弥散张量成像技术定位腰椎管狭窄责任节段的临床应用价值

陈适，徐鹏，葛鹏，王海宝，申才良，刘畅

(安徽医科大学第一附属医院骨科脊柱外科病区，安徽合肥 230022)

腰椎管狭窄症是由解剖学上缩小的腰椎椎管引起的症状，可引起老年人较多的功能障碍[1]，典型的神经源性间歇性跛行具有严重的行走后下肢痛，可伴有静息态下肢运动、感觉功能障碍，反复发作且保守治疗效果不佳，目前被公认为是椎管减压手术治疗的绝对指征[2]。腰椎管狭窄症也是进行脊柱手术最常见的病因[3-4]。经典的手术方案是针对引起神经根刺激和炎症的节段进行减压性椎板切除术。解剖学基础对于腰椎管狭窄症的诊断同样必要，但是单纯的解剖学狭窄与患者的症状严重程度往往并不完全相符[5]；此外，在无症状人群中也能发现影像学上存在明显狭窄的病例[5-8]。常规MRI的T1或T2加权成像既不能选择性地对外周神经进行可视化，也不能定量评估神经损伤的严重程度[9]，因此，用以判定引起症状和体征的有一定难度。磁共振弥散张量技术(DTI)可以选择性记录不同神经根的弥散各向异性，是目前能够直观地描述神经组织微观结构和纤维束通路走行的唯一方法[9-12]。本研究针对腰椎管狭窄症患者通过应用DTI技术，探索术前责任节段定位的新思路。

1 资料与方法

1.1 一般资料

由安徽医科大学第一附属医院脊柱外科于2019年2月～2019年10月收集40例腰椎管狭窄症患者纳入研究，男23例，女17例，年龄(59.25±8.3)岁。纳入标准：①患者年龄 40-70 岁；②具有腰痛及持续性或间歇性下肢疼痛症状，但缺乏典型的定位体征，症状出现时间1个月-1年；③影像学(CT 扫描或常规MRI)证据显示存在多节段腰椎管狭窄，范围自L3-S1，综合症状分析，存在明确的后路椎管减压手术治疗指征。排除标准：①有腰椎和下肢外伤史及相应手术治疗史；②有脊柱或下肢软组织感染病史，风湿免疫系统疾病病史，以及严重的酗酒史(酒精浓度>40°，平均日饮酒量>20 mL)、糖尿病史、长期糖皮质激素治疗史和较严重的高血压病史(入院收缩压≥160 mmHg 或舒张压≥100 mmHg)；③各种原因引起的脊髓压迫症状、多发性神经炎，妊娠或预备妊娠以及幽闭恐惧症、金属和电子植入物等不适合进行磁共振检查的情况。将40例随机纳入(根据接诊顺序交替纳入)分为两组：20例纳入试验组(男∶女=11∶9)，20例纳入对照组(男∶女=12∶8)，两组一般资料经x2检验(fisher确切概率法)和秩和检验比较，差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。

本研究通过安徽医科大学第一附属医院伦理委员会批准，所有对象完成知情同意程序，签署文书并公证。

1.2 研究方法

所有研究对象均采用3.0 T 磁共振成像仪(美国，GE HDxt)进行腰椎序列常规MRI扫描和DTI序列扫描。使用弥散扩权成像(diffusion weighted imaging, DWI)作为常规MRI扫描方案，采用快速自旋回波(Fast Spin Echo, FSE)序列。矢状位T1加权成像(T1WI)扫描参数设置为：TR=458 ms，TE=8 ms，矩阵 176×290，层厚=4 mm，层间隔=0.4 mm；T2加权成像(T2WI)扫描参数设置为：TR=3604 ms，TE=110 ms，矩阵 176×290，层厚=4 mm，层间隔=0.4 mm。DTI扫描使用8通道相控阵线圈，应用平面回波(echo planar imaging, EPI)序列。扫描参数设置为：b=0和 600 s/mm2，扩散敏感梯度方向设为15，TR=6000 ms，TE=76 ms，矩阵64×78，层厚=3 mm，层间隔=0 mm，40层，扫描时间5 min 32 s。影像数据处理使用图像处理软件GE DICOM Viewer及Functool形成各向异性图(FA图)，轴位片上在神经根影像外围进行徒手描绘，标记神经纤维最小范围。腰椎神经根兴趣区(region of interest, ROI)常规选定在椎管内、椎间孔内、椎间孔外三个平面，三个平面上的神经根FA值的最小值作为该神经根的FA值，软件计算样本L3-S1节段的马尾神经和神经根FA值及相应每个平面的ADC值。每个神经根ROI的尺寸从15-55 mm2不等，每个马尾神经兴趣区的尺寸从50-150 mm2不等，选定ROI必需尽可能精确，以降低部分容积效应，提高FA值测算精确性。

由有经验的脊柱专科医师使用腰椎日本骨科协会评分(Japanese orthopedic association, JOA)、下腰痛视觉模拟评分(VAS-BP)和下肢痛视觉模拟评分(VAS-LP)针对所有患者进行术前、术后1个月、术后3个月的临床评分采集。采集临床评分的医务人员不再参与该样本的其他诊疗活动，以减少观察者偏倚。

试验组和对照组所有患者由有经验的脊柱专科医师根据临床经验和常规MRI读片认定责任节段，并由影像专科医师根据DTI参数和各向异性彩图再次认定责任节段。由另一位脊柱专科医师评估所有病例责任节段的认定结果，不做结果修改，但如有必要，可将试验组中DTI认定方法存在特别异常的患者转入对照组。试验组以DTI方式结果为准，对照组以常规MRI方式结果为准，由固定成员的手术治疗组根据责任节段的认定情况，进行标准的后路腰椎椎板切除减压和椎间融合内固定术治疗。

1.3 参数分析

参考既往研究和临床诊疗常规，责任节段诊断标准如下：常规MRI上，硬膜囊横截面积(dural sac cross section area, DSCSA)≥100 mm2为正常，76-100 mm2为轻度狭窄，76 mm2为重度狭窄。DTI上，神经根轴位设定ROI的FA值较正常神经根FA值数值差异≥0.1。故定义，较正常神经根FA值低，且FA值差异值大于0.1的神经根为受压迫神经根，其所在节段为责任节段。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 受累神经根和健康神经根FA值和ADC值比较

通过对比纳入样本可能的责任节段受累神经根和同节段对侧神经根，可见兴趣区(ROI)读取FA值和ADC值在可出现显著的差异性，具有统计学意义(P<0.05),见表1。

表1 患侧和健侧神经根DTI参数比较

2.2 两种方法认定责任节段数量比较

两种不同的责任节段认定方法针对相应分组进行处理，试验组认定的责任节段数量较对照组更少，差异性具有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表2 试验组和对照组使用不同方法认定责任节段数量比较

2.3 试验组和对照组术前、术后临床评分比较

表3 试验组和对照组各临床评分及手术后改善率比较

试验组和对照组使用不同的责任节段认定结果指导进行椎管减压手术治疗后随访结果可见：术后1个月和术后3个月随访，两组JOA评分、1个月后JOA改善率、VAS评分均有所改善；组间比较，JOA评分、1个月后JOA改善率、VAS-BP评分、VAS-LP评分的组间差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

2.4 DTI纤维束示踪FA图分析

试验组典型病例见图1～3，患者为老年女性，存在典型的下腰痛和间歇性跛行症状，静息状态下无明确神经定位体征，临床诊断为腰椎管狭窄症，常规MRI可见L4-5、L5-S1节段椎间盘退变膨出、椎管狭窄，DTI纤维束示踪技术形成FA彩图可见明确的左侧S1神经根纤细，DTI参数显示：L2-3：左FA 0.32、右FA 0.31；L3-4：左FA 0.34、右FA 0.33；L4-5：左FA 0.35、右FA 0.34；L5-S1：左FA 0.20、右FA 0.31，可见L5-S1左侧神经根轴位截面FA值较其他神经根明显减低，且差值大于0.1，故考虑L5-S1为主要责任节段，针对其完成手术后症状改善良好，常规MRI中疑似责任节段的L4-5节段活动能力得以保留。

图1～3 患者，女性，64岁，下腰痛伴间歇性跛行。1a：常规MRI矢状位读片显示L4-5、L5-S1节段椎管狭窄；1b：L4-5节段轴位片；1c：L5-S1节段轴位片；2：各向异性彩图，可见左侧S1神经根纤维示踪显示神经根纤细，各向异性(FA)减低；3.术后X线，L5-S1节段减压、椎间融合。

3 讨论

相较于传统磁共振，DTI通过无创的纵向检测，可在动物或人类模型中更为敏感地精确定位脊柱病变区域。DTI所得的弥散数据，如FA等，反映了分子弥散的方向[10-13]。FA的数值范围为0-1，数值越高表示越多的非统一的弥散性，而数值越低则表示越统一的弥散性。DTI可以被用于评估外周神经，不仅可以用于人类，甚至对小鼠的坐骨神经也能够进行观察[14-16]。此外，相比其他的弥散指数，FA分析由于其简易性、精确性和揭示各种不同脊髓病变的能力，在临床应用中具有更大的意义[17]。

既往研究表明，包括FA、ADC在内的神经组织DTI参数，与神经学功能障碍的严重程度(通过临床评分，如JOA评分进行评估)存在显著的相关性，这一点在大脑和颈部脊髓这样的中枢神经系统已得到广泛证实[9，12，18，19]。Gao等[18]报道了脊髓型颈椎病患者的颈部脊髓损伤节段FA与JOA评分存在显著相关性。MacDonald等[19]使用大鼠颅脑损伤模型展示了外伤后6 h～4 d时间中相对各向异性和轴向弥散系数的降低，表现与轴突损伤一致；外伤后1～4周，ADC持续降低，而径向弥散系数提高，与脱髓鞘、水肿和不可逆轴突损伤一致。Beaulieu等[11，13]报道了外周神经损伤后Wallerian退变引起水分子弥散各向异性的减低。

在腰椎马尾神经和神经根方面，使用DTI进行神经根的参数量化，能够沿神经根的延伸以明确所有的退变和炎症改变[20]。发生脱髓鞘改变的损伤神经区域，FA可出现降低。Olmarker等[21]报道，在猪的马尾神经根中可观察到由于压迫引起的水肿和脱髓鞘改变。针对严重椎管狭窄症患者，既往研究对硬膜外压迫引起的马尾神经松弛症已经进行了组织学和形态学的研究[22]。松弛的马尾神经根病理学改变包括脱髓鞘改变和轴突的减少，在神经根腹侧支，退行性改变发生在松弛部位，自压迫区域向远端延伸；而在神经根背侧支，退行性改变同样发生在松弛部位，向近端延伸到压迫区域[22]。Takata等[23]通过使用脊髓造影后CT成像进行研究，发现椎间盘突出引起神经根的大范围水肿。Toyone等[24]使用钆造影剂增强磁共振研究显示，腰椎间盘突出患者的症状责任神经根出现增强，且增强程度可以反映坐骨神经痛的严重程度。Jinkins[25]和Kobayashi等[26]认为，这样的增强信号,标志着血-神经屏障的破坏。

使用3.0 T的高场强磁共振可以对椎间孔狭窄患者的腰椎神经受压迫段进行可视化和定量化的处理[27，28]。总体而言，目前只有少量文献提及使用DTI技术评估腰椎神经根[29-32]，尚缺少腰椎管减压术后神经根DTI参数变化，以及神经症状严重程度与DTI参数相关性的研究，此类研究所面临的挑战包括相对较小的尺寸、呼吸运动、骨骼软组织交界，特别是脊柱内固定装置产生的伪影等[33]。但随着磁共振影像学技术的进步，上述问题在未来将得解决。存在压迫的神经根DTI成像与无压迫的DTI成像存在明显区别，特别是参数，比如FA将可能成为预测神经功能障碍严重程度、诊断腰椎神经根损伤的潜在工具。

本研究尝试将DTI更进一步应用到脊柱退变性疾病的临床诊断和治疗中，通过利用DTI技术直接评估腰椎各节段马尾神经和神经根的结构、功能状态，进而判断多节段腰椎管狭窄中症状相关神经区域的范围，明确责任节段，指导手术减压的范围。结果表明，DTI技术定位椎管狭窄责任节段，并指导减压手术的范围是可行的，与传统的定位方法相比，治疗效果并无差异，同时明显减少了脊柱融合固定节段，预计长期随访将体现出更多优势。总之，DTI技术应用于临床诊断和治疗方案制定具有更多的潜在实用价值，值得进一步研究。