基于解剖图谱DTI定量评估脊髓型颈椎病的白质纤维束损伤

戎景玉，何来昌，谭永明，姚子文，曹小宏

颈椎间盘退行性变继发椎间盘突出或膨出、颈椎骨质增生、前后韧带增厚或钙化等各种原因造成颈椎椎管狭窄，导致脊髓压迫和脊髓内结构损伤，出现不同程度的脊髓功能障碍，即称为脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy,CSM)。磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术是在扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)的基础上发展起来的一种较新的扩散成像方法，它能够较好地反映白质纤维束微观结构的定量信息。各向异性分数(fractional aniostropy,FA)可反映人体组织微观结构的损害。以往的研究已经显示出DTI在评估CSM患者颈髓微结构变化及预测预后等方面的可行性[1-3]，但以往部分研究中使用的感兴趣区(region of interest,ROI)包括整个脊髓，没有区分白质和灰质，还有部分研究中采用在脊髓受压层面手动勾画ROI的方法来测量DTI定量参数，测量结果的可重复性较差。因此，本研究拟在CSM患者中运用DTI技术及脊髓专用工具包(spinal cord toolbox,SCT)软件来分割脊髓的灰白质及白质纤维束，更精准地测量不同节段脊髓内白质纤维束的FA值，旨在进一步探讨颈髓长期受压后不同白质纤维束的微结构变化。

材料与方法

1.研究对象

患者组：将2019年7月-2019年12月本院符合条件的32例CSM患者纳入本研究。其中，男9例、女23例，年龄30～69岁，平均(53.06±9.60)岁。纳入标准：①临床上患者均出现颈髓损害的早期表现，包括颈部不适、僵硬、疼痛，四肢麻木、无力，精细运动差及Hoffmann征阳性等；②常规MRI示颈椎椎间盘突出，硬膜囊及脊髓受压，受压部位在T2WI上未显示有高信号。排除标准：①有脑血管疾病史或经证实有小血管缺血性病变等其它中枢神经疾病患者；②>65岁(避免生理性萎缩干扰)；③不能配合较长时间磁共振扫描。并对患者临床表现进行日本骨科协会(Japanese Orthopedic Association，JOA)颈椎功能障碍指数(neck disabilitv index，NDI)评分。

对照组：同期将年龄、性别相匹配的13例健康志愿者纳入对照组，所有志愿者均无脊髓压迫症状和异常影像改变，无神经系统相关病史，神经系统检查无明显异常。

所有CSM患者、健康志愿者和(或)家属已被如实告知本研究内容、方法和相关注意事项，并签署知情同意书。本研究课题经南昌大学第一附属医院生物医学伦理委员会批准。

2.数据采集

使用GE Signa HDxt 3.0T磁共振扫描仪和8通道相控阵头颈联合线圈。①3D T1WI扫描序列和参数：三维稳态毁损梯度回返采集(3D-spoiled gradient recalled acquisition in steady-state,3D-SPGR)序列，TE 1.9 ms，层厚1.0 mm，矩阵320×256，视野300 mm×300 mm，激励次数1，总扫描时间约10 min 19 s；②T2*WI扫描序列和参数：多回波梯度回波(multiple echo recalled gradient echo,MERGE)序列，TR 400 ms，TE 5 ms，层厚5.0 mm，矩阵288×192，视野200 mm×200 mm，激励次数2, 连续扫描19层，总扫描时间约5 min 14 s；③DTI序列和参数：TE 79.2 ms，TR 7000 ms，层厚5.0 mm，视野200 mm×200 mm，矩阵96×96，激励次数4，连续扫描19层，b值=600 s/mm2，扩散敏感梯度方向11(根据预实验，扩散敏感梯度方向大于11，DTI图像质量无相应提高)，总扫描时间约5 min 43 s。

图1 PAM50模板由T1WI、T2WI、T2*WI、白质和灰质概率图集及白质纤维束图集组成。

3.图像后处理和数据测量

使用脊髓工具箱(Spinal Cord Toolbox 4.0.0-beta.0版)对图像数据进行图像处理和分析，主要步骤如下[4]。①将原始dicom格式数据转换成nii.gz格式。②3D T1WI图像下脊髓的分割：扩展式脊髓分割，如果分割有差错，通过fsleyes软件手动编辑修正。③配准到软件中的PAM50模板上(图1)。C1和C2节段椎管狭窄发生率低，本研究主要选取C3～C6节段的脊髓进行测量。首先，分节标记脊椎节段(包括相应椎体下的椎间隙层面的脊髓部分，如C3节段脊髓的范围为C3椎体水平+C3-4椎间隙水平；然后，将脊髓“拉直”，使其与PAM50模板对齐；最后，基于T2*WI数据对灰白质进行分割；④对DTI图像进行运动校准；⑤将模板配准至DTI图像上；⑥测量和计算DTI相关参数：使用最大后验概率图(method map)计算C3～C6节段脊髓内各神经纤维束的FA值。

3.统计分析

使用SPSS 25.0统计软件进行统计学分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，使用单因素方差分析比较对照组不同节段(C3、C4、C5、C6)之间以及同一节段不同纤维束之间FA值的差异。采用独立样本t检验对CSM组与对照组之间各节段脊髓内神经纤维束的FA值进行组间比较。以P<0.05为差异有统计意义。

结 果

1.临床资料

32例CSM患者JOA平均得分为14.94，NDI平均得分为14.4%。两组被试者的年龄、性别构成的差异均无统计学意义(P>0.05)，详见表1。

表1 CSM与对照组临床资料统计结果

CSM患者颈髓压迫情况的MRI评估：单节段受压7例；多节段受压25例，其中C2～C3受压1例，C3～C4共20例，C4～C5共25例，C5～C6共24例，C6～C7共5例。均为脊髓腹侧正中受压，未见脊髓变性导致的T2WI高信号。根据Kang等[5]提出的脊髓受压分级方法，轻度44节段，中度31节段。

2.白质纤维束DTI参数分析

对照组中C3～C6节段各神经纤维束的FA值及其在不同节段间的比较结果见表2。正常颈髓白质内小部分纤维束的FA值在不同节段之间的差异有统计学意义(P<0.05)。C3～C6节段内同一节段的不同纤维束之间FA值的差异均有统计学意义(F值分别为6.636、6.208、4.712和6.174，P值均<0.001)。

对CSM患者组与对照组之间C3～C6节段的各神经纤维束的FA值进行比较，差异有统计学意义的结果见表3～6。轻度受压组与对照组比较，FA值减低的有C3节段的左侧腹外侧网状脊髓束、左侧皮质脊髓前束、左侧顶盖脊髓束、左侧前庭脊髓外束，C5节段的左侧红核脊髓束、左侧网状脊髓外束，以及C6节段的左侧脊髓橄榄束；中度受压组与对照组比较，FA值明显减低的为C4节段的左侧前庭外侧束、右侧网状脊髓前束、左侧皮质脊髓前束、右侧皮质脊髓前束、左侧网状脊髓外束、右侧网状脊髓外束和左侧顶盖脊髓束(图2)。

讨 论

基于像素的概率图和均值脊髓图像模板提供了对脊髓和椎管形态真实而具有稳定性的描述。Taso等[6]研究显示脊髓模板在灰质和白质概率图集上的数值分别为90%和100%。基于图集模板的研究，可自动化分割脊髓的灰、白质，图集配准后自动测量不同纤维束的指标数值，在脊髓微结构研究中具有一定优势。脊髓细微结构比较复杂，脊髓中除了上下走行的纤维束，还有一些非纵行的神经纤维。特定的部分纤维束解剖难以分开，它们混合存在，如脊髓网状纤维与脊髓丘脑束的纤维是交织在一起的。

本组研究结果表明部分颈髓纤维束FA值不同节段间存在差异，这与以往其它一些学者的研究相似[7-9]。其原因可能为颈髓下段较上段纤维束稀疏，轴突外间隙较大，间隙内结构扩散状态使FA值降低。另外，最近的研究中采用3D电子显微镜进行观察，结果表明轴突可能并不是理想的圆柱体形状[10]，这也可能影响上、下节段之间脊髓FA值的一致性。总体来说，本研究中脊髓FA值的分布特点都可能与不同纤维束的直径、髓鞘结构、纤维周围结构(如星形胶质细胞、小胶质细胞)和血管的分布情况等因素有关。

表2 对照组中C3～C6节段各纤维束的FA值及比较

表3 轻度受压组与对照组C3节段白质纤维束FA值的比较

表4 轻度受压组与对照组C5节段白质纤维束FA值的比较

表5 轻度受压组与对照组C6节段白质纤维束FA值的比较

表6 中度受压组与对照组C4节段白质纤维束FA值的比较

图2 不同狭窄节段纤维束的标识，在横轴面T2WI模板图像上(图b～g)采用伪彩色标示FA值降低的区域。a)矢状面T1WI，颈髓配准图；b)C3节段，深蓝色区域为左侧皮质脊髓前束，紫色区域为左侧顶盖脊髓束，绿色区域为左腹外侧网状脊髓束；；c)C3节段，黄色区域为左侧前庭脊髓外侧束；d)C5节段，蓝色区域为左侧红核脊髓束；e)C6节段，黄色区域为左侧脊髓橄榄束；f)C4节段，绿色区域为右侧网状脊髓前束，黄色区域为右侧皮质脊髓前束，紫色区域为左侧皮脊髓前束，深蓝色区域为左侧前庭脊髓外束；g)C4节段，蓝色区域为左侧顶盖脊髓束。

本组研究结果显示，CSM患者组与对照组之间部分纤维束的FA值差异有统计学意义，主要集中在脊髓腹侧区域，符合多数病例椎间盘突出主要压迫脊髓前部的物理学特点。许多研究结果已表明脊髓压迫是本病的主要病理生理因素[11-12]。 Hopkins等[13]发现CSM患者部分纤维束体积异常，也主要集中在腹侧，而且患者出现的手无力和上肢反射亢进等临床表现也与位于颈髓前部的下行白质纤维束体积减少有关，腹侧网状脊髓束体积和腹外侧网状脊髓束体积的减少可预测患者的改良JOA评分较低，而腹侧网状脊髓束体积的减少可预测患者的Nurick评分较高。本研究中绝大多数节段为椎管轻度～中度狭窄，T2WI上局部未见异常信号改变，但亦发现了部分纤维束的FA值减低，与以往文献报道的DTI在检测颈髓慢性损伤方面较常规T2WI的敏感度更高的结果基本一致[14]。

关于脊髓细小纤维束的人体功能研究很少，大部分是非人灵长类动物研究中报道。以往认为网状脊髓束主要在人类皮质脊髓损伤后的恢复中发挥作用，但网状脊髓束也被证明与运动和姿势调整有关[16-17]。此外在非人类灵长类动物的研究中，网状脊髓束被假设在主要由皮质脊髓束进行的活动协调中发挥作用，如上肢运动和手指运动[15,17]。这些纤维束的确切功能及其在CSM患者临床症状中的作用仍未得到充分研究，需要今后更进一步的研究。

本研究由于样本量有限，测量数据可能会受到样本偏差的影响。此外，多数患者的颈髓呈多节段受压表现，本研究中未充分评估多节段损伤间的相互影响。而且，在脊髓图像的采集技术方面仍需要进一步优化成像序列和参数，脊髓MRI定量研究尚需要进一步验证。但基于脊髓专用工具包的脊髓细微结构MRI研究在颈髓病变的评估方面具有明显优势。

综上所述，CSM患者椎管程度狭窄及节段不同则脊髓的损伤情况存在差异，受损的纤维束主要集中在脊髓腹侧区域，如腹外侧网状脊髓束、皮质脊髓前束、顶盖脊髓束、前庭脊髓外束、红核脊髓束、网状脊髓外束、脊髓橄榄束和网状脊髓前束等。磁共振DWI检查对CSM患者的病情评估、疗效预判可提供一定的参考价值。总之，基于脊髓白质解剖图谱的DTI能定量评估神经纤维束的微观结构改变，有重要的临床价值和广泛的应用前景。