多模態(tài)磁共振成像評(píng)估脊髓型頸椎病的初步研究

周純，劉萌，劉天水，譚永明，何來(lái)昌

作者單位：

南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，南昌 330006

脊髓型頸椎病是已知最常見也最嚴(yán)重的慢性頸椎病，患者感知及運(yùn)動(dòng)能力均會(huì)發(fā)生異常，過(guò)往研究表明，脊髓型頸椎病(cervical spondylotic myelopathy，CSM)是慢性的不完全性脊髓損傷[1-2]，其病程多變且發(fā)病隱匿，病人在疾病早期往往不能被有效診斷。此前有學(xué)者[3]通過(guò)羊的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脊髓的病理改變與脊髓受壓迫程度有關(guān)，壓迫越重，病理改變?cè)絿?yán)重。但是在臨床中我們發(fā)現(xiàn)，頸椎MRI顯示部分頸髓受壓迫嚴(yán)重的患者反而癥狀輕，而部分患者頸髓壓迫不嚴(yán)重反而癥狀重，這提示頸髓損害程度與臨床癥狀并不是一一對(duì)應(yīng)，且單純從頸椎的影像學(xué)數(shù)據(jù)無(wú)法解釋這一原因。盡管已有研究指出，脊髓損傷的患者初級(jí)運(yùn)動(dòng)與感覺(jué)皮層、體感聯(lián)合皮層和丘腦發(fā)生萎縮[4-5]，靜息態(tài)功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)研究也顯示這些脊髓損傷的患者運(yùn)動(dòng)感覺(jué)皮層出現(xiàn)了活動(dòng)性增加的改變[6-7]，但并未對(duì)CSM患者病情與影像表現(xiàn)不一致的現(xiàn)象進(jìn)行研究分析。因此，本研究將這些患者依據(jù)日本骨科協(xié)會(huì)改良評(píng)分(modified Japanese orthopaedic association scores，mJOA)為輕-中度組和重度組，進(jìn)行基于左、右側(cè)丘腦為種子點(diǎn)的大腦功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)研究，綜合分析其大腦功能及頸椎數(shù)據(jù)，探究頸髓與大腦整體神經(jīng)交互功能在CSM患者中的作用機(jī)制，對(duì)比分析不同程度患者的影像學(xué)差異及其與臨床癥狀相互關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 一般資料

收集自2014年7月到2018年12月間經(jīng)南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院確診的55例CSM患者，年齡在24～62歲之間，年齡平均值為(46±5.2)歲。排除：(1)年齡＞65周歲；(2)具有頸部外傷史和頸椎手術(shù)史；(3)具有腦部血管疾病；(4)存在其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和精神障礙者。同時(shí)，選取16名年齡、文化程度相匹配的健康志愿者作為健康對(duì)照組。對(duì)照組無(wú)神經(jīng)病史、無(wú)脊髓病史，影像學(xué)脊髓無(wú)壓迫癥狀。確認(rèn)CSM及健康對(duì)照(healthy controls，HC)組組員均無(wú)MRI檢查禁忌。本研究已通過(guò)南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核，所有組員和家屬均被告知研究?jī)?nèi)容和風(fēng)險(xiǎn)性，并簽署知情同意書。

1.2 fMRI及DTI數(shù)據(jù)的采集

患者到達(dá)磁共振室后休息15 min，使其情緒緩和平靜，告知其檢查注意事項(xiàng)。使用Siemens Magnrtom 3.0 T Trio Tim磁共振系統(tǒng)，采用8通道頭顱線圈掃描頭部，使用脊柱專用線圈掃描頸椎，獲得頭顱及脊髓MRI數(shù)據(jù)。MRI掃描序列：CSM組及HC組均進(jìn)行頸椎及頭顱掃描，于橫斷面上選擇掃描序列，包括T1WI、T2WI及T2FLAIR序列，用于采集頸椎椎管最大狹窄程度(maximum canal compromise，MCC)、脊髓最大受壓程度(maximum spinal cord compression，MSCC)、T2WI高信號(hào)范圍等數(shù)據(jù)以及除外頸髓、腦部其他病變。其后進(jìn)行DTI掃描：選擇軸位掃描，掃描范圍包括C1-T1，采用單次激發(fā)自旋回波平面成像(spin echo-echo planar imaging，SE-EPI)技術(shù)，設(shè)置TR 7200 ms，TE 104 ms，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，矩陣128×128，翻轉(zhuǎn)角90°，連續(xù)掃描49層，層厚2.5 mm，施加30個(gè)非共線擴(kuò)散梯度(b=0，1000 s/mm2)，NEX為2。采集靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)使用梯度回波-回波平面成像(gradient-recalled echo-planar imaging，GRE-EPI)序列采集，TR 3000 ms，TE 40 ms，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm，矩陣64×64，連續(xù)掃描30層，層厚3 mm，間隔1.2 mm，采集240個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 常規(guī)MR數(shù)據(jù)處理

(1)MCC及MSCC測(cè)量[8](圖1)。(2) T2WI高信號(hào)范圍：測(cè)定在T2WI圖像上出現(xiàn)T2WI高信號(hào)范圍對(duì)應(yīng)的脊髓節(jié)段數(shù)。

1.3.2 DTI數(shù)據(jù)處理

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后進(jìn)行渦流校正、頭動(dòng)校正等預(yù)處理，導(dǎo)出重建完成的軸位ADC圖和各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)圖，在常規(guī)MR圖像指引下完成定位，選擇脊髓受壓最嚴(yán)重節(jié)段，在軸位ADC圖及FA圖勾繪出相關(guān)感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，在ADC、FA圖像上人工選擇ROI，在受壓脊髓左、右側(cè)的前索、后索和外側(cè)索白質(zhì)區(qū)域選擇6個(gè)ROI，避免腦脊液及相關(guān)偽影的影響，記錄受壓脊髓節(jié)段的ADC值及FA值。每個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)纱危瑫r(shí)間間隔一周，最后取平均值作為結(jié)果。

1.3.3 靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)處理

將獲得的fMRI數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理助手(DPARSF)，各自以HC組與CSM組患者的左、右側(cè)丘腦分別作為種子區(qū)，提取他們的BOLD信號(hào)平均時(shí)間序列，計(jì)算種子區(qū)的時(shí)間序列與剩余腦區(qū)體素時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)性分析，使用DPARSF進(jìn)行R-Z轉(zhuǎn)化，構(gòu)建每個(gè)受試者的FC圖并轉(zhuǎn)化為Z得分FC圖，用于統(tǒng)計(jì)分析[9]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

功能連接使用SPM12軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各組內(nèi)采用單樣本t檢驗(yàn)(符合正態(tài)分布，F(xiàn)DR校正，P＜0.05)獲得各組內(nèi)功能連接圖譜，三組單樣本功能連接圖譜求并集后制作成統(tǒng)計(jì)模板Mask，進(jìn)一步兩兩之間獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(經(jīng)FDR校正，P＜0.05、簇體素≥10為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義)。使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，輕中度CSM患者組、重度CSM患者組與HC組之間采用獨(dú)立樣本雙側(cè)t檢驗(yàn)，比較組間差異，每項(xiàng)影像學(xué)表現(xiàn)與臨床變量(mJOA、NDI評(píng)分)間均采用多元線性回歸分析，P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

表1 對(duì)照組、輕-中度組、重度組各項(xiàng)影像學(xué)數(shù)據(jù)參數(shù)值(±s)Tab. 1 Parameters of imaging data in control group, light medium group and severe group (±s)

表1 對(duì)照組、輕-中度組、重度組各項(xiàng)影像學(xué)數(shù)據(jù)參數(shù)值(±s)Tab. 1 Parameters of imaging data in control group, light medium group and severe group (±s)

項(xiàng)目 對(duì)照組 輕-中度組 重度組椎管最大狹窄程度(%) 28.24±7.14 42.39±8.21 53.91±10.65脊髓最大受壓程度(%) 17.32±8.65 28.23±10.22 43.58±9.32 T2WI高信號(hào)范圍 0.22±0.12 0.96±0.86 1.98±0.76 ADC值 1.032±0.065 1.187±0.116 1.261±0.365 FA值 0.702±0.086 0.613±0.065 0.554±0.049

表2 三組之間各項(xiàng)影像學(xué)數(shù)據(jù)兩兩對(duì)比分析Tab. 2 Comparative analysis of imaging data between three groups

HC組、輕-中度患者組和重度患者組，三組之間彼此兩兩對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)MCC、MSCC、T2WI高信范圍、FC值、ADC值存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見表1、2。與HC組相比，發(fā)現(xiàn)輕中度CSM組左側(cè)丘腦與雙側(cè)大腦舌回、楔葉、右側(cè)小腦后葉間 FC值增加；發(fā)現(xiàn)重度CSM組右側(cè)丘腦與雙側(cè)中央旁小葉、中央前回、橋腦和顳上回間的FC值明顯下降。與重度CSM組相比，輕-中度CSM組在丘腦與雙側(cè)中央旁小葉-中央前回之間的FC值升高，與后扣帶回、角回、內(nèi)側(cè)前額葉之間的FC值減少(圖2～4)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)MSCC與mJOA評(píng)分之間存在負(fù)相關(guān)性，F(xiàn)A值與mJOA評(píng)分之間存在正相關(guān)性，P值均＜0.05，r絕對(duì)值分別為0.464和0.589(圖5，6)。

3 討論

3.1 CSM患者M(jìn)SCC、MCC、T2WI高信號(hào)范圍、DTI的異常改變及意義

脊髓神經(jīng)或髓鞘損傷在影像表現(xiàn)為脊髓內(nèi)部T2WI高信號(hào)，本研究顯示，CSM患者脊髓存在T2WI高信號(hào)，且重度患者較輕－中度組、對(duì)照組高信號(hào)范圍明顯增加；此外，重度患者較輕-中度組與對(duì)照組，MSCC與MCC明顯增加，MSCC與mJOA評(píng)分間存在負(fù)相關(guān)性。以上兩點(diǎn)提示我們，CSM的病變是一個(gè)不斷惡化的過(guò)程。DTI的基本原理是通過(guò)捕捉水分子在組織內(nèi)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)造成的磁共振信號(hào)衰減而成像[10-11]。已有研究證明DTI的確能反映頸髓微觀結(jié)構(gòu)的改變[12]，不僅能區(qū)分病變頸髓、正常頸髓，也能區(qū)分不同病變程度的頸髓[13-15]。在本研究中，重度組CSM患者較輕中度組、對(duì)照組頸髓ADC值增高、FA值減低，這表明細(xì)胞缺血壞死及脫髓鞘現(xiàn)象增加。有文獻(xiàn)指出，CSM患者在病變晚期，即發(fā)展成重度患者時(shí)，出現(xiàn)T2WI高信號(hào)可能性更高，并且常規(guī)MRI檢查診斷出脊髓型頸椎病的概率約為15%～65%[16]，這與本研究結(jié)果大致相似，由此使用MRI的T2WI高信號(hào)成像判定病情往往會(huì)延誤CSM精準(zhǔn)診斷、影響病人手術(shù)效果及預(yù)后。有研究表明在脊髓病變?cè)缙冢珹DC能夠有效顯示脊髓內(nèi)的病灶，但在疾病晚期無(wú)法準(zhǔn)確顯示病變的部位及范圍[17]。這在本研究中也有體現(xiàn)，本研究結(jié)果顯示FA值與mJOA評(píng)分存在正相關(guān)性、ADC值與mJOA評(píng)分無(wú)明顯相關(guān)性，提示FA值在精準(zhǔn)評(píng)估CSM功能損害程度更具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 CSM患者腦靜息態(tài)功能連接的異常改變及意義

本研究結(jié)果顯示，與HC組相比，輕-中度CSM患者左側(cè)丘腦與雙側(cè)大腦舌回、楔葉、右側(cè)小腦后葉間的FC值升高。大腦枕葉屬于視覺(jué)皮層，包括舌回與楔葉，能夠控制視覺(jué)相關(guān)運(yùn)動(dòng)、處理物體的空間信息和識(shí)別物體，有研究[18]發(fā)現(xiàn)，小腦與大腦許多部位存在功能上的聯(lián)系。這些信息表明舌回、楔葉等能夠控制視覺(jué)相關(guān)運(yùn)動(dòng)的高級(jí)皮層，可以代償脊髓受到壓迫后導(dǎo)致的機(jī)體信息傳入大腦減少，維持患者正常的感覺(jué)與運(yùn)動(dòng)功能；同時(shí)小腦后葉的代償增加，能夠增強(qiáng)皮質(zhì)-丘腦-小腦等錐體外系環(huán)路來(lái)維持錐體外系運(yùn)動(dòng)功能。

本研究結(jié)果顯示，與對(duì)照組和輕中度CSM患者組相比，重度CSM組患者的右側(cè)丘腦與雙側(cè)中央旁小葉、中央前回之間的FC值都出現(xiàn)下降現(xiàn)象。中央前回屬于第一軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)，能夠接受對(duì)側(cè)身體軀體感覺(jué)信息，管理對(duì)側(cè)身體的骨骼肌運(yùn)動(dòng)；中央旁小葉同時(shí)包含第一軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)和第一軀體感覺(jué)區(qū)，既能夠處理運(yùn)動(dòng)信息，又能接受對(duì)側(cè)身體的各種感覺(jué)信息、位置覺(jué)信息以及運(yùn)動(dòng)覺(jué)信息。這說(shuō)明隨著病情的進(jìn)展，大腦部分正常功能也開始下降，同時(shí)大腦皮層視聽覺(jué)感知介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)功能的代償活動(dòng)開始下降甚至低于正常水平，表明大腦的代償存在限度。

此外，重度CSM患者與HC組相比，右側(cè)丘腦與顳上回、橋腦間的功能連接明顯升高，與輕中度CSM患者相比，丘腦與后扣帶回、內(nèi)側(cè)前額葉、角回之間的FC值上升。顳上回是人體的聽覺(jué)中樞，后扣帶回是邊緣系統(tǒng)的重要組成部分之一，角回屬于視覺(jué)性語(yǔ)言中樞，它是頂下小葉的組成部分[19]。由此筆者可以推測(cè)腦部對(duì)抗脊髓壓迫的功能代償活動(dòng)并不單一。在中央旁小葉-中央前回這些部位的代償開始減弱消失時(shí)，其他代償活動(dòng)開始加強(qiáng)以對(duì)抗這種減弱。因此我們觀察到內(nèi)側(cè)前額葉、顳上回、后扣帶回等這些與聽覺(jué)和視覺(jué)相關(guān)皮層功能連接的增強(qiáng)，可用于長(zhǎng)期脊髓功能損傷的運(yùn)動(dòng)功能代償，繼續(xù)維持機(jī)體正常的感知與運(yùn)動(dòng)功能。

本研究不足之處：樣本量偏小，部分?jǐn)?shù)據(jù)的測(cè)量存在人為誤差；對(duì)患者的隨訪時(shí)間不夠，尚未判定頸髓與大腦數(shù)據(jù)與CSM患者術(shù)后療效的關(guān)聯(lián)，需待進(jìn)一步研究。

綜上所述，CSM患者頸椎與大腦都發(fā)生了結(jié)構(gòu)及功能改變，CSM患者存在腦皮質(zhì)功能重塑現(xiàn)象，代償維持部分感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能，部分患者脊髓損害程度與臨床表現(xiàn)并不對(duì)應(yīng)是由于大腦存在皮質(zhì)功能重塑的代償作用。

利益沖突：無(wú)。