腰椎間盤纖維環的MR擴散張量成像

閆春麗，周敏，李明英，陳興燦，

（1.溫州醫科大學 第一臨床醫學院，浙江 溫州 325035；2.中國人民解放軍第117醫院 醫學影像科，浙江 杭州 310013）

擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是一種新的磁共振成像技術，可在空間定時定量分析組織內不同方向水分子的彌散特性[1]，其纖維示蹤（fiber tracking，FT）技術利用水分子擴散的各向異性實現纖維素追蹤，即在活體無創地顯示纖維素的走行[2]。DTI已經廣泛應用于中樞神經系統疾病的研究，在腰椎間盤方面的報道相對較少[3]。本研究對健康志愿者和腰椎間盤突出癥（lumbar intervertebral disc herniation，LDH）患者進行DTI成像，同時利用FT技術觀察腰椎間盤的形態結構特點，進一步明確DTI對腰椎間盤纖維環的評價能力及對臨床治療的指導意義。

1 資料和方法

1.1 資料 2016年3月至12月來中國人民解放軍第117醫院行腰椎手術治療的LDH患者為病例組，納入標準：①常規MRI確診為腰椎間盤突出；②具有明確的腰痛、下肢放射痛等臨床表現；③有手術指征。排除標準：①有運動系統發育畸形、腰椎腫瘤、感染及外傷等病史；②有腰椎手術治療史；③體內有金屬物、患有幽閉恐懼癥、無法配合檢查者。共入選病例組20例，男11例，女9例，年齡25～60歲，平均（49.2±9.9）歲；獲得86個腰椎間盤，其中22個突出椎間盤經手術治療（L2/3椎間盤1個，L4/5椎間盤10個，L5/SI椎間盤11個）。隨機選取于2016年3月至6月中國人民解放軍第117醫院招募的健康志愿者15名，入組標準：①年齡18～30歲；②無運動系統發育畸形，無腰痛或腰椎部疾病健康人。排除標準：①具有腰腿痛、坐骨神經痛、神經性跛行等臨床癥狀及體征；②體內有金屬物、具有幽閉恐懼癥、無法配合檢查者。入選對照組15例，男8例，女7例，年齡21～29歲，平均（27.1±2.6）歲；獲得74個腰椎間盤。本研究為前瞻性，通過中國人民解放軍第117醫院倫理委員會批準，入選患者及志愿者對本研究知情同意，并簽署知情同意書。

1.2 成像方法 采用3.0T GE DISCOVERY MR750磁共振成像儀，32通道包裹線圈，使用呼吸門控避免呼吸偽影，患者仰臥位、腳先進，進行矢狀位T1WI、T2WI及軸位T2WI、DTI掃描。掃描參數：矢狀位T1WI，TR 500 ms，TE 8 ms，FOV 32 cm×32 cm，平均激勵次數（NEX）=2；矢狀位T2WI，TR 2 500 ms，TE 100 ms，NEX=2；軸位T2WI，TR 3 500 ms，TE 120 ms，NEX=4，層厚4 mm，層間隔0 mm；DTI序列參數：TR/TE 4 000 ms/minimum，NEX=4，FOV 24 cm×24 cm，b值600 s/mm2，擴散方向13個，層厚4 mm，層間隔0 mm。椎體前方設置飽和帶，掃描時間5 min 16 s。MRI檢查要求軸位T2WI和軸位DTI掃描的層面、層數、層厚一致。將DTI原始數據輸入ADW4.6工作站，應用FUNCTOOL軟件進行處理，得到B0圖，沿椎間盤邊緣設置橢圓形興趣區（region of interest，ROI），利用Fiber tracking軟件得到FT圖。

1.3 腰椎間盤Pfirrmann分級 在矢狀位T2WI圖上，將所有的腰椎間盤按Pfirrmann分級標準[4]分為I-V級，其中Pfirrmann I- I級為正常腰椎間盤，I- V級為退變腰椎間盤。

1.4 腰椎間盤纖維環FT圖分型 參考文獻[5-6]，結合本研究病例組和對照組，擬將FT圖纖維環形態做以下分型：A型（規則型）、B型（雜亂型）和C型（團塊型），A和B型又分為連續型（A1/B1）及不連續型（A2/B2）2種亞型。規則連續型（A1）：FT圖呈連續完整的環形結構，纖維束走形規則，纖維環內緣規則，內部未見明顯纖維束；規則不連續型（A2）：FT圖呈不連續，前緣或者后緣缺損，纖維束走形規則，內部未見明顯纖維束；雜亂連續型（B1）：FT圖呈連續完整的環形結構，但是其纖維束雜亂或者扭曲，纖維環內緣不規則，內部可見雜亂纖維束；雜亂不連續型（B2）：FT圖呈不連續，前緣或者后緣缺損，其纖維束雜亂或者扭曲，纖維環內緣不規則，內部可見雜亂纖維束；雜亂團塊型（C）：FT圖呈雜亂團塊狀，無環形結構，纖維束走形扭曲，形態不規則。腰椎間盤Pfirrmann分級和纖維環的FT圖分型采用雙盲原則，分別由2組經驗豐富的影像學醫師獨立完成，每組由2名醫師進行分析，組間分析過程中有分歧經商議后達成一致。

1.5 統計學處理方法 應用SPSS24.0統計軟件進行分析。計量資料采用±s表示，組間比較采用t檢驗。采用Spearman相關分析FT圖分型與Pfirrmann分級的相關性，計算相關系數r值，其中，r≥0.7為高度相關，0.5≤r＜0.7為中度相關，r＜0.5為弱相關。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 腰椎間盤FT圖分型及Pfirrmann分級 2組剔除偽影嚴重的椎間盤，共得腰椎間盤共160個，正常腰椎間盤（Pfirrmann I- II級）73個，其中A1型27個，A2型36個，B1型9個，B2型1個；退變腰椎間盤（Pfirrmann分級為 III-V級）87個，其中A1型3個，A2型3個，B1型38個，B2型6個，C型37個。

2.1.1 對照組腰椎間盤纖維環FT圖分型：對照組74個腰椎間盤中，A1型22個，包括I級10個， II級12個，見圖1；A2型32個，包括I級14個， II級18個，見圖2；B1型15個包括I級1個， II級6個， III級8個；B2型3個，包括 II級1個， III級2個；C型2個皆為 III級。

圖1 正常對照者腰椎間盤成像（男，28歲）

圖2 正常對照者腰椎間盤成像（女，23歲）

2.1.2 病例組腰椎間盤的纖維環FT圖分型：病例組86個腰椎間盤中，A1型8個，包括 II級5個， III級3個；A2型7個，包括 II級4個， III級3個；B1型32個，包括 II級2個， III級27個，IV級3個，見圖3；B2型4個，皆為 III級，見圖4；C型35個，包括 III級16個，IV級17個，V級2個，見圖5。

圖3 LDH患者腰椎間盤成像（男，42歲）

圖4 LDH患者患者腰椎間盤成像（女，40歲）

圖5 LDH患者患者腰椎間盤成像（男，56歲）

2.1.3 22個突出腰椎間盤的結果：病例組86個腰椎間盤中突出腰椎間盤22個行手術治療，經手術證實包容性突出9個，其中B1型2個（ III級、IV級各1個），B2型3個皆為 III級（見圖4），C型4個（ III級1個，IV級2個，V級1個）；非包容性突出13個，其中B1型2個（ III級、IV級各1個），C型11個（ III級2個，IV級7個，V級2個），后者有3個為脫出型，FT圖分型皆為C型。

2.2 相關性分析 所有腰椎間盤的FT圖分型與其Pfirrmann分級進行Spearman相關性分析（r=0.741，P＜0.01），說明隨著Pfirrmann分級的增加，腰椎間盤纖維環FT圖表現逐漸表現為規則型、雜亂型到團塊型。

3 討論

DTI是BASSER等[7]于1994年首次提出，近年來迅速發展改進，通過在多個方向上施加彌散敏感梯度測量水分子擴散的速度和方向，利用水分子在不同組織中擴散的速率和方向差異成像，FT技術則利用水分子在具有固定排列順序的結構中更加傾向于沿某一方向擴散的特性，即各向異性，來追蹤纖維素的走行。腰椎間盤髓核富含蛋白多糖和 II型膠原纖維，具有較強的吸儲水功能，水分子的彌散方式主要表現為各向同性；纖維環的層狀結構使得水分子在纖維環中的擴散主要表現為各向異性，因此DTI可通過腰椎間盤內水分子擴散情況的變化，反映椎間盤的髓核和纖維環的改變，是目前能夠描述椎間盤水分子彌散方向特征的新技術。研究[8-11]報道提到利用DTI通過FT技術重建出椎間盤的纖維環對椎間盤進行可視化研究，可直觀顯示其形態結構特點。

3.1 正常腰椎間盤纖維環FT圖分型及成像原理

正常腰椎間盤纖維環由15～25層薄片狀結構構成，平行排列，包裹著髓核，每個平行的層狀結構中整齊排列的是膠原纖維束，每層薄片中的膠原纖維沿縱軸左右按一定角度交替[10]。纖維環的纖維束在前側、左側和右側是相互交織的，而在纖維環的后中區沒有交織區域[12-13]，故纖維環后方比較薄弱。因此正常的腰椎間盤FT圖上纖維素的排列走行為交錯規則地排列，故其FT圖表現為規則型。有研究[9]認為正常的腰椎間盤纖維環顯示為完整規則環型結構，本研究中所有正常腰椎間盤中有部分（占37%）與之符合，FT圖呈A1型，但是部分（占49%）表現為A2型，其原因可能是由于正常的腰椎間盤髓核含水豐富，彌散能力強，纖維環后方較薄弱，加之腰椎間盤后方的蛛網膜下腔腦脊液的搏動或者前方血管搏動，致使纖維環局部的纖維素無法被追蹤到，因而FT圖出現局部不連續但纖維素排列仍然規則，即呈規則不連續型FT圖；本研究發現正常腰椎間盤的FT圖有14%（10/73）呈雜亂型，其中1個椎間盤表現為雜亂不連續型，其余為雜亂連續型，出現這種情況我們認為由于部分腰椎間盤已經發生輕度退變，但是其T2WI圖像上信號改變并不明顯，仍呈Pfirrmann I-I

I級表現，但是FT圖已經出現異常，表現為雜亂型。因此我們認為正常腰椎間盤纖維環FT圖為規則型。

3.2 腰椎間盤Pfirrmann分級與纖維環FT圖分型的相關性 本研究發現腰椎間盤纖維環的FT圖分型與Pfirrmann分級具有強相關性，隨著Pfirrmann分級的增加，腰椎間盤纖維環FT圖表現從規則型、雜亂型到團塊型。眾所周知，腰椎間盤退變是由于年齡的增長，運動負荷的加重，遺傳因素及椎間盤本身乏血供等因素，致使椎間盤結構發生改變，髓核組織脫水變性、透明質酸和蛋白聚糖減少，膠原組織被纖維組織取代，導致纖維組織增多；同時，纖維環的損傷如放射性斷裂，纖維層分離，引起纖維環同心圓結構的破環，髓核與纖維環分界模糊，趨于融合，因此Pfirrmann分級為 III-V級的腰椎間盤的纖維環FT圖表現應該是雜亂型，甚至為團塊型。

3.3 包容性與非包容性LDH分型及意義 ONIK等[14]于1991年首次提出包容性突出的概念。包容性LDH的MRI表現為突出腰椎間盤的纖維環完整，突出物未突破外層纖維環和后縱韌帶，與硬囊分界清楚[15]；非包容性LDH表現為髓核組織突破纖維環至后縱韌帶及椎管內，壓迫硬膜囊及神經根；突出的腰椎間盤后緣模糊或者破裂，與硬膜囊及周圍組織分界不清，突出物部分下掛或上翹征象，腰椎間盤重度突出甚至脫出、游離等[16]。目前LDH的主要治療方法包括保守治療、手術治療和介于二者之間的微創治療。不同的治療方式具有不同的適應證，比如經皮腰椎髓核摘除術（PLD）公認的適應證為包容性LDH[15-18]，因此明確術前LDH的分型，對制定合理的治療方案非常重要[19]。

3.4 突出腰椎間盤纖維環FT圖分型及臨床意義

有研究[5]認為，LDH的FT圖可顯示突出部位的纖維環破裂口，本研究22個經手術證實的突出腰椎間盤中僅發現3個FT圖顯示突出部位的纖維環破裂口，而19個FT圖未顯示突出部位的纖維環破裂口，其原因可能是部分包容性LDH和非包容性LDH由于髓核老化嚴重纖維素化影響破裂口的顯示。其臨床意義主要體現在兩方面，一是治療方法的選擇：LDH的治療原則是先保守治療，觀察突出椎間盤能否自行回復，如果保守治療無效，再行手術治療，但如果DTI檢查顯示突出腰椎間盤髓核老化嚴重，應放棄保守治療，積極主動進行介入治療或骨科手術治療；二是介入治療病例的選擇，通常認為包容性LDH是介入治療的適應證，但如果DTI檢查顯示突出部位髓核老化嚴重，不應成為介入治療的適應證，而需要骨科手術治療。

綜上所述，DTI可以無創地顯示腰椎間盤纖維環的形態，表現為正常腰椎間盤纖維環（Pfirrmann I-I I級）是規則的，病變腰椎間盤纖維環（Pfirrmann分級為 III-V級）是雜亂的，甚至是團塊狀的，但不能絕對依靠FT圖上纖維環后緣的連續性與否判斷腰椎間盤纖維環的完整性，還需要觀察FT圖上纖維素的排列、形態及髓核的老化程度等變化，綜合判斷腰椎間盤病變的全貌，對臨床治療作出指導。

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