曾菲菲，査云飛，2*，胡磊，林苑，龔?fù)?，陳翩翩，柳柏玉，陸雪?/p>

腰椎間盤退行性改變被認(rèn)為是下腰痛的首要病因[1]。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)目前是診斷椎間盤病變的首選方法。常規(guī)MR圖像可反映椎間盤的信號強(qiáng)度和形態(tài)學(xué)改變，但不能客觀量化椎間盤退變程度及椎間盤微結(jié)構(gòu)的改變。

擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)基于非高斯擴(kuò)散理論，通過二階三維擴(kuò)散張量聯(lián)合四階三維峰度張量來描述水分子擴(kuò)散的受限過程，能夠比擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)更加敏感地反映組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。DKI技術(shù)可敏感地反映組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散能力和組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[2-5]。目前，DKI技術(shù)主要用于評價中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變、頭頸惡性腫瘤、頸部淋巴結(jié)、肺部小氣道疾病及前列腺癌的早期超微結(jié)構(gòu)改變[6]。本研究探討DKI定量參數(shù)與腰椎間盤Pfirrmann分級、椎間盤節(jié)段及受試者性別之間的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

臨床因腰腿痛在武漢大學(xué)人民醫(yī)院擬診腰椎間盤病變的受檢者81例，男31例，女50例，年齡22～66歲，平均(36.5±15.5)歲，男性平均年齡(37.7±16.4)歲，女性平均年齡(35.7±14.5)歲。剔除標(biāo)準(zhǔn)：長期體力勞動史、急慢性外傷史、截癱、肥胖、脊柱手術(shù)或放療史、嚴(yán)重的脊柱側(cè)彎和脊柱后凸畸形、腫瘤、結(jié)核。本研究由武漢大學(xué)人民醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 檢查設(shè)備及方法

采用3.0 T超導(dǎo)MR (Discovery 750 Plus, GE Healthcare)全脊柱相控陣線圈進(jìn)行檢查。對所有受檢者均于18:00-22:00行仰臥位檢查，采集腰椎矢狀位T2WI、DKI圖像。(1)矢狀位T2WI采用FRFSE序列，掃描參數(shù)：TR 2500 ms，TE 120 ms，層厚4.0 mm，層間距0.5 mm，F(xiàn)OV 300 mm×300 mm，掃描矩陣352×320。(2) DKI采用單次激發(fā)自旋回波平面成像序列，掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 71.7 ms，層厚4.0 mm，層間距0.5 mm，F(xiàn)OV 300 mm×150 mm，掃描矩陣128×128，b=0 s/mm2、1000 s/mm2、2000 s/mm2，30個擴(kuò)散磁敏感方向。

1.3 圖像處理

腰椎間盤矢狀位T2WI參照Pfirrmann分級系統(tǒng)進(jìn)行退變程度分級[7]，Ⅰ級：髓核結(jié)構(gòu)均一、亮白；髓核信號強(qiáng)度與腦脊液相當(dāng)；髓核纖維環(huán)后部分界清晰；椎間盤高度正常。Ⅱ級：髓核結(jié)構(gòu)不均，可有水平帶；髓核信號強(qiáng)度與腦脊液相當(dāng)；髓核纖維環(huán)后部分界清晰；椎間盤高度正常。Ⅲ級：髓核結(jié)構(gòu)不均；髓核信號強(qiáng)度中度降低，呈灰色；髓核纖維環(huán)后部分界不清；椎間盤高度輕度降低。Ⅳ級：髓核結(jié)構(gòu)不均；髓核信號強(qiáng)度降低，呈灰色或黑色；髓核纖維環(huán)后部分界消失；椎間盤高度中度降低。Ⅴ級：髓核結(jié)構(gòu)不均；髓核呈黑色；髓核纖維環(huán)后部分界消失；椎間盤高度重度降低。以上圖像分析由兩位具有10年以上臨床MRI診斷經(jīng)驗(yàn)豐富的副主任醫(yī)師完成。

腰椎間盤DKI原始圖像采用AW4.6后處理工作站(GE Healthcare) Function tool軟件包中的DKI軟件進(jìn)行分析處理。在DKI腰椎正中矢狀位層面手動繪制類圓形感興趣區(qū)(region of interest，ROI)覆蓋髓核區(qū)(如圖1)，感興趣區(qū)的大小為30～50 mm2，避開上下椎體的軟骨終板及腦脊液，在相應(yīng)的偽彩圖上記錄髓核(nucleus pulposus，NP)的平均擴(kuò)散峰度(mean kurtosis，MK)、平均擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusivity，MD)值，每個椎間盤測量3次，然后計算取平均值。

圖1 A：常規(guī)T2WI圖像，L1/L2、L2/L3椎間盤為Ⅰ級，L3/4、L4/L5椎間盤為Ⅱ級，L5/S1椎間盤為III級；B：DKI原始圖(b0)；C：MK偽彩圖，隨著髓核T2WI信號降低，髓核顏色由低值深藍(lán)色向中值綠色變化；D：MD偽彩圖，隨著髓核T2WI 信號降低，髓核顏色由綠色向低值淡藍(lán)色變化Fig. 1 A: Sagittal T2-weighted MRI shows grade Ⅰ at L1/L2 and L2/L3 level, grade Ⅱ at L3/L4 and L4/L5 level,grade III at L5/S1 level; B: DKI image (b0); C: MK map shows that the color of nucleus pulposus changes from dark blue to green with the decreasing of the signal in T2WI; D: MD map shows that the color of nucleus pulposus changes from green to light blue with the decreasing of the signal in T2WI.

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 22.0軟件，采用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較的LSD-t檢驗(yàn)分析不同Pfirrmann級別椎間盤髓核的MK、MD值差異，并進(jìn)行Spearman等級相關(guān)性檢驗(yàn)；采用ANOVA和多重比較的LSD-t檢驗(yàn)分析不同椎間盤節(jié)段間髓核MK、MD值的差異；髓核MK、MD值性別差異采用成組t檢驗(yàn)；P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

共納入405個腰椎間盤進(jìn)行研究，分布于L1～S1椎間盤層面。髓核的MK、MD值在Ⅰ～Ⅴ級椎間盤分級間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(表1)，兩兩比較結(jié)果顯示，不同分級組間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，MK值與Pfirrmann分級呈顯著正相關(guān)(r=0.922，P＜0.01)，MD值與Pfirrmann分級呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.921，P＜0.01)。

L5/S1節(jié)段MK值(0.89±0.32)高于L1/L2(0.82±0.14)、L2/L3 (0.84±0.23) (P＜0.05)；L5/S1節(jié)段MD值(1.83±0.32)低于L1/L2(1.89±0.14)、L2/L3 (1.86±0.19) (P＜0.05)；余節(jié)段間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。各節(jié)段椎間盤MK及MD值性別差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05) (表2)。

表1 不同Pfirrmann分級腰椎間盤髓核MK、MD值比較Tab. 1 MK and MD values of nucleus pulposus with different Pfirrmann grades

表2 各節(jié)段椎間盤髓核MK、MD值的性別差異比較Tab. 2 Comparison of nucleus pulposus MK and MD values between male and female at different disc levels

3 討論

DKI基于非高斯分布模型，可以真實(shí)地反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動的能力，并且可敏感地反映組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。目前臨床應(yīng)用較多的擴(kuò)散序列如擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted image，DWI)、擴(kuò)散張量成像等利用的是水分子高斯分布模型，然而，生物組織內(nèi)水分子擴(kuò)散受到各種限制，并非完全自由擴(kuò)散，此時常規(guī)DWI及DTI模型模擬水分子的信號衰減就可能存在較大誤差。DKI技術(shù)可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，DKI不僅對水分子擴(kuò)散反應(yīng)更敏感，而且可以提供比DWI和DTI更多結(jié)構(gòu)信息[6,8]。MK值是水分子沿空間各方向擴(kuò)散峰度的平均值，MK值越大表明擴(kuò)散受限越嚴(yán)重，成分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；MD反映水分子在組織空間內(nèi)的平均擴(kuò)散系數(shù)，與組織內(nèi)自由水含量有關(guān)[2]。本研究中，NP的MK值與Pfirrmann分級呈顯著正相關(guān)，MD值與Pfirrmann分級呈顯著負(fù)相關(guān)，說明隨著椎間盤退變程度的加劇，椎間盤蛋白多糖合成的數(shù)量和質(zhì)量下降，椎間盤內(nèi)膠原纖維的排列方式由有序向無序的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而造成MK值增加；髓核儲水能力受限，含水量逐漸減少，膠原纖維成分逐漸增加，椎間盤內(nèi)水分子擴(kuò)散受限加重[9]，從而導(dǎo)致髓核MD值降低。而且，即使在常規(guī)序列認(rèn)為是正常的I級椎間盤中，髓核的MK及MD值也存在差異，說明部分I級椎間盤可能已有微結(jié)構(gòu)和水分子改變，有向II級椎間盤潛在變化的趨勢。因此，MK及MD值可通過對椎間盤組織微結(jié)構(gòu)及水分子擴(kuò)散能力的改變提示早期椎間盤退變。Li等[10]對SD大鼠尾椎間盤退變模型進(jìn)行T2WI、DWI、DKI掃描，發(fā)現(xiàn)隨著椎間盤退變程度的增加(I級至II級)，表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)減低，MK值增加，而MD值改變無統(tǒng)計學(xué)意義，而且MK值評價椎間盤退變具有較高的敏感度。

Katsura等[11]利用與DKI成像類似的非高斯分布模型Q-space imaging(QSI)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)腰椎間盤晚上的峰度系數(shù)(apparent kurtosis coefficient，AKC)明顯高于早上。祝婷婷等[12]對20名青年志愿者椎間盤早晚進(jìn)行DWI掃描發(fā)現(xiàn)椎間盤的ADC值在早晨高于晚上，提示椎間盤機(jī)械壓力使得髓核水分子擴(kuò)散能力下降且結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，因此本研究的志愿者均在晚上進(jìn)行掃描。雖然QSI與DKI均屬于非高斯分布模型，但DKI更有優(yōu)勢。因?yàn)镼SI為達(dá)到超高b值對掃描設(shè)備要求非常高，而且掃描時間長，所以DKI技術(shù)更適宜于臨床。

劉耀升等[13]對腰椎間盤節(jié)段運(yùn)動生物力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)腰椎間盤解剖位置越低，其所受應(yīng)力越大，退變可能性越大。本研究發(fā)現(xiàn)的L5/S1節(jié)段MK值低于L1/L2、L2/L3節(jié)段、L5/S1節(jié)段MD值低于L1/L2、L2/L3節(jié)段，該結(jié)果與上述研究的結(jié)論相符。由于低位腰椎間盤發(fā)生早期退變的可能性較高位腰椎間盤大[14]，從而引起MK及MD值的變化，L5/S1椎間盤MK和MD值變化最明顯，這一結(jié)果也為椎間盤變性好發(fā)于低位提供了臨床依據(jù)。

本研究結(jié)果顯示髓核MK、MD值評價椎間盤退變無性別差異，但目前椎間盤退變的性別差異仍然存在部分爭議。Siemionow等[15]通過對不同性別、種族人群進(jìn)行對比分析，認(rèn)為椎間盤退變不同節(jié)段性別無差異。Li等[10]發(fā)現(xiàn)椎間盤高度、ADC、MK值在I級椎間盤存在性別差異，認(rèn)為雌鼠和雄鼠的正常椎間盤微觀結(jié)構(gòu)存在差異。目前，已有觀點(diǎn)認(rèn)為，由于較強(qiáng)的機(jī)械壓力及外傷發(fā)生率，年輕男性較年輕女性更易發(fā)生椎間盤退變；而在老年群體中，女性的椎間盤退變較男性更嚴(yán)重，可能與雌激素缺乏直接或間接影響椎體骨髓灌注從而加速椎間盤退變有關(guān)[16]。

本研究的局限性：(1) DKI所需要的b值較大，造成信噪比下降；高階的峰度成像較擴(kuò)散更容易出現(xiàn)點(diǎn)狀偽影；(2)本研究結(jié)果缺乏相應(yīng)的椎間盤超微病理組織對照研究，開展椎間盤退變動物模型DKI基礎(chǔ)研究十分必要；(3)本試驗(yàn)僅對髓核進(jìn)行DKI研究，未開展前纖維環(huán)、后纖維環(huán)的MK和MD值測量，因此DKI技術(shù)對纖維環(huán)的診斷價值有待進(jìn)一步研究。

總之，DKI成像可用于定量評價早期椎間盤退變，MK及MD值與Pfirrmann分級、椎間盤節(jié)段具有相關(guān)性，而與性別差異無明顯相關(guān)性。

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