磁共振扩散张量成像（DTI）是在扩散加权成像（DWI）基础上发展起来的一种功能磁共振（fMRI）成像技术，通过测量组织的各向同性ADC值和部分各向异性FA值，可以在三维空间内定量分析水分子微观水平的扩散速率及方向。DTI最早运用于中枢神经系统，近年来国内外一些学者将其运用于椎间盘退变的定量研究^[1-5]，发现正常椎间盘与退变椎间盘的ADC值、FA值存在差异。

椎间盘在负荷状态下髓核压力增高，其扩散特征也相应发生变化。离体动物标本实验证实椎间盘在负荷后扩散能力减低并与负荷的方向和负荷水平相关^[6]，但是关于运动负荷对活体椎间盘扩散特征影响的研究少见报道。本文通过对30例健康青年志愿者进行运动负荷前后腰椎DTI检查，测量各节段腰椎间盘负荷前后的ADC值、FA值，分析运动负荷对正常腰椎间盘扩散特征的影响，进而为运动负荷引起腰椎间盘早期退变的机制做出一定提示。

研究经医院伦理委员会讨论通过，所有受试者均知情同意并签署知情同意书。纳入标准为：无慢性下腰痛病史，无腰部外伤史及手术史，无脊柱发育异常，无核磁检查禁忌症的健康青年人。受试对象共30名，其中男性24名，女性6名，年龄19~25（22.07±1.78）岁，体质量指数（BMI）16.73~23.42（21.73±1.47）kg/m²，无体质量过重者。

采用GEMR3601.5T磁共振扫描仪进行扫描，应用脊柱线圈，扫描体位为仰卧位，运动负荷前后10 min内各扫描1次。为避免生理状态所引起的差异，本研究扫描的时间均在19:00~22:00完成。

受试者在第1次扫描前2 h内未做过剧烈运动，平卧位休息20 min后进行FSE/T₂WI及DTI矢状位扫描。FSE/T₂WI扫描参数：TR 2200 ms，TE 120 ms，层厚4 mm，层距1 mm，FOV32 cm，矩阵320×256，NEX=4；DTI序列扫描参数：EPI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L₃椎体后下缘，平均采集次数6次，TR2500 ms，TE84 ms，层厚4 mm，层距为0，扩散方向为11个，扩散梯度因子b值设为400 s/mm。椎体前方设置预饱和带，以减少呼吸及胃肠蠕动造成的伪影，饱和带宽30 cm，成像时间108 s。

第1次扫描结束后，受试者进行腰部负荷运动，之后只进行矢状面DTI扫描，参数同前。为保障受试者的运动负荷量相当，所有的受试者均以相同的速率在相同的时间内完成同一套腰部运动操，用时共计15 min。

在矢状位FSE/T₂WI序列图像上进行腰椎间盘Pfirrminn分级^[7]，分级标准为：Ⅰ级，椎间盘高度正常，信号均匀，高于或等于脑脊液信号，髓核与纤维环分界清晰；Ⅱ级，椎间盘高度正常，椎间盘内有不均匀结构，有或无水平界限，髓核与纤维环分界清楚；Ⅲ级，椎间盘高度轻度降低，椎间盘内有中等信号和不均匀结构，髓核与纤维环分界模糊；Ⅳ级，椎间盘高度中度降低，椎间盘内有低信号和不均匀结构，髓核与纤维环界限消失；Ⅴ级，同Ⅳ级相似，但伴有椎间盘塌陷。其中，Ⅰ级和Ⅱ级椎间盘为正常椎间盘（图 1）。

图 1(Figure 1)

图 1 腰椎间盘Pfirrminn分级（T2WI） Figure 1 Pfirrminn grading system in T2WI. L1/2, L2/3, L3/4, and L4/5 discs assessed as grade Ⅱ, and L5/S1disc assessed as grade Ⅲ.

利用GE-ADW4.6后处理工作站中的function tool软件对DTI原始数据进行处理，生成b0图、ADC图及FA图。在b0图上，选取腰椎矢状面的正中层面，即椎管前后径最宽的层面，对L₁~S₁椎间盘髓核区自前向后取前、中、后三点进行ADC值及FA值的测定，取圆形感兴趣区（ROI），每个ROI为大小为15~24 mm²，避开上下椎体终板及脑脊液，每个椎间盘的ADC及FA值取此3处ROI的平均值（图 2A）。

图 2(Figure 2)

图 2 利用DTI重组的运动前后b0图、ADC图、FA图 Figure 2 B0 map, ADC map and FA map reconstructed based DTI data. Three circular ROIs were placed on the anterior, middle, and posterior point of the disc in the middle of the sagittal plane. A, B, C: B0 map, ADC map and FA map before exercise, respectively; D, E, F: B0 map, ADC map and FA map after exercise, respectively.

所得数据用SPSS20.0统计软件进行分析，因同一受试者进行了L₁~S₁共5个节段以及运动负荷前后两个时间点的测量，故应用重复测量数据的方差分析。再应用配对资料t检验分别对腰椎各节段椎间盘运动负荷前后ADC值及FA值变化的进行比较。P < 0.05时认为组间差异具有统计学意义。

30名志愿者，观测L₁~S₁共计150个椎间盘，除3例L₅/S₁椎间盘Pfirrminn分级为Ⅲ级，其余147个椎间盘均为Ⅱ级（图 1）。3例具有Ⅲ级椎间盘者未纳入研究，最终纳入研究者27例。

运动负荷后，腰椎间盘的平均ADC值较运动负荷前下降，差异具有统计学意义（F=8.389，P=0.008）；各节段分别比较，L_1/2、L_2/3椎间盘运动负荷后ADC值下降具有统计学意义（P < 0.05），其余3个节段椎间盘ADC值变化不具有统计学意义（P > 0.05，表 1）。运动负荷后，腰椎间盘FA值较运动负荷前升高，但是无论是分节段比较，还是全部腰椎间盘的平均FA值与运动前比较，差异均不具有统计学意义（P > 0.05，表 2）。

表 1(Table 1)

表 1 L1~S1椎间盘运动负荷前后ADC值比较 Table 1 ADC of L1-S1 lumbar intervertebral disc before and after exercise load (Mean±SD, n=27) Segment ADC (×10-3 mm2/s) Total t P Before After L1/2 1.88±0.12 1.80±0.17 1.84±0.15 3.334 0.002 L2/3 1.99±0.10 1.93±0.15 1.96±0.13 3.408 0.002 L3/4 2.02±0.09 2.00±0.08 2.01±0.09 1.310 0.200 L4/5 2.06±0.17 2.02±0.13 2.04±0.15 0.458 0.650 L5/S1 2.01±0.29 1.91±0.11 1.96±0.22 1.802 0.083 Total 1.99±0.18 1.93±0.17 1.96±0.17 F=8.389 0.008

表 1 L1~S1椎间盘运动负荷前后ADC值比较 Table 1 ADC of L1-S1 lumbar intervertebral disc before and after exercise load (Mean±SD, n=27)

表 2(Table 2)

表 2 L1~S1椎间盘运动负荷前后FA值的比较 Table 2 FA value of L1-S1 intervertebral disc before and after exercise load (Mean±SD, n=27) Segment FA Total t P Before After L1/2 0.183±0.049 0.194±0.071 0.189±0.060 -1.168 0.252 L2/3 0.132±0.030 0.139±0.049 0.135±0.041 -0.707 0.458 L3/4 0.116±0.034 0.126±0.037 0.121±0.035 -1.063 0.297 L4/5 0.129±0.046 0.137±0.040 0.133±0.043 -1.245 0.223 L5/S1 0.217±0.064 0.226±0.093 0.222±0.079 -0.471 0.642 Total 0.155±0.059 0.163±0.071 0.159±0.065 F=2.536 0.123

表 2 L1~S1椎间盘运动负荷前后FA值的比较 Table 2 FA value of L1-S1 intervertebral disc before and after exercise load (Mean±SD, n=27)

从ADC伪彩图中可以看出，无论运动前后，腰椎间盘均以绿色为主，但是运动后椎间盘的颜色较运动前椎间盘的颜色略浅（图 2B、E），说明运动负荷后，腰椎间盘的扩散能力下降。从FA伪彩图中可以看出，无论运动前后，腰椎间盘均以蓝色为主，但是运动后腰椎间盘的颜色较运动前腰椎间盘的颜色略浅（图 2C、F），说明运动负荷后，腰椎间盘的各项异性程度升高。

成人腰椎间盘由髓核、纤维环及上下软骨终板组成，仅纤维环外1/3有血运，椎间盘的营养途径主要是依靠营养物质从纤维环周边及软骨终板中心向椎间盘的扩散来实现。因此，椎间盘的扩散能力直接影响营养物质的供应和代谢产物的排泄^[8]。

DTI成像通过在多个方向上施加扩散敏感梯度测量ADC值及FA值来反映水分子扩散的程度和方向，是目前能够描述水分子扩散速度及方向特征的新技术。DTI最早应用于中枢神经系统，近年来越来越多的学者将其应用于椎间盘退变的相关研究^[9-12]。

ADC值和FA值也可以反映载荷状态下椎间盘扩散特征的改变。Ludescher等^[13]通过DWI方法研究发现，同一椎间盘在清晨的ADC值显著高于夜晚，间接提示腰椎负荷会造成椎间盘ADC值的下降。蔡兆熙等^[14]采用短时轴向负荷模拟人体直立负荷状态，对不同Pfirrmann分级的腰椎间盘进行负荷前后的DTI研究，发现运动负荷后腰椎间盘ADC值下降，但Ⅱ级、Ⅳ级和V级椎间盘负荷前后的ADC值差异无统计学意义，而Ⅲ级椎间盘负荷后ADC的下降具有统计学意义，该结果提示轻度退变腰椎间盘负荷后水分子扩散能力下降，扩散的各向异性增加。但是，轴向负荷只是单纯的纵向静态压力，并不能全面反映腰椎的运动状态。

本研究通过DTI的方法，对Pfirrmann分级为Ⅱ级的腰椎间盘进行运动负荷前后ADC值、FA值的测量，结果发现，运动负荷后，腰椎间盘的平均ADC值下降，差异具有统计学意义；FA值升高，差异不具有统计学意义，所得结果与蔡兆熙的报道有所不同。作者考虑其原因主要是正常腰椎间盘弹性良好，具有较好的形变代偿性和扩散代偿性，短时轴向负荷的载荷量与持续时间还不足以引起其扩散特征的显著改变。而本研究所做的运动负荷的载荷量较大，时间较长，并且同时具有扭转负荷，因此对正常腰椎间盘的扩散速率造成影响。

运动负荷引起腰椎间盘ADC值变化的主要原因是改变了髓核内的压力。如Neidlinger等^[15]报道，椎间盘在高压力载荷状态下产生形变，内部静水压升高，水分被缓慢挤出。水分丢失增加了椎间盘基质中蛋白多糖浓度和电荷密度，引起渗透压的升高和pH值降低，以上生理状态的改变引起椎间盘扩散能力的下降。该理论也解释了ADC值变化显著而FA值变化不具有显著性这一现象，运动负荷改变的主要是水分子的含量和扩散程度，即各项同性扩散，FA值的升高可能是因为水分丢失引起了腰椎间盘内生化成分的比例有所改变，而短时间的运动负荷不可能改变椎间盘组织结构的排列特征，因此水分子扩散的各向异性程度变化不显著。Isu等^[16]研究发现，生理状态昼夜周期性的压力变化促进可溶性分子进入椎间盘，并通过椎间盘周围的循环直接或间接给予椎问盘细胞以生理刺激，而急性的机械损伤或蓄积性的超载荷可导致椎间盘的退变。

本研究还发现，分节段比较，L_1/2、L_2/3这2个节段椎间盘在运动前后ADC值的变化具有统计学意义，而L_3/4、L_4/5、L₅/S₁节段椎间盘运动前后的ADC值不具有统计学意义。作者认为，虽然同样是Pfirrminn分级为Ⅱ级的腰椎间盘，但是高位腰椎间盘相对于低位腰椎间盘早期退变的程度相对较轻，腰椎间盘髓核内蛋白多糖的含量相对较高，因此对于载荷状态对水分子扩散能力的影响较为敏感。

总之，核磁共振DTI成像，可以较为敏感地反映腰椎间盘运动负荷后扩散特征的变化。运动负荷后腰椎间盘的扩散程度减低，ADC值下降，提示我们，长期大量的运动负荷会影响腰椎间盘的营养和代谢，可能是引起腰椎间盘退变的原因之一。