扩散张量成像对健康成人腰椎间盘与年龄及解剖部位的相关性研究

祝静雅，王晓明

中国医科大学附属盛京医院放射科，沈阳 110004

椎间盘是在椎体与椎体之间，承受重力负荷并协助脊柱完成复杂运动的一种组织结构，主要由坚固的外层纤维环及胶状的内核髓核构成。纤维环为多层同心圆结构主要富含I型胶原，维持抗张能力，髓核由水、蛋白多糖及II型胶原组成，维持间盘的抗压能力[1]。当椎间盘发生退行性改变时，髓核内的胶原断裂、蛋白多糖等细胞减少、水分流失，进一步导致纤维环破裂，引起间盘突出、椎管狭窄、椎体滑脱等一系列疾病。一些研究表明年龄及腰椎间盘解剖位置与间盘的退变相关。目前MRI是最常用来评价椎间盘的工具，观察椎间盘在T2加权序列的信号变化判断其退变的程度[2]，但缺乏客观指标，更多是依赖于主观判断。本研究目的是通过DTI技术测量间盘组织中水分子的扩散能力，通过定量分析，判定间盘的病理变化。通过对健康成人志愿者行腰椎DTI检测，选取30名在常规磁共振上未能显示出退变的作为实验对象，测定椎间盘ADC值及FA值，探讨年龄及部位与腰椎间盘的相关性，目的在于用DTI探讨当常规磁共振未发生变化时，间盘的规律性变化。

1 材料与方法

1.1 志愿者纳入标准

募集30名健康成人志愿者，男12名，女18名，年龄21～45之间，分为21～25岁组、26～30岁组、31～35岁组、36～40岁组、41～45岁组共五组，且符合：(1)对本实验知情同意，自愿参加；(2)无外伤及手术史；(3)无腰间盘突出病史；(4)无其他全身性疾病及运动史；(5)经3名放射科医生判断为常规磁共振表现正常，间盘无退行性改变。

1.2 扫描方法及序列：

采用GE 3.0T [Signa，HDxt，General Electric(GE)Healthcare，Milwaukee，WI，USA]磁共振仪扫描，使用脊柱线圈。扫描体位：仰卧位；常规脊柱矢状面SE序列T2WI(TR 3500 ms，TE 120 ms)和T1WI(TR 400 ms，TE 11 ms)平行椎间盘平面的 T2WI(TR 3500 ms，TE 120 ms)；DTI采用SE-EPI进行矢状面扫描，序列参数：TR 6000 ms，TE 1000 ms，层厚4.0 mm，间隔0.4 mm，FOV 36 cm×36 cm，矩阵128×128，b值400 s/mm2，扩散方向6，扫描时间2 min 12 s。

1.3 ADC值及FA值测定

图像后处理应用ADW 4.4(Advantage Workstation；Sun Microsystems，Santa Clara，Calif)软件(Functool 9.4.05a software，GE Healthcare)，生成ADC、FA伪彩图，含水量多的椎间盘及脑脊液显示为红色，含水量少的椎体为蓝、绿混杂色。于正中矢状面b=0的DTI图像L1～S1椎间盘中央区画取椭圆形感兴趣区(region of interest，ROI)，确保每个ROI的长轴与椎间盘的平面平行且位于椎间盘的中央。可在工作站软件中直接测量出每个椎间盘的ADC值、FA值，每个椎间盘重复测量三次，取平均值(图1～3)。

图1～3 男，25岁。扫描后的b=0时DTI图及重建后的FA、ADC图Fig.1—3 Male,25 years old.The b=0 DTI image and rebuilding of FA,ADC image after scanning.

1.4 统计学分析：

图4 A～E 分别为不同解剖位置ADC值的散点图，L1～S1不同节段椎间盘的ADC值随年龄增加均有下降趋势，并且具有相关性 图5 健康人群总体FA值的均值图，L1～4轻度下降，L4～S1明显升高，总体为上升趋势(F=8.726，P＜0.05)。A：r=－0.470，P＜0.01；B：r=－0.513，P＜0.01；C：r=－0.593，P＜0.01，D：r =－0.697，P＜0.01；E：r=－0.601，P＜0.01Fig.4 A—E:The ADC scatter diagram of different segments,ADC value reduce gradually by age increasing in L1—S1.And it has a relationship.A:r=－0.470,P＜0.01.B:r=－0.513,P＜0.01.C:r=－0.593,P＜0.01.D:r=－0.697,P＜0.01.E:r=－0.601,P＜0.01.Fig.5 The all volunteers of FA mean map,L1—4 reduce lightly,L4—S1 increase obviously,in totally,it increases(F=8.726,P＜0.05).

将所测得的原始数据输入SPSS17.0软件包。绘制不同节段椎间盘ADC值、FA值随年龄增加的变化趋势图；以单因素方差分析(one-wayANOVA)的方法比较各年龄组不同节段椎间盘ADC值、FA值的差异；采用Pearson相关分析法分析椎间盘ADC值、FA值与年龄的相关性，计算相关系数r值，P＜0.05为有统计学意义。

2 结果

本研究选取30名志愿者共150个腰椎间盘行DTI扫描，均得到了较为理想的图像。测得ADC、FA值，分析结果显示:随着年龄的增加，不同节段ADC值均呈下降趋势，(P＜0.01；表1，图4)；FA值变化无统计学意义。在不同的腰间盘节段L1～4呈轻度下降，L4～S1明显增高，总体为上升趋势(P＜0.05；表2，图5)；不同节段的ADC值无显著差异。

表1 不同年龄段组别志愿者在不同腰椎间盘节段ADC平均值(10-3 mm2/s，±s)Tab.1 The volunteers in different age groups and different segments of ADC mean value(10-3 mm2/s,±s)

表1 不同年龄段组别志愿者在不同腰椎间盘节段ADC平均值(10-3 mm2/s，±s)Tab.1 The volunteers in different age groups and different segments of ADC mean value(10-3 mm2/s,±s)

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表2 不同年龄志愿者在相同腰椎间盘节段FA平均值(±s)Tab.2 The volunteers in different age groups but same segments of FA mean value(±s)

表2 不同年龄志愿者在相同腰椎间盘节段FA平均值(±s)Tab.2 The volunteers in different age groups but same segments of FA mean value(±s)

Age group L1-2 L2-3 L3-4 L4-5 L5—S1Ⅰ 0.23±0.05 0.82±0.01 0.94±0.08 0.88±0.04 0.55±0.13Ⅱ 0.48±0.01 0.76±0.02 0.86±0.06 0.76±0.07 0.48±0.01Ⅲ 0.42±0.03 0.73±0.04 0.77±0.13 0.76±0.03 0.46±0.02Ⅳ 0.35±0.01 0.68±0.03 0.59±0.02 0.64±0.05 0.37±0.01Ⅴ 0.18±0.04 0.32±0.06 0.43±0.14 0.53±0.04 0.14±0.08 F value 7.68 8.53 6.49 3.51 8.99 P value ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05

3 讨论

DTI作为能无创的在人体内评价水分子扩散运动的磁共振技术，近年来被广泛的应用在椎间盘、脑组织以及前列腺的疾病[3-6]。本研究采用ADC值、FA值进行评价。ADC值即表观扩散系数，可以反应水分子的扩散情况，当ADC值下降，即表明水分子的扩散能力降低，且其较常规的T2信号更为敏感[7]。FA值则为扩散的各向异性。在那些具有固定排列顺序的结构中，水分子通常更加倾向于沿某一特定方向进行扩散，即称为扩散的各向异性[8]，反映了水分子的方向性。当椎间盘弹性下降，被纤维结缔组织取代，水分子扩散受阻，导致FA值增高[9]，而在受压的神经根处其值减低[10-12]。

本研究发现随着年龄的增长，处在不同节段腰椎间盘的ADC值是存在一定下降趋势。这可能是由于随着年龄的增长，椎间盘逐渐老化，髓核内蛋白多糖减少，渗透压下降，导致水分丢失。继而髓核逐渐由粘稠的液状物质转变成坚硬的固态物质，使水分子的扩散能力减低。这个结果与椎间盘的病理生理变化是相符合的，也与一些研究[13-15]的结论一致。但有研究[16]表明ADC值的升高可能提示椎间盘早期退变，这与本实验结果相矛盾。ROI选择的范围的不同也许是其中一个原因。ROI范围的选择会对结果造成一定的 差异，更靠近纤维环，或更围绕着髓核。正常髓核ADC值较纤维环更高[17]。有学者认为，正常椎间盘与退变椎间盘的ADC值有很大程度的重叠，而且由于ADC值是一个标量系数，依赖选择方向的测量及b值和信噪比的影响较大，因此ADC值的应用价值有所争议。

在本实验中，FA值随着年龄的变化，其之间的相关性并没有统计学意义。这可能是由于虽然随着年龄的增长，水分子的扩散能力有所下降，但是髓核所形成的纤维组织是杂乱的，并没有形成一定排列规律，所以水分子在各个方向扩散能力下降是不同的，没有显著的沿某一方向运动。也可能是本实验所选志愿者年龄较小所致。

随着腰椎间盘解剖节段的下移，FA值在L1～4呈轻度下降，L4～S1明显增高，总体为上升趋势。其中L5～S1处间盘与别处明显不同，这可能是由于此处的间盘结构本身与其余不同，而导致此处易发生突出等退行性改变。这种结构的不同可能是由于承重的关系，髓核内水分本身较别处少、弹性较弱，或者纤维环较别处薄弱。可以片面的解释腰椎间盘的退变性改变下位比上位更好发的原因。而在L1～4处存在轻度下降趋势，L1～2处值略高，也可能与L5～S1有相同的原因，或许在胸腰椎或腰骶椎相连接的间盘承重及活动度都较其他部位更为严重，所以更加容易退变。ADC值在不同位置并没有显著差异，这说明FA值较其更为敏感，但与一些研究结果有所差异[18]。此外，本实验中得出的个别数值与其他个体不同，可能是由于测量误差，偶有腰腿疼痛症状但是常规磁共振表现正常也是其中一个原因。

本研究尚存在着一定的局限性。由于ADC值受信噪比影响，b值得选取对结果有着一定的影响。b值小时，ADC主要反映组织内血液灌注的情况，并不能很好的反映水分子扩散的程度；b值大时，ADC值主要反映组织内水分子扩散受限的程度[19]。本研究经多次调试选取获得最佳图像效果的b=400进行扫描，而一些研究选取b=600或b=800进行扫描。并且本研究采用在矢状面上选取感兴趣区，这也与一些研究中选取的横断面有所不同。这可能也是本研究ADC值结果与一些研究不同的原因。此外，本研究也欠缺对腰椎间盘生化及组织学的评定。最后，本研究仅针对了健康的成年志愿者，未包括有症状的患者及年龄偏大的人群，对于性别、生活习惯及异常等因素造成的差异也未考虑。

综上所述，本研究虽然存在一定局限性，但仍可清晰表明：在健康成人中ADC值随着年龄的增长而下降，FA值随着解剖部位的下降总体有增高趋势。本研究体现了DTI较常规磁共振对于水分子扩散运动的先进性，探讨了健康成人腰椎间盘与年龄及解剖部位的相关性，对腰椎间盘退变的机制有了进一步的了解。也为以后进一步的研究打下了基础。如：量化间盘退变程度的分级，有腰腿疼痛症状但常规磁共振阴性人群的原因等。

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