磁共振成像 2012 年第 3 卷第 1 期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 1 定量分析灰质病变及其周围白质纤维束的磁共振成像磁共振扩散张量成像 (diffusion tensor imaging, DTI) 是一项可以在活体状态研究中枢神经

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鑫洒禹
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1 磁共振扩散张量成像对脊髓型颈椎病的初步研究 * 宋春瑶, 王晓明基金项目 : 本研究由盛京自由研究者基金项目资助 (200802) 作者单位 : 中国医科大学附属盛京医院放射科, 辽宁沈阳通讯作者 : 王晓明, wangxm024@163.com 收稿日期 : 接受日期 : 中图分类号 :R445.2; R 文献标识码 :A DOI: /j.issn 宋春瑶, 王晓明. 磁共振扩散张量成像对脊髓型颈椎病的初步研究. 磁共振成像, 2012, 3(1): [ 摘要 ] 目的探讨扩散张量成像对检出脊髓型颈椎病颈髓早期损伤的敏感性方法对 13 例健康志愿者和 13 例脊髓型颈椎病患者行常规 MRI 及扩散张量成像检查测量 C 3 ~C 7 四组椎间盘层面的 FA 值 ADC 值, 并对所有受检者行颈髓纤维束重建结果病例组 ADC 值大于对照组 (t=8.495,p<0.001); 病例组 FA 值小于对照组 (t= ,p<0.001), 两者皆有统计学意义病例组中约 92.3 % (12/13) 患者脊髓受压部位伪彩图信号改变 ; 约 30.8% (4/13) 患者 T2WI 脊髓内可见高信号, 扩散张量成像比常规 MRI 对脊髓损伤更加敏感 (P=0.002) 结论扩散张量成像可以提供脊髓的病理变化信息, 在早期检出脊髓损伤方面比常规 MRI 敏感 [ 关键词 ] 磁共振成像 ; 扩散张量成像 ; 脊髓型颈椎病 Preliminary study of diffusion tensor imaging in cervical spondylotic myelopathy SONG Chun-yao, WANG Xiao-ming * Department of Radiology, Shengjing Hospital, China Medical University, Shenyang , China * Correspondence to: Wang XM, wangxm024@163.com Received 18 Nov, 2011; Accepted 15 Dec, 2011 Abstract Objective: To explore the sensibility of diffusion tensor imaging (DTI) in early detecting spinal cord injury in cervical spondylotic myelopathy. Materials and Methods: Cervical routine MRI and DTI were performed in 13 healthy volunteers and 13 patients with cervical spondylotic myelopathy. The radiological findings were analyzed, and the apparent diffusion coefficient (ADC) values and the fractional anisotropy (FA) values were calculated, and spinal cord fiber bundle was reconstructed. Results: Compared with control group, the mean ADC and FA values were higher (t=8.495, P<0.001) and the mean FA was lower (t= , P<0.001). The DTI color maps found abnormal signal at the compressed spinal cord. T2WI showed high signal at the compressed spinal cord in 4/13 (30.8%) patients. Fisher statistics proved that DTI was more sensitive than routine MRI (P=0.002). Conclusion: DTI can provide information about the pathology. It is more sensitive in early detecting spinal cord injury in cervical spondylotic myelopathy than routine MRI. Key words Magnetic resonance imaging; Diffusion tensor imaging; Cervical spondylotic myelopathy 脊髓型颈椎病 (cervical spondylotic myelopathy, CSM) 多发生于 40 岁以上的患者, 它是由于颈椎椎体退化及相邻软组织 ( 如椎间盘突出椎体后缘骨刺后纵韧带骨化黄韧带肥厚或钙化椎管狭窄等 ) 的退变而造成了对脊髓的直接压迫, 加上剧烈的运动或长期的不良姿势等动态因素的影响, 导致脊髓受压或脊髓缺血, 继而出现脊髓的功能障碍, 是颈椎病中较严重的一型目前磁共振成像是脊髓型颈椎病最佳的检查手段, 可以显示被压迫颈髓病变部位与邻近的组织关系, 同时初步估计脊髓病变的性质和受累程度, 但在脊髓型颈椎病早期诊断中敏感度较低,T2WI 显示高信号的患者其病程多为晚期, 多提示不可逆性损伤 [1], 往往低估脊髓损伤的程度, 其与脊髓临床功能状态无相关性 [2-4], 不能为临床早期干预提供可靠信息随着低头工作方式人群增多电脑空调的广泛使用, 颈椎病患病率正不断上升并且发病年龄不断提前, 早期检出脊髓损伤意义重大在 DWI 基础上改进和发展的全新显示和 19

2 磁共振成像 2012 年第 3 卷第 1 期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 1 定量分析灰质病变及其周围白质纤维束的磁共振成像磁共振扩散张量成像 (diffusion tensor imaging, DTI) 是一项可以在活体状态研究中枢神经白质纤维结构的新技术, 能较 DWI 更准确地反映组织内水分子的扩散情况, 可以在三维空间内定量分析水分子扩散特性, 显示脊髓的细微病理生理变化及白质纤维束的走行连接及细微变化, 在显示脊髓损伤方面具有重要潜在价值 1 资料与方法 1.1 研究对象对照组 13 例健康志愿者 ( 年龄从 10~46 岁, 其中男性 5 例 ; 女性 8 例 ), 主诉无身体不适, 颈椎 MRI 检查正常病例组 13 例, 均来自本院门诊及住院患者, 病例入选条件符合 1984 年及 1992 年两次全国颈椎病专题研讨会制定的 CSM 的诊断标准 :1 临床上出现颈髓损害的早期表现, 如颈部不适, 僵硬疼痛, 四肢麻木无力, 精细运动差及 Hoffmann 征阳性等 ;2 常规 MRI 示 : 椎体及附件骨质增生椎间盘突出椎间隙变窄后纵韧带及黄韧带增厚和硬膜囊及脊髓受压等 ; 脊髓受压部位无 T2 高信号 ; 脊髓受压为单节段 ;3 除外肌萎缩性脊髓侧索硬化症脊髓肿瘤脊髓损伤多发性末梢神经炎继发性粘连性蛛网膜炎等脊髓病变 ;4 无严重心脑肺肾及消化系统等疾病检查前均签署知情同意书 1.2 设备和技术指标采用 GE HDxt 3.0 T MR 扫描仪,12 通道头颈联合线圈, 对照组和病例组获取常规 MRI 横断位 T2WI 矢状位 T1WI 和 T2WI 和横断位的 DTI 扫描 DTI 扫描参数 : 轴位 DTI 扫描 C 2 ~C 7 水平,FOV=200 mm,te=75 ms,tr=7000 ms, 层厚为 3 mm, 层间距为 0, 采集矩阵为 , 共 32 层, 扩散敏感梯度取 15 个不同方向, 扩散加权系数 (b 值 ) 取 600 s/ mm² 1.3 图像处理及分析采用 GE functool 3.0 软件对 DTI 数据进行后处理, 用校准程序对 DTI 原始数据校正, 以减少图像变形, 由两位有经验的 MRI 诊断专家共同对影像质量做出评价, 筛选图像质量符合标准对照组和病例组都对 C 3~4 C 4~5 C 5~6 C 6~7 椎间盘层面进行分析和测值, 其中病例组中脊髓受压或损伤的层面根据轴位 b=0 图和弥散图像确定感兴趣区 (ROI 取 10 mm²) 置于脊髓受压部位, 记录各间盘水平对应脊髓的 ADC 值和 FA 值通过 DTI 而获得的 ADC 图和 FA 图是以 ADC 值 FA 值大小为图像信号强度拟合而成的伪彩图, 由大到小分别显示为红色黄色绿色蓝色红色代表 ADC FA 值最大区域, 蓝色代表 ADC FA 值最小区域在 ADC 彩图中, 正常颈髓为较均匀蓝色, 脑脊液为较高 ADC 值呈红色 ; 在 FA 彩图中, 正常颈髓呈深红色信号, 脑脊液呈蓝色信号对所有受检者行颈髓纤维束重建 1.4 统计处理所有数据采用 SPSS 17.0 进行统计分析数据以 ( x ±s ) 表示按 α=0.05 水准, 对照组 C 3 至 C 7 不同椎间盘对应脊髓节段的 ADC 和 FA 值有无差异采用单因素方差分析 ; 采用 t 检验分析病例组和对照组的 ADC 和 FA 均值差异 ;Fisher 确切概率法检验 DTI 与常规 MRI 的敏感性,P<0.05 有统计学意义 2 结果所有受检者得到较满意常规 MRI ADC 图 FA 图,13 例 CSM 的常规 MRI 表现为颈椎曲度僵直椎体及附件骨质增生椎间盘突出椎间隙变窄硬 1A 1C 图 1 男,37 岁,1A 1B: 矢状位轴位 T2WI 颈髓未见异常 ;1C:ADC 伪彩图显示颈髓为较均匀蓝色, 脑脊液显示为红色 ;1D:FA 彩图显示颈髓呈深红色信号, 脑脊液呈蓝色信号 ; 1E: 颈髓纤维束成像显示 1E 正常 Fig 1 A 37-year-old male. 1A, 1B: T2WI showing intact cervical spinal cord; 1C: ADC color map showing blue cervical spinal cord and red CSF; 1D: FA color map showing deepened cervical spinal cord in color and blue CSF; 1E: Intact spinal cord fiber bundles. 1B 1D 20

3 2A 2B 3A 3B 2C 图 2 女,55 岁, 四肢无力 15 天, 疼痛逐渐加重 2A 2B: 矢状位轴位 T2WI 显示 C 5~6 椎间盘突出 ;2C: 受压部位脑脊液红色信号消失 ;2D: 硬膜囊脑脊液蓝色信号消失, 受压脊髓红色信号变浅 Fig 2 A 55-year-old female complained of weakened superior and inferior limbs lasting 15 days with aggravated pain gradually. 2A, 2B: Sagittal and axial T2WI demonstrating herniated intervertebral disc in C5/6 level with intact cervical spinal cord. 2C: ADC color map indicating disappeared red CSF; 2D: FA color map. Redness of spinal cord becomes light with disappeared blue CSF. 膜囊及脊髓受压等, 部分伴有椎管狭窄对照组正常颈髓 DTI 伪彩图显示清晰 ( 图 1); 病例组中颈髓受压层面 ADC 图表现脑脊液红色信号消失, 脊髓颜色变深 ( 变绿 / 黄 );FA 图显示硬膜囊脑脊液蓝色信号消失, 受压脊髓红色信号不均匀变浅 ( 变黄 / 绿 ) 测量对照组和病例组 C 3~4 C 4~5 C 5~6 C 6~7 椎间盘对应脊髓的 ADC 值和 FA 值按 α=0.05 水准, 对 2D 3C 图 3 女,48 岁, 右肩右手臂疼痛月余 3A 3B: C 3~4 椎间盘突出,C 4~6 间盘膨出 ;C 6~7 椎间盘突出, 椎管狭窄, 脊髓受压水肿 ;3C: 受压部位脑脊液红色信号消失, 受压部位脊髓颜色变深 ;3D: 硬膜囊脑脊液蓝色信号消失, 受压脊髓红色信 3E 号不均匀变浅 ;3E: 颈髓纤维束受压变形移位 Fig 3 A 48 year-old female complained of pain of the right superior limb for months. 3A, 3B: Sagittal and axial T2WI showing herniated intervertebral disc in C 3-4 and C 6-7 level, bulged C 4-6 intervertebral disc, spinal stenosis, and edematous spinal cord; 3C: ADC color map. Compressed cord becomes dark in color with disappeared red CSF; 3D: FA color map. Red signals of spinal cord become uneven and light with disappeared blue CSF; 3E: Spinal cord fiber bundles are compressed and deformed. 3D 表 1 对照组四组椎间盘水平对应脊髓的 FA 和 ADC 均值 (ADC 单位 :10-3 mm 2 /s) Tab. 1 Average FA and ADC of cervical spinal cord in 13 healthy volunteers (ADC Unit: 10-3 mm 2 /s) FA Controls ADC Controls C 3 -C 4 C 4 -C 5 C 5 -C 6 C 6 -C 7 P 0.708± ± ± ±0.061 P= ± ± ± ±0.088 P=0.476 表 2 病例组中受压或损失层面颈髓的 ADC 和 FA 均值与对照组颈髓的 ADC FA 均值比较 Tab. 2 Comparisons of ADC and FA mean values of the compressed or compromised cord and non-compressed cord in the control group Mean ADC Mean FA Lesions Non-compressed t P 1.199± ± < ± ± <

4 磁共振成像 2012 年第 3 卷第 1 期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 1 照组中不同椎间盘对应脊髓节段的 ADC 值间无明显差异 (F=0.846, P=0.476); 不同椎间盘水平的 FA 值之间有差异 (F=4.752, P=0.006<0.05),C 4~5 水平对应颈髓的 FA 值最高 ( 见表 1) 在病例组中共有 22 个椎间盘层面的脊髓受压或损伤, 病例组受压或损伤脊髓节段测得的 ADC 和 FA 均值与对照组均值进行 t 检验, 皆有统计学差异 ( 见表 2) 其中有 9 例在常规 MRI 脊髓尚未发现异常信号改变, 仍发现这 9 例椎间盘受压层面测得的 ADC 值比对照组 ADC 值大 (t=6.98, P<0.001); 而 FA 值比对照组 FA 值小 (t=-8.44, P<0.001) 所有研究表明脊髓受压或受损部分的 ADC 值升高 FA 值降低病例组中 9 例患者在常规 MRI 中脊髓未发现异常信号 ( 图 2),4 例患者 T2WI 脊髓内见高信号 ( 图 3); 在 DTI 伪彩图中,12 例发现异常信号,1 例无信号改变约 92.3 % (12/ 13) 患者脊髓受压部位伪彩图信号改变 ; 约 30.8 % (4/13) 患者 T2WI 脊髓内可见高信号, 统计学分析发现 DTI 比常规 MRI 对脊髓损伤检测更加敏感 ( 用 Fisher 确切概率法,P ) 对照组颈髓纤维束成像显示清晰正常, 病例组中发现有 12 例可观察到受压层面神经纤维束改变, 表现局部受压移位或局部颜色变浅 3 讨论人体脊髓组织的水分子的扩散运动受到细胞膜髓鞘白质纤维束等自然屏障的影响而表现为扩散的各向异性, 垂直于纤维走行的方向的扩散运动比平行于纤维走行的方向的扩散运动慢, 有研究发现中枢神经系统扩散的各向异性与神经纤维的直径密度神经胶质细胞的密度和磷脂化程度有关脊髓型颈椎病发病是一个连续的过程, 引起脊髓进行性的损伤具体机理还不完全清楚, 一般认为是脊髓受到持续或间歇挤压引起慢性血流灌注不足, 继之产生组织缺氧缺血造成脊髓灰质和或白质神经细胞膜通透性增加脱髓鞘神经细胞坏死等损伤 [5], 使细胞外间隙水肿或纤维束数目减少 ; 由于慢性压迫时椎管内压力增大, 导致蛛网膜下腔脑脊液异常流动, 脑脊液进入脊髓造成小裂隙 Nevo [6] 等对大鼠脊髓压迫的实验研究发现 FA 值降低有各种不同因素 : 髓鞘和神经纤维撕裂, 细胞外水肿, Wallerian 变性, 脱髓鞘改变, 组织液化和囊性变等, 这些都会使颈髓受压或损伤部位各向异性及扩散速率发生改变, 使 ADC 值升高 FA 值减低本研究发现病例组 ADC 值比对照组 ADC 值大 ; FA 值比对照组 FA 值小, 即便受压脊髓在 T2WI 中还未发现信号改变前提下,DTI 测得的 ADC 值和 FA 值仍和对照组正常脊髓测得值有差别,DTI 可以比常规 MRI 更早提示脊髓损伤 DTI 对脊髓损伤动物模 [7-8] 型及临床研究发现对照组与病例组的 FA 值有显著差异, 脊髓损伤 FA 值减低, 可能与 Wallerian 变性 [9] 有关 Laura 等研究发现脊髓损伤 FA 值减低, 在脊髓损伤方面 DTI 比常规 MRI 更敏感 DTI 对脊髓损 [10-11] 伤动物模型和临床研究中发现脊髓白质 ADC 值改变与运动功能恢复过程和解剖证实轴突再生过程相关在脊髓病变早期 DTI 就会出现变化, 而常规 T2WI 只能检测出水含量增多到一定程度显示的高信号, 该征象往往表明颈椎病严重脊髓受压或脊髓受压后期阶段本研究发现病例组中约 92.3% (12/13) 患者脊髓受压部位伪彩图信号改变 ; 而常规 MRI 仅约 30.8% (4/13) 患者 T2WI 脊髓内见高信号,DTI 比常规 MRI 对 [12] 脊髓损伤检测更加敏感 (P <0.001) 研究发现约 29% (9/31) 患者常规 T2WI 颈髓病变处出现高信号, DTI 显示颈髓病变区更为广泛 ; 而约 67.7% (21/31) 患 [13] 者 DTI 脊髓发现信号改变 Demir 等报告 ADC 图在检出脊髓损伤方面比较敏感 (17/21 例, 敏感性约为 80%), 高于 T2W(13/21 例, 敏感性仅为 61%) 同时纤维束成像主要表现为损伤部位脊髓白质纤维束的移位变形及断裂等改变 [14] 这些研究提示 DTI 对颈髓慢性损伤的的敏感性较常规 T2WI 高,DTI 可以在常规 T2WI 显示颈髓信号改变之前定量评价受压颈髓微结构改变的程度, 同时神经纤维束成像又可形象显示颈髓纤维束的改变,DTI 可以为脊髓病变早期诊断病变程度及预后评估提供依据颈髓 DTI 技术也存在一定的局限性 : 由于脊髓体积小所处解剖位置复杂及 DTI 成像序列对磁场不均匀性的敏感度高, 使图像易出现变形或信号缺失 ; 同时也缺乏验证脊髓 DTI 结果的金标准然而随着成像技术不够成熟, 后处理技术进一步完善,DTI 将成为常规 MRI 的重要补充, 为脊髓疾病早期诊断和预后评估提供影像学依据参考文献 [References] [1] Facon D, Ozanne A, Fillard P, et al. MR diffusion tensor imaging and fiber tracking in spinal cord compression. AJNR Am J Neuroradiol, 2005, 26 (6): [2] Kara B, Celik A, Karadereler S, et al. The role of DTI in early detection of cervical spondylotic myelopathy: a preliminary study with 3-T MRI. Neuroradiology, 2011, 53(8): [3] Boldin C, Raith J, Fankhauser F, et al. Predicting neurologic recovery in cervical spinal cord injury with postoperative MR imaging. Spine, 2006, 3(5): [4] Mueller-Mang C, Law M, Mang T, et al. Diffusion tensor 22

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ues and FA values of the nucleus pulposus. MR DWI and DTI can provide the imaging evidence of the intervertebral disc prophase degenerationand

ues and FA values of the nucleus pulposus. MR DWI and DTI can provide the imaging evidence of the intervertebral disc prophase degenerationand 33 4 Vol. 33 No. 4 2012 8 Journal of Jinan UniversityMedicine Edition Aug. 2012 DWI DTI 1 2 1 1 1 1. 2. 510630 DWI DTI 40 1 L 1 ~ 1 S 1 DWI DTI ADC FA 1 /2 L 1 /2 ~ 5 / 1 L 5 /S 1 5 ROI ADC FA ADC FA ADC

磁共振成像 2012 年第 3 卷第 1 期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 1 定量分析灰质病变及其周围白质纤维束的磁共振成像 磁共振扩散张量成像 (diffusion tensor imaging, DTI) 是一项可以在活体状态研究中枢神经

磁共振成像 2012 年第 3 卷第 1 期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 1 定量分析灰质病变及其周围白质纤维束的磁共振成像磁共振扩散张量成像 (diffusion tensor imaging, DTI) 是一项可以在活体状态研究中枢神经