弥散加权成像在椎体骨折和良、恶性病变鉴别中的应用价值
【摘要】 磁共振弥散加权成像(DWI)能够在微观水平上检测组织液中无序的水分子运动，可以对正常和病理情况下活体组织的水分子弥散运动加以分析。本文就DWI对椎体骨折和良、恶性病变鉴别方面的价值，它们之间存在的信号差异，后的效果评价以及其在脊柱应用方面的进展作一综述。
【关键词】 弥散加权成像 原理 骨折 鉴别诊断
磁共振弥散加权成像(Diffusion_weighted imaging，DWI)是利用磁共振成像(MRI)的特殊序列观察活体组织中水分子的微观弥散运动的一种成像技术，使得MRI对人体的研究深入到了更加微观水平。在临床应用中，DWI除了可以直接观察组织信号改变外，更重要的是能够进行弥散系数(Apparent diffusion coefficient，ADC)值的，有利于对病变进行量化分析，其在中枢神经系统疾病的诊断和鉴别诊断，尤其是对急性脑梗死的诊断已经得到肯定［1］。然而目前使用DWI来对脊柱良、恶性病变进行鉴别诊断的尚较少，本文就其在椎体病理性骨折和椎体良、恶性病变的鉴别诊断的应用价值作一综述。
1 DWI的基本原理
水分子在活体组织内的运动呈布朗运动，可用ADC值(mm2/s)来表示。体内细胞膜、基底膜等膜性结构的分布、细胞核浆比例以及胞浆内大分子物质如蛋白质的分布等均影响组织内水分子的弥散。病理状态下，组织细胞内、外的大分子分布发生改变以及膜结构的完整性遭到破坏，使其中水分子的弥散速度发生改变，从而形成DWI上信号的异常［2］。组织的ADC值与组织细胞的构成关系，可以用公式计算：ADC＝ln(S低/S高)/(b高－b低)，这里S低和S高分别表示低b值与高b值弥散成像信号的强度。b值(s/mm2)为弥散敏感系数：b＝γ2G2δ2(Δ－δ/З),这里γ为磁旋比，G和δ分别为弥散脉冲的强度、持续时间，Δ为两个脉冲的时间间隔。b值的大小和数量影响着对组织弥散的测量，在一个脉冲序列采用2种不同的b值即可获得所测组织的ADC值或拟合得到ADC图，而b值越多、b值差值越大，ADC值就越精确，所拟合的ADC图就越真实。DWI信号强度与ADC值呈负函数相关关系：弥散快的组织，则其信号衰减大，ADC值较高，DWI上呈低信号，ADC图上呈高信号；弥散慢的组织，则呈相反表现［3］。DWI受b值和弥散方向双重影响，而ADC图不受b值影响，比DWI能更真实地反映组织水弥散变化，但受到弥散敏感梯度方向的影响［4］。
2 脊柱MR DWI的相关技术
对脊柱弥散信号的测量可有多种序列，然而就目前所有的技术都面临着如何才能获得较好的信噪比(Signal_noiseratio，SNR)和较高质量的弥散图像，最大程度地降低伪影，缩短检查时间等问题。
平面回波DWI(EPI_DWI)序列在脊柱弥散成像方面是目前较常用和较成熟的技术，包括有单次激发EPI_DWI(SS_EPI_DWI)和多次激发EPI_DWI(MS_EPI_DWI)。其具有快速成像及切换梯度磁场、运动伪影少，还可与自旋回波、梯度回波序列匹配的优点，已成为DWI的主要技术。但EPI存在明显的磁敏感性伪影，可以通过结合导航校正技术以减轻运动的影响,提高成像质量［5］。
另外还有其它所采用的序列：包括自旋回波DWI(SE_DWI)、受激回波DWI(STE_DWI)、稳态自由进动DWI(SSFP_DWI)。SE_DWI序列不需要特别快和强的梯度磁场，磁敏感效应较弱，能够获得较为理想的SNR，但是需要较长的信号采集时间以及对运动高度敏感，易出现运动伪影［6］。STE_DWI序列获得的SNR较低，其T2闪入效应较低，能与导航技术相结合降低运动功能伪影，但需要较长的信号采集时间［7］。SSFP_DWI序列可以获得较好的SNR，信号采集时间较短，在中等梯度场强即可获得较好的弥散敏感性，但是b值不易测得，因而无法获得精确的ADC值［8］。SE_DWI、STE_DWI及EPI_DWI均建立在Stejskal_Tanner成像序列的基础上，并可进行量化分析。
3 正常椎体结构和DWI表现
正常椎体主要由骨组织、红骨髓、黄骨髓组成。正常成人椎体内红骨髓脂肪的含量为25％～30％，随着年龄的增大红骨髓逐渐减少，脂肪的含量逐渐增多，而附件骨的脂肪含量变得比椎体多。儿童椎体含有较多的红骨髓，在常规SE序列T1和T2WI上均表现为等信号，在T1WI上椎体的信号等于或略高于椎间盘，随着年龄的增大，椎体与椎间盘的信号对比变得更为明显。Dietrich等［9］在1.5T磁共振机上利用经过导航更正技术的SE_EPI_DWI序列(b值450s/mm2)的研究发现，使用DWI可以较好地区别正常椎间盘和椎体结构，测得正常椎体和椎间盘的平均ADC值分别为0.3×10－3mm2/s和1.5×10－3mm2/s。
4 临床应用
椎体压缩性骨折良、恶性病变的鉴别诊断一直是临床诊断的难点。良性病变的椎体骨折主要是指由骨质疏松和感染性疾病等引起的骨折。恶性病变的骨折指由恶性肿瘤(原发或转移性骨肿瘤)引起的骨折。传统放射学及常规MRI对两者的鉴别诊断缺乏特异性［10］，DWI则为两者的鉴别提供了重要方法，目前对于这方面的研究越来越多。
4.1 DWI在椎体病理性骨折及良、恶性病变鉴别的价值
Baur等［6］用SSFP_DWI序列，b值＝165s/mm2对30例(39个椎体)由良、恶性病变所致椎体压缩性骨折进行了前瞻性的研究，结果显示：骨质疏松骨折与邻近正常骨髓相比呈等信号或低信号；而转移性肿瘤致椎体压缩性骨折呈高信号。Spüentrup等［11］报道的利用有或无脂肪抑制的SE_DWI和STE_DWI序列对34例(35个椎体)进行的研究发现：在未使用DWI前，所有病变椎体在常规SE序列T2WI上均表现为异常高信号，所获得的两者信号差异无统计学意义；使用DWI后，良性病变急性椎体压缩骨折信号强度大幅度衰减，在DWI上表现为等信号，而转移瘤浸润的骨髓则信号轻微衰减，且与伴随椎体骨折无关，在DWI表现为高信号，两者信号差异有统计学意义。使用DWI序列更正了过去应用常规序列扫描所获得的错误诊断。
4.2 ADC值在引起椎体骨折的良、恶性病变应用价值
在临床的应用中，DWI除了可以对病变椎体进行直接的信号观察外，还可以对病变椎体进行ADC值的计算。Chan等［12］用SS_SE_EPI序列对32例急性椎体压缩性骨折研究结果显示：良、恶性病变椎体压缩性骨折与相邻正常骨髓比呈低信号，而恶性病变的椎体骨折呈高信号。测得正常椎体ADC值为(0.23±0.05)×10－3mm2/s，恶性病变椎体骨折为(0.82±0.20)×10－3mm2/s，急性良性病变椎体骨折为(1.94±0.20)×10－3mm2/s。Herneth等［13］用EPI_DWI，b值为0、440、880s/mm2对22例急性压缩性椎体骨折进行的椎体转移瘤和正常椎体ADC值对比的相关报道显示：椎体转移瘤的ADC值为(0.69±0.24)×10－3mm2/s，恶性病变的椎体压缩骨折为(0.71±0.27)×10－3mm2/s，良性病变的椎体压缩骨折为(1.61±0.37)×10－3mm2/s。
4.3 DWI与常规MRI序列的比较
在老年群体中椎体压缩性骨折是一种常见现象，最常见的诱因是骨质疏松和椎体转移瘤。MRI对于脊柱良、恶性病变所致骨折的诊断与鉴别诊断价值较大。报道骨质疏松压缩性骨折中较有特征性的表现是椎体后上缘后翘，突入椎管压迫硬脊膜囊；椎体内可见骨折线；椎体保留有部分正常信号，增强后呈分界明显的条带状强化。而转移瘤常表现为椎体后缘呈球形突出，椎体骨髓信号全部为病变取代，邻近软组织肿块及椎管内侵犯［14］。椎体成骨性转移较具特征性，在常规序列T1WI、T2WI、STIR和增强扫描均表现为低信号。椎弓根的破坏常被认为是转移瘤的征象，不论是良性或恶性病变所致的压缩性骨折，均可由旋转扭力或上、下压力造成椎体血流循环改变而致椎弓根的髓内水肿［15］，在常规SE序列的T2WI和STIR序列中均有增高信号，所以椎弓根信号的改变并非恶性骨肿瘤所特有［10］。椎体溶骨性和混合性转移信号与骨质疏松相似。在常规SE序列的T2WI和STIR序列中，两种病因均表现同样的高信号。如果患者曾有恶性肿瘤病史，那么要正确获得良性诊断结果将是非常困难的。在鉴别良性或恶性病因导致的椎体压缩性骨折方面，DWI是一种非常有用的方法。根据良、恶性病变所致的椎体骨折的病理基础不同，其在DWI上的不同表现原因，Baur等［6］推测DWI应用于两者鉴别诊断的理论依据是：良性病变的椎体骨折由于骨髓水肿、出血，致椎体骨髓内的自由水增加，细胞外容积增加，骨折椎体水分子运动增加，故ADC值变大，在DWI上表现为低信号；而肿瘤所致的椎体压缩骨折则是椎体脂肪细胞被肿瘤组织所替代，导致细胞外容积相对减少，水分子运动相对减弱，因此其ADC值低于急性良性椎体压缩骨折，在DWI上表现为高信号。因此，DWI能够反映这二种椎体骨折水分子扩散的差别。在鉴别良、恶性病变的椎体骨折方面，汤光宇等［16］使用SS_EPI_DWI序列，b值=300s/mm2对46例椎体骨折的研究也发现恶性病变的骨折在DWI显示高信号，良性病变的骨折则多呈低或等信号，总的诊断准确率达98.0％。Nakagawa等［17］用SS_EPI_DWI，b值(0～1300)s/mm2来评估55例(143个椎体)良、恶性病变引起的椎体压缩性骨折结果显示：93.6％的恶性病变的椎体压缩性骨折与邻近正常骨髓相比呈高信号，93.7％的良性病变的骨折呈等或低信号。说明SS_EPI_DWI在鉴别椎体良、恶性病变的骨折中具有很高的敏感性和特异性，对良、恶性病变的椎体压缩性骨折的定性具有良好的临床应用价值。
4.4 DWI在评价椎体肿瘤疗效的应用
Byun等［18］用SS_EPI_DWI序列，b值=165、650s/mm2对24例脊柱转移瘤前、后为期6个月的随访研究结果显示：治疗后23例临床症状明显改善或症状没有进一步，1例出现左侧股骨转移。治疗前24例全部椎体转移灶在T1WI上均表现为低信号，在T2WI有18例表现为高信号，6例表现为低信号，而在DWI中均表现为高信号；经治疗MR随访中，在T1WI上信号强度没有明显改变或稍有变低，在T2WI上信号强度有13例明显降低，10例无明显改变，1例强度变高，提示常规MRI对肿瘤治疗随访观察没有多大帮助。而23例临床治疗明显有效患者在DWI图像，b值165s/mm2上信号强度均有明显下降，出现股骨转移患者在DWI图上信号强度无明显改变。对转移椎体骨髓的ADC值：治疗前为(0.78±0.03)×10－3mm2/s，治疗后为(1.22±0.02)×10－3mm2/s，正常椎体ADC值在治疗前、后没有多大改变［(0.33±0.03)×10－3mm2/s］，证明DWI对脊柱良、恶性病变治疗疗效的评价有着重要的价值。
4.5 DWI在椎体感染性疾病诊断中的应用
感染性疾病(如结核、化脓性等)所引起的椎体骨折在DWI上的表现为低信号。Eastwood等［19］用SS_EPI_DWI序列曾对1例由葡萄球菌感染所致的腰1椎体骨髓炎进行研究，结果示：在DWI上，椎体脓肿和硬脊膜外脓肿与周围正常组织比呈显著高信号，ADC图上脓肿呈暗区，是由于脓肿内的脓汁是包含炎性细胞、细菌、坏死组织和富含蛋白的高粘稠液体。在高粘稠的脓液内，水分子的运动速率明显减慢，因而在DWI上表现为信号强度增高，ADC图上呈暗区。这样就与恶性病变的椎体骨折的DWI表现相似，造成误诊。单纯使用DWI来鉴别椎体良、恶性病变就暴露出其缺陷性，因此必须与其它序列结合起来共同对病变进行综合评价。
此外，椎体DWI与常规SE序列成像相比，图像的清晰度和SNR都较差。b值的大小对DWI图像质量和水分子的扩散在DWI的权重都有明显的影响，如：b值为0时相当于T2WI像没有弥散效果，随着b值的增高，在一定范围内，弥散效果会越来越好，显示脑梗死灶越清楚。汤光宇等［16］指出DWI应用于鉴别良、恶性病变的椎体骨折时b值应选300s/mm2。常规T1WI、T2WI、STIR和增强扫描对显示椎体和附件病变的形态和信号特征都较好，而DWI具有良好的椎体强化比率和骨髓对比率，临床上，如果能够将多种序列结合起来，将会大大提高椎体良、恶性骨折的鉴别诊断能力。
5 展望
DWI可以在微观水平探测椎体骨髓的病变，通过检测组织内水分子的运动来反映组织的结构特点与生物学行为，还可以对椎体骨髓病变进行ADC值的定量分析，为椎体骨髓病变的检出提供了客观的诊断依据。然而，目前用于椎体的DWI序列多是经由颅脑序列修改来的，尚缺乏专门适用于椎体检查的序列。随着磁共振技术不断的快速发展，相信在不久的将来，会有专用于椎体检测的序列，为临床鉴别脊柱良、恶性病变提供全新的手段。
【参考文献】
［1］韩鸿宾, 谢敬霞. MR扩散与灌注成像在脑缺血诊断中的应用［J］. 中华放射学杂志, 1998, 32: 364-368.
［2］宋莉, 王霄英, 谢晟, 等. DWI以及ADC值测量在脑肿瘤鉴别诊断中的价值［J］. 医学影像技术, 2005, 21(3): 354-357.
［3］Kuker W, Weise L, Krapf H, et al. MRI characteristics of acute and subacute brainstem thalamic infractions:value of T2 and diffusion_weighted sequences［J］. J Neurol, 2002, 249(1): 33-42.
［4］Bammer R. Basic principles of diffusion_weighted imaging［J］. Eur J Radiol, 2003, 45(3): 169-184.
［5］Norris DG. Implication of bulk motion for diffusion_weighted imaging experiments: effects. mechanisms, and solutions［J］. J Magn Reson Imaging, 2001, 13(4): 486-495.
［6］Baur A, Stiibler A, Huber A, et a1. Diffusion_weighted MR imaging of spinal bone marrow［J］. Seminars in Musculoskeletal Radiology, 2001, 5: 35-41．
［7］Le Bihan. Molecular diffusion nuclear magnetic resonance imaging［J］. Magn Reson Q, 1991, 7:1-30．
［8］Baur A, Reiser MF. Diffusion_weighted imaging of the musculoskeletal system in humans［J］. Skeletal Radiol, 2000, 29: 555-562．
［9］Dietrich O, Herlihy A, Dannels WR, et al. Diffusion_weigh_ted imaging of the spine using radial k_space trajectories［J］. MAGMA, 2001, 12(1): 23-31.
［10］Baker LL, Goodman SB, Perkash I, et al. Benign versus pathologic compression fractures of vertebral bodies: assessment with conventional spin_echo, chemical_shif, and STIR MR imaging［J］. Radiology, 1990, 174: 495-502.
［11］Spüentrup E, Buecker A, Adam G, et al. Diffusion_weigh_ted MR imaging for differentiation benign fracture edema and tumor infiltration of the vertebral body［J］. AJR, 2001,176: 351-358.
［12］Chan JHM, Peh WCG, Tsui EYK, et al. Acute vertebral body compression fractures: discrimination between benign and malignant causes using apparent diffusion coefficients［J］. RJR, 2002, 75:207-214.
［13］Herneth AM, Philippi MO, Naude J, et al. Vertebral metastasis：assessment with apparent diffusion coefficient［J］. Radiology, 2002, 225:889-894.
［14］戴力扬. MRI对骨质疏松椎体压缩性骨折的诊断价值和转移性肿瘤所致椎体骨折的鉴别［J］. 中国矫形外科杂志, 2003, 7(3): 291-292.
［15］Wilson S, Burak C, Walick K, et al. Radiology case of the month.Primary tumor of bone. Bone marrow edema syndrome［J］. J La State Med Soc, 2001, 153(9): 451-453.
［16］汤光宇, 姚冀平, 刘勇, 等. 鉴别良恶性椎体骨折的最佳扩散敏感系数值的探讨［J］. 中华放射学杂志, 2004, 38(6): 615-619.
［17］Nakagawa K, Sakuma H, Ichikawa Y. Vertebral compression fractrures: differentiation between benign and malignant lesions with diffusion_weighted single_shot echo planar MR imaging［C］. In Proc of ISMRM, 8th Annual Meeting， 2000. 2 144.
［18］Byun WM, Shin SO, Chang Y, et al. Diffusion_weighted MR imaging of metastatic disease of the spine: assessment of response to therapy［J］. AJNR Am J Neuroradiol, 2002, 23(6): 906-912.
［19］Eastwood JD, Vollmer RT, Provenzale JM. Diffusion_weigh_ted imaging in a patient with vertebral and epidural abscesses［J］. AJNR, 2002, 23: 496-498.
