趙才勇　陳興燦★

·綜述·

表觀彌散系數(shù)在腰椎間盤退變中的研究進(jìn)展

趙才勇陳興燦★

腰椎間盤退變是腰腿痛的主要原因之一，客觀、無(wú)創(chuàng)、早期定量評(píng)估腰椎間盤退變，對(duì)病變的預(yù)防、臨床診療及療效評(píng)估具有重要意義。MRI是目前診斷椎間盤退變最為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確而無(wú)損傷的檢查方法，常規(guī)磁共振T2WI強(qiáng)調(diào)退變椎間盤形態(tài)和信號(hào)的改變，缺乏椎間盤退變量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。椎間盤水分子彌散受損是椎間盤退變標(biāo)志性改變［1］，而彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）是目前唯一能檢測(cè)活體組織內(nèi)水分子彌散運(yùn)動(dòng)的無(wú)創(chuàng)性方法。通過(guò)測(cè)量表觀彌散系數(shù)值（apparent diffusion coefficient，ADC）可以定量評(píng)估椎間盤自由水的彌散運(yùn)動(dòng)，間接反映椎間盤蛋白多糖、膠原分子等微觀信息［2，3］，因此，ADC值對(duì)腰椎間盤退變的研究具有重要意義?，F(xiàn)就DWI-ADC值在腰椎間盤退變中的最新研究進(jìn)展綜述如下。

1　DWI基本原理

DWI是在自旋回波-回波平面序列180°相位重聚脈沖的兩側(cè)各施加一個(gè)彌散敏感梯度場(chǎng)，對(duì)于靜止的質(zhì)子，第1個(gè)梯度場(chǎng)引發(fā)的相散會(huì)被第2個(gè)梯度場(chǎng)完美的補(bǔ)償，信號(hào)不衰減；相反，運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子在施加第1個(gè)梯度場(chǎng)時(shí)快速相散，而第2個(gè)梯度場(chǎng)不能補(bǔ)償這種相散，信號(hào)衰減。因此，DWI圖在分子彌散運(yùn)動(dòng)較弱的區(qū)域顯示高信號(hào)，而分子彌散強(qiáng)烈區(qū)表現(xiàn)為低信號(hào)。

生物組織內(nèi)分子彌散程度常用表觀彌散系數(shù)表示，其計(jì)算公式如下：ADC=log［（S0/S1）/（b1-b0）］。b為彌散敏感參數(shù)，S0、S1分別代表DWI同一感興區(qū)對(duì)應(yīng)b值所得信號(hào)強(qiáng)度。因此，ADC值可以定量反映組織內(nèi)水分子的彌散運(yùn)動(dòng)，ADC值越大，水分子彌散運(yùn)動(dòng)越快，ADC圖表現(xiàn)為高信號(hào)。b值對(duì)ADC值及DWI圖像影響較大［4］。增加b值，增加了彌散權(quán)重，所測(cè)ADC值更真實(shí)、穩(wěn)定，但是降低了DWI圖像的信噪比；減小b值，ADC值受血流灌注影響大，不能真實(shí)反應(yīng)水分子的彌散運(yùn)動(dòng)，但是解剖結(jié)構(gòu)顯示較清晰［4］。因此，選擇合適的b值對(duì)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。

2　ADC值在腰椎間盤中的應(yīng)用

椎間盤是人體最大的缺血管組織，其營(yíng)養(yǎng)供給主要通過(guò)終板途徑，椎體血管內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)骨髓腔-血竇-軟骨終板界面進(jìn)行彌散，分子被動(dòng)彌散和溶液對(duì)流是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的主要機(jī)制，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少是引起椎間盤退變的主要原5%，較IV高10%，可能與椎間盤破裂導(dǎo)致水分子微觀自由運(yùn)動(dòng)加快有關(guān)。故該學(xué)者認(rèn)為ADC值在正常和退變椎間盤之間有較多部分重疊，根據(jù)目前的技術(shù)水平，所測(cè)的椎間盤ADC值臨床價(jià)值有限［10］。但該研究具有兩點(diǎn)不足之處：（1）該研究對(duì)象中未發(fā)現(xiàn)I級(jí)椎間盤，同時(shí)將正常椎間盤歸為III級(jí)。（2）61個(gè)V級(jí)椎間盤只成功測(cè)量了16個(gè)T2WI信號(hào)相對(duì)較高椎間盤的ADC值。所以，作者認(rèn)為ADC值與椎間盤退變程度的關(guān)系基本明確，ADC值定量評(píng)估椎間盤退變具有一定價(jià)值。

2.3解剖節(jié)段與ADC值的關(guān)系 腰椎間盤ADC值與解剖節(jié)段的關(guān)系國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道爭(zhēng)議較大。Kealey等［9］發(fā)現(xiàn)正常和退變腰椎間盤ADC值與解剖節(jié)段均相關(guān)，鄰近足側(cè)腰椎間盤ADC值較頭側(cè)低。國(guó)內(nèi)研究［14］亦得到相似的結(jié)果，考慮到下腰椎間盤機(jī)械負(fù)荷重，易發(fā)生退變有關(guān)。然而，另有文獻(xiàn)報(bào)道［10］ADC值與解剖節(jié)段無(wú)顯著性差異，與陳耀康等［15］研究結(jié)果相一致。此外，沈思等［16］對(duì)18～30歲青年志愿者行腰椎DWI掃描，結(jié)果顯示隨解剖節(jié)段的降低椎間盤ADC值的升高差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），推測(cè)這可能與椎間盤早期退變生化改變有關(guān)。椎間盤退變?cè)缙?，蛋白多糖濃度開(kāi)始下降，其中親水性的聚集蛋白聚糖下降尤為明顯，致使結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤肿訌浬⒃黾?，?dǎo)致ADC值升高，與先前學(xué)者對(duì)動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)椎間盤退變?cè)缙贏DC值升高相吻合［17］。根據(jù)以上文獻(xiàn)報(bào)道，可見(jiàn)解剖節(jié)段與ADC值的研究結(jié)果并不一致，可能跟研究對(duì)象不同有關(guān)。

2.4T2值與ADC值的關(guān)系 T2弛豫時(shí)間（T2值）是指橫向磁化弛豫衰減到最大信號(hào)強(qiáng)度的37%時(shí)所需時(shí)間，可以通過(guò)T2 Mapping技術(shù)進(jìn)行量化。研究顯示T2值與年齡、椎間盤退變呈負(fù)相關(guān)，并且能夠早期反映椎間盤含水量的變化，與膠原纖維排列、膠原含量相關(guān)，而蛋白多糖含量對(duì)其影響較?。?8］。因此，T2值和ADC值都能定量反映椎間盤退變微觀結(jié)構(gòu)的改變。同時(shí)，椎間盤T2信號(hào)強(qiáng)度與ADC值具有相關(guān)性［10］。但是，T2值和ADC值哪一個(gè)值更敏感于診斷早期椎間盤退變一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。Niu等［19］對(duì)健康志愿者和腰腿痛患者進(jìn)行腰椎T2WI和DWI檢查，I～I(xiàn)V級(jí)椎間盤T2值兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而I～Ⅲ級(jí)椎間盤ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），進(jìn)一步線性回歸分析顯示T2值與年齡的相關(guān)性比ADC值更顯著，表明比較ADC值，T2值診斷早期椎間盤退變更敏感。然而，Wu等［11］研究結(jié)果顯示不同解剖節(jié)段、年齡（青年組）與T2值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），卻與ADC值有顯著性差異（P＜0.05），表明ADC值比T2值診斷椎間盤退變更加敏感。

作者認(rèn)為，Pfirrmann分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有對(duì)T2WI髓核信號(hào)強(qiáng)度的要求。T2值主要體現(xiàn)椎間盤的含水量，而ADC值主要體現(xiàn)水分子的運(yùn)動(dòng)情況，營(yíng)養(yǎng)下降是椎間盤退變始動(dòng)因子，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)主要依賴于液體的彌散，所以水分子運(yùn)動(dòng)改變可能發(fā)生在T2值變化之前。綜上分析，與T2值比較，ADC值可能更加敏感的發(fā)現(xiàn)椎間盤早期退變改變。

2.5療效評(píng)價(jià)與ADC值的關(guān)系 研究顯示［5，20，21］，通過(guò)監(jiān)測(cè)治療前后椎間盤ADC值的變化，有助于客觀評(píng)估不同治療方法的有效性。Beattie等［21］通過(guò)ADC值檢測(cè)腰椎關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)前后椎間盤髓核區(qū)水分子彌散的變化，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后L5/ S1退變椎間盤ADC值增加，表明腰椎關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)有助于增加椎間盤水分子彌散運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)彌散是椎間盤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的主要機(jī)制，濃度差是被動(dòng)彌散轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力，腰椎關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)改善了椎間盤周圍局部循環(huán)，增加了與周圍血管、組織液之間的濃度差，彌散增加，這可能是退變椎間盤ADC值增加的原因。同時(shí)，彌散增加對(duì)退變椎間盤生化改變具有重要意義：（1）增加了椎間盤細(xì)胞內(nèi)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；（2）加速椎間盤內(nèi)代謝廢物的清除；（3）增加了椎間盤內(nèi)外壓力差［22］。因此，Beattie等［23］深入研究了退變椎間盤彌散變化與臨床表現(xiàn)的關(guān)系。Beattie等［23］對(duì)20例腰背痛患者進(jìn)行了10min的腰椎手法治療，且在治療前后各行1次DWI檢查和疼痛評(píng)分，結(jié)果顯示疼痛明顯減輕組L5/S1髓核區(qū)ADC值增加4.2%，疼痛變化不明顯組ADC值減少1.6%。Beattle等［5］通過(guò)改變治療方法和增加治療時(shí)間，結(jié)果再次顯示疼痛明顯減輕組腰椎間盤ADC值升高，而疼痛變化不明顯組ADC值無(wú)變化或下降，兩者變化差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），表明腰背痛患者疼痛強(qiáng)度的改善較大程度上與椎間盤ADC值增加有關(guān)。然而，椎間盤彌散增加與患者疼痛緩解之間準(zhǔn)確的理論機(jī)制并未明確，以及相同的物理治療后部分患者腰痛和彌散并未改善的具體原因有待進(jìn)一步研究。

3　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，ADC值對(duì)腰椎間盤退變?cè)\斷、療效評(píng)估及退變機(jī)制的研究具有一定價(jià)值。然而，ADC值的變化與退變椎間盤病理改變、患者臨床表現(xiàn)之間相關(guān)機(jī)制有待深入研究；單純ADC值對(duì)椎間盤退變定量研究具有一定的局限性，須同時(shí)結(jié)合其他定量MRI技術(shù)（T2 mapping、T1rho成像）；DWI對(duì)運(yùn)動(dòng)十分敏感，對(duì)磁場(chǎng)的均勻性要求較高，磁敏感偽影較重。隨著MRI成像技術(shù)的發(fā)展，圖像后處理軟件的開(kāi)發(fā)，DWI-ADC值對(duì)椎間盤影像學(xué)的研究將具有重大意義。

1 Beattie PF， Morgan PS， Peters D. Diffusion-weighted magnetic resonance imaging of normal and degenerative lumbar intervertebral discs：a new method to potentially quantify the physiologic effect of physical therapy intervention . J Orthop Sports Phys Ther， 2008，38（2）：42～49.

2 Antoniou J， Demers CN， Beaudoin G， et al. Apparent diffusion coefficient of intervertebral discs related to matrix composition and integrity . Magn Reson Imaging， 2004，22（7）：963～972.

3 Antoniou J， Epure LM， Michalek AJ， et al. Analysis of quantitative magnetic resonance imaging and biomechanical parameters on human discs with different grades of degeneration . J Magn Reson Imaging，2013， 38（6）：1402～1414.

4 Ichikawa T， Haradome H， Hachiya J et al. Diffusion-weighted MR imaging with single-shot echo-planar imaging in the upper abdomen：preliminary clinical experience in 61 patients . Abdom Imaging， 1999，24（5）：456～461.

5 Beattie PF， Butts R， Donley JW， et al. The within-session change in low back pain intensity following spinal manipulative therapy is related to differences in diffusion of water in the intervertebral discs of the upper lumbar spine and L5-S1 . J Orthop Sports Phys Ther， 2014，44（1）：19～29.

6 Kerttula L， Kurunlahti M， Jauhiainen J， et al. Apparent diffusion coefficients and T2 relaxation time measurements to evaluate disc degeneration. A quantitative MR study of young patients with previous vertebral fracture . Acta Radiol， 2001，42（6）：585～591.

7 謝學(xué)斌，劉錚健，鄧小雯，等. MR-DWI在腰椎間盤變性診斷中的價(jià)值 . 臨床放射學(xué)雜志， 2006，25（7）：687～689.

8 Maasumi K， Tehranzadeh J， Muftuler LT， et al. Assessment of the Correlation between Apparent Diffusion Coefficient and Intervertebral Disk Degeneration Using 3 Tesla MRI . Neuroradiol J，2011，24（4）：593～602.

9 Kealey SM， Aho T， Delong D， et al. Assessment of apparent diffusion coefficient in normal and degenerated intervertebral lumbar disks： initial experience . Radiology， 2005， 235（2）： 569～574.

10 Niinimaki J， Korkiakoski A， Ojala O， et al. Association between visual degeneration of intervertebral discs and the apparent diffusion coefficient . Magn Reson Imaging， 2009，27（5）：641～647.

11 Wu N， Liu H， Chen J， et al. Comparison of apparent diffusion coefficient and T2 relaxation time variation patterns in assessment of age and disc level related intervertebral disc changes . PLoS One，2013，8（7）： e69052.

12 Katsura M， Suzuki Y， Hata J， et al. Non-gaussian diffusionweighted imaging for assessing diurnal changes in intervertebral disc microstructure. J Magn Reson Imaging， 2014，40（5）：1208～1214.

13 趙建，郭智萍，王林峰，等. 腰痛患者腰椎3.0TMR彌散加權(quán)成像腰椎間盤表觀彌散系數(shù)與椎間盤退變分級(jí)的相關(guān)性. 中國(guó)脊柱脊髓雜志， 2013，23（12）：1074～1078.

14 俎金燕，王晨光，賈寧陽(yáng)，等.腰椎間盤退行性變的磁共振彌散加權(quán)成像研究.實(shí)用放射性雜志， 2013，29（4）：611～614.

15 陳耀康，楊漢豐，杜勇，等. 正常成人腰椎間盤ADC值的初步測(cè)定. 中國(guó)CT和MRI雜志， 2013，11（4）：111～114.

16 沈思，王昊，汪飛，等.DWI和DTI對(duì)腰椎間盤早期退變的診斷價(jià)值.暨南大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（4）：409～413.

17 Antoniou J， Mwale F， Demers CN， et al. Quantitative magnetic resonance imaging of enzymatically induced degradation of the nucleus pulposus of intervertebral discs . Spine（Phila Pa 1976）， 2006，31（14）：1547～1554.

18 Mwale F， Iatridis JC， Antoniou J. Quantitative MRI as a diagnostic tool of intervertebral disc matrix composition and integrity . Eur Spine J，2008， 17（Suppl 4）：432～440.

19 Niu G， Yang J， Wang R，et al. MR imaging assessment of lumbar intervertebral disk degeneration and age-related changes： apparent diffusion coefficient versus T2 quantitation . AJNR Am J Neuroradiol，2011， 32（9）：1617～1623.

20 Cselik Z， Aradi M， von Jako RA， et al. Impact of infrared laser lightinduced ablation at different wavelengths on bovine intervertebral disc ex vivo： evaluation with magnetic resonance imaging and histology . Lasers Surg Med， 2012，44（5）：406～412.

21 Beattie PF， Donley JW， Arnot CF， et al. The change in the diffusion of water in normal and degenerative lumbar intervertebral discs following joint mobilization compared to prone lying . J Orthop Sports Phys Ther， 2009， 39（1）：4～11.

22 Adams MA， Roughley PJ. What is intervertebral disc degeneration， and what causes it？ Spine （Phila Pa 1976）， 2006， 31（18）：2151～2161.

23 Beattie PF， Arnot CF， Donley JW， et al. The immediate reduction in low back pain intensity following lumbar joint mobilization and prone press-ups is associated with increased diffusion of water in the L5-S1 intervertebral disc . J Orthop Sports Phys Ther， 2010，40（5）：256～264.

南京軍區(qū)科研基金（10MA128）；浙江省醫(yī)學(xué)會(huì)臨床科研基金（2011ZYC-A43）

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