多模态磁共振成像评估脊髓型颈椎病的初步研究

周纯，刘萌，刘天水，谭永明，何来昌

作者单位：

南昌大学第一附属医院医学影像科，南昌 330006

脊髓型颈椎病是已知最常见也最严重的慢性颈椎病，患者感知及运动能力均会发生异常，过往研究表明，脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy，CSM)是慢性的不完全性脊髓损伤[1-2]，其病程多变且发病隐匿，病人在疾病早期往往不能被有效诊断。此前有学者[3]通过羊的动物实验发现，脊髓的病理改变与脊髓受压迫程度有关，压迫越重，病理改变越严重。但是在临床中我们发现，颈椎MRI显示部分颈髓受压迫严重的患者反而症状轻，而部分患者颈髓压迫不严重反而症状重，这提示颈髓损害程度与临床症状并不是一一对应，且单纯从颈椎的影像学数据无法解释这一原因。尽管已有研究指出，脊髓损伤的患者初级运动与感觉皮层、体感联合皮层和丘脑发生萎缩[4-5]，静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)研究也显示这些脊髓损伤的患者运动感觉皮层出现了活动性增加的改变[6-7]，但并未对CSM患者病情与影像表现不一致的现象进行研究分析。因此，本研究将这些患者依据日本骨科协会改良评分(modified Japanese orthopaedic association scores，mJOA)为轻-中度组和重度组，进行基于左、右侧丘脑为种子点的大脑功能连接(functional connectivity，FC)研究，综合分析其大脑功能及颈椎数据，探究颈髓与大脑整体神经交互功能在CSM患者中的作用机制，对比分析不同程度患者的影像学差异及其与临床症状相互关系。

1 材料与方法

1.1 一般资料

收集自2014年7月到2018年12月间经南昌大学第一附属医院确诊的55例CSM患者，年龄在24～62岁之间，年龄平均值为(46±5.2)岁。排除：(1)年龄＞65周岁；(2)具有颈部外伤史和颈椎手术史；(3)具有脑部血管疾病；(4)存在其他中枢神经系统疾病和精神障碍者。同时，选取16名年龄、文化程度相匹配的健康志愿者作为健康对照组。对照组无神经病史、无脊髓病史，影像学脊髓无压迫症状。确认CSM及健康对照(healthy controls，HC)组组员均无MRI检查禁忌。本研究已通过南昌大学第一附属医院生物医学伦理委员会审核，所有组员和家属均被告知研究内容和风险性，并签署知情同意书。

1.2 fMRI及DTI数据的采集

患者到达磁共振室后休息15 min，使其情绪缓和平静，告知其检查注意事项。使用Siemens Magnrtom 3.0 T Trio Tim磁共振系统，采用8通道头颅线圈扫描头部，使用脊柱专用线圈扫描颈椎，获得头颅及脊髓MRI数据。MRI扫描序列：CSM组及HC组均进行颈椎及头颅扫描，于横断面上选择扫描序列，包括T1WI、T2WI及T2FLAIR序列，用于采集颈椎椎管最大狭窄程度(maximum canal compromise，MCC)、脊髓最大受压程度(maximum spinal cord compression，MSCC)、T2WI高信号范围等数据以及除外颈髓、脑部其他病变。其后进行DTI扫描：选择轴位扫描，扫描范围包括C1-T1，采用单次激发自旋回波平面成像(spin echo-echo planar imaging，SE-EPI)技术，设置TR 7200 ms，TE 104 ms，FOV 230 mm×230 mm，矩阵128×128，翻转角90°，连续扫描49层，层厚2.5 mm，施加30个非共线扩散梯度(b=0，1000 s/mm2)，NEX为2。采集静息态fMRI数据使用梯度回波-回波平面成像(gradient-recalled echo-planar imaging，GRE-EPI)序列采集，TR 3000 ms，TE 40 ms，FOV 200 mm×200 mm，矩阵64×64，连续扫描30层，层厚3 mm，间隔1.2 mm，采集240个时间点。

1.3 数据处理

1.3.1 常规MR数据处理

(1)MCC及MSCC测量[8](图1)。(2) T2WI高信号范围：测定在T2WI图像上出现T2WI高信号范围对应的脊髓节段数。

1.3.2 DTI数据处理

将数据导入后进行涡流校正、头动校正等预处理，导出重建完成的轴位ADC图和各向异性分数(fractional anisotropy，FA)图，在常规MR图像指引下完成定位，选择脊髓受压最严重节段，在轴位ADC图及FA图勾绘出相关感兴趣区(region of interest，ROI)，在ADC、FA图像上人工选择ROI，在受压脊髓左、右侧的前索、后索和外侧索白质区域选择6个ROI，避免脑脊液及相关伪影的影响，记录受压脊髓节段的ADC值及FA值。每个数据测量两次，时间间隔一周，最后取平均值作为结果。

1.3.3 静息态fMRI数据处理

将获得的fMRI数据导入数据处理助手(DPARSF)，各自以HC组与CSM组患者的左、右侧丘脑分别作为种子区，提取他们的BOLD信号平均时间序列，计算种子区的时间序列与剩余脑区体素时间序列进行相关性分析，使用DPARSF进行R-Z转化，构建每个受试者的FC图并转化为Z得分FC图，用于统计分析[9]。

1.4 统计学分析

功能连接使用SPM12软件进行统计分析，各组内采用单样本t检验(符合正态分布，FDR校正，P＜0.05)获得各组内功能连接图谱，三组单样本功能连接图谱求并集后制作成统计模板Mask，进一步两两之间独立样本t检验(经FDR校正，P＜0.05、簇体素≥10为差异有统计学意义)。使用SPSS 22.0软件进行统计学分析，轻中度CSM患者组、重度CSM患者组与HC组之间采用独立样本双侧t检验，比较组间差异，每项影像学表现与临床变量(mJOA、NDI评分)间均采用多元线性回归分析，P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

表1 对照组、轻-中度组、重度组各项影像学数据参数值(±s)Tab. 1 Parameters of imaging data in control group, light medium group and severe group (±s)

表1 对照组、轻-中度组、重度组各项影像学数据参数值(±s)Tab. 1 Parameters of imaging data in control group, light medium group and severe group (±s)

项目 对照组 轻-中度组 重度组椎管最大狭窄程度(%) 28.24±7.14 42.39±8.21 53.91±10.65脊髓最大受压程度(%) 17.32±8.65 28.23±10.22 43.58±9.32 T2WI高信号范围 0.22±0.12 0.96±0.86 1.98±0.76 ADC值 1.032±0.065 1.187±0.116 1.261±0.365 FA值 0.702±0.086 0.613±0.065 0.554±0.049

表2 三组之间各项影像学数据两两对比分析Tab. 2 Comparative analysis of imaging data between three groups

HC组、轻-中度患者组和重度患者组，三组之间彼此两两对比分析，发现MCC、MSCC、T2WI高信范围、FC值、ADC值存在统计学差异，数据及分析结果见表1、2。与HC组相比，发现轻中度CSM组左侧丘脑与双侧大脑舌回、楔叶、右侧小脑后叶间 FC值增加；发现重度CSM组右侧丘脑与双侧中央旁小叶、中央前回、桥脑和颞上回间的FC值明显下降。与重度CSM组相比，轻-中度CSM组在丘脑与双侧中央旁小叶-中央前回之间的FC值升高，与后扣带回、角回、内侧前额叶之间的FC值减少(图2～4)。相关性分析发现MSCC与mJOA评分之间存在负相关性，FA值与mJOA评分之间存在正相关性，P值均＜0.05，r绝对值分别为0.464和0.589(图5，6)。

3 讨论

3.1 CSM患者MSCC、MCC、T2WI高信号范围、DTI的异常改变及意义

脊髓神经或髓鞘损伤在影像表现为脊髓内部T2WI高信号，本研究显示，CSM患者脊髓存在T2WI高信号，且重度患者较轻－中度组、对照组高信号范围明显增加；此外，重度患者较轻-中度组与对照组，MSCC与MCC明显增加，MSCC与mJOA评分间存在负相关性。以上两点提示我们，CSM的病变是一个不断恶化的过程。DTI的基本原理是通过捕捉水分子在组织内的扩散运动造成的磁共振信号衰减而成像[10-11]。已有研究证明DTI的确能反映颈髓微观结构的改变[12]，不仅能区分病变颈髓、正常颈髓，也能区分不同病变程度的颈髓[13-15]。在本研究中，重度组CSM患者较轻中度组、对照组颈髓ADC值增高、FA值减低，这表明细胞缺血坏死及脱髓鞘现象增加。有文献指出，CSM患者在病变晚期，即发展成重度患者时，出现T2WI高信号可能性更高，并且常规MRI检查诊断出脊髓型颈椎病的概率约为15%～65%[16]，这与本研究结果大致相似，由此使用MRI的T2WI高信号成像判定病情往往会延误CSM精准诊断、影响病人手术效果及预后。有研究表明在脊髓病变早期，ADC能够有效显示脊髓内的病灶，但在疾病晚期无法准确显示病变的部位及范围[17]。这在本研究中也有体现，本研究结果显示FA值与mJOA评分存在正相关性、ADC值与mJOA评分无明显相关性，提示FA值在精准评估CSM功能损害程度更具有优势。

3.2 CSM患者脑静息态功能连接的异常改变及意义

本研究结果显示，与HC组相比，轻-中度CSM患者左侧丘脑与双侧大脑舌回、楔叶、右侧小脑后叶间的FC值升高。大脑枕叶属于视觉皮层，包括舌回与楔叶，能够控制视觉相关运动、处理物体的空间信息和识别物体，有研究[18]发现，小脑与大脑许多部位存在功能上的联系。这些信息表明舌回、楔叶等能够控制视觉相关运动的高级皮层，可以代偿脊髓受到压迫后导致的机体信息传入大脑减少，维持患者正常的感觉与运动功能；同时小脑后叶的代偿增加，能够增强皮质-丘脑-小脑等锥体外系环路来维持锥体外系运动功能。

本研究结果显示，与对照组和轻中度CSM患者组相比，重度CSM组患者的右侧丘脑与双侧中央旁小叶、中央前回之间的FC值都出现下降现象。中央前回属于第一躯体运动区，能够接受对侧身体躯体感觉信息，管理对侧身体的骨骼肌运动；中央旁小叶同时包含第一躯体运动区和第一躯体感觉区，既能够处理运动信息，又能接受对侧身体的各种感觉信息、位置觉信息以及运动觉信息。这说明随着病情的进展，大脑部分正常功能也开始下降，同时大脑皮层视听觉感知介导运动功能的代偿活动开始下降甚至低于正常水平，表明大脑的代偿存在限度。

此外，重度CSM患者与HC组相比，右侧丘脑与颞上回、桥脑间的功能连接明显升高，与轻中度CSM患者相比，丘脑与后扣带回、内侧前额叶、角回之间的FC值上升。颞上回是人体的听觉中枢，后扣带回是边缘系统的重要组成部分之一，角回属于视觉性语言中枢，它是顶下小叶的组成部分[19]。由此笔者可以推测脑部对抗脊髓压迫的功能代偿活动并不单一。在中央旁小叶-中央前回这些部位的代偿开始减弱消失时，其他代偿活动开始加强以对抗这种减弱。因此我们观察到内侧前额叶、颞上回、后扣带回等这些与听觉和视觉相关皮层功能连接的增强，可用于长期脊髓功能损伤的运动功能代偿，继续维持机体正常的感知与运动功能。

本研究不足之处：样本量偏小，部分数据的测量存在人为误差；对患者的随访时间不够，尚未判定颈髓与大脑数据与CSM患者术后疗效的关联，需待进一步研究。

综上所述，CSM患者颈椎与大脑都发生了结构及功能改变，CSM患者存在脑皮质功能重塑现象，代偿维持部分感觉运动功能，部分患者脊髓损害程度与临床表现并不对应是由于大脑存在皮质功能重塑的代偿作用。

利益冲突：无。