正常人椎间盘MRI弥散张量成像ADC值、FA值与年龄和解剖部位的相关性研究.doc

正常人椎间盘MRI弥散张量成像ADC值、FA值与年龄和解剖部位的相关性研究.doc 正常人椎间盘MRI弥散张量成像ADC 值、FA值与年龄和解剖部位的相关性研究 作者:蒋新华 陈建宇 蔡兆熙 梁碧玲 钟镜联 叶瑞心 杨泽宏 高 明 【摘要】 目的 探讨正常人椎间盘ADC值、FA值与年龄和解剖 节段的相关性及其变化规律。 募集健康志愿者45人，年龄范 围6-40岁，6-10岁5人，11-15岁6人，16-20岁6人，21-25岁13 人，26-30岁5人，31-35岁5人，36-40岁5人。进行常规T2W、 T1W及DTI扫描，重建ADC图、FA图、b0图及b400图，测定其 ADC值、FA值及T2W信号强度，分析上述值随着年龄增加的变化 规律。 结果 L1/2、L2/3、L3/4、L4/5椎间盘ADC值与年龄呈负相 关(rB1B=-0.668，p<0.001，rB2B=-0.683，p<0.001，rB3B=- 0.622，p<0.001，rB4B=-0.540，p<0.001)，椎间盘FA值、 T2W信号强度与年龄不相关。随着年龄的增加，椎间盘的ADC呈 下降趋势，5-15岁呈快降阶段，16-25岁相对稳定阶段，26-40岁缓 降阶段。L1/2-L3/4椎间盘ADC值与解剖部位相关(r=0.279， p<0.05)，从上到下ADC值逐渐升高，L3/4-L5/S1椎间盘ADC 值与解剖部位无相关性(r=-0.048，p>0.05)。各椎间盘FA值 (r=0.349，p<0.001)及T2W信号强度(r=0.658，p<0.001)与解剖 部位相关。 结论 正常人体椎间盘ADC值随着年龄增加呈下降趋 势，FA值在L4/5-L5/S1椎间盘显著增大，ADC值及FA值比T2W 信号强度值更能体现椎间盘水分子弥散能力的变化，了解正常椎间 盘ADC值及FA值随年龄的变化规律，有助于进一步理解椎间盘退 变的发生机制。 【关键词】 腰椎;椎间盘;弥散张量成像;观扩散系数;各 向异性分数 [Abstract] Objective To analysis the correlation and change regulation between the mean value of ADC,FA,T2W signal intensity of intervertebral discs and age, anatomic location in healthy volunteers by diffusion tensor imaging. Methods The study population consisted of 45 healthy volunteers(range,6-40years),T2 weighted MR imaging,T1 weighted MR imaging and diffusion tensor imaging of the lumbar spine were performed,an isotropic ADC map, FA map,b0 map and b400 map was calculated from DTI, then calculate the mean value of ADC,FA,T2W signal intensity and analysis the change regulation of ADC,FA,T2W signal intensity value with age increased. Results It indicated that the ADC value of L1/2,L2/3,L3/4,L4/5 intervertebral discs negatively correlated with age(r1=-0.668, p<0.001, r2=-0.683, p<0.001, r3=-0.622, p<0.001, r4=-0.540, p<0.001),the value of FA and T2W signal intensity were not correlated with age.The ADC value decrease with age increased, the ADC value decreased quickly from 5 to 15years, maintains a relatively stable value from 16 to 25 years, decreased slowly from 26 to 40years.The ADC value of L1/2-L3/4 intervertebral discs was positively correlated with anatomic location(r=0.279, p<0.05),but the ADC value of L3/4-L5/S1 intervertebral discs was not correlated with anatomic location(r=-0.048, p>0.05).The FA value(r=0.349, p<0.001) and T2W signal intensity(r=0.658, p<0.001) were not correlated with anatomic location. Conclusion The mean ADC value of normal lumbar spine decrease with age increased, could be classified into three stage: quickly decreased phase, relatively stable phase and slowly decreased phase. The ADC value and FA value could be more reflect the change of water diffuse mode than T2W signal intensity,it is helpful to comprehend the mechanism of intervertebral discs degeneration via study the change regulation between the value of ADC,FA and age. [Key words] Lumbar spine; Interverbral disc; Diffuse tensor magnetic resonance imaging; Apparent diffusion coefficient; Fractional anisotropy 弥散张量MR成像(Diffusion tensor imaging, DTI)是在分子 水平上研究组织中水分子随机运动的一种无创性的功能性磁共振成 像技术，通过测量组织的各向同性表观弥散系数值(Isotropic Apparent Diffusion Coefficient，ADC)和部分各向异性值 (Fractional Anisotropy, FA)可定量分析组织的水分子弥散能力。有 助于了解在正常椎间盘的发育、成熟和老化过程中，椎间盘水分子 弥散能力的改变。本研究对45名5-40岁的健康志愿者行腰椎DTI 成像，测量各节段椎间盘ADC值、FA值及T2W信号强度，分析正 常椎间盘ADC值、FA值与年龄和解剖节段的相关性，探讨ADC 值、FA值与椎间盘退变的相关性。材料与方法 1. 健康志愿者纳入标准 (1)均填写知情同意书，自愿参加本研究，无涉及经济补 偿;(2)无急、慢性腰背部疼痛史;(3)无腰部外伤、手术史; (4)排除其他全身性疾患。排除标准:(1)从事重体力职业1年 以上;(2)职业运动员。 2. 募集符合上述纳入标准45人，按5岁为一个年龄组分组， ?组:6-10岁5人;?组:11-15岁6人;?组:16~20岁6人;? 组:21-25岁13人;?组:26-30岁5人;?组:31~35岁5人;? 组:36-40岁5人。 3. 成像技术 使用1.5T磁共振仪(PHILIPS Gyroscan Intera 1.5T)，使用5 通道相控阵脊柱线圈。扫描序列:常规脊柱矢状位SE序列 T2WI(TR,TE=3500ms,120ms )和T1WI(TR,TE=400ms,11ms)扫描，平行椎间盘平面的横断面T2WI (TR,TE=3500ms,120ms);采用单次激发平面回波(EPI)弥散张量成像(DTI)矢状面扫描:扫描层数7层，矩阵176×256，扫描野中心线定位于腰椎正中矢状面，平均采集次数14次，TR 2500ms，TE 89ms，层厚5mm，层距0mm，弥散方向为6个方向，弥散梯度因子b值设为400s,mmP2P，在椎体前方设置预饱和带排除呼吸运动伪影，饱和带宽30cm，成像时间约4:10min。为避免生理状态所引起的差异，本研究扫描的时间均在下午或晚上完成，扫描前均未剧烈运动，扫描体位为仰卧位。 4. ADC值、FA值和T2W信号强度值测定 利用PHILIPS Gyroscan Intera 1.5T MR工作站自带软件(MR Systems Intera Release 2.6.1.0)，用DTI图像重建ADC图及FA图，选择扫描中心层面(第4层)，由于b0图上能清楚的显示椎间盘的解剖结构，在b0上椎间盘部位(包括髓核及纤维环)画取椭圆形ROI，然后将其复制到ADC图及FA图上，测量每个椎间盘(L1/2至L5/S1)的ADC值、FA值及T2W信号强度，每个椎间盘重复测量三次，取平均值。 5. 数据的统计学处理 将所测得的原始数据输入SPSS 16.0软件包。绘制不同节段椎间盘ADC值、FA值和T2W信号强度值随年龄增加的变化趋势图，比较不同年龄组同一节段椎间盘及各年龄组不同节段椎间盘ADC值、FA值及T2W信号强度的差异(单因素方差分析，one-way ANOVA)，采用Pearson相关分析法分析椎间盘ADC值、FA值及T2W信号强度与解剖节段和年龄的相关性，计算相关系数r值，P<0.05为有统计学意义。 本研究对45例正常志愿者共225个椎间盘进行DTI成像，均得到了清晰、满意的图像。L1/2、L2/3、L3/4、L4/5椎间盘ADC值与年龄呈负相关(rB1B=-0.668，p<0.001，rB2B=-0.683，p<0.001，rB3B=-0.622，p<0.001，rB4B=-0.540，p<0.001)，而L5/S1椎间盘ADC值与年龄不相关(r=-0.300，p>0.05)，各椎间盘FA值、T2W与年龄不相关。随着年龄的增加，椎间盘的ADC呈下降趋势，5-15岁呈快降阶段，16-25岁相对稳定阶段，26-40岁缓降阶段。L1/2-L3/4椎间盘ADC值与解剖部位相关(r=0.279，p<0.05)，随着解剖部位的减低ADC值逐渐升高，L3/4-L5/S1椎间盘ADC值与解剖部位无相关性(r=-0.048，p>0.05)，各椎间盘FA值(r=0.349，p<0.001)及T2W信号强度(r=0.658，p<0.001)与解剖部位相关，ADC值、FA值、T2W信号 强度值两两相关(ADC值与FA值r=0.151，p<0.05;ADC值与T2W信号强度r=0.221，p<0.05;FA值与T2W信号强度r=0.278，p<0.001)(表1-3)。表1:各年龄组不同节段椎间盘平均ADC值椎间盘ADC值(略)表2:各年龄组不同节段椎间盘FA值(略)表3:各年龄组不同节段椎间盘T2W信号强度(略) 讨论 椎间盘的血液供应在10-20岁已终止，椎间盘的营养和代谢主要通过椎间盘基质内分子弥散运动进行，因而，椎间盘弥散能力下降被认为是椎间盘退变的早期标志。椎间盘退变的特点是细胞减少、细胞外基质的退化，进而导致形态学以及生化成分的改变[1,2]。Rajasekaran SP[3]等人通过动态增强MRI扫描来评价椎间盘的弥散能力，并间接推测终板软骨受损与椎间盘退变的关系。MR弥散张量成像(DTI)是目前一种能够反映活体水分子弥散的新技术，较多应用于神经系统疾病的诊断，如脊髓损伤[4, 5]、急性脑缺血及脑肿瘤等颅内疾病[6-8]。最近有部分学者将DWI、DTI应用于椎间盘疾病的相关研究。杨海涛[9]等利用DTI显示纤维环的形态和完整性。Antoniou J[10]等人利用DWI研究ADC值与髓核基质中生化成分的相关性，结果显示ADC值能定量反映椎间盘髓核中基质生化成分的含量。退变椎间盘内水分的减少在T2W上表现为椎间盘信号减低，但不能进行定量分析，而通过测量ADC值能半定量反映椎间盘内水的弥散能力，FA值反映水分子向各个方向弥散能力的差异。 1( 正常人体椎间盘ADC值、FA值和T2W信号强度值随年龄增加的变化规律 本研究发现:L1/2-L4/5椎间盘ADC值与年龄呈负相关，ADC值随年龄增加呈3阶段下降趋势。5-15岁椎间盘处于快速发育至发育成熟阶段，ADC值快速下降。此时椎间盘基质中水含量减少，而蛋白多糖、胶原等含量增加，水分子自由运动受限，导致ADC值快速下降。16-25岁椎间盘从成熟稳定期进入退变早期，椎间盘基质中水、蛋白多糖和胶原含量相对稳定， 保持ADC值相对稳定。26-40岁，椎间盘缓慢老化，含水量虽无急剧下降，但髓核中基质退变，水分子在椎间盘的弥散能力开始逐渐减低，ADC值缓慢下降。椎间盘内水分子的弥散能力的下降在普通的T2W图像上并不能体现出来，虽然ADC值有减低，但T2W图像上椎间盘的信号并未减低。本研究结果也显示，年龄与T2W的信号强度值无统计学意义，说明弥散张量成像相比常规的T2W成像，不仅能反映椎间盘内含水量，更重要的是可反映水分子的弥散能力改变。Kealey SM[11] 等人对39例29-86岁的腰椎椎间盘变性患者及5例29-35岁的正常 志愿者的DWI研究，结果表明退变椎间盘的ADC值与正常椎间盘相比减低了9%，年龄与椎间盘的ADC值无相关性。由于本研究与Kealey SM等人的研究对象不一致，Kealey SM研究的多数是年龄较大的腰椎间盘变性患者，而本研究的对象是年龄相对小的正常志愿者，导致了研究结果的不完全一致。 FA值反映水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例，随着年龄的增加，水分子向各个方向弥散能力下降的程度并不是一致的，因此随着年龄的增加，椎间盘水分子各向异性成分有可能增加也有可能减少，导致了FA值随着年龄的增加并不发生规律性的变化。 2( 椎间盘ADC值与解剖部位的关系 文献报道[11]，从L1/2-L5/S1椎间盘，ADC值逐渐减低，研究者以此来解释为什么椎间盘退变易发生在下段腰椎;而Kerttula L[12]等人对14例8-22岁的正常志愿者进行胸椎及腰椎DWI扫描，得出了椎间盘ADC值随着解剖部位的减低有升高的趋势，Kurunlahti M[13]等人对37例22-68岁无腰痛症状志愿者的研究结果也表明从L1/2-L5/S1椎间盘，ADC值有升高的趋势，Niinimaki J[14] 等人搜集了228例36-56岁的志愿者，行T2W及DWI扫描，测量L3/4-L5/S1椎间盘ADC值，得出了ADC值与椎间盘解剖部位无关的结论。可见对于腰椎椎间盘ADC值与解剖部位的关系各研究者的研究结果并不一致。本研究结果表明L1/2-L3/4椎间盘ADC值与解剖部位相关，从L1/2-L3/4，椎间盘的ADC值逐渐升高，而L3/4-L5/S1椎间盘ADC值与解剖部位无相关性，FA值及T2W与解剖部位相关，T2W信号强度与ADC值、FA值相关。从图3可以看出，L1/2-L3/4椎间盘，ADC值有逐渐增大的趋势，而L3/4-L5/S1椎间盘，ADC值的维持在一个相对稳定的水平，无明显变化，说明L3/4-L5/S1椎间盘之间水分子的弥散能力并无显著差异。L5/S1椎间盘，其ADC值存在两种趋势，部分志愿者L5/S1椎间盘呈高ADC值为不易退变型;另一部分呈低ADC值，为易退变型，可解释人群中L5/S1椎间盘退变的差异性。 FA值的变化趋势与ADC值相比具差异性，从L1/2-L3/4，FA值轻度增大，而从L4/5-L5/S1椎间盘，FA值显著增大，表明L4/5、L5/S1椎间盘向各个方向的弥散能力下降明显，这可以部分解释椎间盘变性为什么好发于L4/5、L5/S1椎间盘，FA值的增大可能是L4/5、L5/S1椎间盘变性发生率较高的原因之一。文献报道的年龄段多较局限，本研究所用正常志愿者的年龄是7-40岁，更能充分体现正常腰椎椎间盘发育、成熟及老化过程的自然规律。3( 椎间盘ADC值的影响因素 (1)弥散方向:Kurunlahti M [13]及Niinimaki J[15]等人应用DWI扫描测量椎间盘在x、y、z轴3个方向的ADC值，发现在x轴方向的ADC值最小，在z轴方向的ADC值最大，说明椎间盘水分子在z轴方向上的扩散最大。Kerttula L[12]等人对14例8-22岁的正常志愿者进行胸椎及腰椎DWI扫描，在横断面上测得腰椎的平均ADCBzB为1.9×10P-3Pmm2/sec，而ADCB xB与ADCByB分别为1.49×10P-3Pmm2/sec及1.64×10P-3Pmm2/sec，作者认为腰椎ADCBzB值较大可能是椎间盘结构的各向异性导致了弥散的各向异性所致。文献报道的几乎都是应用DWI扫描，所得到的平均ADC值是在x、y、z三个方向的平均值，而本研究采用DTI扫描，所测得的ADC值是在各个方向的平均值，更能准确、真实的反映水分子的弥散情况。(2)成像设备、方法及b值:Carballido-Gamio J [16] 等人对6例正常志愿者采用1.5T及3.0T磁共振利用不同的b值及不同的成像方法进行扫描，所测得的ADC值有一定差异。文献报道所用的b值多在250-500s/mm2之间，本试验选取b值为400s/mm2。(3)测量部位:Bammer R[17]应用线阵扫描弥散成像扫描12例正常志愿者及3例腰椎压缩性骨折患者，分别测量椎体、髓核、前部分纤维环及后部分纤维环的ADC值，测得髓核的平均ADC值为(1.645?0.213)×10P-3Pmm2/sec，纤维环的平均ADC值为(0.837?0.318)×10P-3Pmm2/sec。本研究是在矢状面图像上测量整个椎间盘包括髓核及纤维环的ADC值，而文献报道的大多是把ROI定在髓核区，而且是固定ROI大小的，Kerttula L[12]等人是在横断面上测量ADC值，本研究之所以不固定ROI的面积大小，是因为不同个体及不同年龄段的椎间盘面积并不是一致的，如果统一ROI大小会导致测量的误差较大。(4)运动和负荷等因素:腰椎的活动能引起退变的L5/S1椎间盘弥散能力增加，但对退变的L1/2-L4/5椎间盘及正常椎间盘的弥散能力影响很小[18]。本研究所测的ADC值大小与文献报导的差异可能与上述因素有关。 本研究结果表明正常人体椎间盘ADC值随着年龄增加呈下降趋势，并可分为快速下降、相对稳定和缓慢下降3个不同的阶段。椎间盘ADC值与解剖部位的相关性表现为从L1/2-L3/4，椎间盘的ADC值逐渐升高，而L4/5-L5/S1椎间盘ADC值与解剖部位无相关性;FA值的变化趋势与ADC值相比具差异性，从L1/2-L3/4，FA值轻度增大，而从L4/5-L5/S1椎间盘，FA值显著增大，表明FA值的增大可能是L4/5、L5/S1椎间盘变性发生率较高的原因之一。ADC值及FA值比T2W信号强度值更能体现椎间盘水分子弥散能力的变化，了解正常椎间盘ADC值及FA值随年龄的变化规律，有助于进一步理解椎间盘退变的发生机制。 【