扩散张量成像在脊髓型颈椎病患者临床症状中的应用价值
引言
脊髓型颈椎病（Cervical Spondylotic Myelopathy，CSM）是指因颈椎退变、颈椎间盘突出等多种原因导致脊隨功能障碍的脊髓病[1]。磁共振扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）序列对于评价CSM患者的脊髓损伤程度具有较高的敏感性，相对于常规MRI扫描是利用脊髓形态，并与T2W1异常高信号变化相结合进行判定，而DTI序列可将脊髓中水分子向各向异性的扩散变化及脊髓损伤情况反应出来，对脊髓慢性损伤早期病变予以及时发现，并且可以对脊髓的损伤程度进行评价[2-4]。通过DTI测量数值进行神经纤维束成像重建，可以更为直观地显示脊髓纤维束的连贯性以及是否被突出的椎间盘或其他椎管内占位所压迫[5]。
但是目前DTI序列的临床应用在脑部是比较成熟的，与脑部DTI序列相比，颈部脊髓DTI扫描容易受到脑脊液波动，周围骨性椎管结构等影响[5]，所以在选择和勾画感兴趣区（Region of Interest，ROI）时不能选择过大的范围，一方面是因为本来神经纤维单位比较小，较大ROI易产生误差；另一方面是因为面积较大的ROI更容易将临近脊髓的脑脊液信号圈入其中，从而对实验结果造成影响。有学者研究发现当脊髓受压变性时会出现各项异性分数（Fractional Anisotropy，FA）值的减低，表观扩散系数（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）值的异常，临床更需要的是受压脊髓段FA及ADC数值与CSM患者临床表现的一个相关性。
本研究在勾画受压段脊髓ROI时，首先对其进行一定的放大处理，再选择更小的4 mm2ROI，更好的避免周围正常脊髓纤维束以及邻近脑脊液对测量熟知的影像；并且发现CSM患者的临床症状越重，其受压段脊髓FA数值越低，这一结论更有利于神经外科医生对CSM患者病情的评估，以及可以作为术后恢复情况一个量化的参考数值。在重建神经纤维束图像时选择多次小ROI的方法，重建所得CSM患者的颈髓图像更为直观、准确，并且可以看到临床症状较重的CSM患者的神经纤维束图像出现局部的紊乱、断裂，与3D-BRAVO序列图像动态融合可以更为准确地判断哪一段的脊髓纤维束受损，为CSM患者的诊治提供了更好的医学影像资料。
1 资料和方法
1.1 患者资料
回顾性分析2018年9月至2019年8月徐州医科大学附属连云港市第一人民医院检查的52例CSM患者。男30例，女22例，年龄15～76岁，平均年龄49岁。入组标准：①有明确CSM临床表现；②排除颈部其他疾病因素，包括占位、外伤等；③既往未进行过其它相关治疗（手术、γ刀、针灸）；④参与检查的患者身体无其他禁忌症；⑤告知患者检查及实验事项，并签署相关知情同意书。排除标准：①有幽闭恐惧，或无法平卧配合检查患者；②颈部椎体及脊髓有手术病史；③既往有颈部外伤病史或者占位性病变者；④影像资料不全者。
1.2 基本资料收集
通过调查问卷形式，根据日本骨科学会（Japanese Orthopaedic Association，JOA）评分对检查的CSM患者进行分组，分为：正常（17分）、轻度（12～16分）、中度（7～11分）、重度（0～6分）。
1.3 MRI扫描方法
采用GE Signa HDx 1.5 TMR扫描仪，使用8通道头颈相控阵线圈。检查患者呈仰卧位，根据颈段脊髓走行范围做横断面成像。扫描范围包括上界颈1椎体以上一个椎体单位，下界T1椎体。DTI扫描序列：患者取水平卧位，行MRI颈椎平扫，DTI序列及3D-BRAVO序列扫描。DTI扫描序列：TR=9000 ms，TE=100.2 ms，扫描矩阵 128×128，扫描视野（Field of View，FOV）24 cm×24 cm，层厚5 mm，层间距0，扩散系数b值取1000 s/mm2，15个扩散敏感梯度方向，平均采集次数为 2。3D-BRAVO扫描序列：TR=12.3ms，TE=5.1ms，反转角度12°，扫描矩阵 256×256，FOV24cm×24cm，层厚1.4mm，层间距0，平均采集次数为1。
1.4 图像处理及分析
将DTI原始图像传至GEADW4.6工作站，使用Functool软件进行DTI图像数据分析，将DTI扫描获得的原始数据经过计算机图像校正，手动处理背景噪声范围[6]，生成FA和ADC数据图像。由两名经验丰富（工作5年以上）的影像诊断医师讨论，在受压颈部脊髓处选取4 mm2ROI[7]，分别测量FA及ADC数值，为了提高数据的准确性、尽量减少误差，每次ROI数据的记录都进行三次测量并取平均值，要求避开周围浅绿色脑脊液带来的影响。多次选取ROI重建神金纤维束图像，并将3D-BRAVO序列图像与神经纤维束图像融合，动态观察受压颈部脊髓情况。
1.5 统计学方法
采用SPSS 22.0软件进行统计学分析，所有统计学过程取P<0.05为差异有统计学意义。ADC值、FA值用均数±标准差（
±s）表示，各组间测量参数的多重比较根据方差齐性检验结果选择。选用Spearman相关性分析法来评价各组DTI测量数值与JOA数值相关性。
2 结果
2.1 正常脊髓DTI扫描图像
MRI平扫及DTI扫描显示颈髓满意，FA图像显示颈髓呈红色，脊髓周围包绕的脑脊液成浅绿色信号。ADC图像显示脊髓成蓝色信号，脊髓周围包绕的脑脊液呈浅绿色信号。根据原始图像横断位选取脊髓ROI范围，追踪重建出神经纤维束图像，与3D-BRAVO融合良好。重建的脊髓神经纤维束图像，可以观察神经纤维束的连续性、完整性（图1）。
2.2 患者影像资料
52位患者配合良好，磁共振平扫图像可以看到相应层面颈髓前缘出现不同程度受压，严重组相应脊髓出现受压变形，前缘硬膜囊明显变窄或完全消失。DTI扫描序列的FA及ADC图像，可以观察颈部受压脊髓信号颜色及形态的改变。颈髓神经纤维束图像与3D-BRAVON重建图像融合后，可以直观地观察到局部神经纤维束因为压迫发生的异常改变，在轻度患者中，局部受压纤维束稀疏。轻度组患者影像图像如图2所示。在重度患者中，可以看到局部神经纤维束紊乱，局部甚至出现断裂的情况（图3）。
图1 正常的脊髓DTI及后处理图像
注：a.正常的脊髓DTI FA图像显示脊髓成深红色信号，临近脑脊液信号成黄绿色；b.正常的脊髓DTI ADC图像显示脊髓成深蓝色信号，临近脑脊液信号成黄绿色；c.正常脊髓神经纤维束追踪重建图像；d.神经纤维束重建图像与3D-BRAVO矢状面融合图像。
图2 轻度组患者影像图像
注：男，29岁。矢状面（a）和轴面（b）T2WI图像显示颈椎多个椎间盘轻度向后突出，相应颈髓受压（白色箭头）；c.FA图像显示颈髓呈红色表现，前缘轻度受压颜色降低，提示该处脊髓各向异性降低；d.ADC图显示颈髓呈蓝色表现，前缘轻度受压；e.脊髓纤维束重建图像显示局部纤维束稀疏/颜色变浅；f.脊髓纤维束图像与3D-BRAVO矢状面重建融合图像。
图3 重度组患者影像图像
注：女，68岁。矢状面（a）和轴面（b）T2WI图像显示颈4/5椎间盘向后突出，相应层面颈髓明显受压、变形(白色箭头)，伴椎管狭窄；c.各向异性分数图像显示颈髓呈红色表现，受压变扁，提示该处脊髓各向异性降低，前缘脑脊液信号变窄；d.ADC图显示颈髓呈蓝色表现，局部受压颜色变浅；e.脊髓纤维束重建图像显示局部纤维束明显受压，局部纤维束出现断裂；f.脊髓纤维束图像与3D-BRAVO矢状面重建融合图像。
2.3 轻度组、中度组、重度FA及ADC测量参数比较
DTI数据与临床相关性分析轻度、中度和重度受压段脊髓测量的 FA 数值分别为：0.65±0.03、0.51±0.03、0.42±0.02。三组之间FA数值比较具有差异性，结果具有统计学意义（F=290.44，P<0.05）。ADC 数值分别为：1.02±0.14、1.30±0.25、1.19±0.29。三组之间ADC数值比较具有差异性（F=10.509，P<0.05）（表 1）。
表1 轻度组、中度组、重度FA及ADC测量参数比较（±s）
组别 例数/例 FA值 ADC值/(×10-3mm/s)轻度组 30 0.65±0.03 1.02±0.14中度组 15 0.51±0.03 1.30±0.25重度组 7 0.42±0.02 1.19±0.29 F值 10.509 290.44 P值 <0.001 <0.001
对各组FA及ADC均值进行两两比较，方差齐性检验发现FA值显著性为0.097（P>0.05），选用最小显著差值法，发现FA值两两比较差异均有统计学意义（P<0.05）。ADC值因方差齐性检验显著性为0.013（P<0.05），选用Dunnett T3进行多重比较，发现在轻度与中度组间比较差异有统计学意义（P值均<0.05），在轻度与重度、中度与重度组间比较差异无统计学意义（P 值均 >0.05）（表 2～3）。
表2 各组FA均值及ADC均值方差齐性检验
ADC均数多重比较 显著性 方差齐性 多重比较选择FA值 0.097 方差齐 LSD ADC值 0.013 方差不齐 Dunnett T3
表3 Dunnett T3评价：ADC均值多重比较结果
ADC均数多重比较 轻度组 中度组 重度组轻度组 -- 0.002 0.393中度组 0.002 -- 0.768重度组 0.393 0.768 --
各组的JOA评分数值和平均FA值具有正相关性（r=0.972，P<0.05）。FA数值随着临床症状加重、JOA评分降低表现出下降的趋势说明受压段脊髓损伤越重。ADC值与JOA评分相关性不强（表4、图4）。
表4 JOA评分与各向异性分数（FA值）相关性分析
项目 与JOA评分相关系数 正负相关 相关性FA值 0.972 正 强ADC值 -0.443 负 不强
3 讨论
本研究对52例CSM患者的DTI测量参数分析时，选择了更小的ROI，使得对受损神经纤维束数值的测量更为精准，并且发现，轻度、中度和重度三组受压段脊髓测量的FA和ADC比较具有差异性，且结果具有统计学意义，这点与前人文献报道[8-9]一致。DTI序列可将脊髓中水分子向各向异性的扩散变化及脊髓损伤情况反映出来，对脊髓慢性损伤早期病变予以及时发现，并且可以对脊髓的损伤程度进行评价[10-13]，本文中将CSM患者的临床表现通过JOA评分分组，通过判断JOA评分与受压段脊髓FA的数值来更好的评价CSM患者的病情情况。
图4 JOA评分与FA值、ADC值相关性分析散点图
注：a.FA平均值；b.ADC平均值。
各组的JOA评分数值和平均FA数值具有正相关性，患者临床表现症状越重，FA数值降低，说明受压段脊髓损伤越重，很多学者也有研究发现当神经纤维束受损时会出现FA数值的减低[14-17]。但是ADC数值与患者的临床表现相关性表现不强，可能与脑脊液波动或其他伪影有关[18]。同时，DTI序列追踪重建的颈部神经纤维束图像，在轻度组的患者中，可以看到受压段的脊髓局部纤维束图像颜色变浅、稀疏；在重度组患者中，可以看到受压段的神经纤维束紊乱，局部出现断裂现象，与3D-BRAVO序列图像动态融合后，相对于单纯的观察神经纤维束图像，显得更为直观，定位也更为方便。在临床中方便神经外科医生进行手术定位，也方便、直观的医生向患者家属交待病情。
本研究的局限性：样本量相对较少；临床评分以及ROI的选取具有一定的主观性；本研究为一段时间的回顾性研究，难以避免出现选择性偏差。
总之，DTI序列所测量的FA数值能够更好地反映CSM患者的病情，并且为神经外科医生评估CSM患者受压段脊髓损伤程度提供了良好依据，为CSM患者复查时评价受压段脊髓恢复情况提供了量化的参考数值[19]。CSM患者的神经纤维束图像与3D-BRAVO序列图像动态融合后，更为直观清晰地显示受损或断裂的神经纤维束位置，在临床中可以像骨科一样做出3D重建模型，为临床术前定位讨论，远程图像会诊，微创手术治疗的开展提供了更充分地三维影像数据支持。
[1]Bourgonjon B,Duerinck J,Moens M,et al.Comparison of the effect of anterior and posterior neurosurgical treatment for cervical spondylotic myelopathy:a clinical outcome[J].Acta Neurol Belg,2019,119(4):585-593.
[2]Saman S,Mayank K,Matthew B,et al.Comparison between quantitative measurements of diffusion tensor imaging and T2 signal intensity in a large series of cervical spondylotic myelopathy patients for assessment of disease severity and prognostication of recovery[J].J Neurosurg Spine,2019,31(4):457-618.
[3]Banaszek A,Bladowska J,Podgórski P,et al.Role of Diffusion Tensor MR imaging in degenerative cervical spine disease:a review of the literature[J].Clin Neuroradiol,2016,26(3):1-12.
[4]Ellingson BM,Salamon N,Woodworth DC,et al.Reproducibility,temporal stability,and functional correlation of diffusion MR measurements within the spinal cord in patients with asymptomatic cervical stenosis or cervical myelopathy[J].J Neurosurg,2018,28(5):472-480.
[5]Rutman AM,Peterson DJ,Cohen WA,et al.Diffusion tensor imaging of the spinal cord:clinical value,investigational applications,and technical limitations[J].Curr Probl Diagn Radiol,2017,47(4):257-269.
[6]Liu S,Zhao C,An Y,et al.Diffusion tensor imaging denoising based on riemannian geometric framework and sparse bayesian learning[J].J Med Imaging Health Inform,2019,9(9):1993-2003.
[7]王葳,常时新,陆建平,等.3.0T MR扩散张量纤维束示踪在显示正常脊髓及诊断脊髓压迫症中的作用[J].中华放射学杂志,2007,41(2):148-152.
[8]吴钦,周福庆,谭永明,等.扩散张量成像各向异性熵值评价脊髓型颈椎病颈髓损伤的初步临床应用[J].中华放射学杂志,2016,50(8):571-575.
[9]Ellingson BM,Salamon N,Grinstead J,et al.Diffusion tensor imaging predicts functional impairment in mild-to-moderate cervical spondylotic myelopathy [J].Spine J,2014,14(11):2589-2597.
[10]Haddas R,Cox JT,Belanger TA,et al.Characterizing gait abnormalities in patients with cervical spondylotic myelopathy:a neuromuscular analysis[J].Spine J,2019,19(11):1803-1808.
[11]Schilling KG,By S,Feiler HR,et al.Diffusion MRI microstructural models in the cervical spinal cord-application,normative values,and correlations with histological analysis[J].Neuroimage,2019,(201):116026.
[12]Wang KY,Idowu OR,Thompson CB,et al.Tract-Specific diffusion tensor imaging in cervical spondylotic myelopathy before and after decompressive spinal surgery:preliminary results[J].Clinic Neur-klinis Neuror,2017,27(1):61-69.
[13]Ellingson BM,Salamon N,Woodworth DC,et al.Reproducibility,temporal stability,and functional correlation of diffusion MR measurements within the spinal cord in patients with asymptomatic cervical stenosis or cervical myelopathy[J].J Neuro Surg,2018,28(5):472-480.
[14]David G,Freund P,Mohammadi S,et al.The efficiency of retrospective artifact correction methods in improving the statistical power of between-group differences in spinal cord DTI[J].Neuroimage,2017,296-307.
[15]Chen XM,Chao K,Feng SQ,et al.Magnetic resonance diffusion tensorimagingofcervicalspinalcordandlumbosacral enlargement in patients with cervical spondylotic myelopathy[J].J Magn Reson Imaging,2016,43(6):1484-1491.
[16]Shabani S,Kaushal M,Budde MD,et al.Comparison between quantitative measurements of diffusion tensor imaging and T2 signal intensity in a large series of cervical spondylotic myelopathy patients for assessment of disease severity and prognostication of recovery[J].J Neurosurg,2019,31(4):473-479.
[17]Weipeng Z,Haoyi C,Ning W,et al.Application of diffusion tensor imaging cut-off value to evaluate the severity and postoperative neurologic recovery of cervical spondylotic myelopathy[J].World Neurosurg,2018,(118):849-855.
[18]Li X,Cui JL,Mak KC,et al.Potential use of diffusion tensor imaging in level diagnosis of multilevel cervical spondylotic myelopathy[J].Spine,2014,39(10).
[19]Poplawski MM,Alizadeh M,Oleson CV,et al.Application of diffusion tensor imaging in forecasting neurological injury and recovery after human cervical spinal cord injury[J].J Neurotrauma,2019,36(21):3051-3061.
Application Value of Diffusion Tensor Imaging in Clinical Symptoms of Cervical Spondylotic Myelopathy