0，层数20，扩散加权系数(b)值分别取0、700 s/mm²,数据采集次数6，扫描时间为4分5秒。

1.4　图像后处理及数据分析

全部数据均存储在SIEMENS公司提供的Leonado图形图像工作站上，应用DTI TaskCard 1.69软件进行后处理生成颈髓矢状位DTI图。按常规矢状位T2WI中颈髓损伤病变区是否出现高信号，将患者分为阳性和阴性两组，在DTI后处理视窗的Zoom及3D模式下，在选定的脊髓层面内采用相同大小的感兴趣区(约2~3个像素大小)，分别放置于脊髓病变区中央，避开脑脊液和伪影的影响，在TRA、SAG、COR方向确认ROI设置准确，测其ADC值及FA值等，取与病灶相距2个椎体以上的相对正常区域测量脊髓DTI正常值。以常规T2WI矢状位图像中颈髓损伤病变处出现高信号为常规MRI(+)，以DTI彩色编码FA图示颈髓损伤病变处出现异常不均匀的浅绿色或黄色信号为DTI(+)，分别计算常规MRI与DTI两种检查方法对颈髓慢性病变检出的敏感度、特异度、阳性预测值(positive predictive value, PPV)、阴性预测值(negative predictive value, NPV)。

1.5　统计学处理

所有数据均在SPSS 10.0软件上进行统计学分析处理，计量资料用均值±标准差表示，分别进行各组数据的配对t检验和组间t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2　结果

31例脊髓型颈椎病患者的DTI均可以显示颈髓的影像及其内病变的异常信号，无明显变形和伪影。DTI图显示正常脊髓为较均匀的深蓝色信号，脑脊液呈红色均匀信号，病变区为不均匀的浅绿色或黄色信号。

2.1　颈髓病变常规T2WI高信号阳性组

9例(29%)患者常规T2WI图像出现颈髓病变处的高信号(图1)。DTI图像显示颈髓病变区更为广泛。9例患者颈髓T2高信号处ADC值及FA值统计结果见表1。结果显示颈髓慢性损伤处较正常部位ADC值明显升高(t=6.0450，P<0.01)；相应节段FA值明显下降(t=6.2461，P<0.01)。

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图1 同一患者。1A.常规T2WI示C5~6间盘水平颈髓受压并出现异常高信号；1B. ADC图示病变处出现信号增高；1C. DTI示病变区为不均匀的浅绿色或亮黄色信号，病变范围常规T2WI广泛，而正常脊髓为较均匀的深蓝色信号

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表1 9例颈髓病变常规T2WI高信号阳性组患者的ADC值与FA值测量结果

2.2　颈髓病变常规T2WI高信号阴性组

22例(71%)患者常规MRI未出现颈髓慢性压迫处T2WI高信号(图2)，其中7例(32%)其平均ADC值和相应节段FA较正常颈髓无统计学差异(F=1.303，P=0.306)；15例(68%)结果显示颈髓慢性损伤处较正常部位ADC值明显升高，ADC值及FA值统计结果见表2。测得的平均ADC值为(1055.07±80.61)×10^-6 mm²/s，有统计学意义(t=4.9765，P<0.01)；相应节段FA值明显下降，相应节段的平均FA值为(501.87±41.09)×10^-3，有统计学意义(t=8.6774，P<0.01)。

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图2 同一患者。2A.患者C4~5间盘突出但常规T2WI颈髓未出现异常高信号；2B. ADC图示病变处出现信号增高；2C. DTI示病变区为不均匀的浅绿色或亮黄色信号，病变范围广泛，而正常脊髓为较均匀的深蓝色信号

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表2 15例颈髓病变常规T2WI高信号阴性组的ADC值与FA值测量结果

2.3　常规MRI与DTI对颈髓慢性损伤检出的敏感度、特异度、PPV、NPV

常规MRI与DTI对颈髓病变检出的敏感度、特异度、阳性预测值(PPV)、阴性预测值(NPV)结果见表3。

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表3 常规T2WI与DTI对颈髓病变检出的敏感度、特异度、PPV、NPV

3　讨论

3.1　DTI技术在脊髓损伤的研究

脊髓损伤的年发病率约为(20~40)/100万，大量截瘫等严重功能残障患者带来巨大社会损失和经济负担。脊髓损伤的治疗侧重于减轻继发损伤，尽早抢救现存脊髓功能，尽早客观准确地评价脊髓慢性损伤程度就显得尤为重要。DTI技术通过敏感地反映脊髓中水分子扩散各向异性的改变，从而提供活体脊髓的细微病理生理结构变化信息，理论上^[⁵^]认为DTI测量所得的ADC值和FA值能反映脊髓损伤程度和修复期轴突再髓鞘化过程，因而初步应用于脊髓损伤动物模型^[⁶^]和临床研究^[⁷^]中。郑奎宏^[⁷^]等报道了36例健康志愿者颈髓ADC值、FA值、λ1、λ2、λ3值，为颈髓病变的早期诊断、病变程度及预测预后等提供了临床依据。王霄英^[⁶^]等在犬急性脊髓损伤后神经前体细胞移植模型实验证实DTI检测到脊髓损伤前、后不同时期动态ADC值与FA的变化，与脊髓损伤和修复过程病理学进展具有较好相关性。张劲松^[⁸^]等报道18例脊髓急性损伤患者72 h内行常规MRI和DWI检查，其中10例损伤病灶呈不同程度的DWI高信号，损伤部位较正常部分ADC值明显降低。

3.2　DTI在脊髓型颈椎病脊髓中的应用

脊髓型颈椎病是临床常见疾病，由于颈椎退行性变或椎间盘突出导致的颈髓节段性受压是颈髓慢性损伤形成的主要原因，其病理改变为颈髓动脉受压造成的慢性缺血和静脉充血及低氧等因素使脊髓灰、白质神经组织变性，包括髓鞘肿胀，髓鞘脱失，细胞消失，血管周围间隙出现脂质吞噬细胞，神经胶质增生，血管壁纤维化等。患者可以出现颈部疼痛、头晕、双肩痛及上肢麻木等一系列临床症状，严重者会出现偏身感觉障碍乃至截瘫等，外科脊髓减压术是目前最有效的治疗方法。Matsumoto^[⁹^]报道常规T2WI检出脊髓型颈椎病脊髓损伤的敏感度很低，仅为15%~65%。有报道称^[¹⁰^]对于脊髓慢性损伤T2WI异常高信号多提示不可逆性损伤。本研究中常规T2WI检测脊髓型颈椎病脊髓损伤的敏感度仅为29.0%，而DTI检出的敏感度则为67.7%。对于9例T2WI出现颈髓病变高信号患者，其DTI图像均出现病变区异常信号，ADC值明显升高，FA值降低，水分子扩散增强，分子各向异性降低的表现。22例T2WI未出现颈髓病变高信号患者中有15例(68%) DTI图像显示病变区异常信号，ADC值明显升高，FA值降低，仅7例(32%)DTI未见明显异常，说明DTI对颈髓慢性损伤检测的敏感度较高，表明DTI技术比常规T2WI更能检测出颈椎病脊髓病变。T2WI显示异常高信号患者，其病理过程多为晚期，多为不可逆性损伤，临床治疗效果甚微，DTI能在常规T2WI未出现异常信号前发现较为早期的损伤，为临床诊断治疗赢得了时机，降低了脊髓截瘫的发生，具有重要的临床价值。DTI对于脊髓型颈椎病诊断的特异度不高，本研究中仅为22.6%,这可能与设定DTI后处理阈值有关系，增大阈值，特异度随之提高，敏感度就降低，如何选择理想的阈值设定，降低假阳性也需在今后进一步研究。

脊髓软化、慢性缺血、脊髓水肿等多种因素均可导致T2WI出现高信号，且手术缓解压迫后，脊髓T2WI还可以继续维持一段时间高信号或者信号比以前增强，因为无法量化脊髓损伤的程度，所以我们无法准确了解病变进展程度及准确评估预后。本研究中，颈髓的ADC值正常值约为(960.10±61.63)×10^-6 mm²/s，FA值(607.19±66.73)×10^-3。9例颈髓病变T2WI高信号，其DTI显示病变处ADC值显著升高，平均ADC值为(1183.44±121.96)×10^-6 mm²/s，FA值显著降低，平均FA值为(432.56±59.97)×10^-3，说明脊髓慢性损伤过程中水分子沿垂直纤维束走形方向扩散增强，扩散的各向异性降低，也反应了脊髓变性等病理生理进展。Mamata^[¹¹^]等曾报道颈髓慢性损伤中ADC值升高为(1280±330)×10^-6 mm²/s，FA值为(460±120)×10^-3，与本研究相近。本研究中22例常规T2WI无异常信号的颈椎病患者中，15例(68%)ADC值升高，平均ADC值为(1055.07±80.61)×10^-6 mm²/s，FA值降低，平均FA值为(501.87±41.09)×10^-3，有统计学意义；而且相对于T2WI高信号阳性组，ADC值的升高及FA值降低不显著，推断脊髓损伤严重程度较T2WI高信号阳性组低。有研究报道^[⁸^]，脊髓急性损伤部分病灶中心出现ADC值降低，本研究未发生类似现象，可能与脊髓损伤特点、损伤程度不同及慢性损伤过程同时伴脊髓修复有关。T2WI高信号多提示脊髓不可逆性病变，推测ADC值(1183.44±121.96~1055.14±65.26)×10^-6 mm²/s，FA值(432.56±59.97~489.61±65.32)×10^-3是损伤从不可逆到可逆的变化范围，由于ADC值及FA值为可量化测量的数据，使得脊髓慢性损伤的诊断更为精确，为治疗方案提供及时准确的客观指征^[¹²^]，还可以动态随访观察评估治疗效果及预后，对脊髓传导障碍的程度和脊髓传导功能恢复进行客观评价^[¹³^]。本研究中，因为无法进行ADC值、FA值与病理学的对照研究，ADC值及FA值作为判定脊髓损伤程度标准的可靠性和精确性尚待进一步证实，将在后续研究中深入探讨DTI特性与组织病理学关系。

3.3　DTI对于脊髓慢性损伤研究的局限性

目前脊髓DTI研究尚处于实验室及临床初步研究阶段，难点在于脊髓细小，横断面直径仅为12 mm，需要克服脊髓周围脑脊液搏动伪影、吞咽、呼吸动作等运动及骨组织磁敏性伪影影响，脊髓慢性损伤后萎缩蛛网膜下腔相对增宽后，脑脊液动力学改变对测量的影响更加显著，扫描的低信噪比和部分容积效应，周围磁场的不均匀性，难以清晰显示图像^[¹⁴^]。成像相关技术，包括导航校正、多次激励EPI技术的应用、PPU门控等新技术还有待进一步成熟，这些都是脊髓DTI急待解决的问题^[¹⁵^]。本研究采用单次激发EPI扫描，单次激发EPI较之于多次激发EPI，对磁敏性伪影更敏感，而且分辨率低，在今后的研究中将优化扫描序列，改进扫描参数，探讨更适于脊髓显示的方案。此外，本研究中对脊髓型颈椎病病变ADC值、FA值特性评价及DTT神经纤维束结构走行都缺乏组织病理学金标准。

综上所述，本临床研究的结果显示，DTI技术对脊髓型颈椎病颈髓病变发现较常规MRI检查更早期、更精确，可以动态随访观察评估治疗效果及预后，对脊髓传导障碍的程度和脊髓传导功能恢复进行客观评价，是一种显示脊髓型颈椎病颈髓慢性损伤和指导预后的可靠影像学检查手段，具有广阔的临床应用前景。

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