磁共振扩散峰度成像评价颈椎病脊髓微观结构的变化

于金芬 郑修竹 李传亭

颈椎病是一种常见的退行性疾病，可引起多种类型的运动和感觉功能障碍。这类疾病常伴有颈椎管狭窄和脊髓病变，由椎间盘突出，骨赘形成和后纵韧带骨化引起。常规磁共振成像广泛用于评估颈椎病的形态学变化。然而，MR成像结果与临床严重程度的相关性比较弱[1]。

扩散峰度成像（DKI）是扩散张量成像（DTI）的直接延伸，其采用真正的扩散技术实现非高斯扩散运动，从而可以更加准确地描述体内组织的复杂扩散运动，并提供非高斯扩散的量化，揭示更多的组织微观结构信息[2]。除了获得MD和FA值[1]的扩散系数[3]之外，还可以获得平均峰度（MK-DKI参数）。研究表明FA值的降低有很多种因素：髓鞘和神经纤维撕裂、脱髓鞘改变、细胞内水分子外流所致的血管源性水肿等，脊髓受压数月内会发生脱髓鞘等一系列的变化[4-5]。本研究的目的是通过扩散峰度成像（DKI）研究颈椎病患者脊髓的微观结构变化。

方 法

1.临床资料

本研究选择29例脊髓型颈椎病患者（11名男性和18名女性；年龄范围：26～87岁；平均年龄：58.9岁）。所有患者都有一系列的症状和体征，包括疼痛、肌肉无力、麻木和颈部僵硬等，疼痛和麻木是促使所有患者就诊的主要症状，症状持续时间为3个月至10年不等，所有出现症状性脊椎病的患者均由神经外科医生或神经科医生进行评估。

纳入标准如下：①神经外科医生或神经科医生检查有脊髓型颈椎病症状和体征的患者； ②患者未进行任何脊柱手术，无创伤史和卒中史及其他神经系统疾病；③MRI检查前未进行任何放疗和化疗。本研究经医院伦理委员会批准，每位患者均签署知情同意书。

2.MRI检查技术

所 有图像均在 3.0T MR 扫描仪（Skyra，Siemens Medical Systems，Germany）上获得。所有患者行颈椎磁共振常规扫描和DKI矢状位扫描，仰卧位。DKI的成数像参如下：重复时间/回波时间，3000/91ms；激发次数，2；层厚/层间隔，4/0mm；层数：17；FOV，230×230mm；空间分辨率，1.3×1.3×4.0； 三 个 b 值（0，1000 和 2000s/mm2），每个b值在20个扩散方向上进行编码，得出各向异性（FA）、表观弥散系数（ADC）和平均扩散峰度（MK）的值，并比较病变颈髓、邻近病变颈髓和正常颈髓的FA、ADC和MK值。

3.图像分析

通过使用Matlab，Version Release 2012a/7.14（MathWorks，Natick，Massachusetts）中的内部软件（Diffusion and Kurtosis Estimator）对MK、FA、平均扩散率（MD）图进行分析，获得DKI参数的数据。在矢状位T2WI图像上绘制病变颈髓、邻近病变颈髓和正常颈髓中的标准化感兴趣区域（ROI），ROI大小约20个体素，并保存ROI的位置，分别测试以上3个颈髓节段的相同ROI的MK、MD和FA的值，共测3个ROI的MK、MD和FA值并取平均值。所有图像均由两位经验丰富的放射科医师采用双盲法（15年和20年的放射学经验）进行评估。

4、统计学分析

使用SPSS 22.0统计软件包进行统计分析。MK，MD和FA的值以平均值±标准偏差的形式呈现。通过受试者工作特征（ROC）曲线分析，获得病变颈髓、邻近病变颈髓和正常颈髓的MK，MD和FA的诊断临界值；为了测试MK、MD和FA值的一致性，将每个原始数据与临界值进行比较。然后，用校正卡方检验比较病变颈髓、邻近病变颈髓和正常颈髓的MK、MD和FA的一致性检查结果。P＜0.05被认为具有统计学意义。通过使用校准卡方检验，P＜0.017被认为具有统计学意义。

结 果

1.邻近病变颈髓、正常颈髓和病变颈髓的MK，FA和MD值

邻近病变颈髓、正常脊髓和病变颈髓的MK、FA和MD值见表1(图1)。邻近病变颈髓的MK值明显低于病变颈髓处，有统计学意义（P＜0.0001），但FA和ADC值无统计学意义（P＞ 0.05）。

表1 病变颈髓、邻近病变颈髓和正常颈髓 的MK、FA和MD值

表2 病变颈髓、邻近病变颈髓和正常颈髓MK 、FA和MD值的校正卡方检验

图1 A.T2WI显示C3/4椎间盘突出、椎管狭窄，相应节段脊髓受压、变形、水肿，相邻节段颈髓形态和信号均未见改变；B.MK map显示C3/4间盘水平MK值：0.6538，相邻节段颈髓MK值：0.8665；C.MK map与T2WI伪彩融合图显示，脊髓受压、信号改变，相邻节段颈髓形态、信号未见异常；D、E.FA 和MD map显示C3/4间盘水平和相邻节段颈髓的FA 和 MD 值分别为 0.2502，1.5528 和 0.3723，1.4726。

2.邻近病变颈髓、正常颈髓和病变颈髓的MK，MD和FA值的一致性并两两比较

为了评估MK值在评估颈椎病脊髓微观结构变化中的价值，进行一致性检查，并通过使用受试者工作特征曲线（ROC）分析计算MK、MD和FA诊断临界值。然后，在MK、MD和FA之间使用校准卡方检验来显示三个值的准确性。与诊断临界值相比，病变邻近病变颈髓和病变颈髓的MK值具有较高的一致性（表2和图2）。通过校正卡方检验，邻近病变颈髓的平均MK值的一致性比平均MD和FA值有显著差异（P＜0.0001 和P=0.016）（图 2）。

图2 邻近病变颈髓、正常颈髓和病变颈髓的MK、MD和FA值得到一致性检验和比较。ROC曲线得出病变颈髓MK、MD和FA的诊断临界值，每一个原始数据与诊断临界值比较进行一致性检验。邻近病变颈髓的MK值比MD和FA具有更高的一致性。1.MK值；2.MD值；3.FA 值 。

讨 论

在本研究中，通过应用DKI技术和校准卡方检验，对病变颈髓、邻近病变颈髓和正常颈髓进行两两比较。病变颈髓和正常颈髓的MK、FA和ADC值以及病变颈髓和邻近病变颈髓的MK、FA和ADC值间存在显著改变和统计学差异，但是只有邻近病变颈髓和正常颈髓之间的平均MK值有显著性统计学差异。通过校正卡方检验，邻近病变颈髓的平均MK值的一致性与MD和FA值存在显着差异（P＜0.0001和P=0.016）。这表明广泛的颈髓损伤累及邻近病变的颈髓并非局限在病变颈髓水平，同时也表明MK可以检测病变早期T2WI序列无异常信号改变的脊髓损伤，是检测组织微观结构变化比FA和MD更加敏感的指标。这先前多发性硬化症的DKI研究一致[6]。研究认为DKI用于检测组织学特性有重要的价值。

传统扩散成像（DWI和DTI）模型假设扩散水分子的位移概率函数遵循高斯分布[7]。事实上，由于组织的复杂细胞结构、细胞膜、细胞器等许多因素障碍体内水分子扩散运动，使得体内组织水分子的扩散运动偏离了高斯形分布。扩散峰度可以量化非高斯分布并用此指标微观结构的复杂性[8]。因此，与传统的磁共振扩散加权成像和扩散张量成像相比，扩散峰度成像对微观结构变化的检测更敏感[9]。磁共振扩散峰度成像在至少15个非线性方向上获取至少两个非零扩散梯度因子（至少2个b值）的数据，获得传统的扩散成像系数（包括MD和FA）的同时获得扩散峰度系数（MK）。MK是所有扩散方向的平均峰度。MK值是扩散系数（FA和MD）之外的新参数，通过使用比传统扩散加权成像和张量成像更高的b值来测量[10]。本研究中应用的最高b值为2000s/mm2。早期研究发现MK能够反映脑梗死、多发性硬化和脊髓型脊髓病早期临床阶段的微观结构变化等[8，10-11]。在我们的研究中，邻近病变颈髓的平均MK值明显低于正常颈髓，但FA和ADC值差异无统计学意义。MK值对邻近病变颈髓的诊断准确性高于MD和FA值。这表明评估脊髓损伤的变化，MK比MD和FA更加敏感。邻近病变颈髓MK值的降低可能由脱髓鞘的存在、退行性改变和神经元萎缩引起[12]。

脊髓型颈椎病脊髓的灰质和白质都会受到影响[13]，本研究ROI设置在直观的矢状位图像，既能直观显示颈髓形态和信号的改变，又能同时获得包含灰质和白质的信息。本研究结果病变颈髓和邻近病变颈髓MK值的减低，不仅反映轴突结构性变化，同时也代表了灰质纤维束方向和损伤程度的变化[14]，与潘海宾等认为MK值可以同时反映灰白质的变化相一致[15]。

本研究认为MK是检测组织微观结构特性最有说服力的指标。由于退行性变、神经元萎缩、脱髓鞘等引起的一系列变化引起组织微观结构的异质性和复杂性，从而影响组织扩散异质性。MK对于微观结构变化的检测更灵敏和准确，因此，这些变化的早期阶段可以被MK检测到，但是不足以使得MD或FA识别。因此，MK可作为评估颈椎病患者脊髓损伤范围的有效参数。

在本研究中，存在一些局限性和不足。实验样本量相对较小，这可能引起统计学偏差。因此，本研究结果需要进一步大数据研究确认。

总之，研究结果显示邻近病变颈髓的平均MK值较MD和FA值存在显著统计学差异。评估脊髓损伤的微观结构的变化，磁共振扩散峰度成像参数MK明显优于传统扩散加权和张量成像的MD和FA参数。MK值比传统扩散成像参数提供更多的信息。