彌散張量成像技術(shù)在評(píng)估腦卒中患者白質(zhì)纖維束損傷及預(yù)后方面的研究進(jìn)展

張曉鈺

腦卒中是嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的常見(jiàn)病之一,具有高發(fā)病率、高死亡率、高致殘率及高復(fù)發(fā)率的特點(diǎn),早期評(píng)價(jià)腦卒中的損傷程度和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)患者預(yù)后一直是醫(yī)學(xué)界的難題[1]。常規(guī)CT和MRI很難準(zhǔn)確顯示病灶與神經(jīng)纖維束的空間位置關(guān)系以及白質(zhì)束受損的范圍。彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DWI)技術(shù)是近年來(lái)在常規(guī)磁共振和彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DTI)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的成像及后處理技術(shù),是一種新的無(wú)創(chuàng)性成像方法。其利用組織中水分子的自由熱運(yùn)動(dòng)的各向異性原理,并通過(guò)特殊的軟件處理成像,對(duì)大腦白質(zhì)纖維束的三維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,重建腦部白質(zhì)神經(jīng)連接,是唯一可在活體顯示腦白質(zhì)纖維束的無(wú)創(chuàng)性成像技術(shù)[2],其主要方法為DTI纖維追蹤成像[3],可直觀地顯示腦內(nèi)病變對(duì)白質(zhì)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)直接或間接的影響[4]。

1 DTI腦白質(zhì)纖維束成像的原理及分析方法

腦白質(zhì)主要由神經(jīng)纖維構(gòu)成,其神經(jīng)束的機(jī)制目前尚未完全清楚,但有證據(jù)顯示在神經(jīng)束的根部平行走行的髓化纖維是一個(gè)重要的因素,水分子可以平行擴(kuò)散,但是在髓化纖維束的垂直方向擴(kuò)散受到限制。腦白質(zhì)纖維束的各向異性是一個(gè)重要的特征,DTI可利用彌散敏感梯度從多個(gè)方向?qū)λ肿拥膹浬⒏飨虍愋訹5]進(jìn)行量化,在三維空間內(nèi)定量分析組織內(nèi)水分子的彌散運(yùn)動(dòng),從微觀角度反映組織的病理學(xué)改變,從而觀察腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)特性,追蹤纖維走行,并評(píng)估其結(jié)構(gòu)完整性與方向性。李貽卓等在正常志愿者的研究中得到腦白質(zhì)中神經(jīng)纖維和功能束的走行方向和立體形態(tài),其中較好顯示的白質(zhì)纖維有:連合系、鉤束、上下縱束、下額枕束、內(nèi)囊等,上述纖維束與已知的解剖學(xué)上的正常的同名纖維束的描述具有較好的一致性[6]。

目前,DTI一般采用基于體素的分析法(voxel-based analysis,VBA)和感興趣區(qū)測(cè)量的方法兩者相結(jié)合進(jìn)行研究,并使用部分各向異性(fractional anistrophy,FA)值來(lái)反映水分子的彌散各向異性。FA是指水分子彌散的各向異性成分在整個(gè)彌散張量的中所占的比例。FA值的范圍為0～1,0代表最大各向同性的彌散,1代表假想下最大各向異性的彌散。在白質(zhì)中,彌散表現(xiàn)為各向異性,且FA值大小與髓鞘的完整性、神經(jīng)纖維的致密性及平行性呈正相關(guān),能夠反映白質(zhì)纖維是否完整[7],即也從一定程度上反映皮質(zhì)脊髓束(cortical spinal tract,CST)的受損情況。組織的生化特性(黏滯性和溫度)、組織的結(jié)構(gòu)(大分子、細(xì)胞膜和細(xì)胞器等)改變能夠從根本上影響水的彌散能力,所以研究水分子彌散各向異性的變化(FA值的變化)就可評(píng)價(jià)纖維組織結(jié)構(gòu)的病理改變。

2 DTI對(duì)腦卒中患者白質(zhì)纖維束損傷及療效的評(píng)估

DTI主要用于評(píng)估影響腦白質(zhì)纖維束完整性的疾病,可定量分析病變組織和正常組織的彌散特征,直觀顯示顱內(nèi)病變與白質(zhì)纖維之間的關(guān)系,為解釋臨床表現(xiàn)和判斷預(yù)后提供更多、更可靠的依據(jù)。

2.1 DTI對(duì)出血性卒中患者的評(píng)估 2006年Jang等應(yīng)用首先DTI對(duì)1例高血壓腦出血患者進(jìn)行個(gè)案研究,認(rèn)為DTI可以更精確的觀察腦卒中患者CST的受損情況[8]。Haris等利用DTI探討腦出血不同階段FA值增大的生物學(xué)基礎(chǔ),認(rèn)為出血性腦疾病中的FA值增大可能與完整的紅細(xì)胞和纖維蛋白網(wǎng)的存在有關(guān)[9]。Cho等對(duì)40例嚴(yán)重偏癱的腦出血患者在發(fā)病早期行彌散張量纖維束成像(diffusion tensor tractography,DTT)檢查,研究發(fā)現(xiàn)發(fā)病早期各組患者之間運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分無(wú)明顯差異,發(fā)病后6個(gè)月各組之間運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分有顯著性差異,因此推論腦出血患者早期DTT所示CST的改變可用來(lái)預(yù)測(cè)患者的運(yùn)動(dòng)功能轉(zhuǎn)歸[10]。Jang等對(duì)1例61歲腦出血患者及 6名正常對(duì)照者行DTI檢查,結(jié)果顯示發(fā)病后3周出血區(qū)FA值減小,表現(xiàn)彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)值增大,與對(duì)照組有顯著性差異,但患者在發(fā)病后5個(gè)月患側(cè)的FA及ADC值與對(duì)照組無(wú)明顯差異,推斷DTI可以通過(guò)對(duì)病灶中感興趣區(qū)的各向異性的分析來(lái)研究腦出血后CST的修復(fù)情況[11]。最近國(guó)外學(xué)者對(duì)一例左側(cè)放射冠、基底節(jié)區(qū)腦出血患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)機(jī)制的研究。在患者發(fā)病后1個(gè)月、4個(gè)月、16個(gè)月行DTT、磁共振功能成像(functional MRI,fM RI)、經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)檢查及患肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估,并同12例正常人對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)DTT顯示CST的起點(diǎn)發(fā)生改變,TMS、fM RI也證實(shí)皮質(zhì)脊髓側(cè)束的修復(fù)過(guò)程,推測(cè)皮質(zhì)脊髓側(cè)束的修復(fù)是腦出血患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)機(jī)制之一[12]。國(guó)內(nèi)王紅[13]、任鈺[14]等利用DTT重建2例腦出血患者的CST的三維圖像,觀察纖維束的形態(tài)結(jié)構(gòu)及走行位置。并于患者入院時(shí)、發(fā)病后2周、發(fā)病后1個(gè)月及發(fā)病后2個(gè)月分別進(jìn)行肌力判定和神經(jīng)功能評(píng)分。發(fā)現(xiàn)CST完整的腦出血患者同CST中斷的患者相比,肌力恢復(fù)較快、預(yù)后好,在各個(gè)時(shí)期的NIHSS評(píng)分均較低。該研究提示DTT可在腦出血的初期對(duì)神經(jīng)功能損傷情況及臨床預(yù)后進(jìn)行判定,但是樣本例數(shù)較少。

2.2 DTI對(duì)缺血性卒中患者的評(píng)估 國(guó)外學(xué)者Thomall等對(duì)發(fā)病2～16 d內(nèi)的亞急性期輕、中度幕上缺血性卒中患者行DTI檢查,發(fā)現(xiàn)患側(cè)大腦腳的FA值下降,且患側(cè)大腦腳FA與對(duì)側(cè)FA的比值與美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院神經(jīng)功能缺損評(píng)分(NIHSS)之間存在負(fù)相關(guān),FA越低,變性程度越重,神經(jīng)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)越差[4]。Kunimatsu等對(duì)8例內(nèi)囊后肢或放射冠區(qū)梗死灶進(jìn)行研究也有類(lèi)似的發(fā)現(xiàn)[15]。Werring等對(duì)5例急性期腦梗死患者的研究發(fā)現(xiàn),患者腦梗死區(qū)ADC、FA值顯著降低,同側(cè)大腦腳和腦橋處CST ADC、FA值顯著降低。FA值降低,推測(cè)主要是因?yàn)榧?xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,導(dǎo)致組織微觀結(jié)構(gòu)正常順序喪失,從而使各向異性顯著降低。而隨著腦梗死的進(jìn)一步發(fā)展,血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷,細(xì)胞通透性增加,細(xì)胞間隙水分聚積導(dǎo)致水分子彌散能力進(jìn)一步下降,ADC值進(jìn)一步降低[16]。國(guó)內(nèi)鐘進(jìn)等應(yīng)用MR擴(kuò)散張量成像(DTI)技術(shù)對(duì)急性腦梗死行動(dòng)態(tài)觀察,研究其擴(kuò)散變化規(guī)律,推斷缺血半暗帶的治療時(shí)間窗,并通過(guò)擴(kuò)散張量纖維束成像(DTT)技術(shù)論證CST與肌力的相關(guān)關(guān)系。結(jié)論是梗死灶的平均擴(kuò)散系數(shù)(DCavg)、FA、相對(duì)各向異性系數(shù)(RA)及容積比(1-VR)值具有特征性演變規(guī)律;超急性期、急性期病灶邊緣區(qū)可能為缺血半暗帶組織,其治療時(shí)間窗可擴(kuò)展為24 h[17]。鮑莎莎等研究45例急性腦梗死患者,入院及治療后分別行 NIHSS評(píng)分,記為 NIHSS1、NIHSS2,常規(guī)行 MRI、DWI、DTI/DT T檢查,分析病灶FA值的變化及與CST的關(guān)系。結(jié)果顯示梗死灶FA值降低百分比和NIHSS1相關(guān),CST的損傷程度與NIHSS2相關(guān),結(jié)論認(rèn)為病灶FA值下降越明顯,患者病情越重;CST破壞越嚴(yán)重,患者運(yùn)動(dòng)功能受損越重,預(yù)后越差[18]。這些結(jié)果均表明DTI技術(shù)可為臨床醫(yī)生分析患者臨床癥狀和判斷預(yù)后提供一些依據(jù)[19],同時(shí)纖維成像還可在活體上顯示出雙側(cè)腦組織橫向聯(lián)系的胼胝體纖維,對(duì)判斷可能的代償恢復(fù)提供一定的依據(jù)[20]。

3 DTI對(duì)腦卒中患者白質(zhì)纖維束評(píng)估的局限性

DTI雖然能夠活體顯示白質(zhì)纖維束的形態(tài)、走行,并在分子水平研究腦病理機(jī)制。但仍有不可忽視的局限性,主要表現(xiàn)在:①部分容積效應(yīng)的影響;②圖像的信噪比,即噪聲及偽影問(wèn)題;③操作者選擇興趣區(qū)的大小及位置、FA閾值、軌跡投影角度、采用的算法以及神經(jīng)解剖學(xué)知識(shí)的熟悉程度均影響示蹤成像結(jié)果的準(zhǔn)確性;④目前尚無(wú)驗(yàn)證其結(jié)果是否準(zhǔn)確的金標(biāo)準(zhǔn),僅是與已知的解剖學(xué)知識(shí)相對(duì)照。

綜上所述,DTI是目前唯一的能夠在活體研究大腦白質(zhì)纖維的方法。DTI與DT T相結(jié)合,可以從影像學(xué)角度對(duì)神經(jīng)纖維的損害程度進(jìn)行定量分析,為判斷白質(zhì)纖維束的損傷程度及早期預(yù)測(cè)患者預(yù)后提供重要信息,有利于我們認(rèn)識(shí)神經(jīng)解剖、神經(jīng)功能缺損癥狀以及神經(jīng)病理學(xué)改變之間的相互聯(lián)系。DTI對(duì)腦卒中患者白質(zhì)纖維束的評(píng)估仍具有一定的局限性,需要我們進(jìn)行更加深入的研究。

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