磁共振弥散张量成像在脊髓型颈椎病中的研究现状

范利娟，罗漫丽，张昌盛，朱卉敏，李记天,

1.河南中医药大学 学位与研究生教育洛阳工作部，河南 郑州 450046；2.河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院） 脊柱外科，河南 郑州 450016

引言

脊髓型颈椎病（Cervical Spondylotic Myelopathy，CSM）是常见于中青年的一种颈椎椎骨间连接结构退变、脊髓缺血或受压导致的脊髓功能障碍，基本病理改变为颈椎间盘退变，约占所有类型颈椎病的10%～15%[1]，具有较高的致残率[2]，早发现、早诊断、早治疗对改善其预后十分重要。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）技术是在磁共振扩散加权成像的基础上发展而来的一种新型成像技术，可以通过神经组织中水分子的随机运动测量其各向异性、分析神经组织内水分子扩散情况，使得医生可以在术前更准确地确定病灶范围，将神经纤维的破坏程度降至最低，在疾病早期敏感地显示脊髓损伤[3]，在诊断的及时性、敏感度及预后的评估上有较高的价值，极大地促进了脊柱脊髓手术的发展。近些年DTI 被越来越多地应用于CSM 的诊断与治疗中，但关于其应用价值尚无系统的总结。本文对DTI及其在CSM 中的应用现状进行评价，以期对未来DTI在相关疾病中的应用提供借鉴及指导。

1 DTI概述

DTI 通过定量分析水分子在组织中的微观运动来检测肌纤维的微观结构，从而反映脊髓束功能的完整性和脊髓微小病变[4]。DTI 是一种功能成像和后处理技术，对水分子扩散十分敏感，其在至少6 个方向上应用磁场梯度来测量水分子的扩散效应以评估脊髓的完整性[5]，探测组织中水分子随机扩散的能力远超其他MRI 技术。各向异性分数（Fractional Anisotropy，FA）是DTI 的重要参数之一，在CSM 的诊断及预后预测中发挥着重要作用。FA 值对脊髓病变的诊断敏感度最高（79%）[6]，可准确地应人体内水分子扩散的各向异性，重建神经纤维束。利用FA 的这一特点，DTI 便可以通过探测水分子在脊髓束中扩散的过程来反映脊髓束功能的完整性，特别是在脊髓白质中，因为脊髓白质内轴突的高度有序排列使其扩散具有高度的各向异性，轴突结构的破坏将各向异性扩散改变为各向同性扩散。相关研究报道显示，FA 值的降低是脊髓受压迫后产生的病理性变化[7]，与脊髓纤维束的方向性、致密性和完整性相关，用0（无限各向同性扩散）～1（无限各向异性扩散）表示。正常情况下，脊髓束中的水分子以高度有序的方式运动，且主要为单向，即各向异性扩散，故FA 值在正常情况下更接近1；但如果在病理情况下，如CSM 患者，其纤维束扭曲，水分子倾向于各个方向移动，导致各向异性扩散减少，FA 值降低。常见的DTI 指标参数除了FA，还有表观弥散系数（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）。ADC 值指的是组织的总体扩散参数，可以反映分子位移的平均幅度，与方向无关。高ADC表面水分子扩散程度大，运动边界小，这意味着被测区域的脊髓血供不足，局部细胞受到缺血缺氧的影响，造成了一定损伤；相反，组织内水分子扩散越弱，ADC值就越低[5]。因此，水流动性高且水运动边界较小的组织，其ADC 值也较高，如脑脊液和血管源性水肿；低的ADC 值常见于具有高度复杂性和扩散边界的组织，如白质纤维束和肿瘤。

2 DTI在CSM诊疗中的发展进程

DTI 出现之初，其应用主要局限于定量分析脑白质的各向异性，以协助其临床诊治，经过不断发展，其应用范围逐渐扩大，逐渐被应用于神经根损伤的评估。1999 年，Clark 等[8]首次报道了DTI 在颈脊髓中的应用。从此，用于DTI 成像的多种扫描序列及技术迎来了飞速发展，单次激发平面回波成像（Single-Shot Echo Planar Imaging，SS-EPI）和多次激发平面回波成像（Multi-Shot Echo Planar Imaging，MS-EPI）的发展较早，各有优缺点。SS-EPI 序列的成像速度较快、受伪影影响较小，其缺点是图像分辨率和信噪比较低；而MS-EPI 序列在检测损伤脊髓节段的微观结构变化和功能改善方面有明显优势，可以明显降低伪影、提高信噪比及图像质量，但也存在采集时间较长的问题[9]。为了克服这些缺点，2002 年，Wheeler-Kingshott 等[10]应用局部放大斜位多层回波成像技术来诊断脊髓疾病，这种成像方式虽然在减少运动伪影、提高图像分辨率方面具有一定优势，但也存在信噪比较低、扫描时间较长等局限性。2003 年，Demir 等[11]首次使用表观扩散张量诊断CSM，发现其ADC 异常增加，敏感度为80%，远高于T2加权像的61%。2005 年，Facon 等[12]通过DTI 诊断CSM，发现其FA 值普遍较高、ADC 值较低，还认为较高的FA 值、较低的ADC 值提示患者术后功能恢复更好。目前，DTI多采用SS-EPI 技术进行图像采集，可以明显减少运动伪影，获得清晰的图像。虽然近些年DTI 在脊髓疾病诊断及疗效评价中的应用越来越多，大量的研究也已经证实了DTI 在检测脊柱脊髓中细微损伤中的作用，但是总体来说，这项技术在脊髓疾病中的应用仍处于初步阶段。

3 DTI在CSM诊断中的应用

DTI 可提供与脊柱脊髓相关疾病的病理生理学和微结构改变，具有更高的敏感度、客观性和软组织分辨率，同时，其误诊和漏诊率更低，是一种采用无创检查方式进行活体神经纤维结构探查、分析的方法，现被广泛应用于CSM 的诊断过程中[13]。2003 年，Demir 等[11]首次报道了DTI 在CSM 患者中的应用，发现其在CSM诊断中的巨大价值，此后，越来越多的研究报道了其在CSM 中的应用价值。

DTI 被用于CSM 的诊断时，FA 值的下降及ADC值的升高与神经根损伤有关。DTI 不仅可以直观地显示脊髓纤维束的中断、游离，量化CSM 的严重程度，而且DTI 的变化较髓内高信号发展更快，能在常规T2加权像检出异常信号之前检测出CSM 的发生，为临床诊断及治疗争取充足的时间，防止患者临床症状恶化，降低了CSM 导致截瘫的发生率，具有重要的临床意义[14]。据相关研究报道，DTI 在CSM 中的诊断效能远高于常规MRI[15]。CSM 患者术前DTI 的检测结果往往伴随的是FA 值的显著降低和ADC 值的显著增加[16-17]，可以通过参数变化定量分析患者症状的严重程度及脊髓受压迫程度[18-19]。其中，FA 诊断CSM 的特异性较ADC 更高，其原因为FA 值与患者脊髓病变的严重程度密切相关，与CSM 患者改良日本骨科学会（Modified Japanese Orthopedic Association，mJOA）评分密切相关，而mJOA 是临床常用的脊髓损伤程度评价指标，是脊髓损伤的代表值[20]。CSM 治疗指南也建议对mJOA 评分为中度及重度的患者行手术治疗，说明了mJOA 与CSM症状严重程度之间的密切相关性。ADC 是水分子扩散程度的指标，能够在疾病的早期对脊髓损伤相关扩散程度进行量化，更清晰地显示病变部位的微观结构损伤，提高疾病诊断的敏感度。顾敦星等[21]通过对32 例CSM 患者手术前后的DTI 相关参数的观察分析，发现其各项指标与术前mJOA 评分间存在显著相关性，CSM患者术前FA值较正常人低，mJOA评分也呈现类似变化。于学涛等[22]将DTI 应用于多节段CSM 的诊断过程中，发现对于常规MRI检查T2信号正常的多节段CSM患者，DTI 显示其FA 值降低、ADC 值升高，说明DTI 在发现脊髓微损伤的效能较传统MRI 的效果更好，证明了其在多节段CSM 患者早期脊髓病变评估中的价值。

4 DTI在CSM患者疗效评估中的作用

DTI 在评估CSM 患者减压术后神经功能恢复方面有重要的作用，不仅是一种诊断方式，更可以作为一种潜在的提高手术疗效及预测手术结果的方法。

4.1 术前预测患者预后

DTI 可以反映椎间盘退变程度，对提高CSM 患者减压术的手术疗效有较好的临床意义[23]，可用于预测不同程度神经功能障碍的CSM 患者的术后临床状态。术前DTI 影像不仅可以帮助医生预测手术效果，还有助于制定更符合患者实际情况的治疗方案，特别是对临床症状较重但体征相对较轻的患者来说，可以明显改善其预后。首先，患者术前的FA 值与术后功能恢复关系密切，若患者术前FA 值较高，其术后恢复较好[24]。申沧海等[25]发现，当FA＞0.386 或ADC ≤1.339×10-3mm2/s 时，说明患者术后有较大的可能性脊髓功能恢复，术后早期系统康复及训练有更好的临床效果。Iwama 等[26]将结节指数应用于脊髓的评估，这种方法可以用更具体的神经组织微观结构信息作为度量，其研究结果显示，患者术前DTI 轴突定位、弥散和密度成像在量化CSM 严重程度和评估术后神经功能恢复中有较高价值，是一种重复性好、可靠性高的方法；且在DTI 的各项参数中，术前FA 值与神经功能严重程度相关。黄晓波等[27]通过对比CSM 患者和健康者的DTI 参数，发现CSM 患者术前DTI 的ADC 值和FA 值与术前、术后mJOA 评分及mJOA 评分改善率有显著相关性，术前ADC 较高者术后恢复较差，而术前FA 值较高者术后恢复较好。其次，在治疗中，DTI 可以作为CSM 患者是否进行手术干预及选择合适治疗方法的重要指标，帮助患者获得更好的预后[19]。多节段CSM 的责任节段定位较为困难，在术前较难制定合理的手术方案，而DTI 不仅可以对手术疗效有一定的预测作用，还可以作为一种辅助决策工具，指导多节段CSM 患者选择更合适的治疗方法，使治疗效果最大化。朱明洪等[28]的研究分析了患者术前髓核的ADC 值、FA 值与术后复发之间的关系，发现复发组患者有更高的FA 值和更低的ADC 值，Logistic 回归分析表明患者FA 值与术后复发率成正比，ADC 值与术后复发率成反比。

4.2 术后疗效评价

DTI 也是一种潜在的评估颈髓功能恢复情况的技术，是评价CSM 手术效果的有效方法。对于术后颈髓，尽管手术已经缓解了其狭窄、改善了水肿，但仍可能存在神经元坏死及轴突减少的可能，因此，功能障碍依然存在，DTI 在术后定量反映患者颈髓残存异常中的效能优于传统MRI。FA 值可以作为评价神经恢复状况的稳定且重要的指标。Wang 等[29]对减压手术后患者进行了DTI 检查，发现其术后FA 值显著改善，说明DTI 在术后颈髓功能恢复中具有重要作用。郭瑞敏等[5]通过对102 例减压术后12 个月以上的康复患者进行DTI 检查，发现DTI 参数与患者术后mJOA 评分和神经功能恢复有关，能很好地体现脊髓病理状态，在评估术后神经功能恢复上有很好的作用。

5 DTI在CSM诊疗中的局限性

随着成像技术的进步及数据后处理软件的不断更新，DTI 被应用于多种脊柱脊髓疾病的评估中，但由于脊髓横断面积相对较小、周围骨性结构、血管搏动及呼吸运动等因素的影响，其应用受到了一定的限制，主要包括以下几点。

5.1 多节段病变

多节段病变比单节段病变更能影响患者微观结构的完整性，可能会对DTI 的参数值造成更大影响，导致DTI 的诊断效能降低[23]。另外，由于脊髓的体积较小，脊髓DTI 图像的信噪比和分辨率均低于脑部DTI。

5.2 年龄

患者的年龄会对DTI 的参数值造成较大影响。研究发现，颈脊髓的FA 值随着患者年龄的增加而降低，而ADC 则相反[30]。原因可能是随着人们年龄的增长，其脊髓会逐渐萎缩，发生神经元功能丧失、血管水肿及最终的坏死和空化、胶质细胞增生等生理改变，最终导致患者颈髓组织水分子弥散的各向异性降低[31]。

5.3 信噪比

由于接收线圈的构造，脊髓的信号可能受到信噪比的影响，导致DTI 参数不准确。为了解决这种误差，可使用脊柱和颈部量身定制的接收线圈或者使用3.0 T 系统降低信噪比造成的误差，提高DTI 参数的准确度和精确度。

5.4 伪影

与脑部DTI 相反，颈髓DTI 有其基本的技术困难，包括心脏、呼吸运动、脑脊液搏动产生的运动伪影以及手术植入物的伪影等，影响拍摄的图像质量，这种情况在胸部脊髓中尤为明显[32]，也在一定程度上也加大了DTI 在脊髓中的应用难度。为了尽量降低伪影对图像的影响，可以通过MRI 并行成像或心电门控技术来进行扫描；也有学者提出可以通过信噪比增益来改善患者脊髓DTI 影像，最大限度地减少伪影[23]。

6 总结及展望

CSM 是造成颈脊髓功能障碍最常见的疾病之一，目前，最有效的影像学检查是MRI T2加权像的高信号，可以为临床医生提供清晰的脊髓影像，以更好地观察患者脊髓压迫程度及脊髓内信号的改变[33]，但并不是每位CSM 患者脊髓内信号的改变都可见，部分患者敏感度较低（15%～65%）[34]。另外，常规MRI 只能显示CSM患者器质层面的异常，因每个人对脊髓受压的耐受性不同，导致患者的椎管狭窄程度和临床症状不符。DTI 的显像原理是基于脊髓受压时水分子运动方向和强度的变化，其出现使得脊柱脊髓微结构的评估成为可能，近年来被广泛应用于脊髓损伤、CSM、脊髓肿瘤、腰椎间盘突出症、布鲁菌病性脊柱炎等多种脊柱脊髓疾病及阿尔茨海默病、脑胶质瘤、急性脑梗死等神经系统疾病的诊断、治疗及术后疗效评估过程中[12,28,35]，可以更好地追踪受压神经根、显示椎间盘和神经根的位置关系。相较于常规的MRI，DTI 有更高的敏感度，有潜力成为脊柱脊髓疾病诊断及疗效评价的一种新工具，是一种有较好应用前景的影像学检查方法，现已较多地应用于临床。但DTI 在CSM 中的应用偏向于诊断及对术后功能恢复的预测中，未来需展开进一步的研究：① 使其朝着作为CSM 非手术治疗患者的无创性疗效检测手段的方向发展；② 改进目前使用的图像采集技术及流程，提高图像质量，尽量减少采集过程中的伪影及图像失真等问题；③ 进行更多的研究来确定临床症状的严重程度与各DTI参数的关系，如测量正常人群和CSM 患者FA 值参考区间的差异，确定其临界值，以此选择最佳的手术时间；④ 进行扫描序列的优化及参数的改进，找出更适合于脊髓显示的方案；⑤ 进一步确定DTI 具有作为诊断CSM相关脊髓损伤生物标志物的潜力。