DCE-MRI和IVIM-DWI对下腰痛患者退变椎间盘新生血管的研究

李瑞梅，王丹，魏小二，姚婷婷，郁伟斌，刁云雁，李跃华

下腰痛(low back pain，LBP)是以腰骶部疼痛为主的一组疾病[1]，是当今社会主要的医疗问题[2]。腰椎间盘退变是引起腰痛最主要的影响因素[3]。然而，迄今为止椎间盘退变的发病机制和确切病因尚未完全阐明。研究表明，炎性介质与椎间盘退变密切相关[4-5]。但这些炎性介质如何进入无血管结构的椎间盘，是否与血管浸润有关，椎间盘退变等与血管形成多少是否相关等问题仍未完全清楚。

微血管密度(microvessel density，MVD)是反映组织血管生成的金标准和常用指标[6]。目前，对退变椎间盘内炎症因子和新生血管的评估主要是通过在动物体内或外科手术时所切除的病理性椎间盘组织进行免疫组化测定，但这些方法均具有一定创伤性。近几年，采用磁共振新技术评估组织血管形成已成为目前研究热点，体素内不相干运动扩散加权成像(introvoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI)与动态增强磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)主要应用于评估肿瘤血管的生成[7-8]，在椎间盘中的应用报道较少。本研究旨在通过应用DCE-MRI和IVIM-DWI磁共振成像新技术，将动态增强药代动力学参数(Ktrans，Kep，Ve)和IVIM-DWI参数(D，D*，f)并与免疫组织化学结果[微血管密度(microvessel density，MVD)]及椎间盘退变Pm分级进行相关分析，探讨DCE-MRI和IVIM-DWI对下腰痛患者退变椎间盘新生血管的评估价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本实验研究对象取自上海市第六人民医院2016年4月至2017年12月行腰椎后路减压手术患者，并分为两组：(1)退变组：51例57个椎间盘，取自于腰椎间盘突出症患者手术切除的椎间盘标本，男25例28个椎间盘，女26例29个椎间盘，年龄20～69岁，平均(48±14)岁，病程为1周至20年，平均(26.0±38.2)个月。临床上有反复发作的腰腿痛病史。MRI检查显示为腰椎间盘退变、突出。排除结核、椎体及椎管内肿瘤或肿瘤样病变等患者。(2)正常对照组：8例15个椎间盘，来源于急性腰椎外伤骨折术后切除的椎间盘，男5例9个椎间盘，女3例6个椎间盘，年龄18～65岁，平均(45±25)岁。对照组患者受伤前均无腰腿痛病史或其他相关疾病史；MRI检查未发现椎间盘突出、变性等改变，为正常椎间盘；排除结核、椎体及椎管内肿瘤或肿瘤样病变等患者。本研究获得当地伦理委员会批准，所有入组患者术前均自愿接受多期DCE-MRI检查和IVIM-DWI检查，并均已签署知情同意书。

1.2 MRI检查方法

(1)磁共振常规平扫序列：①矢状位T1WI序列，TR 2000 ms，TE 90ms，层厚4 mm，层间距0.4 mm，FOV 180 mm×300 mm，矩阵300×392；②矢状位T2WI序列，TR 3072 ms，TE 80 ms，层厚5 mm，层间距0.4 mm，FOV 160 mm×303 mm，矩阵228×347；③轴位T2WI序列，TR 2583 ms，TE 120 ms，层厚4 mm，层间距0.3 mm，FOV 160 mm×179 mm，矩阵268×215。(2) DWI-IVIM扫描序列：IVIM (多b值)矢状位扫描序列，b取(0、10、20、50、100、200、500、800) s/mm2，TR 4584 ms，TE 63 ms，激励次数2，层厚5 mm，层间距1 mm，FOV 300 mm×198 mm，矩阵152×98。(3)磁共振动态增强扫描序列：平扫结束后，采用动态增强扫描技术，扫描序列分为两个部分，其一为T1 mapping序列，其二为多期DCE-MRI序列，经肘前静脉使用双筒高压注射器快速注入钆喷酸葡胺注射液(Gd-DTPA)，注射剂量15 ml，后注入20 ml生理盐水，注射速率3.0 ml/s。具体参数如下：TR 4 ms，TE 2 ms，FOV 250 mm×250 mm，矩阵180×138，层厚5 mm，激励次数1，无间隔连续动态扫描40期。

表1 腰椎间盘退变P firrmann分级Tab. 1 Classi fication of IDD as reported by P firrmann

表2 实验组和正常对照组D、f、D*、Ktrans、Kep、Ve值比较Tab. 2 Comparison of D, f, D*,Ktrans, Kep, Ve in the experimental group and the control group

表2 实验组和正常对照组D、f、D*、Ktrans、Kep、Ve值比较Tab. 2 Comparison of D, f, D*,Ktrans, Kep, Ve in the experimental group and the control group

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表3 不同P firrman等级腰椎间盘DCE-MRI参数、IVIM-DWI参数值的比较Tab. 3 Comparison of DCE-MRI parameters and IVIM-DWI parameters of lumbar discs with different P firrman grades

表3 不同P firrman等级腰椎间盘DCE-MRI参数、IVIM-DWI参数值的比较Tab. 3 Comparison of DCE-MRI parameters and IVIM-DWI parameters of lumbar discs with different P firrman grades

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表4 实验组 DCE-MRI参数和IVIM-DWI参数与MVD的相关性Tab 4 Correlation between DCE-MRI parameters or IVIMDWI parameters and intervertebral disc microvascular density

1.3 诊断与评价标准

椎间盘退变分级主要是Pfirrmann (Pm)分级(表1)。Pm分级主要依据在T2WI正中矢状层面上的椎间盘信号改变，高度变化和形态变化将椎间盘分级为五个等级[9]。

1.4 MRI图像后处理

(1) IVIM-DWI序列：将IVIM-DWI序列扫描所得数据传输至外置后处理工作站。将软件进行设置，之后调整好参数，得到拟合图像：D值图、f值图及D*值图；勾画兴趣区(region of interest，ROI)，计算参数值，即D值、D*值及f值。在测量IVIM-DWI各参数值时，可先在图像信噪比最好的D值图上勾画出ROI，之后分别拷贝至f值图和D*值图。(2)DCE-MRI序列：将所采集图像数据上传至后处理软件进行分析；采用定量分析软件进行数据后处理：①首先导入T1 mapping序列，得到时间对比剂浓度曲线；②导入动态增强扫描数据，选择该区域内正常供血血管区勾画出感兴趣区，将获得的时间浓度曲线作为动脉输入函数(arterial input function，AIF)曲线；③通过选择Tofts 模型进行定量分析，获得血管渗透性参数，即Ktrans、Kep及Ve值，然后生成与各参数相对应的伪彩图。

1.5 组织病理学检查

标本为椎间盘髓核组织，用光学显微镜观察免疫组化切片中CD34表达情况。采用改进的Weidner方法，在200倍镜下观察被染成浅棕黄色、棕黄色或褐色的细胞[10]。记录每张切片镜下棕色着色的血管数目，以使用5个高倍镜野的微血管数目的平均数记录为该标本血管的MVD。

1.6 统计学分析

采用SPSS 20.0统计软件对数据进行分析。所有计量资料数据采用表示。对所获得的IVIMDWI参数D值、f值、D*值和DCE-MRI参数Ktrans值、Ve值、Kep值分别与MVD进行Pearson相关性分析；采用方差分析比较不同椎间盘退变分级间椎间盘DCE和IVIM参数值的差异。所有结果分析均采用双侧检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 实验组和对照组DCE-MRI参数和IVIM-DWI各参数值的比较(表2)

与正常对照组相比，实验组的Ktrans值较高，且差异具有统计学意义；但是，结果发现实验组的D值明显低于正常对照组，P＜0.05。而其他参数在两组间无明显统计学差异。

2.2 不同Pfrirrmann等级间DCE参数、IVIM参数值的比较(表3)

在不同退变分级中，Ktrans值和D值的总体分布不同(P＜0.05)，但f、D*、Kep、Ve值在不同退变分级中均无显著性差异。当退变等级为Ⅰ级至Ⅴ级时，Ktrans值随着退变等级增加而增加；但D值随着退变等级增加却减低。除Ⅳ和Ⅴ级外，各组间Ktrans值和D值的差异均具有统计学意义。

图1 散点图示退变椎间盘Ktrans值与微血管密度MVD呈正相关，r=0.794 图2 散点图示退变椎间盘f值与微血管密度MVD呈正相关，r=0.589Fig. 1 The correlation between Ktrans value and Microvascular density density of degenerative intervertebral disc,r=0.794. Fig. 2 The correlation between f value and Microvascular density density of degenerative intervertebral disc, r=0.589.

2.3 DCE-MRI参数、IVIMDWI各参数和MVD的相关性(表4)

图3 男，39岁，L5～S1椎间盘脱出。A：T2WI压脂序列，矢状位；B：矢状位多b值DWI图；C：矢状位DCE-MRI增强图；D：D值伪彩图；E：f伪彩图；F：D*伪彩图；G：Ktrans伪彩图；H：Kep伪彩图；I：Ve伪彩图；J：病理图像(HE ×20)；K：CD34染色图像( ×20)Fig. 3 Male, 39 years old, L5—S1 disc herniation. A: T2WI pressure fat sequence sagittal. B: Sagittal b value DWI. C: DCE-MRI sagittal image enhancement. D: D pseudo color image. E: f pseudo color image. F: D* pseudo color image. G: Ktrans pseudo color image. H: Kep pseudo color image. I: Ve pseudo color image. J: Pathological image (HE ×20). K: CD34 staining image ( ×20).

经典病例如图1所示。两种成像方法中的f值、D*值、Ktrans值、Kep值分别与微血管密度MVD呈正相关(r分别为0.589、0.477、0.794、0.496；P值均小于0.05)。其中，Ktrans值、f值具有较好的相关性。相关性散点图可以直观反映参数Ktrans和f与MVD的关系(图2，图3)。

3 讨论

3.1 DCE-MRI和IVIM-DWI各参数与MVD的相关分析

Ktrans值反映了组织中血管渗透性的高低，其值越大，则提示血管渗透性越高，血管内皮细胞的完整性越差[11]。f值是微血管灌注分数，它表示与微循环相关的扩散分数，理论上f值是由毛细血管和组织的信号强度比值决定的。本研究以MVD为金标准，采用了DCE-MRI和IVIM-DWI两种磁共振新技术评估了下腰痛患者退变椎间盘新生血管。研究结果表明，Ktrans和f值与MVD存在较好的相关性，即f值、Ktrans与椎间盘退变新生血管的密度相匹配，提示f值、Ktrans值越高，新生血管越多。因此，笔者认为可以应用Ktrans和f值评估椎间盘退变微血管的浸润情况。IVIM的应用在脊柱方面应用比较少，IVIM各种参数值在脊柱方面的稳定性，确实有待探讨，但本研究确实证实D*和f值在椎间盘微循环评估方面有一定的价值，随着机器和序列的改进，IVIM 相关参数在椎间盘病变方面应用的稳定性有待得到进一步提高。

3.2 腰椎间盘DCE-MRI和IVIM-DWI各参数与Pm分级的相关性

本研究采用单因素方差分析比较了不同退变级别间各参数值，结果表明D值随着退变等级的增加而减低，这提示D值与椎间盘退变关系密切，能够成为评价椎间盘退变的量化指标。目前，相关文献主要集中于报道ADC值和椎间盘退变的严重程度之间的关系，多数学者认为ADC值与椎间盘退变等级具有相关性。Antoniou等[12]认为ADC值降低与基质内蛋白多糖减少有关，在退变的椎间盘中蛋白多糖含量下降，髓核的含水量减少，因此ADC值降低。单指数模型计算的ADC，由于包含血流灌注，并不能单纯地反映水分子的扩散能力，而IVIM-DWI采用双指数模型计算的D值则排除了血流灌注的影响，因此，与ADC值相比，它能够更客观地反映组织内水分子扩散运动受限的程度。由于IVIM尚未用于椎间盘退变方面的研究，D值与椎间盘退变分级是否具有相关性尚不确定。本研究发现椎间盘退变等级与D值具有显著相关性，因此笔者认为D值可以应用于对椎间盘退变严重程度的评估。

此外，本研究还发现Ktrans值随着退变等级增加而增加，在Pm Ⅰ～Ⅳ级的范围内，差异具有统计学意义，这与胡浩然等[13]的研究结果一致。这表明当椎间盘的退变在Pm Ⅰ～Ⅳ级时，随着退变的程度增加，退变椎间盘内的新生血管的形成情况发生了明显的差异。炎性因子通过微血管浸润到椎间盘基质和髓核细胞内，从而加速了椎间盘的退变。

3.3 不足之处

本研究尚存在一些不足之处：(1) DCE及IVIM定量分析仍处于早期研究阶段，在脊柱病变尤其是椎间盘退变中的相关研究较少；(2)本研究对象选择的是临床症状较重的腰痛患者，需要经过动物实验进一步研究；(3)本研究样本量较小，需要进一步扩大样本量。

综上所述，本研究通过椎间盘退变的病理组织学、DCE-MRI、IVIM-DWI等技术均证实了椎间盘退变突出后出现了血管化的现象。结果表明可以采用DCE-MRI和IVIM-DWI等无创性磁共振技术重复地观察椎间盘退变的血管形成情况，对患者椎间盘退变程度进行评估，有助于指导患者选择合适的治疗方案，并为开展新的治疗方式提供了影像学理论依据。