磁共振彌散成像與應(yīng)用

酈妙爾 徐慶云

隨著MR機的軟件功能不斷更新,各種新的成像技術(shù)不斷被推出,應(yīng)用范圍日益擴大，功能性磁共振成像(fMRI)的出現(xiàn),實現(xiàn)了醫(yī)學(xué)影像從傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)檢查向在體的生化代謝的飛躍,成為一種無創(chuàng)的檢查方式。

目前正在應(yīng)用與研究之中的fMRI

（1）彌散成像（DI）:①彌散加權(quán)成像(DWI):反映水分子微觀運動，測量ADC值；②彌散張量成像(DTI):腦白質(zhì)纖維束、腎髓質(zhì)等的成像，測量FA，MD等值。

（2）灌注加權(quán)成像(PWI):快速團(tuán)注造影劑后,采用GRE-EPI序列快速成像,用來測定病變區(qū)微血管分布與血流灌注量情況。

（3）磁共振波譜分析(MRS):將縱向弛豫時間內(nèi)檢測到的自由感應(yīng)衰減信號(FID)繪制成對應(yīng)時間域信息的指數(shù)衰減函數(shù)曲線;再將這種信號經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換,變成不同共振頻率峰值的曲線圖。水平坐標(biāo)代表不同的共振頻率或化學(xué)位移,單位ppm(百萬分率)，縱坐標(biāo)為代謝產(chǎn)物相對信號強度或水平(如乳酸、磷酸、N-乙酰門冬氨酸、膽鹼類等)。

（4）血氧水平依賴性功能磁共振成像(BOLD)：大腦皮層的微血管中血氧水平的變化，會引起局部磁場均勻性變化，從而引起MR信號的變化。去氧血紅蛋白為順磁性物質(zhì)，含量減少則使局部磁化率及信號發(fā)生改變，從而反映腦內(nèi)各皮層功能區(qū)的活動情況。

（5）磁敏感加權(quán)成像(SMI):無需對比劑的磁共振靜脈成像技術(shù)，使用三維高分辨力、速度補償GRE序列得到強度圖、相位圖以及兩者結(jié)合的圖像。由于SWI對鐵引起的磁敏感效應(yīng)十分敏感，也可用于AD、帕金森病、多發(fā)性硬化等的診斷。

磁共振彌散(Diffusion imaging,DI)為分子在媒介中的一種隨機熱運動，即布朗運動（Brownian motion）。當(dāng)溫度高于絕對零度時，所有分子均具有布朗運動。彌散成像(DI)實際上是反映活體組織中水分子微觀運動的成像。分為彌散加權(quán)成像(DWI)和彌散張量成像(DTI)二種。

1 彌散加權(quán)成像的基本原理

彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）就是在SE-EPI序列中,可以通過1800脈沖的前后對稱性施加擴散敏感梯度場,以使擴散運動的質(zhì)子失相,從而消除來自于這些質(zhì)子的信號，保留靜態(tài)質(zhì)子的信號即可得到DWI。

（1）表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC值）：在DWI成像時，通過收集X、Y、Z三個正交方向上水分子的彌散信息，平均后計算出近似的值，代表著介質(zhì)中水分子彌散速度的快慢。任何原因引起機體內(nèi)水分子ADC值的改變均可導(dǎo)致DWI信號變化。這是DWI成像的基本生物學(xué)機制。一般來說ADC值下降，DWI像呈高信號。腦室內(nèi)無甚障礙阻止水分子的彌散，故腦脊液的彌散最高,DWI像呈低信號。

（2）b值:b值是影響ADC值的重要因素。ADC值的計算主要根據(jù)DWI的信號強度變化而獲得。

計算公式為：ADC=(1nS1/S2)/(b2-b1)

b1、b2分別為施加的擴散敏感因子，S1/S2分別為2個b值下同一部位組織信號強度。b1值目前無論是在1.5T還是3.0TMR設(shè)備上,通常都設(shè)為0作為圖像背景，近年來低b1值（-0.3s/mm2）、多組b1值DWI(50、300、500、700和1000s/mm2)成為肝臟、前列腺、乳腺等組織內(nèi)病灶檢出研究的熱點。b2值的取值都在500～1000s/mm2之間，提高b2值有助于增加DWI區(qū)分不同組織的敏感性,但也會降低信噪比。文獻(xiàn)報道,b2值增加到2000s/mm2對改善診斷效果沒有意義。

（3）ADC值的測定:在Functool軟件自行生成的ADC圖上,可根據(jù)需要對病變區(qū)(實質(zhì)區(qū)、壞死囊變區(qū)、水腫區(qū))及對側(cè)正常相應(yīng)白質(zhì)區(qū)選取不同的感興趣區(qū)(ROI),計算出相對ADC值（rADC），rADC=病變區(qū)ADC值/對側(cè)正常相應(yīng)白質(zhì)區(qū)ADC值×100%得到的ADC值再進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析[1-2]。

測量ADC值注意：

（4）以橫斷面為主要測定平面,選定病灶最大徑線層面。

（5）避開腦溝、腦室部位，避免腦脊液部分容積效應(yīng)的影響。

2 彌散加權(quán)成像在急性腦梗死的應(yīng)用[7]

因為缺血，部分腦組織細(xì)胞膜上依賴ATP酶的離子泵功能喪失，細(xì)胞外間隙進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的水分子不易排出而蓄積于細(xì)胞內(nèi)。它們的擴散范圍受到細(xì)胞膜的限制，從而限制了水分子自旋回波的減弱，極大程度上構(gòu)成了缺血部位DWI信號增加。

3 腦腫瘤DWI表現(xiàn)與病理對照

3.1 腦腫瘤的ADC值與病理對照[2]

腦腫瘤性病變由于腫瘤組織本身排列紊亂和其產(chǎn)生的占位效應(yīng)可以引起瘤體周圍組織水腫及受壓移位等，均可引起ADC值的改變。布倫伯等對40例腦膠質(zhì)瘤分析后發(fā)現(xiàn)ADC值從高到低的成分分別為：囊變或壞死、血管源性水腫、非強化腫瘤實性成分以及強化腫瘤實性成分。大部分學(xué)者認(rèn)為，高度惡性膠質(zhì)瘤ADC值與低度惡性之間有顯著性差異，前者ADC值較低，其實質(zhì)部分的DWI信號強度和ADC值分別高于和低于偏良性膠質(zhì)瘤實質(zhì)部分。其病理基礎(chǔ)是由于腫瘤區(qū)的ADC值與腫瘤細(xì)胞密度呈負(fù)相關(guān)，反映在DWI圖及ADC圖上呈現(xiàn)不同的信號強度。腫瘤實質(zhì)部分密度越高，ADC值越低，惡性程度越高；ADC值越高腫瘤惡性程度越低。

3.2 表皮樣囊腫和蛛網(wǎng)膜囊腫的DWI鑒別[6]

表皮樣囊腫和蛛網(wǎng)膜囊腫在常規(guī)MRI上均表現(xiàn)為T1WI低信號和T2WI高信號，增強無強化，有時難以鑒別。在DWI上蛛網(wǎng)膜囊腫均表現(xiàn)為低信號，類似于腦脊液；而表皮樣囊腫由于囊液黏度高限制了水分子擴散以及膽脂瘤內(nèi)固體成分呈特殊排列等因素DWI上呈高信號，因此腫瘤與周圍組織對比明顯，易于鑒別。

3.3 腫瘤的壞死、囊變與腦膿腫的DWI和ADC值鑒別[3-4,9-10]

張曉亞等報道，DWI和ADC值對鑒別腦內(nèi)環(huán)形強化病變方面很有幫助。

1)環(huán)形強化病變中央?yún)^(qū)如果在DWI圖上呈高信號，并且ADC圖上呈低信號，則強烈提示腦膿腫存在。主要是由于成熟期腦膿腫的高粘度和其中所含有大量的細(xì)胞和吞噬細(xì)胞等均能減低水分子的擴散。

2)如果環(huán)形強化病變在DWI圖中為低信號，ADC圖上呈高信號，表明該病變?yōu)閴乃?、囊變腫瘤的可能性較大，常為膠質(zhì)瘤或轉(zhuǎn)移瘤。因此，DWI和ADC值的測量在診斷腦膿腫和壞死囊變腦腫瘤方面具有重要意義，可以作為常規(guī)MRI檢查的重要補充。

4 彌散張量成像及纖維束成像的基本原理

彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是在彌散加權(quán)（DWI）成像基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高級成像技術(shù)，是利用人體內(nèi)水分子彌散的各向異性進(jìn)行成像的，在大腦白質(zhì)纖維的成像方面具有獨特的優(yōu)勢，主要用于觀察大腦白質(zhì)微觀的結(jié)構(gòu)特性，反映大腦白質(zhì)纖維的方向性與完整性?？梢灾庇^顯示顱內(nèi)腫瘤與白質(zhì)纖維之間的關(guān)系。

4.1 各向異性（anisotropic）

在主要由神經(jīng)纖維構(gòu)成的腦白質(zhì)中，包繞軸突的髓鞘及軸突內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)成為影響水分子彌散的主要因素。水分子在垂直神經(jīng)纖維走行方向的彌散速度遠(yuǎn)小于順纖維走向的彌散。沿著纖維方向走行的彌散速度約為垂直方向速度的4倍之多。此種有很強方向依賴性的彌散稱為彌散的各向異性。DTI正是利用水分子在不同方向上彌散特性的差異，從而顯示腦白質(zhì)纖維的彌散特性及走行方向。

4.2 張量（tensor）

為了形象理解彌散張量的概念，用一個彌散橢圓球體來表述。彌散橢圓球體的三個互相垂直的主軸稱為本征向量，其三個主軸的半徑稱為本征值。其中如果三條軸線長度相等，則此種彌散稱為各向同性彌散，彌散張量可看作成球形體；而長度不相等，則此種彌散叫作各向異性彌散，彌散張量可看作成橢圓球體中最長軸代表最大的彌散值和彌散的主要方向。

4.3 DTI成像機理

DTI序列與DWI序列類似，多采用EPI成像技術(shù)，要獲得方向性特征的參數(shù)即張量，需要至少采集6個方向的彌散信息。一般多在6～55個方向施加彌散梯度，每一方向上使用相同b值（通常為1000s/mm2）計算出各個方向上的擴散張量。

4.4 DTI數(shù)據(jù)分析參數(shù)

（1）平均彌散率（mean diffusivity，MD）,它只表示彌散運動的快慢，而與彌散的方向無關(guān)。反映分子整體的彌散水平（平均橢圓球體的大小）和彌散阻力的整體情況。

（2）各向異性分?jǐn)?shù):反映分子在空間位移的程度，且與組織的方向有關(guān)。定量分析各向異性的參數(shù)有很多。其中部分各相異性（FA值）應(yīng)用最為廣泛。FA值所反映的是水分子各向異性成分占整個彌散張量的比例，其大小為0～1，0代表各向同性的彌散，1代表只在一個方向完全的各向異性彌散。FA值的大小與髓鞘的完整性、纖維致密性及平行性有關(guān)。方向性越強的纖維其各向異性程度越高，其FA值越高。在腦組織中，腦脊液的彌散為各向同性，大腦灰質(zhì)的彌散接近各向同性。

4.5 DTI的2D及3D顯示方法

從DTI的原始灰價圖像難以看出白質(zhì)束的結(jié)構(gòu)特性，目前有很多種2D及3D的顯示方法來顯示腦白質(zhì)纖維的各向異性和走行方向。

（1）FA圖：以FA值為基礎(chǔ)的FA圖是最基本的顯示白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)特性的2D圖像，能夠顯示局部白質(zhì)的各向異性程度，其亮度與各向異性的程度呈正相關(guān)，其缺點是不能顯示纖維束的方向。

（2）方向編碼的彩色圖像（directionally encoded color map，DEC圖）：DEC圖是利用成像體素內(nèi)最大本征值的本征向量的方向與纖維束走行一致的原理，顯示局部體素纖維束的方向及各向異性程度。分別以紅綠藍(lán)三色代表纖維束的方向，一般紅色代表左右走行的纖維，綠色及藍(lán)色分別代表前后及上下走行的纖維，而各種顏色亮度不同則代表彌散的各向異性程度差異。在DEC圖上可識別不同的白質(zhì)束結(jié)構(gòu)，比單純的FA圖像顯示更清晰。

（3）3D纖維束成像（fiber tractography，F(xiàn)T）：FT是在FA圖和DEC圖基礎(chǔ)上，在體研究大腦白質(zhì)纖維通道的軌跡、形狀、結(jié)構(gòu)、位置、局部解剖和它們之間相互連接的方法。能夠顯示相鄰體素之間的纖維束方向性的連續(xù)性，直觀地顯示纖維束在三維空間的結(jié)構(gòu)。近年來成為研究的熱點。

5 DTI在腦腫瘤中的應(yīng)用

應(yīng)用于腦腫瘤分析的DTI參數(shù)很多,常用的有平均彌散率(mean diffusivity,MD)和部分各向異性分?jǐn)?shù) (fractional anisotropy,FA)。MD是指MR成像體素內(nèi)各個方向的彌散幅度的均值，是對水分子彌散幅度的測量，此值的增加與腦組織含水量的增加呈明顯的線性關(guān)系，對鑒別組織水腫有重要意義。FA是最常用的描述彌散各向異性的指數(shù)，代表了水分子在彌散主向量軸上的運動強度[11]，由于腫瘤細(xì)胞破壞或取代局部腦白質(zhì)纖維束,使細(xì)胞內(nèi)外的液體滲入纖維束軸突之間,水分子在各個方向的彌散加快,各向異性程度減低;同時腫瘤組織內(nèi)部的囊變壞死,直接導(dǎo)致局部細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞而引起組織的各向異性（FA值）減低,瘤體及周圍水腫區(qū)的FA值與正常組織相比也均有不同程度的下降。

5.1 FA值與腫瘤細(xì)胞密度的關(guān)系

柏埔等將19例膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的FA值與立體定向活檢結(jié)果相對照分析發(fā)現(xiàn)FA值與腫瘤細(xì)胞密度有相關(guān)性，二者之間呈正相關(guān)。

5.2 顱內(nèi)腫瘤瘤周水腫的ADC圖與FA圖特點[5]

文獻(xiàn)報道對顱內(nèi)高級別星形細(xì)胞瘤、轉(zhuǎn)移瘤及腦膜瘤瘤周水腫的ADC圖與FA圖特點進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，T1WI上，三種不同腫瘤均呈低信號，在ADC圖上呈高信號，F(xiàn)A圖上呈低信號。雖然腦膜瘤水腫與高級別星形細(xì)胞瘤間水腫的FA值相同，與轉(zhuǎn)移瘤間FA值不同，但圖像均無顯著差異。

5.3 腦腫瘤DTI表現(xiàn)與病理診斷之間的研究

Sinha等[12]對9例高級別膠質(zhì)細(xì)胞瘤進(jìn)行了DTI研究，作者對強化腫瘤的邊緣、強化腫瘤的核心、未強化腫瘤的核心與腫瘤周邊的水腫組織分別進(jìn)行MD值的測量，同時測量正常大腦白質(zhì)纖維的MD值以進(jìn)行對照。其結(jié)果是正常大腦白質(zhì)纖維MD值最低，為(731.53±35.21)×10－6mm2/s，未強化腫瘤的核心MD值最高，為(1825.38±404.06)×10－6mm2/s，在大部分病例，水腫的腦組織的MD值高于強化腫瘤的邊緣。該作者認(rèn)為測量MD值能鑒別正常白質(zhì)纖維、水腫及增強的腫瘤邊緣。

陳增愛[13]等發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)瘤瘤體及瘤周水腫區(qū)FA值與正常組織相比均有不同程度下降，可能的原因是：

1）由于腫瘤細(xì)胞破壞或取代白質(zhì)纖維束，腫瘤細(xì)胞及水腫潛入纖維束軸突之間，水分子在各個方向的彌散加快，各向異性程度降低。

2）腫瘤組織內(nèi)部存在微囊壞死，直接導(dǎo)致了局部細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞而引起組織的各向異性程度降低。

3）瘤周水腫區(qū)FA值的下降是由于水分子進(jìn)入細(xì)胞外間隙，而細(xì)胞外間隙的擴大使得沿軸突纖維垂直方向的彌散快，各向異性程度降低，但其白質(zhì)髓鞘膜仍保持其完整性。

5.4 顯示腫瘤與周圍大腦白質(zhì)纖維的關(guān)系，指導(dǎo)外科手術(shù)

由于DTI的FA值以及纖維束成像可清晰顯示腫瘤與周圍白質(zhì)纖維的關(guān)系,顯示腫瘤附近纖維傳導(dǎo)束的變化情況,這對指導(dǎo)外科手術(shù)包括指導(dǎo)術(shù)前計劃（決定手術(shù)入路）、術(shù)中導(dǎo)航（避免損傷重要功能區(qū)及神經(jīng)傳導(dǎo)束）以及術(shù)后評估（術(shù)后效果）均具有臨床實用價值。目前DTI的纖維束成像越來越多地應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)中導(dǎo)航，指導(dǎo)最大范圍地切除腦腫瘤并有效保護(hù)重要的白質(zhì)纖維束，降低患者術(shù)后致殘率。

5.5 腫瘤所致白質(zhì)纖維束的變化類型

Holodny采用DTI描述了皮質(zhì)脊髓束與鄰近腦腫瘤的位置關(guān)系，將軸內(nèi)腫瘤其與皮質(zhì)脊髓束（CST）的關(guān)系分為三種關(guān)系：

①CST未被累及,與腫瘤之間清楚分界。②CST緊臨腫瘤,CST腫瘤細(xì)胞鏡下浸潤。③肉眼可見CST的浸潤及移位。

Witwer等將腫瘤周圍白質(zhì)束的改變分為4種：

①移位②水腫③浸潤④破壞

6 存在的問題及展望

DWI與DTI成像多采用EPI成像，EPI序列的最主要缺陷:近顱底等處的磁場不均勻性導(dǎo)致圖像變形，其次部分容積效應(yīng)影響了纖維束成像的準(zhǔn)確性，同時圖像噪聲及偽影、變形問題同樣會直接影響纖維束成像的準(zhǔn)確性。再者纖維束成像的準(zhǔn)確性評價問題，目前尚無公認(rèn)的驗證其是否準(zhǔn)確的金標(biāo)準(zhǔn)。

盡管存在一定的局限性，但DWI與DTI提供了常規(guī)MRI不能提供的信息，其中FA值已被公認(rèn)為最有意義的評價指標(biāo)，為腦腫瘤的診斷、治療和預(yù)后評價等方面提供了更好的敏感性和特異性的判斷，對腦腫瘤的診斷及治療中具有重要價值。

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