取比值后弥散张量成像参数对脊髓型颈椎病的诊断价值

姚瑞鑫，郭会利，张斌青，叶艳君

1河南中医药大学第三临床学院，河南 郑州 450046；2河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）影像中心，河南洛阳471002

脊髓型颈椎病（CSM）是由于脊椎退行性病变引起的脊髓压迫而导致的神经系统病变［1］。影像学对于CSM的诊断多由脊髓受压处MRI T2加权的高信号来确定，然而这一征象并不是在每位CSM患者中都能见到［2］。此外，患者对脊髓受压的耐受性可能会有所不同，因此MRI上显示椎管狭窄的程度和临床症状之间经常脱节［3］。表明单纯的器质层面的影像学表现不能完全展示颈髓的损伤程度。近年来，磁共振弥散张量成像（DTI）发展迅速，并在神经成像的应用中取得了良好的效果［4］。以往的DTI多用于脑部神经纤维束的成像，广泛被研究用于评估神经病变的参数包括表观扩散系数（ADC）和部分各向异性分数（FA）［5］。有研究表明，与磁共振T2加权上描述的高信号相比，FA值降低是一种更敏感的脊髓损伤测量方法，因为一些患者的脊髓压缩程度足以引起CSM，但在常规磁共振成像上没有显示明确的信号变化［6］。此前关于DTI对CSM诊断价值的研究较多。然而，以往的研究中多采用各参数的绝对值作为观察指标［7］，忽略了个体差异本身对DTI参数的影响。本课题组前期研究发现，不同个体DTI参数的绝对值差异较大，例如相同的FA值在一些个体中与周围椎间盘相对比认为是健康数值，而在其他个体中可能已达到损伤的程度。一些研究也发现，不同年龄段的健康人群DTI成像参数结果存在差异［8］。有研究提出采用颈3/4～颈6/7的FA及ADC值与颈1/2的比值，而不是绝对值，可以部分减少年龄的影响，但并未进行取比值前后的对比［9］。因此，采用DTI参数的绝对值进行诊断，可能会产生误差，对于不同个体的DTI参数值进行自身对比校正很有必要。本研究通过对脊髓型颈椎病患者进行DTI扫描，然后与自身的节段取比值校正，并与健康组之间作对比，探讨取比值后DTI参数在CSM中的诊断价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2020年10月～2021年5月本院收治的脊髓型颈椎病患者56例，其中男性24例，女性32例，年龄20～63（41.00±11.23）岁。纳入标准：有明确的临床CSM表现；行颈椎MRI检查，显示颈髓4/5（C4/5）、颈髓5/6（C5/6）节段有受压但颈髓2/3（C2/3）段未受压；无磁共振检查禁忌证。排除标准：发现其他原因引起的颈髓病变：如先天性椎管狭窄，颈椎外伤等；有幽闭恐惧症或无法配合检查患者；伴有明显颈椎不稳，易导致误差患者。同时随机选取62名年龄，文化程度相匹配的健康志愿者作为健康组，其中男性26例，女性36例，年龄22～63（40.11±10.62）岁，附加无神经病史，无脊髓病史，影像学显示脊髓无压迫征象。本研究已通过本院伦理委员会审查，所有组员及家属均被告知研究内容和风险性，并签署知情同意书。

1.2 分组标准

为了研究健康人群颈髓的DTI参数是否存在天然差异，本研究根据健康组成员5节椎间盘对应颈髓FA值和ADC值的平均值由小到大进行排序，并根据排序结果分组：前1～20例为Ⅰ组；21～30例为Ⅱ组；31～62例为Ⅲ组。

1.3 MRI及DTI检查

受试者均采用快速相位梯度回波序列进行定位扫描，常规MRI检查包括矢状位T1WI、T2WI和横轴位T2WI。扫描参数T2WI：TR/TE 3280/98 ms，T1WI：TR/TE 501/11 ms，层厚3 mm，FOV 280 mm×250 mm，采集矩阵120×128。采用SIEMENS 的3.0 T 磁共振扫描仪。梯度场40 Mt/m，切换率200 mT·m-¹·ms-¹，b值选择600，发射线圈使用体线圈，接受线圈采用四通道相控阵脊柱线圈。对所获得的DTI图像采用SEMENS自带的后处理工具进行图像融合，可自动获取FA、ADC的融合图像。扩散张量纤维束成像（DTT）的重建：先后将3D矢状位T2WI 薄层序列及DTI tensor 序列拖入MR Neuro 3D环境中，可自动生成T2WI矢状位、冠状位、横轴位以及3D融合图像，通过同时按住Ctrl+左键在横轴面上涂抹种子区域，范围包括全部的颈髓横截面，尽量避免两侧脊神经走形区域。设置纤维束追踪参数：FA阈值为0.18，轨道角度阈值为35.00°，步长为0.9 mm，同时追踪后的纤维长度＜20 mm 的自动舍弃；点击“Start Tractography”选项，即可生成正常颈髓神经纤维束示踪图像；最后调整角度使之与3D矢状位图像对应，观察其空间形态特征及走行。

1.4 影像学测量

1.4.1 DTI参数值的测量及校正 颈髓FA值与ADC值的测量：在Neuro 3D程序中点击测量值选项，然后选择感兴趣区（ROI）为体素测量，主界面区域会顺时针分别显示彩色编码的FA 图，灰阶ADC 图，同步定位的T2WI 3D容积序列图及ROI测值列表。在3D容积图上选取感兴趣区，把ROI分别放置在各颈椎间隙水平的颈髓中央区域，大小为3个体素，尽量避开脑脊液，软件会同步在彩色编码的FA图和灰阶ADC图，颈髓相同位置复制ROI并自动计算出FA值及ADC值显示在列表中，每个ROI重复测量3次，取平均值，测量方法（图1）。采用此法对C2/3到C6/7的5个椎间盘对应的ROI，测量ADC、FA。由于纳入的均为C2/3段颈髓未受压的受试者，所获得的数值均与C2/3颈髓的数值取比值，采用比值后的数据FA和ADC作为研究指标，验证比值法是否可以减少个体差异对DTI成像参数结果的影响。

图1 DTI参数的测量Fig. 1 Measurement of DTI parameters.

1.4.2 颈髓纵横比测量 在常规颈椎MRI扫描的轴向视图上测量颈髓的前后径（a）和左右径（b），前后径和左右径保持垂直，用前后径和左右径的比值（R=a/b）作为脊髓压迫程度的量化指标（图2）。由于颈椎前凸，或在某些情况下脊柱后凸，不能保证在所有水平上都不与椎管平面相切。

图2 脊髓纵横比的测量示意图（左），实测图（右）Fig. 2 Schematic diagram of measurement of spinal cord aspect ratio (left),measured diagram(right).

1.5 统计学分析

采用SPSS25.0对数据进行统计分析。FA、ADC等计量资料以均数±标准差的形式表示，多组数据间的比较经过验证满足正态性及方差齐性则使用单因素方差分析，否则采用非参数检验。对DTI参数与脊髓压缩比的相关性比较采用Pearson相关性分析。对DTI参数诊断CSM的诊断结果绘制ROC曲线，并计算最佳临界值。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 DTI成像结果

DTT图像可任意旋转观察3D效果，正常节段呈现均匀且走形一致的蓝色，受压节段红蓝绿色相间，连续性中断，纤维束变窄，边缘的纤维束中断、游离（图3A～B）。灰阶FA图像显示正常颈髓信号均匀，呈高信号（图3C）；彩色编码FA图显示正常颈髓呈均匀蓝色，周围的组织呈现混杂的红蓝绿色相间信号（图3D）。灰阶ADC图像显示周围脑脊液及韧带呈高信号，正常颈髓呈均匀中等信号（图3E）。

图3 患者女，57岁，常规MRI显示C3/4,C4/5及C5/6椎间盘突出，以C5/6节段突出为重Fig. 3 A57-year-old female patient,MRI showed C3/4,C4/5and C5/6 disc herniation,especially C5/6 segment herniation.

2.2 健康组不同节段颈髓的FA和ADC参数分析

健康组62例受试者共310个节段，分析不同节段的FA值及ADC值的差异性，结果显示FA值及ADC值在各节段之间差异均无统计学意义（P＞0.05，表1）。

表1 健康组各节段DTI参数的比较Tab.1 Comparison of DTI parameters of each segment in healthy group(Mean±SD)

2.3 健康组人群FA和ADC参数差异性分析

根据颈髓FA值和ADC值的均值由小到大排序并分组，研究健康人群DTI成像参数是否存在天然差异，其Ⅰ组20例，Ⅱ组20例，Ⅲ组22例。组间比较采用单因素方差分析，结果显示，健康人群的FA及ADC绝对值差异均有统计学意义（P＜0.001，表2）。

表2 健康组FA和ADC参数差异性分析Tab.2 Difference analysis of FA and ADC parameters in healthy group(Mean±SD)

2.4 取比值后健康组人群FA和ADC参数差异性分析

将健康组所有成员中C3/4、C4/5、C5/6、C6/7段的FA值和ADC值分别与自身C2/3段的FA值和ADC值取比值后，对所得的比值后FA和ADC汇总，然后各组进行比较。结果显示取比值后各组FA和ADC之间差异无统计学意义（P＞0.05，表3）。

2.5 取比值后对照组和病例组DTI参数比较

病例组共56例患者，均为多节段压迫，由于纳入时所有患者均包含C4/5及C5/6节段的突出压迫，故将病例组C4/5及C5/6节段的FA值和ADC值分别与自身C2/3段的值取比值后，取两组数据的平均值作为病例组的参数。将对照组C4/5和C5/6段的FA值和ADC值分别与自身C2/3段的值取比值后，计算其平均值作为对照组的参数最终比较。采用非参数检验的方法，结果显示比值后FA 和ADC 值差异均有统计学意义（P＜0.001），病例组的比值后FA较对照组减小，病例组的比值后ADC较对照组增大（表4）。

2.6 取比值后病例组DTI参数与颈髓纵横比的相关性分析

Pearson相关性分析显示，比值后FA与颈髓压缩纵横比呈中度的正相关（r=0.617，P＜0.05）；比值后ADC与颈髓压缩纵横比相关性较弱，呈低度负相关（r=-0.478，P＜0.05）。绘制两变量之间相关性的散点图（图4）。

图4 病例组取比值后FA（左）和ADC（右）与脊髓纵横比的散点图Fig. 4 Scatter plot of the aspect ratio of FA(left)andADC(right)to spinal cord after taking the ratio in the case group.

2.7 取比值后病例组DTI参数对脊髓型颈椎病的诊断效能分析

对各定量绘制ROC曲线（图5），结果显示，比值后FA 诊断CSM 的曲线下面积为0.821（95%CI:0.745～0.896），当诊断临界值为0.917时，诊断效能最高，敏感度和特异性分别为82.1%和71.0%；比值后ADC诊断CSM的曲线下面积为0.791（95%CI:0.707～0.874），当诊断临界值为1.140时，诊断效能最高，敏感度和特异性分别76.8%和75.8%。两参数值诊断CSM的曲线下面积比较差异无统计学意义（P＞0.05）。当将两参数通过二元logistic回归方程进行联合诊断时，曲线下面积为0.896（95%CI:0.803～0.934），相对于单用一个参数的诊断效能更高，与单一使用FA和ADC的曲线下面积比较均具有统计学意义（P＜0.05）。

图5 取比值后FA、ADC诊断CSM的ROC曲线（左），FA、ADC联合诊断CSM的ROC曲线（右）Fig. 5 ROC curve of FA and ADC diagnosing CSM after taking the ratio,and ROC curve of FA and ADC jointly diagnosing CSM.

3 讨论

DTI是一种基于生物组织中分子各向异性扩散原理的磁共振成像技术［10］。各向异性是指分子在介质中的运动被限制在一个特定方向［11］。大多数生物组织，如肌肉纤维和神经元，都是各向异性的，因为它们的分子扩散受到髓鞘等物理屏障的限制，在这些组织中，分子扩散方向沿纤维走行方向［12］。DTI特征通常由FA和ADC量化，这些数据度量是从特征值中计算得到的［13］。FA是一个扩散指数，表示扩散的方向性差异，取值0～1［14］，其中0表示各向同性扩散（向各个方向扩散），比如脑脊液的FA值接近0［15］；而1则表示完全各向异性扩散（沿单个纵向方向扩散），在鞘壁完整的神经元轴突中，水分子的扩散受到鞘壁的限制主要沿轴突的走行进行，FA值接近1［16］。ADC表示从成像结构内的3个垂直相交方向测量的平均扩散率［17］，反映了水分子在各个方向上的平均弥散能力，而与弥散的方向无关［18］。ADC值越大，说明活体组织内所含自由水分子则越多，水分子弥散能力就越强；ADC值越小，则说明活体组织内所含自由水分子越少，水分子弥散能力越弱［19］，与FA相反，ADC在脑脊液中较大而在神经纤维中则较小［20］。

由于DTI对颈髓的显像是基于脊髓在受压损伤时水分子运动方向和强度的变化［21］，而水分子的运动受到各类因素的影响，例如损伤的类型及程度，组织的水肿变性情况，受试者本身的脊髓活性状态等［22］。因此在成像时不同个体的DTI参数基础值存在着较大差异，这些差异可能是多种因素作用的结果［23］。本研究中健康组的FA值及ADC值均表现出个体差异性，这些差异反映了与神经组织相关的微结构变化。有研究认为FA值随着年龄的增长而下降，与神经元细胞的损失，白质纤维束的退化和星形胶质细胞的增殖与肥大等病理变化密切相关［24］；有研究采用压迫最重节段与自身C1/2节段比较的方法进行分析，减少了个体差异的影响［25］，但是缺乏与健康组对比的有效数据。本研究将健康组受试者各个节段的参数值分别与C2/3对应脊髓的参数值取比值，由于C2/3椎间盘的突出极为少见［26］，且C2/3节段在图像上显示更清晰，与受压节段距离更近，可比性更强，其DTI参数值数值可作为个体的基数值。通过取比值法后的对比发现，健康组成员比值后的FA及ADC后数据趋向于1，在1左右微小波动。对比值后数据分析发现，取比值后各组的FA和ADC之间差异不具有统计学意义（P＞0.05）。结果表明自身取比值后，可以有效减少患者自身DTI参数值天然差异对诊断的影响，临床诊断CSM时可以根据怀疑病变节段的FA及与ADC值与C2/3节段取比值进行辅助诊断，无需再考虑个人自身脊髓基本情况的差异，比FA及与ADC的绝对值更有临床实用意义。

有研究认为脊髓压迫程度对CSM患者的症状（疼痛除外）影响很大，而椎旁肌退行性变的影响相对较小，颈脊髓压迫程度可以预测CSM 患者症状的严重程度［27］。脊髓纵横比在一定程度上显示脊髓受压的状态，正常人群的脊髓是前后径较短的扁平状［28］，当椎间盘突出压迫时，脊髓根据受压程度的不同，纵横比（前后径与左右径的比值）会发生变化［29］，纵横比与DTI参数的相关性分析，可以有效提示在脊髓受压不同状态时各DTI参数的变化。本研究发现，比值后FA与脊髓纵横比具有中度相关性，表明随着脊髓受压严重程度的加深，比值后FA 会逐渐减小，这对我们在临床中诊断CSM的严重性具有提示意义，可以根据比值后FA结合影像学表现来判断患者的严重程度，为临床诊断和治疗方式的选择提供新的思路。

有研究发现FA和ADC绝对值在诊断CSM时与T2WI高信号相比存在显著差异［30］。与ADC（71%）和T2WI高信号（50%）相比，FA（79%）在鉴别脊髓病变方面的敏感性最高。本研究采用比值后的数据代替绝对值对健康组和病例组的数据作对比，病例组取比值后FA较健康组显著降低，而ADC则显著增高，差异具有统计学意义（P＜0.05），这与既往研究结果一致［31］。采用比值后的数据作为诊断标准对118例受试者的定量诊断数据发现，当比值后FA的诊断临界值为0.917时，诊断效能最高，敏感度和特异性分别为82.1%和71.0%，表示突出节段的FA参数值在与未突出的C2/3节段取比值后，若比值小于0.917，则提示发生CSM；比值后ADC诊断临界值为1.140时，诊断效能最高，敏感度和特异性分别76.8%和75.8%，表示突出节段的ADC参数值在与未突出的C2/3节段取比值后，若比值大于1.140，则提示发生CSM。当两参数进行联合诊断时，所得的曲线下面积最大，表明若将这两个指标联合使用，具有更佳的诊断效能。

本研究存在一定的局限性，由于DTI扫描及后处理的操作较复杂，需要专业人士参与调试，导致本研究纳入的样本量有限，这对提出的诊断参考值的准确性产生了影响，未来还需要大样本的验证；本研究只是提出了健康人群DTI参数存在天然差异，并尝试采用比值法减少这种差异对临床诊断的影响，并未证实这些差异发生的原因，未来有待于研究并阐明是何种因素造成了这些差异。

综上所述，DTI参数可以对CSM进行客观定量的评价，有效的弥补常规MRI对脊髓细微功能损伤诊断的局限性。DTI成像诊断具有多样化的特点，既可以通过DTT等成像方式直观的展现脊髓纤维束的中断、游离，又可以根据不同参数的差异来进行定量分析。DTI成像参数具有个体差异性，通过与自身C2/3节段对比后，可以有效降低个体差异对诊断结果的影响，更具有临床实用性。FA及ADC与脊髓压缩纵横比有一定相关性，以其比值参考值作为诊断标准可以有效辅助常规MRI对脊髓型颈椎病的诊断。