HISTO及DWI序列在脊柱结核中的定量研究

郑欢露，李白艳，陈鹰，杨柳，郭辉

脊柱结核是一种严重的骨关节疾病，约占骨肌系统结核的50%，大约10%的脊柱结核病人合并神经损害及脊柱畸形，严重者甚至截瘫,其早期诊断及治疗尤为重要[1-3]。然而早期脊柱结核发病隐匿，特别是非典型脊柱结核，临床缺乏特异性，因此影像学检查尤为重要[4]。MRI由于多参数多方位成像特点，可以清楚显示脊柱的病变范围及周围软组织改变等情况。尤其MRI对组织中水和蛋白质的含量变化非常敏感，即使没有骨质破坏，少许骨髓水肿也能很好地显示，因此MRI对早期脊柱结核的诊断具有一定的价值。典型的脊柱结核影像诊断不难，目前对不典型脊柱结核诊断较为困难，易误诊并耽误治疗。其次脊柱结核量化分析内部变化的研究也较少[5]，且波谱对脊柱结核的研究国内外少见报道。笔者采用常规MRI结合3.0 T MRI多回波(multi-echo，ME)磁共振氢质子波谱成像(high-speed T2-corrected multiecho acquisition at1H MR spectroscopy，HISTO)及扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)序列对脊柱结核含量进行定量测定，前瞻性初步探讨脊柱结核FF%、R2water值及ADC值诊断脊柱结核的临床价值。

1 材料与方法

1.1 临床资料

选取我院2017年1月至2017年8月经临床、实验室诊断或病理证实17例脊柱结核(病例组)男12例，女5例，年龄范围20～76岁，平均年龄(39.37±15.00)岁，平均体重(59.41±8.89) kg，平均身高(171.18±5.87) cm；17例健康志愿者(对照组)男12例，女例5例，年龄范围23～72岁，平均年龄(40.82±14.89)岁，平均体重(60.00±7.21) kg，平均身高(170.59±5.32) cm，排除有幽闭恐惧症或磁共振检查禁忌证者，本研究经医院伦理委员会许可，患者均签署MRI检查知情同意书。纳入标准：(1)术后病理或实验室金标准诊断脊柱结核且未经任何治疗的患者；(2)患者知情同意并能配合完成DWI及HISTO检查；(3)对照组与病例组性别相同，年龄及体重指数与病例组相差5岁及2 kg以内。排除标准：(1) MRI检查禁忌者；(2)不能满足后处理需要的病灶，如病情严重者、椎间盘破坏严重者甚至消失、椎体融合、坏死严重者；(3)合并其他脊柱疾病者。

1.2 扫描方法

采用我院GE 3.0 T磁共振，常规行矢状位T1、T2加权成像、T2加权压脂成像、轴位T2加权成像及矢状位DWI、HISTO成像；HISTO序列以脊柱矢状位TW1或TW2为定位像，感兴趣区的体素块置于椎体中部，每个椎体体素块一致，体素块大小(VOI)为1 cm×1 cm×l cm，设置5个TE，第一个TE为12 ms，每个TE间隔设为12 ms。DWI共选用8个b值(0、50、100、150、200、400、600、800 s/mm2)，NSA 扫描时间为6 min，根据8个b值自动拟合成一个最佳ADC图。扫描序列及各参数见表1。

1.3 图像处理

在后处理工作站上利用Function Tool 2软件，HISTO序列会自动根据扫描前选择的感兴趣区自动绘制曲线并计算曲线下面积及比值，观察HISTO序列的病例组及对照组单体素磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy，MRS)图，记录脂质峰、水峰、FF%值及R2water值；DWI在自动拟合的ADC图上选择感兴趣区(region of interest，ROI)，病例组感兴趣置于病灶正中区域，选取病变椎体、受累椎间盘(排除椎间盘破坏较严重、形态消失的病例)显示最大的3个层面，对照组及病变相邻正常椎体(病变上1个椎体)、病变跳跃2个正常椎体(病变上3个椎体) ROI选取椎体信号强度显示最均匀且前或正中的连续三个层面且所选ROI与病例组病灶位置及椎体数一一对应，为避免由ROI的大小、外形及解剖位置不同引起的影响，病例组及对照组ROI均取0.2 mm (ROI采用复制粘贴的方法)，测量时将图像适当放大，并尽量避开血管、伪影及骨皮质、脓肿等，病例组和对照组每个层面测量三次，取平均值作为最后的结果，其中ADC值由2名经验丰富的医师双盲下对图像进行测量，当出现结果不一致时，由经验丰富的主任医师双盲下进行验证，并对照结果验证一致性。

1.4 统计学分析

所有数据均用Spss 16.0统计学分析软件，符合正态分布数据以x±s表示。2名测量者对所得ADC值的一致性采用组内相关系数评价：0～1为不一致，0.01～0.20为一致性弱，0.20～0.40为轻度一致，0.41～0.60为一致性较好，0.81～0.99为几乎一致，1.00为完全一致。方差齐时组内及组间采用配对t检验和两独立样本t检验(配对t检验中病变椎体取每例病变的平均值)，方差不齐则采用非参数检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像分析

17例脊柱结核共侵犯50个椎体，其中胸椎、腰椎分别为24个、26个，病变椎体主要征象为骨髓水肿及骨质破坏，受累椎间盘形态尚完整或轻度破坏39例，6例病例形成椎旁冷脓肿[ADC值=(1.506±0.446)×10-3]，5例累及椎管，4例累及腰大肌。且所有病例的病变范围在ADC图上较常规序列大。图像随着b值的增加，其敏感度增加，当b=0、50、100、150及800 s/mm2的时候所示图像比较模糊，而当b=400～600 s/mm2时，敏感度显示最好，DWI图像上显示病变椎体、椎间盘及椎旁脓肿相对健康志愿者椎体呈高信号，ADC图上呈稍高信号。HISTO序列会自动根据扫描前选择的感兴趣区测定水及脂类物质的化学位置，脂峰1.33 ppm左右，水峰4.7 ppm左右(图1～5)。

表1 所有患者MR常规序列和HISTO、DWI序列的扫描参数Tab. 1 Scanning parameters of conventional MR sequences,HISTO and DWI sequences in all patients

病例组及对照组的年龄(P＞0.05)、体重(P＞0.05)、身高(P＞0.05)差异均无统计学意义。2名观察者所测ADC值一致性好(ICC值＞0.8)，取两者均值作为结果。

HISTO序列上病变椎体及健康志愿者椎体FF%值及R2water值如表2所示，病变椎体水峰在右，脂峰在左，病变椎体脂峰减低，水峰升高、变窄；两者与健康志愿者椎体差异有统计学意义(FF%：Z=-7.438，P＜0.01；R2water：Z=-4.623，P＜0.01)。

图1 DWI序列，b=600 s/mm2时DWI图像。示腰L3～L4椎间隙狭窄，相邻关节面骨质破坏，椎旁可见脓肿，椎体前缘呈典型的“拱桥样”流注脓肿图2 ADC图。病变椎体和椎旁脓肿在DWI上呈高信号，ADC图上亦呈高信号 图3，4 健康志愿者椎体DWI及ADC图，椎体为蓝色，扩散受限，呈低信号；椎间盘为淡黄色，弥漫较快 图5 HISTO序列。A、B：为病变椎体，脂肪含量为5.54%，R2water值为11.53 s-1；C、D：为正常椎体，脂肪含量为33.07%，R2water值为40.30 s-1，脂峰在左，位于1.15 ppm附近，相比健康志愿者椎体脂峰明显下降，水峰在右，位于4.7 ppm附近，比健康志愿者椎体水峰升高Fig. 1 DWI sequence: Figure 1 shows the lumbar L3—L4 intervertebral space stenosis in the DWI image at b=600 s/mm2, bone destruction in the adjacent articular surface, abscess in the paravertebral, and typical “arch bridge-like” flow abscess on the anterior edge of the vertebral body. Fig. 2 The ADC map. The diseased vertebral body and paraspinal abscess showed a high signal on DWI and a high signal on the ADC map. Fig. 3，4 Shows the DWI and ADC images of the vertebral body of healthy volunteers. The vertebral body is blue, and the diffusion is limited, showing a low signal. The healthy volunteers have a pale yellow intervertebral disc and diffuse faster. Fig. 5 HISTO sequence. Figure A, B is a diseased vertebral body with a fat content of 5.54% and an R2Water value of 11.53 s-1. Figure C,D is a normal vertebral body with a fat content of 33.07%, an R2water value of 40.30 s-1, and a lipid peak at the left, at 1.15 ppm. Nearby, compared with healthy volunteers, the vertebral fat peak decreased signi ficantly, and the water peak was on the right, located near 4.7 ppm, which was higher than that of healthy volunteers.

表2 病变椎体与健康志愿者椎体HISTO序列的FF%值及R2water值Tab. 2 Fat and R2water values of the vertebral HISTO sequence of the diseased vertebral body and healthy volunteers

表3 病变椎体、病变邻近正常椎体、受累椎间盘与健康志愿者椎体及椎间盘的ADC值Tab. 3 ADC of the diseased vertebral body, the lesion near the normal vertebral body, the involved intervertebral disc, the lesion jumping 2 vertebral bodies and the healthy volunteers’ vertebrae and intervertebral disc

DWI上病变椎体、病变邻近正常椎体、跳跃2个正常椎体、受累椎间盘与健康志愿者椎体及正常椎间盘ADC值见表3，病变椎体与其邻近正常椎体、病变跳跃2个正常椎体及健康志愿者椎体ADC值相差很大，三者ADC值均明显低于病变椎体，差异有统计学意义(Z=-9.649，P＜0.01；t=9.252，P＜0.01；t=8.594，P＜0.01)；病变邻近正常椎体与病变跳跃2个正常椎体或健康志愿者椎体ADC值相近，差异无统计学意义(t=0.06，P=0.953，t=1.286，P=0.217)；受累椎间盘的ADC值与健康志愿者椎间盘有一定的差异性(t=6.407，P＜0.01)，受累椎间盘的ADC值高于健康志愿者椎间盘。

3 讨论

3.1 高速ME T2校正HISTO序列在脊柱结核中的应用

MRS技术作为新型分子影像技术，主要通过组织的化学位移及其自旋耦合现象，从分子层面定量分析组织代谢及成分[6]，高速ME T2校正HISTO序列是西门子公司基于MRS推出的新型序列，HISTO序列是多个TE时间采集的单体素MRS，多回波计算不用TE时间下水脂峰的面积，其中T2校正对定量水和脂肪的MRI非常重要，尤其是在骨髓中骨小梁可造成磁场的不均性中，校正T2衰减，较常规MRS可以拟合出最准确的FF%值及R2water参数，而且本研究采用T2校正多回波采集方式，较好地平衡了采集时间及T2衰减效应[7]。

本组中17例脊柱结核选择在病变范围较大、信号较均匀的病变椎体，可以测量每个感兴趣区FF%值及R2water值，是因为峰值的绝对值会随着患者的不同而有差异，而比值较固定，结果显示HISTO序列可见两个波峰，即脂峰和水峰，水峰在右，位于4.7 ppm附近，脂峰在左，位于1.15 ppm附近。病变椎体脂峰降低，曲线下面积较少，水峰变高、变窄，R2water值减低，FF%值减低幅度较R2water值明显，提示病变椎体脂肪减少，骨小梁密度减低，这与病变椎体的炎性反应等细胞应激反应通路的激活，使骨髓微环境发生变化，使前脂细胞老化，进而导致细胞因子生成增多，抑制脂肪形成有关[8]。健康志愿者椎体随着年龄的增长，FF%含量增加，与健康人的椎体随年龄增大红骨髓逐渐减少，脂肪黄骨髓成分含量逐渐增多有关[6]。

常规MR难以区别椎体骨髓内脂肪和水所占的相对百分比，而HISTO可将椎体骨髓的MRI信号转换为水与脂类两类波峰，可以量化水和脂肪的变化，定量疾病的相对百分比，如赵秀芹等[9]报告脊柱转移瘤脂峰明显减低，FF%值为3.36±2.28，而水峰变化不大，而本研究中脊柱结核FF%值为19.90±12.59，其FF%平均值高于脊柱结核，而本研究中水峰升高、变窄，量化数值与脊柱转移瘤有明显的区别。

3.2 DWI序列在脊柱结核中的应用

DWI能从分子水平上反映人体各组织水分子的功能变化、可以检测组织中含水量改变有关的早期病理生理变化[10-11]，其中扩散梯度的大小用b值表示，由于受到微循环等因素的干扰, 较难测得精确的扩散，因而目前更多扩散成像的结果是用ADC代替扩散系数(D)，ADC值可直观显示成像层面中各体素ADC值分布情况。ADC值越大，代表组织内水分子运动越强，DWI图像上信号越弱。

DWI序列对脊柱结核诊断有一定的价值，本研究中6例患者的7个病变椎体在常规MR序列上显示不如DWI序列，说明DWI序列对病变敏感度更好。本研究中DWI异常信号主要分布在脊柱结核前中部，这是由于结核杆菌易侵入椎体前部或中央血流缓慢处，易致椎体骨髓炎性水肿甚至骨质破坏有关。病变椎体、椎间盘及冷脓肿在DWI上主要表现呈较均匀的高信号，均与结核杆菌缺乏蛋白溶菌酶有关；椎旁脓肿在DWI信号较高，ADC值为(1.506±0.446)×10-3，这主要是由于脓液里所含蛋白质含量增加，限制水分扩散，含水量增加，扩散增快，其ADC值明显高于健康志愿者椎体有关；而健康志愿者椎体或病变邻近正常椎体随着年龄的增加，其DWI信号减低，ADC值减小，这一现象可能是由于年轻人骨髓内以造血细胞为主，脂肪细胞数量较少，而随着年龄的增长骨髓出现脂肪替代；此外，骨小梁随着年龄的增加逐渐稀疏，增加了水分子扩散自由度，这些因素均可能导致随着年龄的增加而DWI上的信号降低有关[12]。

本研究中病变椎体、病变跳跃2椎体及邻近正常椎体与健康志愿者椎体ADC值相差很大，差异有统计学意义，这与脊柱结核早期表现为骨髓水肿，继而骨质破坏，形成结核性肉芽肿，最后形成干酪样坏死，在局部炎症刺激下发生液化形成结核性脓肿[13]，上述各种病理改变均可导致细胞膜的破坏，引起病变椎体病理生理改变，在DWI上表现出ADC值的异常，病变椎体扩散加强有关。但本研究中10个椎体扩散异常却未见骨髓水肿，DWI上亦无明显异常高信号，ADC图上却表现出扩散异常，说明椎体ADC图上的扩散异常可以与DWI上的信号异常分布区域不完全相同。本研究中受累椎间盘的ADC值与健康志愿者椎间盘有一定的差异性(t=6.407，P＜0.01)，受累椎间盘的ADC值高于健康志愿者椎间盘，健康人椎间盘的虽然含水量高，但脊柱结核时结核杆菌通过已破坏的椎体终板侵入椎间盘，导致椎间盘营养供应减少，从而引起细胞水肿，细胞外间隙水分进入细胞内，细胞外水分减少，椎间盘扩散受限，含水量更高有关。

ADC值的大小反映了组织间隙内自由水成分的含量，杨宏志等[14]认为骨髓水肿导致局部水分子运动加快，在健康人椎体组织间隙内自由水成分较少，而脊柱结核时，局部骨髓水肿，自由水含量增加，表现为扩散加强，ADC值增加。李光纪等[15]报告脊柱转移瘤ADC值[(0.72±0.12)×10-3mm2/s]低于脊柱感染性病变(1.43±0.14)×10-3mm2/s，而本组脊柱结核ADC值为1.05±0.25×10-3mm2/s与李光纪等[15]的报道一致，说明量化ADC值可以对常规序列进行补充诊断提供一定的应用价值，更好地诊断及鉴别诊断疾病。

多回波T2校正磁共振波谱成像较常规MRS可以拟合出更准确的FF%值及R2water参数,更能评价脊柱结核，随着这种成像技术不断完善及临床应用,定将能为脊柱结核提供新的、准确的手段及更丰富的信息。其次初步量化脊柱结核的FF%值、R2water值及ADC值可以为大数据的建立提供一定的基础，未来HISTO及DWI对各种疾病的准确量化的数值，可以补充常规序列的诊断，可以有助于疾病的诊断与鉴别诊断。

利益冲突：无。