表观弥散系数在腰椎间盘退变中的研究进展

赵才勇　陈兴灿★

·综述·

表观弥散系数在腰椎间盘退变中的研究进展

赵才勇陈兴灿★

腰椎间盘退变是腰腿痛的主要原因之一，客观、无创、早期定量评估腰椎间盘退变，对病变的预防、临床诊疗及疗效评估具有重要意义。MRI是目前诊断椎间盘退变最为简单、准确而无损伤的检查方法，常规磁共振T2WI强调退变椎间盘形态和信号的改变，缺乏椎间盘退变量化的评价标准。椎间盘水分子弥散受损是椎间盘退变标志性改变［1］，而弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）是目前唯一能检测活体组织内水分子弥散运动的无创性方法。通过测量表观弥散系数值（apparent diffusion coefficient，ADC）可以定量评估椎间盘自由水的弥散运动，间接反映椎间盘蛋白多糖、胶原分子等微观信息［2，3］，因此，ADC值对腰椎间盘退变的研究具有重要意义。现就DWI-ADC值在腰椎间盘退变中的最新研究进展综述如下。

1　DWI基本原理

DWI是在自旋回波-回波平面序列180°相位重聚脉冲的两侧各施加一个弥散敏感梯度场，对于静止的质子，第1个梯度场引发的相散会被第2个梯度场完美的补偿，信号不衰减；相反，运动的质子在施加第1个梯度场时快速相散，而第2个梯度场不能补偿这种相散，信号衰减。因此，DWI图在分子弥散运动较弱的区域显示高信号，而分子弥散强烈区表现为低信号。

生物组织内分子弥散程度常用表观弥散系数表示，其计算公式如下：ADC=log［（S0/S1）/（b1-b0）］。b为弥散敏感参数，S0、S1分别代表DWI同一感兴区对应b值所得信号强度。因此，ADC值可以定量反映组织内水分子的弥散运动，ADC值越大，水分子弥散运动越快，ADC图表现为高信号。b值对ADC值及DWI图像影响较大［4］。增加b值，增加了弥散权重，所测ADC值更真实、稳定，但是降低了DWI图像的信噪比；减小b值，ADC值受血流灌注影响大，不能真实反应水分子的弥散运动，但是解剖结构显示较清晰［4］。因此，选择合适的b值对研究结果的准确性是至关重要的。

2　ADC值在腰椎间盘中的应用

椎间盘是人体最大的缺血管组织，其营养供给主要通过终板途径，椎体血管内的营养物质通过骨髓腔-血窦-软骨终板界面进行弥散，分子被动弥散和溶液对流是营养物质转运的主要机制，而营养物质减少是引起椎间盘退变的主要原5%，较IV高10%，可能与椎间盘破裂导致水分子微观自由运动加快有关。故该学者认为ADC值在正常和退变椎间盘之间有较多部分重叠，根据目前的技术水平，所测的椎间盘ADC值临床价值有限［10］。但该研究具有两点不足之处：（1）该研究对象中未发现I级椎间盘，同时将正常椎间盘归为III级。（2）61个V级椎间盘只成功测量了16个T2WI信号相对较高椎间盘的ADC值。所以，作者认为ADC值与椎间盘退变程度的关系基本明确，ADC值定量评估椎间盘退变具有一定价值。

2.3解剖节段与ADC值的关系 腰椎间盘ADC值与解剖节段的关系国内外研究报道争议较大。Kealey等［9］发现正常和退变腰椎间盘ADC值与解剖节段均相关，邻近足侧腰椎间盘ADC值较头侧低。国内研究［14］亦得到相似的结果，考虑到下腰椎间盘机械负荷重，易发生退变有关。然而，另有文献报道［10］ADC值与解剖节段无显著性差异，与陈耀康等［15］研究结果相一致。此外，沈思等［16］对18～30岁青年志愿者行腰椎DWI扫描，结果显示随解剖节段的降低椎间盘ADC值的升高差异有统计学意义（P＜0.05），推测这可能与椎间盘早期退变生化改变有关。椎间盘退变早期，蛋白多糖浓度开始下降，其中亲水性的聚集蛋白聚糖下降尤为明显，致使结合水转变为自由水，水分子弥散增加，导致ADC值升高，与先前学者对动物研究发现椎间盘退变早期ADC值升高相吻合［17］。根据以上文献报道，可见解剖节段与ADC值的研究结果并不一致，可能跟研究对象不同有关。

2.4T2值与ADC值的关系 T2弛豫时间（T2值）是指横向磁化弛豫衰减到最大信号强度的37%时所需时间，可以通过T2 Mapping技术进行量化。研究显示T2值与年龄、椎间盘退变呈负相关，并且能够早期反映椎间盘含水量的变化，与胶原纤维排列、胶原含量相关，而蛋白多糖含量对其影响较小［18］。因此，T2值和ADC值都能定量反映椎间盘退变微观结构的改变。同时，椎间盘T2信号强度与ADC值具有相关性［10］。但是，T2值和ADC值哪一个值更敏感于诊断早期椎间盘退变一直是争论的焦点。Niu等［19］对健康志愿者和腰腿痛患者进行腰椎T2WI和DWI检查，I～IV级椎间盘T2值两两比较差异均有统计学意义（P＜0.05），而I～Ⅲ级椎间盘ADC值差异无统计学意义（P＞0.05），进一步线性回归分析显示T2值与年龄的相关性比ADC值更显著，表明比较ADC值，T2值诊断早期椎间盘退变更敏感。然而，Wu等［11］研究结果显示不同解剖节段、年龄（青年组）与T2值差异均无统计学意义（P＞0.05），却与ADC值有显著性差异（P＜0.05），表明ADC值比T2值诊断椎间盘退变更加敏感。

作者认为，Pfirrmann分级标准有对T2WI髓核信号强度的要求。T2值主要体现椎间盘的含水量，而ADC值主要体现水分子的运动情况，营养下降是椎间盘退变始动因子，营养物质的转运主要依赖于液体的弥散，所以水分子运动改变可能发生在T2值变化之前。综上分析，与T2值比较，ADC值可能更加敏感的发现椎间盘早期退变改变。

2.5疗效评价与ADC值的关系 研究显示［5，20，21］，通过监测治疗前后椎间盘ADC值的变化，有助于客观评估不同治疗方法的有效性。Beattie等［21］通过ADC值检测腰椎关节运动前后椎间盘髓核区水分子弥散的变化，发现运动后L5/ S1退变椎间盘ADC值增加，表明腰椎关节运动有助于增加椎间盘水分子弥散运动。被动弥散是椎间盘营养物质转运的主要机制，浓度差是被动弥散转运的动力，腰椎关节运动改善了椎间盘周围局部循环，增加了与周围血管、组织液之间的浓度差，弥散增加，这可能是退变椎间盘ADC值增加的原因。同时，弥散增加对退变椎间盘生化改变具有重要意义：（1）增加了椎间盘细胞内氧气和营养物质；（2）加速椎间盘内代谢废物的清除；（3）增加了椎间盘内外压力差［22］。因此，Beattie等［23］深入研究了退变椎间盘弥散变化与临床表现的关系。Beattie等［23］对20例腰背痛患者进行了10min的腰椎手法治疗，且在治疗前后各行1次DWI检查和疼痛评分，结果显示疼痛明显减轻组L5/S1髓核区ADC值增加4.2%，疼痛变化不明显组ADC值减少1.6%。Beattle等［5］通过改变治疗方法和增加治疗时间，结果再次显示疼痛明显减轻组腰椎间盘ADC值升高，而疼痛变化不明显组ADC值无变化或下降，两者变化差异有统计学意义（P＜0.05），表明腰背痛患者疼痛强度的改善较大程度上与椎间盘ADC值增加有关。然而，椎间盘弥散增加与患者疼痛缓解之间准确的理论机制并未明确，以及相同的物理治疗后部分患者腰痛和弥散并未改善的具体原因有待进一步研究。

3　结语

综上所述，ADC值对腰椎间盘退变诊断、疗效评估及退变机制的研究具有一定价值。然而，ADC值的变化与退变椎间盘病理改变、患者临床表现之间相关机制有待深入研究；单纯ADC值对椎间盘退变定量研究具有一定的局限性，须同时结合其他定量MRI技术（T2 mapping、T1rho成像）；DWI对运动十分敏感，对磁场的均匀性要求较高，磁敏感伪影较重。随着MRI成像技术的发展，图像后处理软件的开发，DWI-ADC值对椎间盘影像学的研究将具有重大意义。

1 Beattie PF， Morgan PS， Peters D. Diffusion-weighted magnetic resonance imaging of normal and degenerative lumbar intervertebral discs：a new method to potentially quantify the physiologic effect of physical therapy intervention . J Orthop Sports Phys Ther， 2008，38（2）：42～49.

2 Antoniou J， Demers CN， Beaudoin G， et al. Apparent diffusion coefficient of intervertebral discs related to matrix composition and integrity . Magn Reson Imaging， 2004，22（7）：963～972.

3 Antoniou J， Epure LM， Michalek AJ， et al. Analysis of quantitative magnetic resonance imaging and biomechanical parameters on human discs with different grades of degeneration . J Magn Reson Imaging，2013， 38（6）：1402～1414.

4 Ichikawa T， Haradome H， Hachiya J et al. Diffusion-weighted MR imaging with single-shot echo-planar imaging in the upper abdomen：preliminary clinical experience in 61 patients . Abdom Imaging， 1999，24（5）：456～461.

5 Beattie PF， Butts R， Donley JW， et al. The within-session change in low back pain intensity following spinal manipulative therapy is related to differences in diffusion of water in the intervertebral discs of the upper lumbar spine and L5-S1 . J Orthop Sports Phys Ther， 2014，44（1）：19～29.

6 Kerttula L， Kurunlahti M， Jauhiainen J， et al. Apparent diffusion coefficients and T2 relaxation time measurements to evaluate disc degeneration. A quantitative MR study of young patients with previous vertebral fracture . Acta Radiol， 2001，42（6）：585～591.

7 谢学斌，刘铮健，邓小雯，等. MR-DWI在腰椎间盘变性诊断中的价值 . 临床放射学杂志， 2006，25（7）：687～689.

8 Maasumi K， Tehranzadeh J， Muftuler LT， et al. Assessment of the Correlation between Apparent Diffusion Coefficient and Intervertebral Disk Degeneration Using 3 Tesla MRI . Neuroradiol J，2011，24（4）：593～602.

9 Kealey SM， Aho T， Delong D， et al. Assessment of apparent diffusion coefficient in normal and degenerated intervertebral lumbar disks： initial experience . Radiology， 2005， 235（2）： 569～574.

10 Niinimaki J， Korkiakoski A， Ojala O， et al. Association between visual degeneration of intervertebral discs and the apparent diffusion coefficient . Magn Reson Imaging， 2009，27（5）：641～647.

11 Wu N， Liu H， Chen J， et al. Comparison of apparent diffusion coefficient and T2 relaxation time variation patterns in assessment of age and disc level related intervertebral disc changes . PLoS One，2013，8（7）： e69052.

12 Katsura M， Suzuki Y， Hata J， et al. Non-gaussian diffusionweighted imaging for assessing diurnal changes in intervertebral disc microstructure. J Magn Reson Imaging， 2014，40（5）：1208～1214.

13 赵建，郭智萍，王林峰，等. 腰痛患者腰椎3.0TMR弥散加权成像腰椎间盘表观弥散系数与椎间盘退变分级的相关性. 中国脊柱脊髓杂志， 2013，23（12）：1074～1078.

14 俎金燕，王晨光，贾宁阳，等.腰椎间盘退行性变的磁共振弥散加权成像研究.实用放射性杂志， 2013，29（4）：611～614.

15 陈耀康，杨汉丰，杜勇，等. 正常成人腰椎间盘ADC值的初步测定. 中国CT和MRI杂志， 2013，11（4）：111～114.

16 沈思，王昊，汪飞，等.DWI和DTI对腰椎间盘早期退变的诊断价值.暨南大学学报，2012，33（4）：409～413.

17 Antoniou J， Mwale F， Demers CN， et al. Quantitative magnetic resonance imaging of enzymatically induced degradation of the nucleus pulposus of intervertebral discs . Spine（Phila Pa 1976）， 2006，31（14）：1547～1554.

18 Mwale F， Iatridis JC， Antoniou J. Quantitative MRI as a diagnostic tool of intervertebral disc matrix composition and integrity . Eur Spine J，2008， 17（Suppl 4）：432～440.

19 Niu G， Yang J， Wang R，et al. MR imaging assessment of lumbar intervertebral disk degeneration and age-related changes： apparent diffusion coefficient versus T2 quantitation . AJNR Am J Neuroradiol，2011， 32（9）：1617～1623.

20 Cselik Z， Aradi M， von Jako RA， et al. Impact of infrared laser lightinduced ablation at different wavelengths on bovine intervertebral disc ex vivo： evaluation with magnetic resonance imaging and histology . Lasers Surg Med， 2012，44（5）：406～412.

21 Beattie PF， Donley JW， Arnot CF， et al. The change in the diffusion of water in normal and degenerative lumbar intervertebral discs following joint mobilization compared to prone lying . J Orthop Sports Phys Ther， 2009， 39（1）：4～11.

22 Adams MA， Roughley PJ. What is intervertebral disc degeneration， and what causes it？ Spine （Phila Pa 1976）， 2006， 31（18）：2151～2161.

23 Beattie PF， Arnot CF， Donley JW， et al. The immediate reduction in low back pain intensity following lumbar joint mobilization and prone press-ups is associated with increased diffusion of water in the L5-S1 intervertebral disc . J Orthop Sports Phys Ther， 2010，40（5）：256～264.

南京军区科研基金（10MA128）；浙江省医学会临床科研基金（2011ZYC-A43）

310013 杭州 中国人民解放军第117医院