正常頸髓磁共振擴散張量成像的定量分析

1.南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院醫(yī)學影像科 (江蘇 南京 210006)

2.江蘇省第二中醫(yī)院醫(yī)學影像科(江蘇 南京 210017)

倪 豐1單 華2殷信道1

正常頸髓磁共振擴散張量成像的定量分析

1.南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院醫(yī)學影像科 (江蘇 南京 210006)

2.江蘇省第二中醫(yī)院醫(yī)學影像科(江蘇 南京 210017)

倪 豐1單 華2殷信道1

目的 通過對正常頸髓磁共振張量成像(DTI)的研究，探討磁共振張量成像的臨床應用價值。方法 對30例正常志愿者行頸椎磁共振常規(guī)序列(MRI)及磁共振張量成像(DTI)檢查，測量并比較所有椎間盤層面頸髓的各向異性(FA)值及表觀擴散系數(shù)(ADC)值，同時重建并分析磁共振彌散張量纖維束成像(DTT)。結(jié)果 所有受檢者的頸髓DTI均得到FA圖及ADC圖；不同節(jié)段頸髓FA值及ADC值有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。C2/3椎間盤水平頸髓的FA值最高、ADC值最低，C6/7椎間盤水平頸髓FA值最低、ADC值最高；FA值與ADC值之間呈負相關(guān)。結(jié)論 DTI能客觀、定量地分析頸髓情況，有重要的臨床應用價值。

頸髓；磁共振成像；擴散張量成像

磁共振擴散張量成像(Diffusion Tensor Imaging, DTI)由Basser等人在1994年首次提出[1-2]，是在磁共振彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DWI)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的成像方法。DTI利用組織中水分子擴散運動存在各相異性的原理，對水分子在組織中擴散進行量化，探測組織微觀結(jié)構(gòu)及病理生理改變。近年來，由于MRI技術(shù)的飛速發(fā)展，DTI技術(shù)不再局限于腦部疾病的研究[3-7]，已延伸到腦外疾病的研究[8-11]，脊髓就是其中研究之一。能否DTI技術(shù)對頸髓進行客觀、定量分析，進而為頸髓病變患者的治療預后提供新的安全無創(chuàng)的評價，是目前臨床關(guān)注的熱點之一。

1 材料與方法

1.1 臨床資料選擇正常志愿者30名作為研究對象，男13名、女17名，年齡23～27歲，平均年齡24歲。所有研究對象均為臨床上無上下肢神經(jīng)壓迫癥狀，如麻木、疼痛、無力等，且影像上椎間盤均無膨出、突出征象的正常成年人。

所有研究對象均無磁共振檢查禁忌,剔除偽影較大或成像質(zhì)量差的圖像。所有受檢者均了解本研究目的、內(nèi)容，并簽署知情同意書。

1.2 磁共振圖像數(shù)據(jù)采集所有掃描采用GE公司生產(chǎn)的1.5T signa磁共振成像系統(tǒng)，有效梯度場強為33mT/m，最大切換率為120T/ m/s，應用4通道相控陣脊柱線圈。常規(guī)頸椎MRI采用自旋回波（spin echo,SE）序列掃描，分別為矢狀位T1WI、矢狀位T2WI、軸位T2WI，矢狀位DTI成像，矢狀位DTI成像范圍自延髓至胸1椎體水平，軸位T2WI分別對C2/3-C6/7各椎間盤掃描。矢狀位DTI檢查與常規(guī)掃描定位相同，采取單次激發(fā)自旋回波平面成像技術(shù)（single-shot spin echo planar imaging,SS-SE-EPI），彌散加權(quán)系數(shù)(b)分別取0和500，彌散敏感梯度取15個不同方向。具體參數(shù)如下：①矢狀位T1WI：TR 425ms，TE 14.5ms，F(xiàn)OV 24cm，矩陣128×128，層厚3mm，層間距0，共掃描8層；②矢狀位T2WI：TR 2320ms，TE 120ms，F(xiàn)OV 24cm，矩陣128×128，層厚3mm，層間距0，共掃描8層；③軸位T2WI：TR 3100ms，TE 129ms，F(xiàn)OV 24cm，矩陣128×128,層厚3mm，層間距0，共掃描10層；④矢狀位DWI：TR 3100ms，TE min，F(xiàn)OV 24cm，矩陣128×128，NEX=6，b值分別取0和500，彌散敏感梯度取15個不同方向，層厚3mm，層間距0，共掃描8層。

1.3 DTI圖像后處理與數(shù)據(jù)測量頸髓FA值與ADC值的測量：將DTI的原始數(shù)據(jù)導入GE functool軟件進行后處理。處理后的每一個層面分別獲得ADC圖和FA圖。然后使用DTI與T2WI矢狀位圖像融合輔助定位。在b=0的圖像上放置感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，ROI位于每個頸椎間盤相對應的頸髓前份區(qū)域測量FA值與ADC值，ROI盡量保持大小一致，約12-16個測量體素。測量時須避開腦脊液。

2 結(jié) 果

2.1 正常頸髓擴散張量成像研究30例志愿者順利完成常規(guī)MRI掃描及DTI成像，常規(guī)MRI圖像清晰，清晰顯示頸髓的形態(tài)、信號及周圍組織結(jié)構(gòu)。DTI成像FA圖及ADC圖質(zhì)量好，頸髓在FA圖中表現(xiàn)為高信號呈白色,在ADC圖中表現(xiàn)為低信號呈灰色。頸髓DTT成像，纖維束光滑完整。見圖1-8。

2.2 頸髓不同節(jié)段FA值、ADC值分析研究組共30例，150個節(jié)段頸髓，不同節(jié)段頸髓FA值及ADC經(jīng)正態(tài)性檢驗，為正態(tài)性分布，總體均數(shù)比較采用單因素方差分析，F(xiàn)A值及ADC值在各節(jié)段之間差異有統(tǒng)計學意義(表1)；從FA及ADC均值可發(fā)現(xiàn)，其中C2/3水平FA值最高、ADC值最低，C6/7水平FA值最低、ADC值最高，從C2/3至C6/7節(jié)段頸髓FA值逐漸降低(圖1)、而ADC值逐漸增高(圖2)。

2.3 頸髓各節(jié)段兩兩之間FA值及ADC值分析頸髓各節(jié)段的FA值方差齊性檢驗顯著性0.97，方差齊，各節(jié)段兩兩之間比較采用LSD-t檢驗，各節(jié)段FA值兩兩之間比較均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。各節(jié)段ADC值方差齊性檢驗方差不齊，各節(jié)段兩兩之間比較采用Tamhane's T2(M)檢驗，各節(jié)段ADC值兩兩之間比較，C2/3與C5/6、C6/7有統(tǒng)計學差異，C3/4、C4/5與C6/7之間有統(tǒng)計學差異(P＜0.05)，余各節(jié)段頸髓ADC值兩兩之間無統(tǒng)計學差異(P＞0.05)(表2)。FA值與ADC值之間呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.717，有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)(表3)。

3 討 論

3.1 DTI基本原理及技術(shù)1827年Robert Brown發(fā)現(xiàn)分子或微觀粒子之間發(fā)生的各種無規(guī)則的隨機碰撞，這種無規(guī)律的運動稱之為布朗運動[12]。人體中大約有70%的水，水分子在不停地隨機無序運動著，這種運動即為彌散。常規(guī)MRI序列對水分子彌散運動的敏感性很低。DWI是目前最理想的觀察水分子擴散的方法，但不能反映組織彌散各向異性。DTI是在DWI技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新型MRI技術(shù)，它利用擴散敏感梯度從多個方向?qū)λ肿拥臄U散各向異性進行量化，能在活體反映細微的病理生理結(jié)構(gòu)的信息。

表1 頸髓不同節(jié)段FA值、ADC值總體均數(shù)單因素方差分析

表1 頸髓不同節(jié)段FA值、ADC值總體均數(shù)單因素方差分析

節(jié)段 FA值 F P ADC值（10-9m2/s） F PC2/3 0.779±0.034 43.096 0.000 0.975±0.068 14.173 0.000 C3/4 0.732±0.041 0.993±0.087C4/5 0.699±0.038 1.012±0.086C5/6 0.656±0.042 1.105±0.144C6/7 0.598±0.68 1.238±0.199

表2 頸髓5個節(jié)段的FA值兩兩之間LSD-t檢驗，ADC值兩兩之間Tamhane's T2(M)檢驗

表3 FA值與ADC值之間的關(guān)系比較Pearson相關(guān)分析

DTI是基于組織中水分子在不同方向的彌散速率成像的。水分子在各個方向的彌散速率不同稱之為各向異性。它主要是由于組織特殊的排列方式或者某些方向上存在限制水分子彌散的因素造成的。圖像中的每一個體素都被假設(shè)成一個三維的橢球體,每個球體的水分子在三個方向的彌散速率分別用三個本征彌散值(λ1，λ2，λ3)表示，其中λ為最大值的方向,為主要彌散方向。當λ1=λ2=λ3時，水分子的擴散運動在各個方向的速度相同,即擴散為各向同性，擴散橢球體呈球體,腦脊液即屬于這種擴散方式。當λ1≠λ2=λ3時，水分子在特定方向上的擴散速度不同，即擴散具有各向異性。當2λ1＞λ2+λ3時，代表水分子在橢球體最長徑λ1方向上的擴散系數(shù)或擴散強度遠比其他方向要大，橢球體較細長,說明具有很強的各向異性。已有學者[13]證明在腦部神經(jīng)纖維中的水分子擴散即為此擴散方式，且最大擴散方向與神經(jīng)纖維的長軸方向一致。

FA：即各向異性分數(shù)，計算公式為：

取值范圍介于0到1之間,代表測量體素中的彌散異性程度，F(xiàn)A值趨于0時,代表彌散各向同性，表明纖維束被破壞或發(fā)育不全，細胞膜、髓鞘及軸索的方向一致性被破壞；F值趨于1時，代表趨于很強的彌散各向異性，纖維束的細胞膜、髓鞘及軸索具有良好的完整性，并且發(fā)育完好[14]。

ADC：又稱平均擴散(mean diffusion，MD)，計算公式MD=(λ1+λ2+λ3)/3；ADC值越大，水分子彌散越強，ADC值越小，彌散受限。ADC反應了人體組織中每個測量體素彌散強度的指標，但忽略了各向異性。

3.2 正常頸髓的FA值及ADC值研究近年來彌散成像已被許多國內(nèi)外學者應用于腰椎間盤退變的定量分析，但目前國內(nèi)外脊髓型頸椎病的DTI研究仍在初步研究階段，不同節(jié)段、不同年齡段頸髓FA值、ADC值改變尚無統(tǒng)一說法。在國內(nèi)，鄭奎宏等[15]研究結(jié)果顯示頸髓C1水平ADC值明顯高于C2-C7水平ADC值，頸髓C1水平FA值明顯低于C2-C7水平FA值，頸髓C2-C7水平的ADC值及FA值之間差異無統(tǒng)計學意義；王巖等[16]研究表明頸髓C3水平FA值較其余水平高、各ADC值之間差異無統(tǒng)計學意義；孟祥水[17]、涂燦[18]等認為正常脊髓不同節(jié)段FA值及ADC值均無明顯差異；在國外也有Wheeler-Kingshott CA、Hickman SJ等[19]學者的研究結(jié)果認為各節(jié)段FA值及ADC值之間差異無統(tǒng)計學意義。本研究中不同節(jié)段的FA值結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計學分析表明：正常人頸髓C2-C7各椎間盤水平不同節(jié)段的FA值不相同，C2/3水平頸髓FA值最高，C6/7水平頸髓FA值最低，差別有統(tǒng)計學意義，這與多數(shù)國內(nèi)外相關(guān)報道[20-27]的研究結(jié)果基本一致。FA值的變化主要原因可能是由于不同節(jié)段頸髓內(nèi)白質(zhì)和灰質(zhì)比例不同。在解剖學上，頸髓內(nèi)的灰白質(zhì)并非均勻一致分布，除了在頸髓與延髓交界處含有較多的灰質(zhì)核團，越往足側(cè)灰質(zhì)比例越高，白質(zhì)比例減少，在頸膨大處(C4-T1)灰質(zhì)核團明顯增多。由于水分子在白質(zhì)內(nèi)沿神經(jīng)纖維長軸方向的擴散相對自由，而垂直于它的方向則受到限制，導致其各向異性程度較高，F(xiàn)A值較高；水分子在灰質(zhì)其內(nèi)的擴散受限程度較小，顯示出較低的各向異性，F(xiàn)A值較低；所以脊髓中的白質(zhì)各向異性高于灰質(zhì)。頸髓的這種解剖特點可能是頸髓FA值從頭側(cè)向足側(cè)遞減的主要原因之一。另外，可能與臂叢神經(jīng)進出頸髓也有關(guān)，越往足側(cè)越粗大的臂叢神經(jīng)的進出，會導致神經(jīng)纖維束方向一致性的改變，這可能也是導致FA值逐漸遞減的原因。

本研究中不同節(jié)段的ADC值有統(tǒng)計學差異，從頭側(cè)向足側(cè)逐漸升高，進一步節(jié)段ADC值兩兩之間比較，C2/3與C5/6、C6/7有統(tǒng)計學差異，C3/4、C4/5與C6/7之間有統(tǒng)計學差異(P＜0.05)。從頭側(cè)向足側(cè)ADC值的逐漸遞增，其原因可能與FA值變化的原因類似：頸髓中的灰質(zhì)核團逐漸增多，水分子擴散受限較少，垂直方向的本征彌散值(λ2,λ3)增高，ADC值逐漸增高。但是，關(guān)于不同節(jié)段ADC值的變化，目前國內(nèi)外學者爭議很多，尚無統(tǒng)一說法，這可能與ADC值的敏感性較FA值低有關(guān)，同時也受機器掃描參數(shù)的影響較大，Dudink J，Yoshiura T[28-29]等研究認為腦部的DTI研究中隨著b值的增加，ADC值呈線性降低，F(xiàn)A值無顯著性改變。b值的變化直接影響ADC值，b值越大，對擴散的速度差異越敏感，但對運動偽影也越敏感，圖像質(zhì)量差、信噪比低；b值過小，雖然圖像質(zhì)量好，但會產(chǎn)生T2穿透效應，成像容易受T2WI影響，對水分子的擴散差異難以區(qū)分；以往的研究中，大家對b值的選取各不相同，本研究中，參照以往的研究成果，再結(jié)合設(shè)備的實際情況多次反復實驗，最終DTI成像時取b值為500，既兼顧了擴散速度的差異，又獲得了質(zhì)量較高的圖像。因此我們猜測，機器不同、參數(shù)設(shè)置不同，可能是導致ADC值爭議較多的原因所在。

綜上所述，SE-EPI序列DTI成像技術(shù)可以無損傷地對頸髓進行水分子彌散的定量評估；正常人頸髓不同節(jié)段FA值、ADC值存在差異，F(xiàn)A值從C2/3至C6/7節(jié)段逐漸降低；ADC值從C2/3至C6/7節(jié)段值逐漸升高；FA值與ADC值之間呈負相關(guān)；DTI能對頸髓進行客觀、定量地分析，有重要的臨床應用價值。

圖1-8 女，24歲，臨床無神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。圖1-3：矢狀位T1WI、T2WI及軸位T2WI圖像，未見明顯椎間盤膨出或突出；圖4-7：FA圖、ADC圖、FA彩圖、ADC彩圖；圖8：脊髓DTT重建圖，顯示頸髓纖維束光滑完整無受壓。圖9-10 頸髓不同節(jié)段FA值及ADC值均值圖。

[1]Basser PJ,Mattiello J,and Le Bihan D.Estimation of the effective self-diffusion tensor from the NMR spine eho[J] Magn Reson B,1994,103:247-254.

[2]Basser PJ,Mattiello C,and Le Bihan D.MR diffusion tensor spectroscopy and imaging[J]. Biophys,1994,66:259-267.

[3]You R,MeNeil JJ,O’Malley HM,et al.Risk factors for lacunjar infarction syndromes[J]. Neurology,1999,45(8):1483-1487.

[4]Sullivan M O,Morris R G, Huckstep B, et al. Diffusion tensor MRI correlates with executive dysfunction in patients with ischaemic leukoaraiosis[J].Neurol Neurosurg Psychiatry,2004, 75(3):441-447.

[5]Jaivijal ramu，Juan herrera． B r a i n f i b e r t r a c t plasticity experimental spinal cord injury:diffusion t e n s o r i m a g i n g[J].E x p Neurol,2008,212(1):100-107.

[6]吳文軍.腔隙性腦梗死60例臨床分析[J].臨床和實驗醫(yī)學雜志,2006,5 (5):536-537.

[7]N o b u h a r a K,O k u g a w a G, Minami T,et al.Effects of electroconvul-sive therapy on frontal white matter in latelife depression: a diffusion tensor imaging study[J]. Neuropsychobiology,2004, 50:48-53.

[8]C R U Z L C,D O M I N G U E S R C,G A S P A R E T T O E L,e t al.Diffusion tensor imagingof the cervical spinal cord of patients with relapsingremising multiple sclerosis: a study of 41 cases[J].Arq Neuropsiquiatr,2009,67(2B): 391-395．

[9]Budde MD,Xie M,Cross AH,et al.Axial diffusivity is the Primary correlate of axonal injury in the experimental autoimmune encephalomyelitis spinal cord: a quantitative p i x e l w i s e a n a l y s i s[J] Neurosei,2009,29(9):2805-2813.

[10]KHALIL C,HANCART C,THUC L,et al.Diffusion tensor imaging and tractography of the median nerve in carpal tunnel syndrome: preliminary results [J].Eur Radiol,2008,18(10):2283-2291.

[11]VARGAS M I,VIALLON M,NGUYEN D,et al.Diffusion tensor imaging(DTI) and tractography of the brachial plexus: feasibility and initial experience in neoplastic conditions[J].Neuroradiology, 2010,52(3):237-245.

[12]嚴華剛,李海云.從隨機行走模型到磁共振擴散加權(quán)重成像[J].中國醫(yī)學物理學雜志,2010,27(5):2105-2108.

[13]Lin Cp,Tseng WY,Cheng HC,et al.Validation of diffusion tensor magnetic resonace axonal fibel imaging with r e g i s t e r e d m a n g a n e s eenhanced optictracts[J]. Neuroimage,2001,14(5):1035-1047.

[14]KARAMPINOS D C,MELKUS G,S H E P H E R D T M,e t a l. Diffusion tensor imaging and T(2) relaxometry of bilateral lumbar nerve roots :feasibility of in-plane imaging[J].NMR Biomed,2013,26(6):630-637.

[15]鄭奎宏,馬林,郭行高,等.正常人頸髓MR擴散張量成像的初步研究[J].中華放射學雜志,2006,40(5):490-493.

[16]王巖,馬林,郭行高,等.正常人頸髓擴散張量成像的定量分析[J].中國醫(yī)學影像技術(shù),2009,25(8):1371-1374.

[17]孟祥水,侯金文,屈傳強,等.探討3T磁共振DTI成像技術(shù)及其參數(shù)在頸髓中的特點[J].山東大學學報(醫(yī)學版),2007,45(8):830-834.

[18]涂燦,汪建華,廖海波,等.磁共振擴散張量成像與纖維束成像在脊髓型頸椎病中的應用研究[J]中國骨傷,2016,29(3):200-204.

[19]Wheeler-Kingshott CA,Hickman SJ,Parker GJ,Ciccarelli O, Symms MR, Miller DH, Barker GJ.Investigating c e r v i c a l s p i n a l c o r d s t r u c t u r e u s i n g a x i a l diffusion tensor imaging[J]. Neuroimage,2002,16(1):93-102.

[20]Chang Y,Jung TD,Yoo DS,et al.Diffusion tensor imaging and fiber tractography of patients with cervical spinal cord injury[J].J Neurotrauma,2010,27(11):2033-2040.

[21]和一帆,閆東,趙新湘,等.正常人頸髓不同節(jié)段磁共振擴散張量成像分析[J].實用放射學,2012,28(7):1002-1005.

[22]由長城,朱凱,閆景龍,等.3.0T磁共振彌散張量成像技術(shù)對輕度脊髓型頸椎病的診斷價值[J].中國脊柱脊髓雜志,2011,21(10):839-842.

[23]Mamata H,Jolesz FA,Maier SE,et al.Apparent diffusion coefficient and fractional anisotropy in spinal cord: age and cervical spondylosisrelated changes[J].Magn Reson Imaging,2005,22(1):38-43.

[24]Budzik JF, Balbi V,Le Thuc V, Duhamel A,Assaker R, Cotten A.Diffusion tensor imaging and fibre tracking in cervical spondylotic myelopathy[J].Eur Radiol,2010.

[25]Onu M,Gervai P,Cohen-Adad J, et al. Human cervical spinal cord funiculi: investigation with magnetic resonance diffusion tensor imaging[J].J Magn Reson Imaging,2010,31(4):829-837.

[26]趙鵬,陳學明,劉亞東,等.無骨折脫位型頸脊髓損傷患者頸髓的彌散張量成像[J].中國康復理論與實踐,2015,21(7):838-840.

[27]陳士躍.正常頸髓擴散張量成像擴散參數(shù)的影響因素和相關(guān)性研究[J].中國CT和MRI雜志,2016,14(1):1-4.

[28]Dudink J,Larkman DJ,Kapellou O,e t a l.H i g h b-v a l u e diffusion tensor imaging of the neonatal brain at 3T[J]. AJNR,2008,29(10):1966-1972.

[29]Yoshiura T,Wu O，Zaheer A,et al. Highly diffusion-sensitized MRI of brain: dissociation of gray and white matter[J].Magn Reson Med,2001,45(5):734-740.

(本文編輯: 張嘉瑜)

Quantitatively Analysis of Diffusion Tensor Imaging of the Cervical Spinal Cord

NI Feng, SHAN Hua, YIN Xin-dao． Department of Medical Imaging, Nanjing Hospital Affiliated of Nanjing Medical University, Nanjing 210006, Jiangsu Province, China

ObjectiveTo explore the clinical application value of diffusion tensor imaging(DTI), by studying normal diffusion tensor imaging of the cervical spinal cord in healthy volunteers．MethodsCervical spinal cord routine MRI and DTI were performed in 30 cases of healthy volunteers． The radiological findings were analyzed, and the fractional anisotropy (FA) values and the apparent diffusion coefficient (ADC) values were calculated, and the diffusion tensor tracking (DTT) images were reconstructed．ResultsThe FA and ADC maps were obtained by every volunteer． The FA values and ADC values are significant difference among different segments of cervical spinal cord(P＜0．05)．C2/3 segment is the highest FA value, the lowest ADC value． C6/7 segment is the lowest FA value and the highest ADC value． It's a negative correlation between the FA values and the ADC values．ConclusionDTI can objectively and quantitatively analyze cervical spinal cord, and it has important clinical application value．

Cervical Spinal Cord; Magnetic Resonance Imaging; Diffusion Tensor Imaging

R445.2

A

10.3969/j.issn.1672-5131.2017.08.001

2017-07-11

殷信道