正常頸髓擴(kuò)散張量成像擴(kuò)散參數(shù)的影響因素和相關(guān)性研究

第二軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科(上海 200433)

陳士躍

論 著

正常頸髓擴(kuò)散張量成像擴(kuò)散參數(shù)的影響因素和相關(guān)性研究

第二軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科(上海 200433)

陳士躍

目的探討在正常成人頸段脊髓磁共振擴(kuò)散張量成像(DTI)中脊髓節(jié)段、軸索及年齡因素對其擴(kuò)散系數(shù)(ADC)值和各向異性分?jǐn)?shù)(FA)值的影響。方法36例健康志愿者按年齡分成3組接受常規(guī)頸椎3.0T磁共振成像(MRI)及頸髓DTI檢查；根據(jù)頸椎體解剖定位，頸髓分為上段(C1/2-C2/3)、中段(C3/4-C4/5)及下段(C5/6-C6/7)，各節(jié)段應(yīng)用感興趣區(qū)法測量脊髓中央灰質(zhì)和白質(zhì)(前索、側(cè)索、后索)的ADC和FA值。結(jié)果正常成人頸髓灰、白質(zhì)不同節(jié)段之間ADC和FA值均存在統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)，頸髓白質(zhì)不同軸索之間ADC和FA值存在統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)，不同年齡組之間的ADC和FA值均存在統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)。頸髓白質(zhì)前索上段ADC與年齡不具有相關(guān)性，前索下段的ADC值與年齡正相關(guān)，其余頸髓白質(zhì)及中央灰質(zhì)的ADC和FA值均與年齡負(fù)性相關(guān)。結(jié)論正常頸髓的擴(kuò)散能力和擴(kuò)散各向異性受到年齡、節(jié)段和軸索因素的影響，對頸髓疾病的DTI研究應(yīng)綜合考慮上述因素。

磁共振；擴(kuò)散張量成像；表觀擴(kuò)散系數(shù)；各向異性分?jǐn)?shù)

脊髓的損傷變性常見于頸椎病、多發(fā)性硬化、視神經(jīng)脊髓炎、肌萎縮側(cè)索硬化癥和外傷患者。磁共振擴(kuò)散張量成像(dif fusion tensor imaging,DTI)能反映腦脊髓內(nèi)水分子空間擴(kuò)散軌跡及水分子活動自由度，通過對體素擴(kuò)散參數(shù)量化分析可以顯示腦、脊髓白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)纖維束的走行、密度及神經(jīng)纖維束髓鞘完整性[1-3]，因此，本研究運用DTI技術(shù)對不同年齡段正常人的頸髓灰白質(zhì)分節(jié)段進(jìn)行全面的特征分析，來探討正常成人頸髓中節(jié)段、年齡因素對其擴(kuò)散系數(shù)(ADC)值和各向異性分?jǐn)?shù)(FA)值的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會同意，在常規(guī)頭顱、頸椎MRI排除志愿者罹患頸椎病、脊柱外傷及腦與脊髓神經(jīng)系統(tǒng)疾病后，在體檢人群中招募健康志愿者36例(男22例，女14例，平均年齡51.3 歲)，受檢者被告知DTI檢查過程并簽署知情同意書。健康志愿者在研究中按每20歲一個年齡段進(jìn)行分組，共分成3組：青年組，年齡20～40歲；中年組，年齡41～60歲；老年組，年齡61～80歲。

1.2 納入標(biāo)準(zhǔn)納入標(biāo)準(zhǔn)為：(1)臨床上無明確神經(jīng)系統(tǒng)癥狀或陽性體征；(2)無既往神經(jīng)系統(tǒng)疾病；(3)頸椎MRI檢查未發(fā)現(xiàn)異常信號。所有MRI掃描圖像由兩位資深影像診斷醫(yī)師進(jìn)行觀察并判斷，經(jīng)兩位醫(yī)師判斷正常者作為納入研究對象。

1.3 磁共振檢查MRI設(shè)備采用3.0T超導(dǎo)磁共振成像儀(Signa HDxt，GE Heal thcare，USA)上完成，其梯度場強(qiáng)為40mT/m(切換率為150mT/ms-1)，MR信號接收采用NV-ful l 8通道相控陣線圈。DTI檢查采用單次激發(fā)自旋回波平面回波成像(SS-SE-EPI)序列，彌散加權(quán)系數(shù)b值設(shè)置為0、1000s/ mm2，擴(kuò)散敏感梯度方向設(shè)置為15，射頻帶寬為250kHZ，完成DTI掃描時間共需4分24秒。掃描參數(shù)見表1。

1.4 DTI圖像分析在獨立工作站采用專用軟件(Func t ion 6.3.13,美國GE公司)對DTI數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，DTI原始數(shù)據(jù)在處理前還需用Cor rect程序?qū)M(jìn)行校正以減少圖像變形及偽影。參考T2WI 和DTI(b=0)圖像，分節(jié)段測量不同年齡組頸髓灰白質(zhì)ADC值和FA值，C1/C2、C2/C3椎間盤層面定義為頸髓上段，C3/C4、C4/C5層面定義為中段、C5/C6、C6/C7層面定義為下段(圖1)。

參照Yoo等[1]研究，手工選擇感興趣區(qū)(range of interest, ROI)在軸位DTI(b=0)的圖像上提取ADC值和FA值，具體方法為：在白質(zhì)的前索、側(cè)索、后索以及中央灰質(zhì)的左右各劃取一個面積約4mm2的ROI并記錄其ADC、FA值(圖2)，相同層左右對稱部位ROI取值平均后用于統(tǒng)計學(xué)分析[4]。脊髓白質(zhì)ROI盡量置于內(nèi)側(cè)以避免腦脊液流動影響。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析采用SPSS18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及分析，計量資料采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)形式表示，頸髓白質(zhì)不同軸索與中央灰質(zhì)之間、不同年齡組及不同節(jié)段之間的參數(shù)值差異采用單因素方差分析，并采用Schef fe進(jìn)行兩兩之間的比較，不同性別之間的比較采用t檢驗，ADC和FA值與年齡之間的相關(guān)性采用Spearman相關(guān)性分析，檢驗水準(zhǔn)α(雙側(cè))=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 不同節(jié)段頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值所有被檢者的DTI圖像均可較清晰顯示脊髓組織。不同節(jié)段頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值見表2。正常頸髓中央灰質(zhì)不同節(jié)段之間的ADC值、FA值相比，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。正常頸髓白質(zhì)(前索、側(cè)索與后索)不同節(jié)段之間的ADC值相比，除側(cè)索外，均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P ＜0.05)，進(jìn)一步兩兩比較，除前索、后索的上段與中段外，其余不同節(jié)段之間ADC值差異均存在統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；正常頸髓白質(zhì)不同節(jié)段之間的FA值相比，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，進(jìn)一步兩兩比較，除了前索、后索的中段與下段外，其余不同節(jié)段之間FA值差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。

正常頸髓灰、白質(zhì)相同節(jié)段(上段、中段與下段)的ADC 和FA值比較，不同部位的相同節(jié)段的ADC值差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=194.99；F=167.5；F=104.05，均P＜0.001)，進(jìn)一步兩兩比較，前索與側(cè)索在上段和中段的ADC值差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，前索與灰質(zhì)在下段的ADC值差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，其余不同部位的相同節(jié)段ADC值均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。不同部位的相同節(jié)段的FA值差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=269.21；F=109.8；F=170.5，均P＜0.001)，進(jìn)一步兩兩比較，各部位相同節(jié)段之間的FA值差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，見表2。

2.2 不同年齡頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值不同年齡組頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值見表3。結(jié)果表明，正常頸髓中央灰質(zhì)不同年齡組之間的ADC值相比，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=8.61，P ＜0.05)，進(jìn)一步兩兩比較，各年齡組灰質(zhì)ADC值差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；正常頸髓中央灰質(zhì)不同年齡組之間的FA值相比，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=23.64, P＜0.001)，進(jìn)一步兩兩比較，除了中年組與老年組外，各年齡組灰質(zhì)FA值差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。

正常頸髓白質(zhì)(前索、側(cè)索與后索)不同年齡組之間的ADC值相比，均具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=3.54；F=25.69；F=23.34，均P＜0.05)，進(jìn)一步兩兩比較，老年組與中年組、中年組與老年組的前索部位，中年組和老年組的后索部位，ADC值差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，其余不同年齡組之間ADC值差異均存在統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；正常頸髓白質(zhì)不同年齡組之間的FA值相比，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=19.04；F=18.81；F=9.95，均P＜0.001)，進(jìn)一步兩兩比較，青年組和老年組的前索、中年組與老年組的后索FA值相比，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，其余不同年齡組之間FA值差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。

2.3 不同性別頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值不同性別頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值見表4。結(jié)果表明，正常頸髓中央灰質(zhì)不同性別之間的ADC值、FA值相比，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=0.667；F=0.687，P＞0.05)；正常頸髓白質(zhì)(前索、側(cè)索與后索)不同性別之間的ADC值、FA值相比，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(F=0.375，F(xiàn)=0.66；F=0.596，F(xiàn)=0.749；F=0.2 6 1，F(xiàn)=0.8 3 3，均P＞0.05)，見表4。

2.4 年齡與頸髓灰白質(zhì)的ADC和FA值相關(guān)性分析使用Spearman相關(guān)性分析研究不同節(jié)段頸髓白質(zhì)和中央灰質(zhì)的ADC、FA值與年齡之間的相關(guān)性。年齡與前索上段ADC不具有相關(guān)性(r=0.182,P＞0.05)，其余節(jié)段頸髓白質(zhì)和中央灰質(zhì)的ADC、FA值與年齡之間均具有相關(guān)性，其中前索下段的ADC值與年齡呈正相關(guān)，其余節(jié)段頸髓白質(zhì)和中央灰質(zhì)的ADC、FA值與年齡均呈負(fù)性相關(guān)。

表1 MRI掃描序列參數(shù)

表2 不同節(jié)段頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值

表3 不同年齡組頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值

表4 不同性別頸髓灰、白質(zhì)的ADC和FA值

3 討 論

磁共振DWI、DTI可通過檢測活體組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散速度和方向性，能顯示脊髓白質(zhì)內(nèi)纖維束的疏密程度和結(jié)構(gòu)完整性。2002年，Ries等[5]對頸椎病患者的研究首先提出DTI能檢查出常規(guī)MRI不能發(fā)現(xiàn)的脊髓損傷病灶。有關(guān)頸椎病、多發(fā)性硬化DTI的研究[5-6]結(jié)果顯示頸髓DTI能展示常規(guī)MRI不能發(fā)現(xiàn)頸髓早期改變，并能對原發(fā)性多發(fā)性硬化癥中神經(jīng)軸索損傷的范圍和活動性膠質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，可能有助于頸椎病、多發(fā)性硬化患者中脊髓功能損傷的分級、病情監(jiān)測和效療評價。ADC增加可以準(zhǔn)確反映組織含水量的增加，表明組織內(nèi)自由水分子增加[7]。FA是擴(kuò)散張量各向異性成分與整個擴(kuò)散張量的比值，是各向異性的常見指標(biāo)，可以反映白質(zhì)纖維束對水分子擴(kuò)散的限制以及髓鞘化程度。

圖1 矢狀位T2W1圖像。測量C1-C7椎間盤層面精髓的DTI參數(shù)值，左列為各個椎間盤平面的ADC圖，右列為各個平面的FA圖。圖2-4 勾畫ROI。A-C分別為b=0的DTI圖、ADC圖和FA圖。

本研究中，我們運用DTI技術(shù)，分析了正常成人頸髓不同節(jié)段(上段，中段及下段)的白質(zhì)和灰質(zhì)的ADC和FA水平，結(jié)果表明正常頸髓中央灰質(zhì)不同節(jié)段之間的ADC值、FA值相比，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，白質(zhì)不同節(jié)段之間的ADC和FA值相比，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，而且上段ADC和FA值均大于下段，不同節(jié)段中央灰質(zhì)ADC和FA值均小于白質(zhì)，這與中央灰質(zhì)的組分有關(guān)[8]。我們進(jìn)一步考察了正常成人頸髓白質(zhì)不同軸索(前索，側(cè)索和后索)之間的ADC和FA值的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)不同軸索之間的ADC和FA值存在差異(P＜0.05)，具體表現(xiàn)為ADC在前索，側(cè)索和后索中逐漸升高，F(xiàn)A在側(cè)索中水平最高，前索和后索中水平相當(dāng)，提示檢測白質(zhì)DTI參數(shù)時，需要考慮不同軸索之間的區(qū)別。

同時，本研究比較了不同年齡段和性別之間頸髓灰、白質(zhì)ADC 和FA值的差異，發(fā)現(xiàn)正常頸髓中央灰、白質(zhì)不同年齡組之間的ADC 和FA值相比，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，ADC和FA值隨年齡的增加有降低的趨勢；而男性和女性的ADC和FA值相比，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，提示ADC和FA值與年齡因素相關(guān)，而與性別因素?zé)o關(guān)，隨年齡的增長椎管開始狹窄，導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)值減少，與文獻(xiàn)報道一致[9]。我們進(jìn)一步分析了年齡與頸髓灰白質(zhì)的ADC和FA值的相關(guān)性，我們發(fā)現(xiàn)年齡與前索上段ADC不具有相關(guān)性，其余節(jié)段頸髓白質(zhì)和中央灰質(zhì)的ADC、FA值與年齡之間均具有相關(guān)性，其中前索下段的ADC值與年齡呈正相關(guān)，其余節(jié)段頸髓白質(zhì)和中央灰質(zhì)的ADC、FA值與年齡均呈負(fù)性相關(guān)。

綜上所述，DTI能夠提供完整的頸髓功能圖，并可對頸髓進(jìn)行量化評估。不同節(jié)段之間的頸髓灰質(zhì)的擴(kuò)散能力和擴(kuò)散各向異性基本相同，不同節(jié)段之間的頸髓白質(zhì)的擴(kuò)散能力和擴(kuò)散各向異性存在差異，不同軸索白質(zhì)的擴(kuò)散能力和擴(kuò)散各向異性存在差異，性別因素對頸髓的擴(kuò)散能力及各向異性影響不顯著，年齡因素對頸髓的擴(kuò)散能力及各向異性具有顯著影響，正常頸髓的擴(kuò)散及各向異性與年齡存在相關(guān)性。運用DTI對頸髓疾病進(jìn)行研究時，應(yīng)充分考慮到年齡、節(jié)段以及軸索因素的影響。

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(本文編輯: 張嘉瑜)

Factors and Association studies of Diffusion Coefficients in Diffusion Tensor Imaging of Normal Cervical Spinal Cord

CHEN Shi-yue. Department of Imaging, the First Affiliated Hospital of the Second Military Medical University, Shanghai 200433, China

ObjectiveTo investigate the effect of spinal segments, axons and age on apparent diffusion coefficient (ADC) and fractional anisotropy (FA) in normal adult cervical spinal cord magnetic resonance diffusion tensor imaging (DTI).MethodsA total of 36 healthy volunteers were enrolled and divided into 3 groups based on age. All subjects were received 3.0 T magnetic resonance imaging (MR I) for cervical vertebra and DTI for cervical spinal cord. According to intervertebral location, cervical spinal cord was defined as superior (C1/2-C2/3), middle (C3/4-C4/5) and inferior segment (C5/6-C6/7). The region of interest (ROI) method was used to detect ADC and FA values of white matter (WM) and gray matter (GM) in cervical spinal cord.ResultsThe values of ADC and FA were significantly different in different segments of WM and GMin healthy cervical spinal cord (P＜0.05). The values of ADC and FA were significantly different in different axons of WM (P＜0.05). The values of ADC and FA were significantly different between different age groups (P＜0.05). The value of ADC in the superior segment of WM front axon was not correlated with age. The value of ADC in the inferior segment of WM front axon was positive correlated with age, and the values of ADC and FA in the rest of regions were negative correlated with age.Conclusions The diffusion and anisotropy in healthy cervical spinal cord are influenced by age, segments and axons. The DTI study of cervical spinal cord disease should be considered comprehensively.

Magnetic Resonance Imaging; Diffusion Tensor Imaging; Apparent Diffusion Coefficient; Fractional Anisotropy

R445.2;R744

A

10.3969/j.i s s n.1672-5131.2016.01.001

2015-11-27

陳士躍