最大圓感興趣區勾畫方法是可靠的頸神經根彌散張量成像測量方法

伍鵬歡，嚴德星，黃成燕，吳 強，李文虎，袁艾東，史本超

韶關市第一人民醫院（南方醫科大學附屬韶關醫院）1關節運醫科，2影像中心，廣東 韶關 512000；南方醫科大學珠江醫院3影像中心，4脊柱外科，廣東 廣州510280

神經根型頸椎病是脊柱外科最常見的疾病之一［1］，但在診治過程中經常遇到術前影像學表現與癥狀體征不一致［2-3］、由于多節段頸椎間盤突出或椎管狹窄導致無法確定確切責任節段［4］以及與其他頸周圍神經損傷疾?。ㄈ绯呱窠浹?、肘管綜合征、腕管綜合征等）和肩關節相關疾病難以鑒別診斷［2-5］等問題。目前，常規CT和MRI檢查可以揭示頸間盤突出和頸椎椎管狹窄的位置，從而間接判斷神經根是否受到壓迫和損傷，但不能提供神經根損傷的直接證據［6-7］。DTI是一種基于多個b值的彌散加權成像序列，可以定量分析和評估水分子在活體組織中的擴散情況，主要參數包括各向異性分數（FA）和表觀擴散系數（ADC）［8］。DTI技術在理論上可以更好地去評價神經根的病理變化，并且進行量化。DTI技術對診斷神經根型頸椎病仍處于驗證階段，目前研究多用患者與正常人或患者的患側與健側神經根DTI值對比，驗證已知病變神經根DTI值與正常神經根是否有差異。造成目前階段的最大因素之一是正確選擇和描繪感興趣區域（ROI）［9-10］。既往研究發現，ROI大小對腫瘤組織ADC值有很大影響［11-12］，但目前還沒有頸神經根ROI 勾畫方法的研究。本研究旨在探討不同ROI繪制方法對頸神經根測量值一致性的影響，確定最佳頸神經根ROI勾畫方法，進一步進行臨床相關性分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取20名健康志愿者和20名單節段神經根型頸椎病患者，患者選自于2018年12月～2019年5月在南方醫科大學珠江醫院脊柱外科住院并行常規MR及DTI掃描的患者，健康志愿者為社會招募。神經根型頸椎病的診斷標準為典型的神經根性癥狀（手臂麻木或疼痛），疼痛麻木體表位置與頸脊神經根支配區域一致，臂叢神經牽拉試驗或椎間孔擠壓試驗陽性。納入標準：臨床診斷為神經根型頸椎??；單節段、單側頸神經根受壓迫的癥狀和體征；CT、MR影像學顯示單節段椎間盤向一側突出；均行手術治療，解除神經壓迫后，術后癥狀明顯緩解。排除標準：既往有脊柱外傷或手術史；有糖尿病或者神經系統疾病史；有慢性感染史；責任節段存在椎體旋轉或者滑脫；有幽閉恐懼癥史或其他任何心理問題，無法配合較長時間DTI掃描。

健康志愿者和神經根型頸椎病患者共入組56例，其中5例因無法忍受噪音終止掃描，3例頸神經根顯示不清，5例有頸椎手術史，3例有糖尿病史，篩選后最終納入40例，其中健康志愿者20名，神經根型頸椎病患者20名。健康組年齡為44.50±9.57歲，頸椎病組年齡為45.10±9.89 歲，兩組性別比均為1∶0.82（男/女=11/9）。頸椎病組壓迫神經根分布為5根C5，9根C6，4根C7，2根C8。兩組一般資料（表1）。本研究已經獲得韶關市第一人民醫院倫理評審委員會批準，所有接受DTI掃描的患者均簽署知情同意書。

表1 健康組和頸椎病組的一般資料Tab.1 Baseline characteristics of healthy and cervical spondylosis groups

1.2 MR和DTI掃描

患者檢查前至少1 h處于安靜狀態，均于夜間20:00～22:00進行掃描。采用3.0 T Ingenia MR掃描儀（飛利浦）和32通道體部相控陣線圈對患者行頸椎MRI平掃。常規掃描序列包括：（1）矢狀面快速自旋回波T1WI、T2WI：TR 2000，TE 103，激勵次數2，FOV 180×282，矩陣，層厚4 mm，層間距0.4 mm；軸面快速自旋回波T2WI：應用矢狀面圖像行掃描定位，掃描層面與椎間盤平行，TR 2583，TE 120，激勵次數2，FOV 155×155，矩陣，層厚3 mm，層間距1 mm；（3）FFE掃描：TR 4.8，TE 2.1，激勵次數2，FOV 220×220，矩陣，層厚0，層間距0；DTI掃描采用單次激發平面回波成像序列行軸面成像，TR 4500，TE 67，激勵次數2，FOV 224×224，矩陣，層厚2 mm，層間距1 mm。b值取0、800，DTI掃描時間為9 min 49 s。

1.3 圖像處理

將DTI圖像傳至EWS4.1工作站，由2名影像醫師獨立應用Philips后處理軟件測量。FA值、ADC值測量方法如下：b=800為圖像高信號區域，融合3D-FFE圖像輔助定位，在椎間孔的入口平面勾畫ROI（圖1），即神經根與上位椎弓根內側緣與下位椎弓根內側緣的連線的相交處，對側神經根ROI位于相同位置。采用4種ROI勾畫方法：（1）輪廓法（圖2A）：沿神經根輪廓手動描畫ROI，不能超出神經根邊緣，避免腦脊液干擾；（2）最大圓法（圖2B）：盡量畫最大圓形，感興趣區域的邊界與神經根邊緣相切，覆蓋最大神經根區域，并且不能超過邊緣；（3）四邊形法（圖2C）：先畫出神經根橫截面面積的最長軸，再垂直于長軸畫縱軸，然后將兩條相垂直軸的4個端點順時針連接成四邊形；（4）多中心平均值法（圖2D）：以上2條垂直軸將神經根分為4個象限，在每個象限畫最大的圓形，取這四個圓形ROI的平均值作為DTI的測量值。相應的頸4～8神經根重建。

圖1 ROI 定位圖Fig.1 The diagram of ROI positioning.

圖2 4種ROI 勾畫方法Fig.2 Four kinds of ROI mapping methods.

1.4 統計學分析

所有統計學分析均采用SPSS 25.0軟件，計量資料以均數±標準差表示，計數資料以百分數表示。2名放射科醫師之間的DTI測量值采用配對樣本t檢驗進行比較；4種方法的總體差異采用單因素重復測量方差分析，如果整體有差異，再采用最小顯著性差異法進行檢驗。采用組內相關系數（ICC）評價2名醫師測量結果的一致性；計算DTI值與年齡、BMI及頸神經根功能評分等相關性行Spearson相關性分析。以P＜0.05為差異有統計學意義；ICC 0.00～0.40為相關性低，0.41～0.60為相關性中等，0.61～0.80為相關性高，0.81～1.00相關性極高。

2 結果

2.1 FA和ADC測量結果

2 名技師分別應用4 種ROI 勾畫方法測量FA 和ADC的結果顯示：在每位技師方法間比較，FA或ADC值的差異無統計學意義（P＞0.05）；在兩名技師間同種方法比較，FA或ADC值的差異無統計學意義（P＞0.05，表2～5）。

表2 C5神經根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.2 DTI measurements of C5 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods(n=20,Mean±SD)

表3 C6神經根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.3 DTI measurements of C6 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods (n=20,Mean±SD)

表4 C7神經根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.4 DTI measurements of C7 nerve roots in healthy subjects using four ROI methods(n=20,Mean±SD)

表5 C8神經根采用4種ROI方法健康者DTI測量值Tab.5 DTI measurements of C8 nerve roots in healthy subjects using 4 ROI methods(n=20,Mean±SD)

2.2 2名放射科醫師的FA和ADC值測量一致性檢驗

應用ICC檢驗，分析每種ROI勾畫方法在2名放射技師間的一致性。結果顯示在健康組和神經根型頸椎病組，輪廓法和最大圓法ICC值均較高（均為＞0.90），但最大圓法的ICC值高于輪廓法（表6～8）。

表6 2名醫師采用4種不同ROI方法健康志愿者DTI測量值一致性（C5～C6）Tab.6 Consistency of DTI values of healthy volunteers using four different ROI methods by two physicians(C5-C6)

2.3 DTI值與影響因素的相關性

健康志愿者FA值與年齡呈負相關（P＜0.05），ADC值與年齡呈正相關（P＜0.05）；患者視覺模擬量表（VAS）評分與患側ADC值呈正相關（P＜0.05）；脊髓損傷神經學分類國際標準（ISNCSCI）評分與患側FA值呈正相關（P＜0.05）；患者VAS評分與患側FA/患側ADC比值呈負相關（P＜0.05）。

表7 2名醫師采用4種不同ROI方法健康志愿者DTI測量值一致性（C7～C8）Tab.7 Consistency of DTI values of healthy volunteers using four different ROI methods by two physicians(C7-C8)

表8 2名醫師采用4種不同ROI方法神經根型頸椎病者DTI測量值一致性（C7～C8）Tab.8 Consistence of DTI measurement values of two physicians using four different ROI methods for cervical spondylotic radiculopathy(C7-C8)

3 討論

目前，磁共振DTI技術主要通過FA和ADC值的大小，以顯示頸神經根損傷的程度，而DTI值的測量則是通過ROI勾畫來實現，ROI的形狀和大小直接影響了DTI值的大小，但眾學者對ROI勾畫方法還未形成統一意見，有學者認為不同ROI方法對DTI測量值可重復性存在差異［13-14］，有學者認為不同ROI勾畫方法，需要通過多次測量，才能保證測量結果可靠性［9］；但也有研究表明ROI方法對ICC值無明顯影響［15］。本研究旨在找到最佳ROI勾畫的方法，為進一步在臨床應用打下堅實基礎。

本研究發現，當測量神經根型頸椎病患者的FA和ADC值時，觀察者間的一致性取決于ROI勾畫方法。最大圓法和輪廓法測量FA和ADC的一致性性優于四邊形法和小圓法。有學者認為小ROI在乳腺病變DTI診斷中具有較高的ADC重現性［16］；有學者發現，ROI大小對測量前列腺癌的ADC值有相當大的影響，并建議應用最大的圓形ROI，因為該方法在觀察者之間產生最好的一致性和重復性［17］。也有研究認為，增加ROI大小可以降低FA和ADC值的偏差［18］。這些均與我們的結果是一致的。我們認為一個更大的圓圈一致性高。有研究認為，增大ROI面積可以提高信噪比，進而提高重復性［19］。當然，神經根的橫切面多為圓形，覆蓋橫截面神經區域的圓形ROI將包括大部分像素，具有較高的同質性。當在一個有限的區域中應用更大的ROI時，比小ROI有更多相同體素。而且，最大圓形ROI方法在實際操作中更容易操作，花費時間更少，可控性更好，大大減少了實際操作過程中勾畫超出神經根實際邊界所造成的測量誤差。然而，由于輪廓法繪制過程耗時長，并且要求操作者不斷地判斷和識別神經根的實際邊界，其結果受操作人員主觀因素的影響較大。

表9 DTI 值與影響因素相關性Tab.9 Correlation between DTI value and influencing factors

圖3 頸椎間盤突出癥患者的MR-DTI圖像Fig.3 MR-DTI images of patients with cervical disc herniation.

本研究發現，四邊形和多中心平均值ROI方法具有較高的中心變異性和較低的ICCs，需要更長的時間勾畫，并且包含像素不如輪廓法和最大圓法多。有學者研究了21例胰腺癌患者，發現應用小固體形狀ROI測量的ADC值能夠獲得最準確的診斷，并且比輪廓法或全體積ROI法獲得的值更準確［20］；相反有研究發現，中樞系統淋巴瘤測量，全體積ROI比單層ROI有更高的重復性［21］。但也有研究表明在子宮內膜癌中ROI 形狀對ICC無明顯影響［15］。有學者認為ROI形狀對腫瘤DTI值有較大影響［10］。有研究表明，輪廓法ROI 得到的ADC和FA值高于圓形ROI［22］。以上結論不同的原因可能是不同組織和病變性質，另外一個原因可能是ROI放置層面（橫斷面或矢狀面）不同［19］，本研究4種方法的DTI值差異均無統計學意義，這可能與樣本量較小或者神經根橫截面積太小有關。此外，FA和ADC值可能與年齡、性別和BMI相關。4種方法所勾畫的神經根橫截面積相似，即軸突數目差異無統計學意義，因此測量值沒有顯著性差異。此外，使用最大圓形ROI的一個重要優點是，與分隔整個神經根斷面相比，放置最大圓ROI時間要少得多。

在本研究中，我們發現神經根型頸椎病患者患側與健側、健康志愿者相比，FA值明顯較低，ADC值明顯較高，差異具有統計學意義；患者健側與健康志愿者神經根DTI值相比，差異無統計學意義，這個結果表明神經根DTI參數的改變有助于早期診斷神經根型頸椎病。本研究結果與既往研究［23］結果相當。研究顯示，神經根FA值的降低是由于神經根受壓導致纖維束密度降低，神經根出現沃勒變性、脫髓鞘損傷［24］。

本研究中，健康志愿者的FA值、ADC值與性別、BMI無顯著相關性，FA值與年齡呈負相關，ADC值與年齡呈正相關。DTI測量大腦白質顯示，參與者的性別、年齡與DTI值密切相關，因為年齡和性別對大腦白質微觀結構有極大影響［25］。既往研究結果認為FA與體質量、BMI和身高有較小關系，并建立多元線性回歸模型，認為年齡和BMI預測指標為最佳［26］。雖然不同類型的DTI值與年齡的相關程度不同，但是都具有相關性［27］。有研究測量了腰椎神經根，認為FA值與年齡呈負相關［28］；有研究報道了年齡對脛神經FA值影響的初步研究，結果表明健康成年人的脛神經FA值在45歲前保持不變，45歲出現下降［29］。本研究結論與既往研究［29］一致，健康志愿者頸神經根FA值在45歲前無明顯變化，但是45歲之后，逐漸下降。這說明，即使是健康人，雖然頸椎神經根沒有受到壓迫，隨著年齡的增加，FA值和ADC值也會相應變化。因此在臨床中應用DTI技術時，要考慮到年齡因素對結果的影響，不同年齡段的DTI值可能不同。本研究中，FA值在男性中稍低于女性，但差異沒有統計學意義。本研究樣本量較小，可能是造成差異沒有統計學意義的原因。

有研究發現神經根型頸椎病患者，不論是急性還是慢性發作，FA或ADC值與ISNCSCI評分沒有相關性［26］；有研究同樣發現頸椎間盤突出癥患者的FA 值與ISNCSCI評分無相關性，而平均擴散系數、縱向擴散系數、徑向擴散系數與ISNCSCI評分呈正相關［30］。JOA評分與受壓神經中遠段的FA值存在顯著相關性［31］。既往有學者研究了26例脊髓型頸椎病患者，根據JOA評分改善率，發現FA值是手術結果的良好預測指標［8］；有研究認為FA值和術前JOA評分、Nurick評分有很強的相關性，并且術前的FA值越高，體現患者神經功能ODI評分越好［32］。在受壓神經根中，FA值和ODI值與癥狀持續時間呈顯著負相關，然而，在受壓側ODI和ADC值與持續時間之間觀察到明顯的正相關［33］。FA值與下頸椎損傷臨床評分之間也有很強的相關性［34］。本研究發現，患者VAS評分與患側ADC值呈正相關，與患側FA值無相關性，疼痛越劇烈，VAS評分越高，ADC值越高，說明神經根水腫越厲害，髓鞘通透性越高，水分子擴散速率越快。ISNCSCI評分與患側FA值呈正相關，與患側ADC值無相關性，說明DTI值可以反映神經根損傷的程度，根據DTI值的大小，可以評估經過治療后神經功能的恢復程度。這也是我們需要進一步研究的內容。因此，FA值改變主要反映的是神經功能情況，而ADC值反映的是疼痛情況，可能與各自反映的水分子的病理變化機制有關系。

神經根型頸椎病患者的DTI值除了受到神經根病變程度本身的影響，還會受到年齡因素影響。為了消除年齡因素影響，我們嘗試探索DTI比值與VAS評分、ISNCSC評分的相關性。本研究發現，患者VAS評分與患側FA/健側FA比值、患側ADC/健側ADC比值無相關性，與患側FA/患側ADC比值呈負相關；ISNCSC評分與患側FA/健側FA比值、患側ADC/健側ADC比值、患側FA/患側ADC比值無相關性。經過分析，雖然大部分結果無相關性，但還是有一定相關趨勢，推測相關性會隨著樣本量的擴大而更加明顯，因此未來我們也將擴大樣本量研究考慮的一個重要方面；另外一個原因是神經損傷程度較輕，DTI比值增大或減小某一程度時，相關性才能顯現出來。

本研究的局限性在于：首先，為了獲得典型病變的神經根，我們采用了非常嚴格的病例納入標準，樣本量偏少，可能導致潛在的相關性沒有顯現出來。第二，我們只是對ROI的勾畫方法進行了研究，沒有對ROI在神經根定位進行探討，這也是我們將來研究的內容。第三，由于條件水平所限，沒有對頸神經根進行纖維示蹤重建，無法直觀了解神經損傷情況。第四，我們納入的患者均為單節段，單側癥狀，沒有對兩節段以上病變患者進行研究。

綜上所述，應用最大圓ROI勾畫方法測量頸神經根DTI值是可靠的，其對于頸神經根的受損程度和形態學特征評估，可用于DTI技術在神經根型頸椎病的進一步研究中。FA值和ADC值與部分人口學特征、頸椎神經功能評分具有臨床相關性。