急性颈髓外伤的DTI临床应用

刘艳辉， 高阳， 牛广明



·头颈部影像学·

急性颈髓外伤的DTI临床应用

刘艳辉， 高阳， 牛广明

目的：探讨磁共振扩散张量成像(DTI)在急性颈髓外伤中的临床应用价值。方法：41例急性颈髓外伤(外伤后3天内)患者行常规MRI、DTI和扩散张量纤维束成像(DTT)检查。41例患者按照常规T2WI上有无异常信号，分为阳性组(17例)和阴性组(24例)；选取年龄、性别相匹配的15例健康人作为对照组。分析各组中表观扩散系数(ADC)、各向异性分数(FA)、平行于颈髓长轴、前后径和左右径的本征值(λ1、λ2、λ3)的变化。结果：与对照组比较，颈髓外伤患者的FA值均降低，T2WI阳性组中ADC、λ2、λ3均增高，而T2WI阴性组中λ3值升高，差异均有统计学意义(P<0.05)。与T2WI阴性组比较，阳性组中λ3值较高，FA值较低，差异有统计学意义(P<0.05)。DTT图显示颈髓损伤处神经纤维有不同程度的稀疏、移位、扭曲及断裂等征象。结论：FA、λ3值是检测颈髓外伤早期颈髓微结构改变的敏感指标，纤维束图能直观显示纤维束的细微变化情况。

磁共振成像； 扩散张量成像； 表观扩散系数； 脊髓损伤

对比分析急性颈髓外伤患者MRI检查是诊断颈髓病变最常用的方法，尽管常规MRI能够清晰地显示颈髓形态及信号的改变，但难以定量评价颈髓的功能状态及微观结构的改变，常规MRI对人类脊髓损伤的检出敏感度仅为15%～65%[1]。而MRI-DTI技术对颈髓病变的诊断较常规MRI检查更敏感[2，3]。近年来，DTI技术已经成为神经影像诊断领域的重要补充手段[4，5]，能对颈髓损伤的早期改变进行定量分析[6，7]。本研究通过与健康对照者进行比较，旨在进一步探讨DTI测量参数与颈髓损伤程度的关系，为临床制订治疗方案提供依据。

材料与方法

1.临床资料

2012年12月-2014年10月将15例健康志愿者纳入本研究，其中男8例，女7例，年龄21～40岁，平均31.2岁。纳入标准：身体健康，无神经系统疾病，常规颈椎MRI检查未见异常。同期本院共41例急性颈髓外伤患者(外伤后3 d内)符合研究要求而入组，其中男22例，女21例，年龄21～40岁，平均31岁。纳入标准：①颈部外伤后3天内；②根据日本骨科学会脊髓功能评分标准(JOA评分)，JOA评分≤16分；③既

图1 正常人颈髓MRI图像，可见颈髓形态正常，髓内无异常信号，纤维束走行自然。a)矢状面T2WI；b)横轴面T2WI；c)DWI(b=0s/mm2)；d)ADC图；e)FA图；f)λ1图；g)λ2图；h)λ3图； i) DTT图。

往无其它颈髓疾病史，如多发性硬化、肌萎缩性侧索硬化症、脊髓肿瘤等；④T2WI髓内无异常信号组患者均伴有不同程度颈椎骨折和(或颈部软组织损伤)。排除标准：①有颈椎手术史或放射治疗史；②有MRI检查禁忌证的患者；③颈部受伤前有相关神经系统症状；④常规MRI扫描提示有中重度颈椎病。

2.检查方法

使用GE Signa HDX 3.0T MR扫描仪及头颈联合线圈。受试者采取仰卧位、头先进，检查过程中保持平静呼吸，尽可能避免头颈部运动及吞咽动作。常规扫描序列包括矢状面T2WI、T1WI及横轴面T2WI；DTI扫描采用并行采集空间敏感度编码技术(array spatial sensitivity encoding technique，ASSET)和单次激励平面回波成像(single shot echo planar imaging，SS-EPI)，扩散方向15，b=0、600 s/mm2。各扫描序列的成像参数见表1。总扫描时间7 min 35 s，扫描范围C1～C7。

表1 常规扫描序列参数

3.DTI数据处理

将扫描原始数据传入GE AW4.4工作站，使用Functool图像后处理软件进行后处理。经图像重组获得横轴面ADC、FA及本征值λ1、λ2、λ3图。手动放置感兴趣区(region of interest，ROI)，面积20～25 mm2，每个兴趣区测量3次，取其平均值。对于对照组，ROI放在C2-3、C3-4、C4-5、C5-6、C6-7椎间盘对应的颈髓层面，并计算其平均值。根据T2WI表现，将患者分为2组：髓内有异常信号组(17例)和无异常信号组(24例)。对于颈髓外伤T2WI阳性者，ROI放置于颈髓异常信号层面；而T2WI阴性者，ROI放置于骨折或是软组织损伤处所对应的颈髓层面。ROI尽可能放在颈髓白质区，以减少颈髓灰质及周围脑脊液的影响。使用DTT技术重建脊髓白质纤维束图，设置FA值下限为0.18。

4.统计学方法

使用SPSS 13.0统计学软件进行分析，对各参数值进行秩和检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.彩色编码图表现

对照组：MRI显示颈髓的结构清晰；ADC图显示颈髓呈蓝绿色信号，颈髓周围脑脊液呈红色信号；FA图能清晰显示颈髓呈红色信号，脑脊液呈蓝绿色信号；λ1、λ2、λ3图像显示颈髓呈淡黄色信号，脑脊液呈红色信号，λ2、λ3图上颈髓黄色较λ1图浅；正常颈髓DTT图显示纤维束走行完整，形态正常，呈均匀红色(图1)。颈髓外伤T2WI阳性组：损伤层面ADC图显示颈髓呈蓝绿色信号，脑脊液呈红色信号；FA图示颈髓红色信号内可见斑片状黄色信号，脑脊液呈蓝绿色信号；λ1、λ2、λ3图示颈髓呈黄色，其中4例患者λ2、λ3图上黄色颈髓内可见斑片状红色信号；DTT图显示颈髓纤维束出现卷曲、缺损、断裂等征象(图2)。颈髓外伤T2WI阴性组：骨折或软组织损伤对应层面ADC、λ1、λ2、λ3图上颈髓无明显异常表现；FA图上15例患者颈髓呈红色信号，9例颈髓红色信号内见条状淡黄色信号，脑脊液均呈蓝绿色信号；DTT图显示颈髓纤维束呈均匀红色19例，红色纤维束内有斑片状黄绿色信号5例，其中2例纤维束变稀疏(图3)。

图2 颈髓外伤12h行MRI检查，T2WI示C2-3水平髓内见斑片状高信号(红箭)，ADC和FA图显示正常呈红色的颈髓内出现斑片状黄色信号(黑箭)， 本征值(λ1、λ2和λ3)图显示正常呈黄色的颈髓内出现红色信号(白箭)，纤维束示踪图显示局部纤维束稀疏(黄箭)。a)矢状面T2WI；b)横轴面T2WI；c)DWI(b=0s/mm2)；d)ADC图；e)FA图；f)λ1图；g)λ2图；h)λ3图; i) DTT图。

表2 颈髓外伤T2WI阳性组与对照组DTI各参数值比较

参数对照组(A)阳性组(B)阴性组(C)A与B比较Z值P值A与C比较Z值P值B与C比较Z值P值ADC值(×10-9m2/s)1．097(1．013，1．160)1．217(1．045，1．617)1．127(1．059，1．238)-2．1780．029-1．8340．067-1．4290．153FA值0．650(0．605，0．707)0．537(0．448，0．615)0．593(0．573，0．644)-4．2850．000-3．2320．001-2．3550．019λ1值1．977(1．887，2．020)2．030(1．719，2．272)1．984(1．872，2．175)-0．6630．507-0．9070．364-0．0660．097λ20．690(0．550，0．765)0．902(0．644，1．127)0．662(0．604，0．750)-2．6830．007-1．4990．134-1．8000．072λ3值0．596(0．529，0．707)1．016(0．631，1．239)0．714(0．670，0．849)-3．3610．001-1．9840．047-2．2630．024

注：括号为四分位数。

2.DTI各参数值

各组ADC、FA测量结果见表2。颈髓外伤T2WI阳性组ADC、λ2值与对照组比较均明显增高(P<0.05)，颈髓外伤T2WI阳性组与T2WI阴性组的FA值均低于对照组，λ3值均高于对照组(P<0.05)，而颈髓外伤T2WI阳性组FA值低于T2WI阴性组，λ3值高于T2WI阴性组，组间差异具有统计学意义(P<0.05)。

讨 论

1.颈髓DTI技术

DTI是利用组织中水分子扩散的各向异性来探测活体组织微观结构和显示白质纤维束的一种成像方法[8，9]。ADC值反映水分子在各个方向的平均扩散强度，为3个本征值之和的平均数，它只表示扩散的大小，而与方向无关。FA值反映各向异性成分占整个扩散张量的比值(范围从0～1，0代表最小各向异性即各向同性，1代表最大各向异性)。扩散张量3个本征值λ1、λ2、λ3常以椭球体的3个直径来描绘，分别与椭球体最长径(最长轴)、前后径(中间轴)和左右径(最短轴)的扩散强度相对应。朱志军等[10]研究发现，b值的选取对于DTI成像及各项参数的测量十分重要，b值越大组织间对比度越高，即对水分子扩散运动速度的差异越敏感，但同时图像信噪比降低，伪影也更大；b值越小，图像信噪比越高，但由于易受T2透射效应影响而不能充分显示组织的各向异性。临床通常采用的b值范围在0～1000 s/mm2，如临床上在大脑DTI检查时通常选择b值为1000s/mm2。脊髓白质的排列相对于大脑要规律的多，故而水分子扩散速度更快，因此应选择较低的b值。王巍巍等[11]研究发现b值=600s/mm2时颈髓图像显示最佳，本研究中也借鉴这一结论，采用b=600s/mm2。

目前DTI技术在脑部的应用已非常广泛[12]，但是在脊髓的运用还处于起步阶段，主要是由于DTI易受磁敏感性伪影、脑脊液搏动以及呼吸、吞咽、心跳等自主或不自主运动伪影的干扰，导致图像模糊不清。颈髓是中枢神经系统的重要组成部分，颈髓损伤的患者通常病情较重，难以完成长时间的DTI扫描，所以优化DTI参数以提升扫描速度、缩短扫描时间也是本研究中非常重要的尝试之一。近几年国外学者通过动物实验进行研究，使DTI技术方面有不同程度的新进展。如敏感编码单次激发回波平面成像(sensitive encoding single shot echo planar imaging，SENSE-SSEPI)技术在单射脉冲频激励的近数10s内即可获得所有K空间的原始数据，明显缩短成像时间，而且采用敏感编码技术使图像的空间分辨力显著提高、几何变形减轻；自导航交叉螺旋(self-navigated interleaved spiral，SNAILS)DTI是其它序列所得体素容积的80%，图像质量较好，整个扫描在自由呼吸状态下完成，但图像的边缘有几何失真[13]。本研究采用GE 3.0T MR高级匀场技术，应用SS-EPI序列，其特点是通过一次射频激发，获得整个平面成像的原始数据，从而缩短扫描时间，有效降低了各种运动伪影。

图3 颈髓外伤36h行MRI检查，T2WI示C5椎体前移、相应水平颈髓受压移位、其内未见明显异常信号、颈后软组织可见片状高信号，FA图示红色颈髓内可见条片状黄色信号(白箭)，纤维束示踪图示局部纤维束受压移位、边缘毛糙(黄箭)。a)矢状面T2WI； b)横轴面T2WI； c)DWI(b=0s/mm2)； d)ADC图； e)FA图； f)λ1图； g)λ2图； h)λ3图； i) DTT图。

2.急性颈髓外伤的病理表现

近年来，随着车祸等交通事故的增加，颈髓外伤发生率呈逐渐上升趋势，如能及时采取治疗措施常常可避免颈髓出现不可逆损伤。据文献报道，T2WI上脊髓内出现高信号改变时，其病理过程多为晚期，为不可逆性脊髓损伤，已错过了临床治疗的最佳时期。急性颈髓损伤后的病理生理改变是一个动态、连续的过程，与脊髓压迫程度、速度、持续时间等因素有关，随着时间的推移，损伤脊髓的DTI测量参数亦发生改变[14]。

在较重的急性颈髓损伤中，早期病理学改变为局部水肿、出血、坏死。由于细胞膜上Na+泵的功能丧失，轴浆运输停止，导致细胞严重肿胀，细胞外间隙减小，从而使平行于脊髓长轴的水分子扩散阻碍增加、扩散能力减弱；另外，由于髓鞘和细胞膜的损伤，垂直于脊髓长轴的扩散障碍减少，使得这一方向上的水分子扩散能力相对增强；随着损伤时间越长，细胞膜和髓鞘损伤更严重，开始出现血管源性水肿，而细胞毒性水肿逐渐减轻，组织中总的含水量增加，在T2WI上表现为高信号；晚期损伤区域组织逐渐坏死、囊变，使水分子扩散障碍进一步减小，T2WI上呈明显高信号。在较轻的急性颈髓损伤中，主要病理改变为神经细胞和神经纤维水肿伴炎症细胞浸润，没有出血和坏死，但只要有损伤，即便程度较轻，也会伴有大多数细胞膜和髓鞘破坏。

3.急性颈髓外伤各参数值分析

本组病例选择21～40岁年龄组中有临床症状(JOA评分≤16分)的急性(外伤3d内)颈髓外伤患者。①FA值的变化：患者组中颈髓的FA值较对照组明显降低，其中T2WI上有异常信号组中病变区的ADC值较对照组明显增高，T2WI无异常信号组中颈髓的ADC值略高于对照组、但差异无统计学意义，上述结果与李旭等[15]的研究结果相似。分析原因，可能是颈髓损伤程度也与DTI改变具有相关性[16]，颈髓损伤越明显，水分子自由扩散运动的幅度增强，其ADC值越高，由于损伤导致脊髓内白质纤维束结构断裂，水分子扩散运动方向性下降，表现为FA值下降。Gao等[17]研究发现，患者的临床症状越明显(JOA评分越低)，其纤维束损害越明显，颈髓损伤处的FA值越低，本研究结果与文献报道基本一致。②本征值(λ1、λ2、λ3)的变化：与正常对照组比较，颈髓外伤后T2WI有异常信号组中颈髓损伤处的λ2、λ3值均明显增高，而T2WI无异常信号组中仅λ3值增高。分析原因是由于损伤早期改变主要为局部水肿、出血、坏死，细胞肿胀，能量依赖系统丧失，细胞外间隙减小，细胞外基质变化，轴浆运输损害等，使水分子扩散障碍，纵向ADC值即λ1降低；但由于髓鞘和细胞膜的损伤减少了横向的扩散障碍，所以横向ADC值即λ2、λ3值无明显降低甚至升高。综上所述，笔者认为FA值和λ3值是反映外伤早期颈髓变化的最敏感的指标。

本研究中对急性颈髓外伤的评估仍存在一定的局限性：①样本含量小；②颈髓DTI参数变化无病理学“金标准”作为对照，无法准确评估最终结果的可靠性；③本研究未能针对颈髓不同损伤程度的神经功能的变化做出评价，也未能根据损伤后不同时期的恢复程度进行远期跟踪和统计。

本研究通过影像学和临床的结合，即综合观察JOA评分和DTI参数值的变化，证实DTI是目前和未来评价颈髓损伤的一种有前景的技术，它能更早发现颈髓损伤，DTI参数能更精确、更细节地评估颈髓损伤的严重程度及范围。FA值降低、λ3值升高可作为评价急性颈髓外伤的敏感指标。总而言之，磁共振DTI技术在颈髓损伤的早期定量诊断中占据了越来越重要的地位，相信随着日后临床大样本、细分级、多模态对照研究的深入，将使DTI技术在颈髓损伤患者的诊断中发挥更重要的作用。

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The clinical application of diffusion tensor imaging in acute cervical spinal cord trauma

LIU Yan-hui,GAO Yang，NIU Guang-ming.

Department of MRI,the Affiliated Hospital of Neimengu Medical University,Huhehaote 010050,P.R.China

Objective：To investigate the clinical application value of MR diffusion tensor imaging (DTI) in acute cervical spinal cord trauma.Methods：41 patient with acute cervical spinal cord trauma within three days after the trauma underwent conventional MRI and DTI examination.All the subjects were divided into positive group (n=17) and negative group (n=24),according to the conventional T2-weighted imaging.In addition,15 healthy volunteers were recruited as the control group with the matched age and sex.ADC,FA,λ1,λ2and λ3values were then calculated,and the fiber tracking of the cervical cords was obtained.Results：Compared with the control group,FA value was significantly decreased in the patients with the cervical spinal cord trauma;the values of ADC,λ1and λ2were significantly increased in the T2-weighted positive group of the cervical spinal cord trauma;λ3value was significantly increased in the T2-weighted negative group (allP<0.05).Compared with the T2-weighted negative group,the T2-weighted positive group had significantly higher λ3value and lower FA value (bothP<0.05).Diffusion tensor tractography (DTT) images demonstrated the different degrees of displacement,porosis,distortion and brack of the fibers of the injured cervical spinal cords.Conclusion：Both FA and λ3value are sensitive indicators in detecting the subtle changes of the microstructures in the early stage of the cervical spinal cord trauma.The fiber tracking can visually display the subtle changes of the nerve fibers.

Magnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Apparent diffusion coefficient； Spinal cord injury

010050 呼和浩特，内蒙古医科大学附属医院MRI科

刘艳辉(1988-)，女，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要从事磁共振诊断工作。

高阳，E-mail：1390903990@qq.com

内蒙古自治区卫生厅资助项目(2010040)

R445.2； R744.9

A

1000-0313(2015)08-0826-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.08.006

2015-04-20

2015-06-27)