扩散峰度成像在轻度、中度脊髓型颈椎病的应用价值研究

张小兵,周寒松,林千早,陈小宇,王海,单奔

江苏省淮安市第二人民医院 影像科,江苏 淮安 223002

[摘 要]目的 通过比较轻度、中度脊髓型颈椎病及对照组颈髓平均扩散峰度(Mean Kurtosis,MK)值、各向异性分数值(Factional Anisotropy,FA),探讨扩散峰度成像在轻中度脊髓型颈椎病的应用价值。方法 60例经临床诊断脊髓型颈椎病患者,根据日本骨科学会17分法(JOA评分)将其分为轻度(13~16分、37例),中度(9~12分、23例),选取对照组20例,均无明确的神经系统症状及阳性体征,既往无神经系统或影响神经系统的疾病。对所有病例组及对照组行MRI常规平扫、扩散峰度成像扫描(b值为0、1000、2000;30个扩散方向)。测量受压严重节段脊髓的MK、FA。采用单因素方差分析方法比较各组间测量参数统计学差异。结果 所有受检者DKI成像显示满意。轻度、中度脊髓型颈椎病患者受压最严重节段颈髓及对照组颈髓MK值分别为0.83±0.13、0.72±0.11、0.92±0.13,组间比较差异有统计学意义(P<0.05);FA值分别为0.64±0.09、0.51±0.12、0.73±0.07,组间比较差异有统计学意义(P<0.05)。FA值与JOA评分相关,R2=0.638,P<0.001;,MK值与JOA评分相关,R2=0.193,P<0.001。结论 用扩散峰度成像评估脊髓型颈椎病,可以反映早期脊髓型颈椎病脊髓白质和灰质微观病理改变。

[关键词]磁共振成像;颈髓;脊髓型颈椎病;扩散峰度成像

 

引言

脊髓型颈椎病(Cervical Spondylotic Myelopathy,CSM)是由颈椎退行性改变造成颈髓静态或动态反复受压或脊髓缺血,继而出现脊髓的功能障碍。目前对于脊髓型颈椎病的常规影像学诊断主要为颈椎MRI,MRI可以清晰显示被压迫颈髓部位及信号改变情况,并清楚显示周围邻近组织关系。但是常规磁共振检查在轻中度脊髓型颈椎病诊断敏感度较低,常出现临床症状与常规磁共振检查结果不相符,并且无法评估颈髓微观病理生理状态。目前临床常通过磁共振扩散张量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI)来评估脊髓的微观病理生理改变。DTI的技术原理是基于理想的水分子扩散位移呈高斯分布,但是在生物组织结构复杂,水分子的运动因细胞间结构、细胞内外受限程度、细胞膜的渗透性以及游离、结合水的物理化学特性差异而表现复杂,其扩散位移已不再是准确的高斯分布而是呈非高斯分布[1-2]。磁共振扩散峰度成像(Diffusion Kurtosis Imaging,DKI)是DTI技术的延伸,可以用来探查非高斯分布的水分子扩散特征,可以表征水分子扩散受限程度以及扩散的不均质性。本研究主要运用DKI技术探讨轻中度脊髓型颈椎病脊髓的灰白质微观结构变化,以期作为常规MRI检查脊髓损伤的重要补充,为临床在治疗方案的选择、预后的评估及康复效果的判定提供更多重要的信息。

1 材料与方法

1.1 材料

研究对象选择我院2016年6月至2016年11月期间60例经临床经验丰富医师确诊为脊髓型颈椎病患者,其中男27例、女33例,年龄24~74岁,平均(54.2±8.5)岁,根据日本骨科学会17分法脊髓损害功能评定标准(JOA评分)分为轻度(37例)、中度(23例)。0~4分为严重损害,5~8分为重度损害,9~12分为中度损害,13~16分为轻度损害,17分为功能正常。患者若伴有以下情况之一将被排除:既往有运动神经元病病史、脊髓外科手术史、脊髓放射治疗史,急性颈椎外伤史、颅脑外伤及四肢骨折病史。同期选自从临床中招募志愿者20名。其中男11例、女9例,年龄42~58岁,平均(50.4±4.2)岁。同时要求均无明确的神经系统症状及阳性体征,既往无神经系统或影响神经系统的疾病。同时,要求所有被试无进行磁共振检查的绝对禁忌症,并经颈椎常规磁共振检查中未发现颈椎退行性变的征象。在实验开始前,本研究的目的、实验过程、可能出现的危险和躯体不适感(如噪声、幽闭感等)均详实告知被试。本研究所有被试者均自愿参加,实验前均签署了知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 检查前准备

确保受试者体内无金属植入物,去除其体表、衣物上的金属物,告知其检查全过程,嘱其在扫描过程中尽量保持静止不动,平静呼吸,避免吞咽;耳塞塞耳,用棉垫固定受试者头部。

1.2.2 检查方法

使用美国GE Discovery MR750 Plus 3.0 T超导磁共振扫描 仪(GE Healthcare,Milwaukee,Wisconsin,USA),8通道CTL脊柱线圈;扫描时受试者仰卧位,头先进,嘱被试安静、放松。扫描序列包括常规颈椎平扫(矢状位T1WI、T2WI和椎间盘层面横轴位T2WI)、颈髓DKI扫描。其中颈椎常规MRI平扫参数:矢状位FSE-T1WI序列,TR 2500 ms,TE 12.7 ms,层厚3.0 mm,层间距1.0 mm,矩阵320×192,NEX2;矢状位FSE-T2WI序列,TR 2500 ms,TE 120.8 ms,层厚3.0 mm,层间距1.0 mm,矩阵320×256,NEX2;横轴位T2WI序列,TR 2800 ms,TE 125.3 ms,层厚3.5 mm,层间距0.5 mm,矩阵320×192,NEX2。以矢状位T2WI位定位像,DKI扫描开始前用ASSET技术进行校准,DKI扫描参数:TR 4500 ms,TE 75 ms,层厚4 mm,层间距0 mm,视野(FOV)18 cm×18 cm,矩阵128×128,NEX为2;采用3个b值(0、1000、2000 s/mm2),每个非零b值扩散敏感梯度场施加的方向数为30,扫描时间为375 s。DKI定位线与椎间盘层面向平行进行扫描,并在颈椎体前缘及两侧各加一预饱和带;所有扫描操作由一名熟练的放射科医师进行。

1.2.3 图像数据的后处理

将采集获得的数据保存并传至扫描所用GE磁共振高配工作站(Advantage workstation 4.6;GE Medical Systems)进行图像处理。首先,对DKI原始数据进行校准,以减少图像形变;然后自动获得每一层面的各向异性分数(Factional Anisotropy,FA)图、平均扩散峰度(Mean Kurtosis,MK)图;以矢状位T2WI为参考定位像,选取颈髓受压严重层面,在B0图像上用functool手动设置5个ROI(以脊髓灰质为中心,脊髓前柱及侧柱各两个ROI、后柱一个ROI)避开脊髓中央管,每个ROI大小为4~5 mm2,分别记录ROI的DKI参数测量值:MK、FA值,取其5个ROI平均值(图1)。

图1 MK原始图上手动选取ROI

1.2.4 统计学分析

采 用SPSS 19.0统计学软件(Version 19.0,SPSS Inc,Chicago)进行分析。所有资料进行正态分布检验(Kolmogorov-Smirnov检验),呈正态分布的计量资料均以平均数±标准差表示,组间差异比较采用单因素方差分析并行两两比较;P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 各组F A值、MK值对比

轻度、中度2组脊髓型颈椎病患者受压最严重节段颈髓MK值分别为0.83±0.13、0.72±0.11,对照组颈髓MK值为 0.92±0.13;FA值分别为 0.65±0.10、0.51±0.12、0.73±0.07;对照组与轻度、中度脊髓型颈椎病比较FA值、MK值均有统计学差异(P<0.05)(图2~4,表1)。

图2 各组DKI图

注:a. 对照组;b. 轻度脊髓型颈椎病患者组;c. 中度脊髓型颈椎病患者组。

图3 各组FA图

注:a. 对照组;b. 轻度脊髓型颈椎病患者组;c. 中度脊髓型颈椎病患者组。

图4 各组MK图

注:a. 对照组;b. 轻度脊髓型颈椎病患者组;c. 中度脊髓型颈椎病患者组。

表1 对照组、轻度组、中度组FA值、MK值均数及比较

2.2 FA值、MK值与J O A评分相关性

FA值与JOA评分有相关性(R2=0.638,P<0.001);MK值与JOA评分有相关性(R2=0.193,P<0.001),见图5。

图5 FA值和MK值与JOA评分相关性散点图

3 讨论

CSM已成为临床常见病和多发病,是因颈椎间盘退行性改变及继发相邻骨与软组织退变,导致脊髓受压或脊髓血供障碍,而引起的临床症候群,以40~60岁多见,近年来由于工作及生活习惯改变使脊髓型颈椎病的发病呈低龄化趋势。脊髓型颈椎病的病理包括颈髓动脉受压造成慢性缺血缺氧、静脉充血等因素使脊髓神经组织细胞膜通透性增加、发生变性,如髓鞘脱失、肿胀,血管周围间隙出现脂质吞噬细胞、细胞坏死消失、神经胶质增生及血管壁纤维化等[3-5]。脊髓型颈椎病病理生理脊髓型颈椎病发病是一个连续的过程,从病理学角度可分为颈椎间盘或椎间关节退变、颈椎骨与软组织的继发性病理改变、脊髓及其血管的慢性压迫性病理改变等3个阶段[6-8]。颈脊髓最为常见的组织病理学改变就是脊髓灰质前角、后角神经元破坏及神经胶质增生,导致中央灰质内囊性改变和白质内长传导束的脱髓鞘改变[9]

DKI技术最早于2005年由纽约大学Jensen等[10]提出,DKI参量后经香港大学吴学奎教授团队有所发展和完善[11-12]。一般DKI施加15个方向以上的敏感梯度场,本研究采用30个方向的敏感梯度场,故采集到的数据可靠性更高。相对于DTI模型,DKI模型的优势在于它可以得到DTI模型所有的信息,包括扩散系数、FA和MD值等,同时还可以得到额外的信息即扩散峰度。DKI主要参数包括:平均峰度(Mean Kurtosis,MK)、径向峰度(Radial Kurtosis,RK)、峰度各向异性(Kurtosis Anisotropy,KA)。MK为采用多个b值且方向相同的梯度方向上的平均值。MK的大小取决于感兴趣区内组织的结构复杂程度,结构越复杂,非正态分布水分子扩散受限越显著,MK也越大[10]。RK指的是在主要扩散正交方向上峰度的平均值;RK越大表明在该方向非正态分布水分子扩散受限越明显,反之则表明扩散受限越弱;且相对于部分分数各向异性(FA)的变化,感兴趣区内RK增大得更为显著。KA在某种程度上类似于FA,可由峰度的标准偏差给出。影响KA的因素有介质的黏度、分子间距离、邻近血管搏动或脑脊液流动、显微结构的完整性、平行性及致密程度等。还包括DTI的指标FA值和MD值,其中较常用的指标是FA值、MD值和MK值[11]。MD是表示水分子在各个方向的扩散运动程度。FA值是指水分子各向异性成分占整个扩散张量的比例,取值范围为0~1,当FA趋近1时,各向异性最大,FA值接近0时,表示各向同性[12]。DTI已成为脊髓型颈椎病研究的一项成熟的成像技术。临床上常用DTI对脊髓型颈椎病脊髓损伤的微观病理改变做了很多研究[13-16]。DTI可以探测水分子在脊髓束的扩散过程,反映脊髓束功能的完整性。DTI的主要参数包括表观扩散系数(ADC)值、各向异性分数(FA)值和扩散张量的3个本征值:λ1、λ2和λ3。ADC值反映水分子在各个方向上的平均扩散能力,ADC越大说明水分子的扩散能力越强;反之说明水分子扩散能力越弱。FA值是指水分子各向异性成分占整个扩散张量的比例,FA取值范围为0~1,当FA值趋近于1时,各向异性最大;当FA值趋近于0时,表示各向同性。一般情况下,FA值降低意味着轴索损伤,即脊髓或脑白质的变性[13]。然而,沿轴突束的损伤是会引起MK值的升高[14]。因此MK值与FA值下降,说明该受压脊髓内部结构发生了改变,不仅打乱轴突的排列,而且改变了纤维束的方向和成分,包括灰质[15]。中度较轻度脊髓型颈椎病颈髓MK值、FA值减低,脊髓内部结构(轴突、纤维束)改变更明显。FA值被用作生物标志物,难以评估灰质[16]。组织学研究表明[13]这种异常主要分布在灰质,而轴突变性及脱髓鞘改变在早期脊髓型颈椎病很少发现。灰质区MK值减少是因颈髓微循环障碍所致,脊髓型颈椎病脊髓受压后脊髓的前、后角部分恰好为血液供给的薄弱部位,可造成脊髓缺血,使侧索近灰质部的区域发生损伤[17]。在过去利用DTI评估脊髓型颈椎病仅仅评估白质的改变,而无法评估灰质[18-19]。本研究中,所有患者均有不同程度临床症状,脊髓未见明显异常信号。MK值升高说明感兴趣区微观结构变复杂,扩散受限程度更明显,偏离高斯分布位移更大。本研究中FA值及MK值与JOA评分呈正相关,反映了随着脊髓型颈椎病临床症状加重,FA值及MK值有逐步减低的趋势,可反映神经元进一步损伤损伤,局部各向同性进一步增加。

在本实验中有一定局限性,样本量不足,由于扫描时间较长,重度及严重组脊髓型颈椎病患者不能耐受较长时间的检查而造成图像不能分析;因此还需要进一步优化。还有扩散指标如FA值在脊髓型颈椎病受年龄变化影响;而且不同的症状显示扩散指标不同在脊髓的具体位置也是不同的。MK值也可能存在类似的问题;总之,MK可以反映脊髓微观变化及灰质损害,虽然影像学与病理学的关系需要进一步研究,但是MK可能提供基于单指数模型提供扩散指标一些新的信息。

综上所述,在脊髓型颈椎病中,DKI可以反映脊髓灰质、白质损伤的微观病理生理改变,MK值的改变程度可以反映脊髓损伤的程度。

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Application of Diffusion Kurtosis Imaging in Mild and Moderate Cervical Spondylotic Myelopathy

ZHANG Xiaobing, ZHOU Hansong, LIN Qianzao, CHEN Xiaoyu, WANG Hai, SHAN Ben
Department of Radiology, The Second People’s Hospital of Huai’an, Huai’an Jiangsu 223002, China

Abstract:Objective To investigate the application value of the mean kurtosis (MK) imaging by comparing the differences of the MK and factional anisotropy (FA) in normal, mild and moderate cervical spondylosis myelopathy patients. Methods Sixty patients diagnosed with cervical spondylotic myelopathy were recruited. In this study according to Japanese Orthopaedic Association (JOA)score, the patients were divided into mild (37 cases scoring between 13 and 16 points) and moderate (23 cases, scoring between 9 and 12 points) groups, and twenty healthy individuals were selected as control. All subjects received routine MRI scans and DKI (diffusion kurtosis imaging) scans (b values selected were: 0, 1000, 2000, thirty directions of diffusion). The mean kurtosis and the factorial anisotropy values were extracted from the most severely oppressed spinal level. Statistical differences were analyzed using analysis of variance. Results Satisfactory DKI image were acquired from all subjects. The MK values extracted from the most oppressed spinal level of mild, moderate, and control group were 0.83±0.13, 0.72±0.11, and 0.92±0.13, respectively, and differences among groups were signi fi cant (P<0.05). The FA value of each group were 0.64±0.09, 0.51±0.12, and 0.73±0.07, respectively,and differences among groups were statistically significant (P<0.05). Both the FA value (R2=0.638, P<0.001) and the MK value(R2=0.193, P<0.001) were related to the JOA score. Conclusion DKI may re fl ect the microscopic pathological changes of white matter and grey matter of spinal cord in early cervical spondylotic myelopathy patients.

Keywords:magnetic resonance imaging; cervical cord; cervical spondylotic myelopathy; diffusion kurtosis imaging

[文章编号]1674-1633(2018)10-0083-04

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2018.10.021

[文献标识码]B

[中图分类号]R445.2

作者邮箱:jszhangxiaobing@126.com

修回日期:2017-12-06

收稿日期:2017-10-24

本文编辑 王静