磁共振扩散峰度成像对腰椎间盘退变的诊断价值

曾菲菲，査云飞，2*，胡磊，林苑，龚威，陈翩翩，柳柏玉，陆雪松

腰椎间盘退行性改变被认为是下腰痛的首要病因[1]。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)目前是诊断椎间盘病变的首选方法。常规MR图像可反映椎间盘的信号强度和形态学改变，但不能客观量化椎间盘退变程度及椎间盘微结构的改变。

扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)基于非高斯扩散理论，通过二阶三维扩散张量联合四阶三维峰度张量来描述水分子扩散的受限过程，能够比扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)更加敏感地反映组织微结构的复杂程度。DKI技术可敏感地反映组织内水分子的扩散能力和组织微结构的复杂程度[2-5]。目前，DKI技术主要用于评价中枢神经系统病变、头颈恶性肿瘤、颈部淋巴结、肺部小气道疾病及前列腺癌的早期超微结构改变[6]。本研究探讨DKI定量参数与腰椎间盘Pfirrmann分级、椎间盘节段及受试者性别之间的相关性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

临床因腰腿痛在武汉大学人民医院拟诊腰椎间盘病变的受检者81例，男31例，女50例，年龄22～66岁，平均(36.5±15.5)岁，男性平均年龄(37.7±16.4)岁，女性平均年龄(35.7±14.5)岁。剔除标准：长期体力劳动史、急慢性外伤史、截瘫、肥胖、脊柱手术或放疗史、严重的脊柱侧弯和脊柱后凸畸形、肿瘤、结核。本研究由武汉大学人民医院伦理委员会批准。

1.2 检查设备及方法

采用3.0 T超导MR (Discovery 750 Plus, GE Healthcare)全脊柱相控阵线圈进行检查。对所有受检者均于18:00-22:00行仰卧位检查，采集腰椎矢状位T2WI、DKI图像。(1)矢状位T2WI采用FRFSE序列，扫描参数：TR 2500 ms，TE 120 ms，层厚4.0 mm，层间距0.5 mm，FOV 300 mm×300 mm，扫描矩阵352×320。(2) DKI采用单次激发自旋回波平面成像序列，扫描参数：TR 2000 ms，TE 71.7 ms，层厚4.0 mm，层间距0.5 mm，FOV 300 mm×150 mm，扫描矩阵128×128，b=0 s/mm2、1000 s/mm2、2000 s/mm2，30个扩散磁敏感方向。

1.3 图像处理

腰椎间盘矢状位T2WI参照Pfirrmann分级系统进行退变程度分级[7]，Ⅰ级：髓核结构均一、亮白；髓核信号强度与脑脊液相当；髓核纤维环后部分界清晰；椎间盘高度正常。Ⅱ级：髓核结构不均，可有水平带；髓核信号强度与脑脊液相当；髓核纤维环后部分界清晰；椎间盘高度正常。Ⅲ级：髓核结构不均；髓核信号强度中度降低，呈灰色；髓核纤维环后部分界不清；椎间盘高度轻度降低。Ⅳ级：髓核结构不均；髓核信号强度降低，呈灰色或黑色；髓核纤维环后部分界消失；椎间盘高度中度降低。Ⅴ级：髓核结构不均；髓核呈黑色；髓核纤维环后部分界消失；椎间盘高度重度降低。以上图像分析由两位具有10年以上临床MRI诊断经验丰富的副主任医师完成。

腰椎间盘DKI原始图像采用AW4.6后处理工作站(GE Healthcare) Function tool软件包中的DKI软件进行分析处理。在DKI腰椎正中矢状位层面手动绘制类圆形感兴趣区(region of interest，ROI)覆盖髓核区(如图1)，感兴趣区的大小为30～50 mm2，避开上下椎体的软骨终板及脑脊液，在相应的伪彩图上记录髓核(nucleus pulposus，NP)的平均扩散峰度(mean kurtosis，MK)、平均扩散系数(mean diffusivity，MD)值，每个椎间盘测量3次，然后计算取平均值。

图1 A：常规T2WI图像，L1/L2、L2/L3椎间盘为Ⅰ级，L3/4、L4/L5椎间盘为Ⅱ级，L5/S1椎间盘为III级；B：DKI原始图(b0)；C：MK伪彩图，随着髓核T2WI信号降低，髓核颜色由低值深蓝色向中值绿色变化；D：MD伪彩图，随着髓核T2WI 信号降低，髓核颜色由绿色向低值淡蓝色变化Fig. 1 A: Sagittal T2-weighted MRI shows grade Ⅰ at L1/L2 and L2/L3 level, grade Ⅱ at L3/L4 and L4/L5 level,grade III at L5/S1 level; B: DKI image (b0); C: MK map shows that the color of nucleus pulposus changes from dark blue to green with the decreasing of the signal in T2WI; D: MD map shows that the color of nucleus pulposus changes from green to light blue with the decreasing of the signal in T2WI.

1.4 统计学方法

采用SPSS 22.0软件，采用单因素方差分析(ANOVA)和多重比较的LSD-t检验分析不同Pfirrmann级别椎间盘髓核的MK、MD值差异，并进行Spearman等级相关性检验；采用ANOVA和多重比较的LSD-t检验分析不同椎间盘节段间髓核MK、MD值的差异；髓核MK、MD值性别差异采用成组t检验；P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

共纳入405个腰椎间盘进行研究，分布于L1～S1椎间盘层面。髓核的MK、MD值在Ⅰ～Ⅴ级椎间盘分级间差异均有统计学意义(表1)，两两比较结果显示，不同分级组间差异均有统计学意义，MK值与Pfirrmann分级呈显著正相关(r=0.922，P＜0.01)，MD值与Pfirrmann分级呈显著负相关(r=-0.921，P＜0.01)。

L5/S1节段MK值(0.89±0.32)高于L1/L2(0.82±0.14)、L2/L3 (0.84±0.23) (P＜0.05)；L5/S1节段MD值(1.83±0.32)低于L1/L2(1.89±0.14)、L2/L3 (1.86±0.19) (P＜0.05)；余节段间差异均无统计学意义。各节段椎间盘MK及MD值性别差异无统计学意义(P＞0.05) (表2)。

表1 不同Pfirrmann分级腰椎间盘髓核MK、MD值比较Tab. 1 MK and MD values of nucleus pulposus with different Pfirrmann grades

表2 各节段椎间盘髓核MK、MD值的性别差异比较Tab. 2 Comparison of nucleus pulposus MK and MD values between male and female at different disc levels

3 讨论

DKI基于非高斯分布模型，可以真实地反映组织内水分子扩散运动的能力，并且可敏感地反映组织微结构的复杂程度。目前临床应用较多的扩散序列如扩散加权成像(diffusion weighted image，DWI)、扩散张量成像等利用的是水分子高斯分布模型，然而，生物组织内水分子扩散受到各种限制，并非完全自由扩散，此时常规DWI及DTI模型模拟水分子的信号衰减就可能存在较大误差。DKI技术可以弥补这一缺点，DKI不仅对水分子扩散反应更敏感，而且可以提供比DWI和DTI更多结构信息[6,8]。MK值是水分子沿空间各方向扩散峰度的平均值，MK值越大表明扩散受限越严重，成分结构越复杂；MD反映水分子在组织空间内的平均扩散系数，与组织内自由水含量有关[2]。本研究中，NP的MK值与Pfirrmann分级呈显著正相关，MD值与Pfirrmann分级呈显著负相关，说明随着椎间盘退变程度的加剧，椎间盘蛋白多糖合成的数量和质量下降，椎间盘内胶原纤维的排列方式由有序向无序的结构转变，从而造成MK值增加；髓核储水能力受限，含水量逐渐减少，胶原纤维成分逐渐增加，椎间盘内水分子扩散受限加重[9]，从而导致髓核MD值降低。而且，即使在常规序列认为是正常的I级椎间盘中，髓核的MK及MD值也存在差异，说明部分I级椎间盘可能已有微结构和水分子改变，有向II级椎间盘潜在变化的趋势。因此，MK及MD值可通过对椎间盘组织微结构及水分子扩散能力的改变提示早期椎间盘退变。Li等[10]对SD大鼠尾椎间盘退变模型进行T2WI、DWI、DKI扫描，发现随着椎间盘退变程度的增加(I级至II级)，表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)减低，MK值增加，而MD值改变无统计学意义，而且MK值评价椎间盘退变具有较高的敏感度。

Katsura等[11]利用与DKI成像类似的非高斯分布模型Q-space imaging(QSI)技术，发现腰椎间盘晚上的峰度系数(apparent kurtosis coefficient，AKC)明显高于早上。祝婷婷等[12]对20名青年志愿者椎间盘早晚进行DWI扫描发现椎间盘的ADC值在早晨高于晚上，提示椎间盘机械压力使得髓核水分子扩散能力下降且结构复杂性增加，因此本研究的志愿者均在晚上进行扫描。虽然QSI与DKI均属于非高斯分布模型，但DKI更有优势。因为QSI为达到超高b值对扫描设备要求非常高，而且扫描时间长，所以DKI技术更适宜于临床。

刘耀升等[13]对腰椎间盘节段运动生物力学分析发现腰椎间盘解剖位置越低，其所受应力越大，退变可能性越大。本研究发现的L5/S1节段MK值低于L1/L2、L2/L3节段、L5/S1节段MD值低于L1/L2、L2/L3节段，该结果与上述研究的结论相符。由于低位腰椎间盘发生早期退变的可能性较高位腰椎间盘大[14]，从而引起MK及MD值的变化，L5/S1椎间盘MK和MD值变化最明显，这一结果也为椎间盘变性好发于低位提供了临床依据。

本研究结果显示髓核MK、MD值评价椎间盘退变无性别差异，但目前椎间盘退变的性别差异仍然存在部分争议。Siemionow等[15]通过对不同性别、种族人群进行对比分析，认为椎间盘退变不同节段性别无差异。Li等[10]发现椎间盘高度、ADC、MK值在I级椎间盘存在性别差异，认为雌鼠和雄鼠的正常椎间盘微观结构存在差异。目前，已有观点认为，由于较强的机械压力及外伤发生率，年轻男性较年轻女性更易发生椎间盘退变；而在老年群体中，女性的椎间盘退变较男性更严重，可能与雌激素缺乏直接或间接影响椎体骨髓灌注从而加速椎间盘退变有关[16]。

本研究的局限性：(1) DKI所需要的b值较大，造成信噪比下降；高阶的峰度成像较扩散更容易出现点状伪影；(2)本研究结果缺乏相应的椎间盘超微病理组织对照研究，开展椎间盘退变动物模型DKI基础研究十分必要；(3)本试验仅对髓核进行DKI研究，未开展前纤维环、后纤维环的MK和MD值测量，因此DKI技术对纤维环的诊断价值有待进一步研究。

总之，DKI成像可用于定量评价早期椎间盘退变，MK及MD值与Pfirrmann分级、椎间盘节段具有相关性，而与性别差异无明显相关性。

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