椎間盤(pán)退變MR擴(kuò)散成像的研究進(jìn)展

曾菲菲，查云飛

武漢大學(xué)人民醫(yī)院放射科，湖北武漢 430060；

常規(guī) MRI平掃可以清晰地顯示椎間盤(pán)解剖結(jié)構(gòu)及椎間盤(pán)退變時(shí)的形態(tài)學(xué)改變。近年出現(xiàn)的一系列研究椎間盤(pán)退變定量MRI新技術(shù)，可以客觀(guān)量化評(píng)估椎間盤(pán)退變程度，尤其可以發(fā)現(xiàn)早期椎間盤(pán)退變，因而對(duì)下腰痛及椎間盤(pán)疾病的預(yù)防、診斷及治療具有重要臨床意義。研究椎間盤(pán)退變的定量MRI擴(kuò)散成像技術(shù)主要有擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）、擴(kuò)散張量成像（DTI）、擴(kuò)散張量纖維束成像（diffusion tensor tractography，DTT）、體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)（intravoxel incoherent motion，IVIM）成像、擴(kuò)散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）。擴(kuò)散成像是目前無(wú)創(chuàng)探測(cè)活體組織水分子擴(kuò)散的唯一方法，能夠從細(xì)胞及分子水平研究椎間盤(pán)的病理生理狀態(tài)。本文對(duì)椎間盤(pán)退變的MR擴(kuò)散成像研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 椎間盤(pán)退變及其分級(jí)

椎間盤(pán)由中間的髓核、外側(cè)的纖維環(huán)及頭尾兩側(cè)的軟骨終板構(gòu)成。軟骨下骨為軟骨終板與椎體間重要的解剖結(jié)構(gòu)，其內(nèi)含有較多的動(dòng)、靜脈，其細(xì)小分支穿透軟骨下骨在骨與軟骨的交界面相互盤(pán)繞，形成血管床為椎間盤(pán)提供營(yíng)養(yǎng)[1-2]。成人椎間盤(pán)是人體最大的無(wú)血管組織，其神經(jīng)和血管僅分布于纖維環(huán)外層1～2 mm的有限區(qū)域，營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)依靠軟骨終板和纖維環(huán)由外向內(nèi)擴(kuò)散。隨著年齡增加，椎間盤(pán)老化及其他病理生理因素引起椎間盤(pán)營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散受限、椎間盤(pán)膠原和蛋白聚糖分解及水含量減少[3]，導(dǎo)致髓核和纖維環(huán)分界逐漸模糊，其細(xì)胞增殖、群集和死亡，軟骨終板解體，纖維環(huán)裂隙和撕裂的數(shù)量和程度增加，肉芽組織和神經(jīng)血管從纖維環(huán)外層向內(nèi)長(zhǎng)入而引起下腰疼痛[4]。

目前，Pfirrmann分級(jí)[5]是評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退變最常用的分級(jí)方法，它主要通過(guò)分析髓核MRI信號(hào)強(qiáng)度及髓核與纖維環(huán)的分界、椎間盤(pán)高度改變?cè)u(píng)價(jià)髓核和纖維環(huán)的退變，將椎間盤(pán)退變分為5級(jí)（圖1）。PfirrmannⅢ級(jí)退變與椎間盤(pán)膨出及 Pfirrmann Ⅳ級(jí)退變與椎間盤(pán)突出呈顯著正相關(guān)[6]。由于傳統(tǒng)Pfirrmann分級(jí)是基于平均年齡為 40歲群體的研究，對(duì)于年齡較大患者的腰椎間盤(pán)分級(jí)具有一定的局限性，因此，2007年Griffith等[7]基于平均年齡73歲志愿者的研究，提出改良Pfirrmann分級(jí)，將椎間盤(pán)退變分為8級(jí)，在原Pfirrmann分級(jí)的基礎(chǔ)上對(duì)中、晚期椎間盤(pán)退變進(jìn)行了細(xì)分。

圖1 椎間盤(pán)退變Pfirrmann分級(jí)系統(tǒng)。Ⅰ級(jí)：髓核結(jié)構(gòu)均勻，信號(hào)強(qiáng)度與腦脊液相當(dāng)；髓核與纖維環(huán)分界清晰；椎間盤(pán)高度正常（A）。Ⅱ級(jí)：髓核結(jié)構(gòu)不均，有或無(wú)水平帶；信號(hào)強(qiáng)度與腦脊液相當(dāng)；髓核與纖維環(huán)分界清晰；椎間盤(pán)高度正常（B）。Ⅲ級(jí)：髓核結(jié)構(gòu)不均；信號(hào)強(qiáng)度中度降低，呈灰色；髓核與纖維環(huán)分界不清；椎間盤(pán)高度輕度降低（C）。Ⅳ級(jí)：髓核結(jié)構(gòu)不均；信號(hào)強(qiáng)度降低，呈灰色或黑色；髓核與纖維環(huán)分界消失；椎間盤(pán)高度中度降低（D）。Ⅴ級(jí)：髓核結(jié)構(gòu)不均；髓核呈黑色；髓核與纖維環(huán)分界消失；椎間盤(pán)高度重度降低（E）

通過(guò)分析軟骨終板及軟骨下骨 MRI信號(hào)改變的 Modic分型[8]將終板及軟骨下骨退變分為 3型（圖2）。腰椎終板骨軟骨炎是造成局部下腰痛的原因之一，并且腰椎終板改變與椎間盤(pán)退變具有相關(guān)性，Modic Ⅱ型改變的終板相鄰的椎間盤(pán)退變更嚴(yán)重[9]。

圖2 腰椎終板退變Modic分型。Modic Ⅰ型：軟骨終板及軟骨下骨表現(xiàn)為T(mén)1WI低信號(hào)、T2WI高信號(hào)、脂肪抑制T2WI高信號(hào)，組織學(xué)上表現(xiàn)為骨髓水腫（A）；Modic Ⅱ型：軟骨終板及軟骨下骨T1WI、T2WI均呈高信號(hào)，脂肪抑制T2WI呈低信號(hào)，組織學(xué)上表現(xiàn)為骨髓脂肪變性或骨髓缺血（B）；Modic Ⅲ型：軟骨終板及軟骨下骨T1WI、T2WI均呈低信號(hào)，脂肪抑制T2WI呈等、低信號(hào)，組織學(xué)上表現(xiàn)為軟骨下骨硬化（C）

上述分級(jí)方法可為臨床工作提供簡(jiǎn)單、相對(duì)可靠的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)也存在一定的主觀(guān)偏差，因此，以上述分級(jí)為基礎(chǔ)的椎間盤(pán)退變精細(xì)研究尚存在缺陷。

2 椎間盤(pán)退變的定量MRI擴(kuò)散成像

2.1 DWI 由于生物體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜、細(xì)胞器及其他大分子物質(zhì)的影響，細(xì)胞內(nèi)外的水分子并非完全自由擴(kuò)散，因此，組織內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)與其微結(jié)構(gòu)相關(guān)。組織的病變可致內(nèi)部微結(jié)構(gòu)改變，從而改變其水分子運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致水分子表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù)（ADC）發(fā)生變化。DWI可通過(guò)測(cè)量組織內(nèi)水分子擴(kuò)散受限程度的改變推測(cè)組織內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化[10]。DWI數(shù)學(xué)模型是單指數(shù)模型，認(rèn)為水分子服從布朗運(yùn)動(dòng)。

髓核內(nèi)水分子的丟失將導(dǎo)致椎間盤(pán)內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱。DWI可通過(guò)測(cè)量ADC值的改變檢測(cè)組織水分子擴(kuò)散程度，間接反映椎間盤(pán)的基質(zhì)代謝及退變程度。Zhang等[11]對(duì)109例患者進(jìn)行DWI掃描，結(jié)果顯示各節(jié)段椎間盤(pán)ADC值與椎間盤(pán)退變Pfirrmann分級(jí)、年齡均呈負(fù)相關(guān)；ADC值與性別差異無(wú)顯著相關(guān)性。Alkalay等[12]利用流變力學(xué)方法對(duì)椎間盤(pán)進(jìn)行ADC值與T2值的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷后椎間盤(pán)ADC值較負(fù)荷前明顯減低，而 T2值變化不明顯，隨著負(fù)荷壓力增大，椎間盤(pán) ADC值逐漸減小，髓核的變化大于纖維環(huán)。因此，DWI可用于反映椎間盤(pán)的功能狀態(tài)和結(jié)構(gòu)完整性，對(duì)于揭示椎間盤(pán)退變機(jī)制的機(jī)械力學(xué)因素具有一定的幫助。Eguchi等[13]基于軟骨終板Modic改變的DWI（b=1000 s/mm2）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)DWI可較好地區(qū)分終板退變和感染性病變：終板感染組 ADC 值[（1.067±0.122）×10-3mm2/s]明顯高于終板骨軟骨炎組 ADC 值[（0.500±0.164）×10-3mm2/s～（0.756±0.123）×10-3mm2/s]。既往研究認(rèn)為人腰椎間盤(pán)從16～20歲左右開(kāi)始發(fā)生生理性退變，Shen等[14]研究發(fā)現(xiàn)，年輕無(wú)癥狀志愿者腰椎間盤(pán)ADC值也存在明顯的個(gè)體差異。因此，DWI技術(shù)較靈敏，不但可以發(fā)現(xiàn)早期椎間盤(pán)退變，也可以用于評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退變程度。

2.2 DTI及DTT DWI主要反映三維方向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)情況，不能反映各向異性，而DTI是在DWI基礎(chǔ)上施加6個(gè)以上非線(xiàn)性方向（6～55個(gè)）的擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，可在每個(gè)方向采集信號(hào)，計(jì)算出各個(gè)方向上的擴(kuò)散張量，即水分子擴(kuò)散的各向異性[15]。

DTT是在彩色編碼 DTI基礎(chǔ)上，根據(jù)解剖學(xué)描述，用種子法標(biāo)記纖維束走行，將二維纖維束信息經(jīng)軟件重組為三維立體結(jié)構(gòu)的一種成像方法，目前多采用線(xiàn)性延伸技術(shù)，即連續(xù)示蹤纖維分配技術(shù)[16]。DTT可以直觀(guān)、清晰地顯示纖維束的形態(tài)、走行軌跡、完整性和連貫性，有助于判斷各種疾病所致纖維束損傷及范圍，目前廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)白質(zhì)纖維的精細(xì)成像[17]。

椎間盤(pán)退變時(shí)，髓核脫水變性，膠原組織被纖維組織取代，髓核與纖維環(huán)分界不清、趨向融合，損傷修復(fù)過(guò)程中椎間盤(pán)的同心圓結(jié)構(gòu)被破壞，纖維環(huán)逐漸由彈性組織向纖維結(jié)締組織轉(zhuǎn)變，水分子含量降低且擴(kuò)散受阻，各向異性增大，因此，隨著椎間盤(pán)退變程度加重，其平均擴(kuò)散系數(shù)（mean diffusivity，MD）值下降，各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）值升高[18]。DTI及 DTT能夠明確顯示腰椎間盤(pán)纖維環(huán)的形態(tài)和完整性。楊海濤等[19]研究發(fā)現(xiàn)，纖維環(huán)斷裂處FA值明顯減低，認(rèn)為纖維環(huán)斷裂處為充填的髓核組織；該研究對(duì)纖維環(huán)進(jìn)行DTT成像，顯示正常纖維環(huán)形態(tài)規(guī)則、排列整齊，而退變區(qū)纖維環(huán)稀疏，斷裂處纖維環(huán)明顯中斷、缺如并呈線(xiàn)狀裂隙樣改變。在活體狀態(tài)下，人的椎間盤(pán)常處于負(fù)荷（站立位）或非負(fù)荷（仰臥位）狀態(tài)轉(zhuǎn)換，不同狀態(tài)下腰椎間盤(pán)內(nèi)水分子的擴(kuò)散能力可能不同，蔡兆熙等[20]采用短時(shí)軸向負(fù)荷模擬人體直立負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行DTI研究，發(fā)現(xiàn)PfirrmannⅢ級(jí)椎間盤(pán)短時(shí)負(fù)荷后 ADC值減低，F(xiàn)A值升高。Tourell等[21]通過(guò)對(duì)離體綿羊腰椎間盤(pán)纖維環(huán)負(fù)荷研究，證實(shí)負(fù)荷后纖維環(huán)FA值明顯升高。Shen等[14]對(duì)年輕無(wú)癥狀志愿者椎間盤(pán)DTI，認(rèn)為FA值可以客觀(guān)定量反映髓核微結(jié)構(gòu)改變，可用于檢測(cè)早期椎間盤(pán)退變。因此，DTI及DTT成像可用于評(píng)價(jià)椎間盤(pán)纖維環(huán)的完整性，發(fā)現(xiàn)纖維環(huán)是否斷裂及其斷裂程度，準(zhǔn)確判斷纖維環(huán)斷裂的部位，是有效顯示早期椎間盤(pán)退變的可靠方法。

2.3 IVIM 傳統(tǒng)單指數(shù)模型 DWI僅考慮了水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而忽略了組織微循環(huán)灌注的影響，因此引入IVIM技術(shù)。IVIM對(duì)多個(gè)不同b值（3個(gè)或3個(gè)以上）的DWI圖像進(jìn)行擬合，通過(guò)雙指數(shù)模型獲取分別反映組織擴(kuò)散和微循環(huán)灌注效應(yīng)的參數(shù)，可以更真實(shí)地反映組織內(nèi)復(fù)雜的信號(hào)衰減信息。當(dāng)?shù)?b值（即b＜200 s/mm2）時(shí)，假性擴(kuò)散系數(shù)（D*）顯著大于真性擴(kuò)散系數(shù)（D），灌注占主導(dǎo)作用，低b值能更好地反映組織的灌注效應(yīng)；高b值（即b＞200 s/mm2）時(shí)，血流灌注對(duì)信號(hào)衰減的影響明顯減小，因此，可以認(rèn)為此時(shí)的信號(hào)衰減主要與水分子擴(kuò)散相關(guān)[22]。目前對(duì)于骨肌系統(tǒng)研究中多 b值的選取數(shù)量及范圍尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)研究者采用4～10個(gè)b值，范圍0～1000 s/mm2[23]。

Niu等[24]對(duì) 23例下腰痛及坐骨神經(jīng)痛患者行腰椎間盤(pán)IVIM定量分析，顯示D值隨椎間盤(pán)退變程度加深而減低；而D*值隨椎間盤(pán)Pfirrmann級(jí)別增加而增加，特別是在纖維環(huán)表現(xiàn)明顯，提示在退變過(guò)程中，纖維環(huán)內(nèi)微血管的含量增加，從而引起纖維環(huán)的灌注加強(qiáng)，與既往椎間盤(pán)退變的病理研究一致[25]。IVIM技術(shù)從微觀(guān)水平反映椎間盤(pán)的擴(kuò)散及灌注功能改變的信息，為揭示椎間盤(pán)退變機(jī)制提供了有效證據(jù)。目前椎間盤(pán)退變的IVIM研究仍處于初步階段，病理對(duì)照等尚不完善，需進(jìn)一步研究拓展。

2.4 DKI DKI作為非高斯分布模型的技術(shù)，不僅可以真實(shí)地反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的變化，并且可以敏感地反映組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。DKI在DTI模型的基礎(chǔ)上引入了四階張量模型的峰度張量K，因此，DKI比DTI更敏感地反映組織微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[26]。DKI模型和IVIM的雙指數(shù)模型各有優(yōu)勢(shì)：DKI模型的變量少，計(jì)算穩(wěn)定，能反映不同類(lèi)型組織的微觀(guān)結(jié)構(gòu)改變；DKI模型參數(shù)不如IVIM明確，無(wú)法區(qū)分由于擴(kuò)散受限和多組分混雜導(dǎo)致的非高斯性升高，不能反映組織的灌注信息。

目前，DKI主要用于評(píng)價(jià)中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變、頭頸部惡性腫瘤、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[27]，對(duì)于椎間盤(pán)退變?cè)u(píng)價(jià)的報(bào)道尚少。Li等[28]對(duì)SD大鼠尾椎間盤(pán)退變模型進(jìn)行DKI掃描，發(fā)現(xiàn)隨著椎間盤(pán)退變程度從Pfirrmann Ⅰ級(jí)增加至Ⅱ級(jí)，F(xiàn)A、平均擴(kuò)散峰度（mean kurtosis，MK）值隨之增大，提示椎間盤(pán)退變時(shí)，椎間盤(pán)的細(xì)胞水腫致使細(xì)胞外間隙變窄，細(xì)胞密度及組織復(fù)雜程度均增加；FA值及MK值評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退變具有較高的敏感度；DKI有望成為無(wú)創(chuàng)性探測(cè)組織結(jié)構(gòu)及病理生理特點(diǎn)的方法。最新的人腰椎間盤(pán)退變 DKI研究發(fā)現(xiàn)，髓核的MK值與Pfirrmann分級(jí)呈顯著正相關(guān)，而MD值與Pfirrmann分級(jí)呈顯著負(fù)相關(guān)，可初步說(shuō)明DKI是評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退變的良好方法[29]。上述研究為臨床進(jìn)一步應(yīng)用 DKI研究椎間盤(pán)退變提供了較好的思路。

2.5 小視野擴(kuò)散加權(quán)成像 傳統(tǒng)全視野（full-field-ofview，fFOV）擴(kuò)散成像的解剖細(xì)節(jié)顯示欠清，圖像易變形、失真，近年出現(xiàn)的小視野技術(shù)（reduced-field-ofview，rFOV）可有效減輕上述問(wèn)題。小視野技術(shù)一方面通過(guò)采用二維選擇性激勵(lì)射頻減少相位編碼線(xiàn)讀出時(shí)間，減少回波時(shí)間，增加相位編碼方向帶寬，減少圖像卷折及偽影；另一方面通過(guò)二維高選擇激勵(lì)掃描視野的RF及180°重聚脈沖以減少相位編碼方向的FOV，高選擇性地激勵(lì)掃描視野內(nèi)的組織信號(hào)，而視野外的信號(hào)未被激發(fā)，從而減少K空間填充所需的基線(xiàn)數(shù)目，使得在固定掃描時(shí)間內(nèi)獲得更高分辨率的圖像[30]。多項(xiàng)臨床研究[31-32]已證實(shí)了小視野擴(kuò)散成像圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于 fFOV成像。Stadelmann等[18]利用rFOV-DTI清晰地顯示了無(wú)癥狀志愿者腰椎間盤(pán)髓核隨年齡增加的信號(hào)改變，發(fā)現(xiàn)老年組較年輕組FA值明顯增加，而MD值明顯減低，并且在48歲以后髓核FA值和MD值變化明顯加快，對(duì)于研究年齡與椎間盤(pán)退變相關(guān)性及椎間盤(pán)退變機(jī)制具有重要的參考價(jià)值。rFOV-DTI技術(shù)可在T2WI出現(xiàn)椎間盤(pán)形態(tài)學(xué)改變之前發(fā)現(xiàn)早期椎間盤(pán)退變，對(duì)椎間盤(pán)疾病的早期診斷及治療具有重要意義。

3 不足與展望

擴(kuò)散成像技術(shù)可無(wú)創(chuàng)地探測(cè)活體椎間盤(pán)退變水分子擴(kuò)散功能及組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的改變、評(píng)價(jià)椎間盤(pán)纖維環(huán)的完整性。然而，目前大部分椎間盤(pán)退變MR擴(kuò)散成像研究是以 Pfirrmann分級(jí)系統(tǒng)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此存在一定的主觀(guān)誤差，且缺乏病理結(jié)果的“金標(biāo)準(zhǔn)”。另外，除擴(kuò)散成像均存在的圖像分辨率稍低、易受磁敏感偽影影響等缺點(diǎn)外，各種擴(kuò)散成像技術(shù)仍存在一定的自身缺陷。DWI及DTI均為單指數(shù)模型，描述了理想狀態(tài)下水分子的運(yùn)動(dòng)；DTI及DTT序列隨掃描方向的增加，掃描時(shí)間也隨之延長(zhǎng)；IVIM為雙指數(shù)模型，但在b值的選擇及最大b值的確定方面尚未達(dá)成共識(shí)；DKI為非高斯分布模型，更接近生物體真實(shí)水平，但DKI序列至少需要15個(gè)方向、3個(gè)b值，因此掃描時(shí)間較長(zhǎng)。目前，對(duì)于椎間盤(pán)退變的定量評(píng)價(jià)，DWI及 DTI、DTT技術(shù)研究較多，其優(yōu)勢(shì)已得到肯定；而IVIM及DKI技術(shù)在椎間盤(pán)方面的研究仍處于初步實(shí)驗(yàn)階段，尚需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行佐證。

總之，隨著MRI技術(shù)的飛速發(fā)展，擴(kuò)散成像序列在掃描時(shí)間、圖像分辨率及磁敏感偽影等方面會(huì)更加優(yōu)化，在椎間盤(pán)退變擴(kuò)散成像研究方面會(huì)取得更大的進(jìn)展，將為臨床椎間盤(pán)退變的診斷、治療、預(yù)后等提供客觀(guān)、有效的影像學(xué)評(píng)價(jià)手段。