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3.0T MRI高信号DTI定量变化对脊髓型颈椎病转归的预测及其相应的病理机制

作　者: 温世锋
导　师: 尹庆水
学　校: 南方医科大学
专　业: 骨外科学
关键词: 动物模型脊髓慢性压迫性损伤弥散张量成像表观扩散系数各向异性指数脊髓型颈椎病磁共振成像神经功能恢复率
分类号: R687.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

研究背景脊髓型颈椎病(Cervical Spondylotic Myelopathy, CSM)患者中磁共振(MRI) T2WI显示的脊髓高信号反映了脊髓慢性受压后的某种病理状态,但至今无法明确其所反映的病理变化,所以具体临床意义仍存在争议。本研究第一部分临床研究结果表明,脊髓MRI T2WI高信号DTI量化值与手术治疗前后的神经功能恢复率之间有明确的相关性,可以判断脊髓型颈椎病手术治疗的临床预后,其主要理论基础就是因为DTI量化信息可能综合反映了脊髓型颈椎病患者受压颈髓的细微病理生理结构的变化信息,但只是临床推理,并无进一步的病理证据。因此建立一种模拟脊髓型颈椎病的动物模型,研究3.0T MRI受压高信号脊髓的DTI量化值及其相对应的病理变化,为DTI量化值的临床应用提供病理理论基础。研究目的通过建立适合MRI DTI技术研究的颈髓慢性压迫性损伤山羊模型,研究脊髓型颈椎病的颈脊髓高信号DTI量化值及其相对应的病理变化,以明确不同病理变化的DTI量化值的变化规律,为DTI量化值的临床应用提供病理理论基础。研究方法1.健康山羊4只,体重20kg-25kg。手术显露显露右侧C4/5椎板间隙,以椎板咬骨钳咬除颈4右侧部分椎板开窗,将球囊通过椎板开窗处向上缓慢插入至硬膜外腔,达C4椎体右后水平右侧前方。术后第2W起,每20天经导管缓慢注射泛影匐胺造影剂0.05ml,总量不超过0.3ml,使球囊缓慢膨胀,以制作颈脊髓慢性压迫性损伤山羊模型。2.对手术后的两只山羊的神经脊髓运动功能评分,采用改良Tarlov运动评分方法。3.病理检查：2只山羊于成功制作山羊动物模型术后12W、24W,分别行MRI DTI检查后,给以氯化钾静脉注射处死后,切取长3cm脊髓组织,进行病理切片检查。4.对4只山羊在术前进行常规MRI和DTI检查,2只山羊模型于术后12W、24W,分别行MRI DTI检查。采用的扫描设备为SIEMENS MAGNETOM Verio3.0T磁共振仪,颈椎扫描采用颈部八通道线圈,图像后处理及数据测量使用配套的西门子Sygno工作站以及NEURO3D软件进行分析测量。山羊麻醉后采取侧卧位,采用颈部八通道线圈。MRI平扫采用自旋回波序列和快速回波序列,获得矢状位T1加权像(T1WI)、T2加权像(T2WI)及轴位T2WI,其扫描参数为：矢状位T1WI (TR/TE,600/15ms)、T2WI (TR/TE,5200/140ms)轴位T2WI(TR/TE/IR,9000/120/2100ms),层厚3mm,间距1.0mm。T1冠状位薄层扫描,层厚1.0mm,层间距0,共160层,用于与DTI融合。FOV210x210mm,矩阵512x512。结果1.4只山羊接受了颈脊髓压迫手术实验,2只山羊造模不成功考虑急性脊髓损伤所致。术后第12周,山羊1已注入注入0.2ml泛影匐胺造影剂,站立行走可,运动功能评分5。MRI示球囊呈椭圆形,脊髓右侧份受压变扁。受压层面颈髓内见斑点状T2高信号影,T1信号正常。术后第24周,山羊2已注入注入0.3ml泛影匐胺造影剂,站立行走可,但缓慢,山羊活动量下降,右侧肢体肌力下降明显,运动功能评分3.5分。受压层面颈髓内见斑片状T2高信号影,范围较术后三个月时明显增大,T1信号正常。术后第12周,DTI图像有轻微变形,没有明显伪影。纤维束成像显示颈髓仅有轻度压迹,纤维束无明显断裂及破坏征象。术后第24周后,DTI图像显示,受压部位轻度变形,但比第三个月有所加重。FA图示颈髓颜色亮度较术前有所下降。纤维束成像显示颈髓整体颜色变绿,球囊处见明显凹陷压迹,纤维束局部变薄、扭曲,无明显断裂征象。DTI量化值：山羊术前颈髓的平均FA值为0.763,平均ADC值为1.040×10-3mm2/s,MD值与ADC值相近。λ(?)值约2.155×10-3mm2/s,λ⊥值约0.482×10-3mm2/s。造模术后第12周行DTI扫描,两只山羊受压颈髓发现DTI量化值变化趋势相同：FA值较术前有所减低,ADC、λ‖、λ⊥值及MD值则有所增高。术后第24周,山羊2的FA值进一步明显降低,而ADC、λ‖、λ⊥值及MD值则较术前明显升高。病理示：术后第12周,大部分神经元形态大致正常,少许脊髓灰质神经元固缩,嗜酸性变。脊髓白质表现为髓鞘水肿,神经纤维水肿、Wallerian变性,可见少量囊性变区域。术后第24周,灰、白质分界不清,增生的纤维束穿插其间,神经元细胞排列杂乱,有少数神经元细胞仍可见固缩及嗜酸性变；白质水肿不明显,部分神经纤维结构基本恢复正常,但仍有部分区域可见明显的囊性变,小囊中可见无结构、红染的物质。结论1.本实验成功制作适用于MRIDTI究的颈脊髓慢性压迫性损伤山羊模型；2.慢性压迫性损伤脊髓的DTI量化值变化趋势为,随着脊髓压迫加重,ADC、λ‖、λ⊥值及MD升高,FA值降低。3.与急性脊髓损伤不同,本研究病理发现,受压脊髓同时包含有可逆性和不可逆性病理变化。而不能绝对区分为：可逆性或不可逆性病理变化。研究背景：脊髓型颈椎病(Cervical Spondylosis myelopathy,CSM)已成为临床常见病和多发病,且作为颈椎退行性变的最严重结果,也是55岁以上老年患者致残的最常见的原因之一。早期、准确诊断颈髓损伤及其程度,对于脊髓型颈椎病治疗及预后具有重要意义。CSM患者中MRI T2WI显示的脊髓高信号的表现反映了脊髓慢性受压后的病理状态,其与患者预后是否有明确的相关,仍存在争议。磁共振弥散成像技术是目前在活体上测量水分子弥散运动与成像的唯一方法,其中DWI是目前活体观察水分子扩散最理想的方法,在此基础上发展的DTI技术利用多个不同方向的扩散敏感梯度对水分子的扩散方向性进行量化,可准确量化脊髓的表观扩散系数ADC值、各项异性FA值,同时重建分析弥散张量纤维束成像,从而为临床诊断提供深入活体脊髓的细微病理生理结构的变化信息。由于颈髓体积小、骨性椎管等特殊解剖结构特点,DTI技术在颈髓中的应用一度受到限制。近年来,随着磁共振技术的迅速发展,DTI已开始运用于脊髓疾病的研究,但大多作者都是采用1.5TMRI进行颈脊髓的DTI研究。另有个别作者采用3.0T磁共振仪对脊髓型颈椎病患者颈髓进行DTI量化研究发现,ADC值和FA值是评价颈髓神经细胞水分子扩散各向异性和扩散强度的敏感指标,弥补了常规MRI对颈髓病变无法进行定量分析的缺憾。λ1、λ2及λ3值的大小可较好地评价颈髓组织水分子在不同方向上的扩散强度。DTT成像能够形象地显示颈髓及神经根白质纤维束的解剖结构,有助于无创性地显示疾病所致颈髓神经纤维束的压迫及破坏。但目前尚缺乏将这些DTI量化指标与脊髓型颈椎病手术减压治疗前后神经脊髓功能恢复评价指标(JOA Recovery Rate)及其他相关的影响因素进行相关性的研究,也无进一步的针对脊髓型颈椎病患者中MRI T2WI颈脊髓高信号的DTI量化值对临床转归的预测价值研究,同时缺乏其相应的颈脊髓MRIT2高信号相对应的病理基础依据。所以,如果能通过3.0T MRI DTI量化检查明确受压高信号颈脊髓的病理类型即可有助于预测其治疗转归,探讨3.0T MRI对脊髓型颈椎病受压颈脊髓高信号的DTI量化值与手术前后脊髓功能恢复评价指标(JOA Recovery Rate)等的相关性,及明确其相对应的病理变化具有较大的临床意义。故此,本研究采用双梯度超导3.0T磁共振仪对脊髓型颈椎病患者进行术前、术后常规MRI,然后对颈髓MRI T2WI高信号DTI检查获取其ADC值、FA值、平行于颈髓长轴、前后径和左右径本征值λ1、λ2及λ3值,并行颈髓及神经根纤维束追踪成像,同时研究其与临床神经功能恢复评价指标间的相关性,为临床应用提供理论基础。目的：1.对脊髓型颈椎病MRI T2WI脊髓高信号、无MRI T2WI高信号脊髓型颈椎病慢性受压脊髓的术前DTI值和正常人颈脊髓DTI值三者之间进行比较,以探讨脊髓型颈椎病MRI T2WI脊髓高信号DTI量化值的变化特征。2.对脊髓型颈椎病MRI T2WI脊髓高信号和无脊髓MRI T2WI高信号脊髓型颈椎病慢性受压脊髓手术减压治疗前、后的DTI值进行比较,进一步明确脊髓型颈椎病MRI T2WI脊髓高信号DTI量化值的变化特征,以探讨脊髓型颈椎病MRI T2WI脊髓高信号DTI值相对应的病理变化。3.探讨脊髓型颈椎病慢性受压脊髓手术减压治疗前、后的DTI值及其与临床神经功能恢复评价指标间的相关性,以探讨脊髓型颈椎病MRI T2WI脊髓高信号DTI值对手术治疗临床转归的预测价值。方法：1.研究对象：选择2010年1月至2011年12月在广州市第一人民医院脊柱外科住院接受手术治疗的脊髓型颈椎病患者(参考文献资料,α=0.05,1-β=0.8, μA=0.85, μB=1.15, σ=0.58,△=μA-μB/σ,样本量n=16/Δ2=59)作为研究对象。另外,选取20例健康成年人作为研究对照组。所有患者及正常对照组志愿者均事先签署本研究知情协议书。患者组纳入及排除标准：(1)具有脊髓损害的临床表现及相应的体征；(2)X线、MRI证实颈脊髓受压；(3)排除颈椎外伤、肿瘤、运动神经元疾病、末梢神经炎等疾病。2.分组情况,本研究结合考虑患者术前与术后MRI颈脊髓高信号的改变情况,依据目前对于术前颈脊髓高信号的研究共识：T2WI脊髓出现高信号,同时出现T1WI加权脊髓出现低信号则术后恢复率越低,对同意参加研究的脊髓型颈椎病患者进行分组,以期比单纯术前MRI颈脊髓高信号情况分组更为科学、合理。具体分组情况为,GO组,为正常对照组；G1组,术前MRI T2WI颈脊髓无高信号；G2组,术前T2WI颈脊髓高信号,术后T2WI颈脊髓高信号强度降低或消失；G3组,术前T2WI颈脊髓高信号,术后T2WI颈脊髓高信号强度不变或增高,或同时伴T1WI颈脊髓低信号。3.详细记录研究对象的临床资料,包括姓名,年龄,性别,并存疾病、病程、手术减压方式、术中出血量、手术时间、围手术期并发症等。4.神经脊髓功能评估,术前及术后随访时,根据日本骨科学会(Japanese orthopaedic association, JOA)17分法脊髓损害功能评定标准,对所患者进行评分。并按照Hirabayashi方法,计算术后随访时神经脊髓功能改善率,改善率=(随访JOA评分—术前JOA评分)/(17—术前JOA评分)×100%。改善率>75%为优；改善率50%-75%为良；50%>改善率≥25%为好转；<25%为无效。4.常规颈椎X线检查：术前常规摄颈椎X线正、侧位、双斜位及过伸过屈位片,术后1周、3、6、12、24个月定期常规复查颈椎X线。根据Ishihara方法测量Ishihara指数(Ishihara Index)评价术前及术后随访时患者颈椎前后位屈度。6.对所有患者在术前、术后随访时各进行一次3.0T MRI检查：采用的扫描设备为SIEMENS MAGNETOM Verio3.0T磁共振仪,颈椎扫描采用颈部八通道线圈,图像后处理及数据测量使用配套的西门子Sygno工作站以及NEUR03D软件进行分析测量。6.1颈髓常规MRI扫描序列：所有患者均先采用快速梯度回波序列进行三维定位扫描,采用快速自旋回波完成矢状面T1WI、T2WI及横断面T2WI扫描。根据T2WI显示颈髓受压程度及受压颈髓T2信号筛选出受压部位相应颈脊髓高信号表现的患者进一步行DTI检查。6.2T2WI高信号的颈髓DTI扫描：横轴位DTI扫描颈脊髓的高信号,采用单次激励自旋回波平面成像(echo planar imaging, EPI)序列。6.3图像后处理及数据测量与评价：获取高信号DTI量化指标(具体包括ADC值、FA值、平行于颈髓长轴、前后径和左右径本征值λ1、λ2及λ3值),以及重建分析弥散张量纤维束成像。7.统计学分析,所有患者的术前术后临床数据,包括症状持续时间、手术出血量、手术时间、术前术后颈椎生理曲度指数、术前、术后JOA评分及JOA恢复率及DTI量化值,如FA值、ADC值,λ(?)、λ(?)值及MD值等计量资料均以均数±标准差(x±s)来表示,并采用SPSS17.0(Chicago,IL)软件进行统计学分析。计数资料采用卡方检验进行统计学分析；计量数据分析符合正态分布时,均数比较采用单因素方差分析(One-Way ANOVA),采用LSD-t检验两两比较。患者组术前、术后相关计量数据比较,采用配对样本t检验(paired-samples t test)。DTI值(FA值、ADC值,λ(?)、λ(?)值及MD值)与神经脊髓功能评价指标(JOA recovery rate、Post-operative JOA、Pre-operative JOA)间的相关性检验采用多元线性回归分析(Multiple linear Regression)检验。检验水准α值取双侧0.05,以P<0.05为差异有统计学意义。结果：1.2010年1月至2011年12月,61例符合条件的脊髓型颈椎病患者同意参加本研究,男39例,女22例,年龄41-92岁,平均年龄62.41+12.25岁。所有患者均获得随访,随访时间14～26月,平均17.8月。同期正常对照组中符合条件的志愿者有20人,男10例,女10例,年龄39～78岁,平均年龄59.40±9.84岁。分别比较G1、G2、G3组的性别构成与G0组的性别构成,差异无统计学意义(χ2=2.042,P=0.564)。所有脊髓型颈椎病患者的平均年龄与对照组志愿者的平均年龄差异无统计学意义(F=3.379,P=0.07)。2.G1、G2和G3三组合并症、术后并发症及手术减压入路的组间比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。G1、G2和G3组的症状持续时间分别平均为(3.70±4.52)个月、(22.95±21.98)个月,和(9.95±14.71)个月,三组间比较差异有统计学意义(F=6,807,P=0.004)；G1较其G2、G3组的症状持续时间明显短,差异有统计学意义(t=-3.231,P=0.006；t=-2.05,P=0.049)。3.G1、G2、G3三组患者的术前JOA评分组间比较,差异无统计学意义(F=0.725,P=0.489)。G1、G2、G3三组的术后JOA评分平均分别为15.10±1.34、11.00±1.80、14.23±1.88,其中G1、G3组的术后JOA评分均明显高于G2组的评分,差异有统计学意义(t=7.730,P=0.000；t=-5.257,P=0.000)；而G1组和G3组的术后JOA评分组间比较,差异无统计学意义(t=1.772,P=0.083)。G1、 G2、G3三组手术患者的JOA评分均获得改善,三组间JOA恢复率比较,差异有统计学意义(F=16.728,P=0.000),G1、G3组的JOA恢复率分别为70.24%和59.71%,均明显高于G2组的9.48%,差异有统计学意义(t=5.840,P=0.000；t=-5.152,P=0.000)。G1组和G3组的JOA恢复率比较,差异无统计学意义(t=1.162,P=0.114)。4.各项异性分数(FA值)G1、G2、G3三组术前的平均FA值分别为0.665±0.455、0.422±0.748、0.586±0.591,G1、G2、G3组术后的平均FA值分别为0.597±0.478、0.407±0.735、0.548±0.106。G1组的术前FA值较对照组明显增高(t=-4.579,P=0.000),而G2、G3组的术前FA值则明显低于对照组,差异均有统计学意义(t=9.157,P=0.000；t=2.082,P=0.045)。G1、G2、G3三组分别进行术前、术后各组组间的FA值比较,差异均有统计学意义(F=71.930,P=0.000；F=22.620,P=0.000)。进一步两两比较,G1组的平均术前FA值明显高于G2及G3组(t=11.957,P=0.000；t=5.050,P=0.000),G3组的平均术前FA值也明显高于G2组,差异均有统计学意义(t=-7.601,P=0.000)。术后G1、G3组的平均FA值明显高于G2组,差异有统计学意义(t=9.256,P=0.000；t=-4.370,P=0.000)。而术后G1的平均FA值略高于G3组,差异无统计学意义(t=1.980,P=0.054)。5.表观扩散系数和平均扩散系数(ADC及MD值)G1、G2、G3组术前的平均ADC值分别为1.165±0.146、1.641±0.147、1.362±0.166,术后分别为1.355±0.154、1.857±0.247、1.415±0.386。G1、G2、G3组术前的平均MD值分别为1.166±0.146、1.641±0.147、1.362±0.166,术后分别为1.355±0.154、1.874±0.234、1.415±0.386。ADC值和MD值相似。G1组的术前平均ADC、MD值较对照组略低,差异有统计学意义(P<0.05),G2、G3组的术前平均ADC、MD值较对照组明显增高,差异有统计学意义(P<0.05)。G1、G2、G3三组间术前和术后的平均ADC、MD值比较,差异均有统计学意义。G2组的术前平均ADC值、MD值明显高于G1、G3组,差异有统计学意义(P<0.05)；而G3组又明显高于G1组,差异有统计学意义(P<0.05)。G2组的术后平均ADC值、MD值同样明显高于G1、G3组(P<0.05),而G3组和G1两组间比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。因此ADC值、MD值的变化趋势是一致的。6.平均平行本征值(λ(?)值)、平均垂直本征值(λ(?)值)。G1、G2、G3组术前平均λ(?)值分别为2.215±0.320、2.392±0.194、2.387±0.271,术后平均λ(?)值分别为2.391±0.226、2.776±0.290、2.353±0.421。G1组的平均λ(?)值较对照组略低,但差异有统计学意义(t=4.146,P=0.000),G2、G3组的平均λ(?)值则较对照组的明显增高,差异有统计学意义(t=-9.924,P=0.000；t=-2.638,P=0.011)。G1、G2、G3三组组间比较,术前平均λ(?)值的比较,差异无统计学意义(F=2.735,P=0.073)。而术后平均λ(?)值的三组间比较,差异有统计学意义(F=7.958,P=0.001)。G2组的术后平均λ(?)值明显高于G1、G3组,差异有统计学意义(t=-4.405,P=0.000;t=3.348,P=0.000)；而G3和G1组间比较,差异无统计学意义(t=0.386,P=0.714)。G1、G2、G3组术前平均λ(?)值分别为0.641±0.092、1.265±0.180、0.850±0.142,术后的平均λ(?)值分别为0.837±0.136、1.424±0.256、0.946+0.388。G1组的平均λ(?)值与对照组的比较,差异无统计学意义(t=-0.370,P=0.713),G2、G3组的平均λλ(?)值则明显高于对照组,差异有统计学意义(t=-2.532,P=0.016；t=-2.860,P=0.007)。术前平均λ(?)值及术后平均λ(?)值的三组间比较,差异均有统计学意义(F=7.958,P=0.001；F=87.575,P=0.000；F=30.40,P=0.000)。G2组的术前平均λ(?)值明显高于G1、G3组(-11.988,P=0.000；t=8.040,P=0.000),而G3组又明显高于G1组,差异均有统计学意义(t=-5.826,P=0.000)。G2组的术后平均λ(?)值明显高于G1、G3组(t=-8.853,P=0.000；t=4.137,P=0.000),G3和G1组间比较,差异无统计学意义(t=-1.232,P=0.224)。7.DTI值与JOA恢复率、术前JOA及术后JOA的相关性分析。脊髓型颈椎病受压脊髓及MRI T2WI高信号脊髓的术前DTI量化值(FA值、ADC值、MD值、λ(?)值以及λ(?)值)与患者手术前后的脊髓神经功能恢复评价指标(JOA恢复率、术后JOA)间具有明确的相关性,而与术前脊髓神经功能评价指标(术前JOA)间无相关性。其中术前FA值与脊髓神经功能恢复率及术后JOA评分成正相关[0.54(99.05,246.61)；0.54(6.944,15.900)],术前ADC值与脊髓神经功能恢复率及术后JOA评分成负相关[-0.55(-0.11,-0.05)；-0.52(-0.007,-0.003)],术前MD值与脊髓神经功能恢复率及术后JOA评分成负相关[-0.55(-0.11,-0.05)；-0.52(-0.007,-0.003)],术胶λ(?)值与脊髓神经功能恢复率及术后JOA评分成负相关[-0.30(-0.07,-0.01)；-0.28(-0.004,0.000)],以及术前λ(?)与与脊髓神经功能恢复率及术后JOA评分成负相关[-0.60(-0.11,-0.05)；-0.598(-0.007,-0.003)]。结论：1.与正常对照组比较,G1组无脊髓高信号的脊髓型颈椎病患者术前FA值明显升高,而ADC值、MD值、λ(?)值以及λ(?)值均明显降低。G2组FA值明显降低,而ADC值、MD值、λ(?)值以及λ(?)值均明显升高；而同样出现脊髓型颈椎病MRI T2WI高信号脊髓的G3组,FA值稍降低,而ADC值、MD值、λ(?)值以及λ(?)值也均有所升高。2.脊髓高信号可以代表两种完全相反的两种病理状态,单纯根据脊髓高信号本身无法区分,但DTI量化值可以从病理分子水平评价受压MRI T2WI高信号脊髓的所处的病理状态,从而预测其手术治疗后的功能转归,可为临床手术方案的合理制定起到一定的指导作用。3.术前DTI值和术后DTI值均与术后JOA间均具有明显相关性,说明术前DTI值可以反映慢性受压脊髓的病理状态。更为重要的是,术前DTI量化值与脊髓型颈椎病手术治疗前后的神经功能恢复率具有明确的相关性,提示术前DTI量化值可以作为术前预测脊髓型颈椎病术后临床转归的量化指标。4.DTT成像能够直观显示脊髓内部纤维束的走行方向和结构完整性,可以作为DTI量化指标的有效补充,为脊髓型颈椎病的临床诊疗提供更全面、可靠的信息。

全文目录

摘要  3-14
ABSTRACT  14-30
前言  30-36
  参考文献  33-36
第一部分脊髓型颈椎病颈髓病理变化机制及其MRI DTI量化观察的动物实验研究  36-60
  材料与方法  36-42
  结果  42-56
  讨论  56-58
  结论  58
  本研究不足之处  58-59
  参考文献  59-60
第二部分 3.0 T MRI高信号DTI定量变化对脊髓型颈椎病转归的预测价值的临床研究  60-131
  材料与方法  60-66
  结果  66-111
  讨论  111-124
  结论  124-125
  本研究不足之处  125
  参考文献  125-131
全文小结  131-132
本课题的创新点  132-133
综述  133-147
  参考文献  141-147
缩写词简表  147-148
博士研究生期间发表论文情况  148-149
致谢  149-151
统计学审稿证明  151

3.0T MRI高信号DTI定量变化对脊髓型颈椎病转归的预测及其相应的病理机制

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