磁共振彌散張量成像在頸髓中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

劉 璐(綜述)，閆 東(審校)

(昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院放射科，昆明650101)

磁共振成像因其諸多優(yōu)勢一直是研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要工具。脊髓是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，脊髓病變常會(huì)給患者帶來嚴(yán)重的功能障礙。盡管常規(guī)磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)能清晰顯示脊髓形態(tài)及信號(hào)的改變，但是對(duì)脊髓輕度變性和微結(jié)構(gòu)改變敏感性低，難以用于評(píng)價(jià)脊髓的功能狀態(tài)，且不能定量評(píng)價(jià)脊髓微結(jié)構(gòu)改變。因此探尋一種敏感、無創(chuàng)的方法來評(píng)價(jià)脊髓病變尤其是微小結(jié)構(gòu)改變是非常重要的，以便能提供疾病早期診斷的信息，有利于患者及時(shí)、有效的治療。彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是在磁共振彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的成像方法，它利用組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)存在各向異性的原理，探測組織微觀結(jié)構(gòu)。近年來，由于MRI技術(shù)的飛速發(fā)展，DTI技術(shù)不再局限于腦部疾病的研究，已延伸到腦外疾病的研究，脊髓就是其中研究之一，但脊髓的DTI研究國內(nèi)外尚不多見［1-3］。現(xiàn)就DTI的原理及其目前在脊髓疾病的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 DTI的基本原理

1827年Robert Brown發(fā)現(xiàn)分子或微觀粒子與周圍分子或微觀粒子發(fā)生的各種無規(guī)則的碰撞，每次碰撞都是隨機(jī)的，這種無規(guī)律的運(yùn)動(dòng)稱之為布朗運(yùn)動(dòng)［4］。人體中含有70%的水，水分子無時(shí)無刻不處于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)之中，這種運(yùn)動(dòng)即為彌散。常規(guī)MRI序列中水分子彌散運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)信號(hào)的影像非常小。DWI是在常規(guī)MRI序列的基礎(chǔ)上，在X、Y、Z軸三個(gè)互相垂直的方向上施加彌散敏感梯度，從而獲得反映體內(nèi)水分子彌散運(yùn)動(dòng)狀況的MR圖像。其計(jì)算公式為:A=exp(－bD)［5］。A代表彌散運(yùn)動(dòng)引起的MRI信號(hào)衰減;D為彌散系數(shù)，反映彌散運(yùn)動(dòng)的快慢，單位為mm2/s;b為彌散因子，單位為s/mm2。在DWI中通常以表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)描述組織中水分子彌散的快慢。在均一狀態(tài)下，水分子隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向進(jìn)行的概率和速度均相同，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似一球形體，稱為各向同性。但在人體生理?xiàng)l件下，水分子的自由運(yùn)動(dòng)受多種因素的影響，使其三位空間內(nèi)各個(gè)方向上的彌散運(yùn)動(dòng)的快慢不同，以至一個(gè)方向上的彌散比另一個(gè)方向上受到更多的限制，方向依賴性很強(qiáng)，稱之為各向異性［6］，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似一個(gè)橢球體。橢球體的半徑稱為本征向量，其數(shù)值大小為本征值。由于DWI和ADC值只反映了三個(gè)施加彌散敏感梯度方向上彌散運(yùn)動(dòng)的快慢，不能反映彌散的各向異性。因此，為全面反映體內(nèi)水分子的彌散各向異性就需要張量這一概念。向量既具有大小又具有方向，通常使用的矢量是具有x、y、z的三個(gè)方向向量，而張量是高階的向量矩陣，具有9個(gè)方向(xx、xy、xz、yx、yy、yz、zx、zy、zz)。其中xx為在x方向上的運(yùn)動(dòng)，xy為在x方向上相對(duì)于y方向的運(yùn)動(dòng)，其他方向以此類推。張量的9個(gè)方向使其可以對(duì)水分子的彌散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更加精細(xì)和準(zhǔn)確的描述。彌散張量成像是在DWI基礎(chǔ)上6～55個(gè)非線性方向的梯度磁場獲得彌散張量圖像，在180o脈沖前后相應(yīng)的Gx、Gy、 Gz三個(gè)梯度磁場上施加2個(gè)對(duì)稱的斜方形彌散敏感梯度磁場，同時(shí)于相應(yīng)的6個(gè)方向序貫施加彌散梯度，并對(duì)基礎(chǔ)平面回波T2加權(quán)像(T2 weighted imaging-echo planar imaging，T2WI-EPI)及平面回波彌散加權(quán)像(diffusion weighted imaging-echo planar imaging，DWI-EPI)進(jìn)行多次采集后信號(hào)平均，獲取較高信噪比的彌散張量圖像。其主要參數(shù)包括:平均彌散系數(shù)，代表每一像素的各個(gè)方向彌散張量的本征值的平均值，能夠更加全面地反映彌散運(yùn)動(dòng)的快慢;各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、相對(duì)各向異性、容積比，均代表水分子彌散運(yùn)動(dòng)各向異性大小的參數(shù)，分別可建立FA、相對(duì)各向異性、容積比圖，F(xiàn)A比相對(duì)各向異性敏感，因此臨床較為常用。纖維跟蹤技術(shù)(fiber tractography)是利用彌散張量數(shù)據(jù)，在活體上三維顯示纖維束的無創(chuàng)性成像方法，其主要基于兩大類神經(jīng)纖維跟蹤的算法，從而得彌散張量纖維束成像(diffusion tensor tractography，DTT)［6］。

2 DTI在脊髓中的研究與應(yīng)用

2.1 正常脊髓DTI 脊髓位于椎管內(nèi)，呈圓柱形，前后稍偏，外包被膜，它與脊柱的彎曲一致。脊髓的白質(zhì)主要由神經(jīng)纖維組成，這些結(jié)構(gòu)是影響水分子彌散的主要因素。人類最早將DWI技術(shù)應(yīng)用于脊髓是在1999年，Clark等［7］使用矢狀面常規(guī)自旋回波序列，采用導(dǎo)航回波及心電門控技術(shù)以減少偽影，但圖像質(zhì)量一般。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于正常人頸髓做了一些DTI研究，其結(jié)果顯示略有不同［8-10］:ADC值范圍在(0.712～1.050)×10－3mm2/s;FA值范圍在(0.541～0.751)×10－3。有研究顯示［8］，C2～3、C4～5、C6～7的平均彌散系數(shù)值及FA值的差別均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。國內(nèi)外在正常頸髓DTI研究方面還處于初期階段，尚存在爭議且各參數(shù)值無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 脊髓損傷 脊髓損傷是指由于外界直接或間接因素導(dǎo)致脊髓損傷，由損傷的相應(yīng)節(jié)段導(dǎo)致各種運(yùn)動(dòng)、感覺和括約肌功能障礙，以及肌張力異常及病理反射等。脊髓損傷可分為原發(fā)性脊髓損傷與繼發(fā)性脊髓損傷。前者是指外力直接或間接作用于脊髓所造成的損傷。后者是指外力所造成的脊髓水腫、椎管內(nèi)小血管出血形成血腫、壓縮性骨折以及破碎的椎間盤組織等形成脊髓壓迫所造成的脊髓進(jìn)一步損害。Kim等［11］建立了脊髓急性損傷的小鼠動(dòng)物模型，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組均在3 h內(nèi)行DTI檢查，結(jié)果顯示DTI檢查可以預(yù)測預(yù)后情況。Fujiyoshi等［12］將纖維示蹤圖應(yīng)用于脊髓損傷猴子動(dòng)物模型，DTT清楚地顯示脊髓的投射系統(tǒng)，如皮質(zhì)脊髓束和傳入纖維，也可以顯示已經(jīng)離斷的纖維束，提示此項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于活體生物，在臨床應(yīng)用也是可行的。Ellingson等［13］用10例脊髓損傷＞4年的患者和13例健康志愿者做DTI對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，慢性損傷者FA值明顯下降。Shanmuganathan等［14］研究表明，在脊髓受傷部位ADC值和FA值明顯下降。脊髓急性損傷的動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，DTI不僅可以直觀的數(shù)值顯示損傷情況，而且可以預(yù)測長期的運(yùn)動(dòng)康復(fù)情況。但DTI應(yīng)用于人類尚需克服一些困難，比如掃描時(shí)間長、患者能否耐受以及急性脊髓損傷患者的數(shù)據(jù)采集問題。

2.3 頸椎病 頸椎病又稱頸椎綜合征，是頸椎骨關(guān)節(jié)炎、增生性頸椎炎、頸神經(jīng)根綜合征、頸椎間盤脫出癥的總稱，是一種以退行性病理改變?yōu)榛A(chǔ)的疾患。脊髓型頸椎病是中老年人的常見病，慢性的持續(xù)性的壓迫造成脊髓受壓和缺血，引起脊髓器質(zhì)性和功能性損害，此時(shí)髓內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)增加，導(dǎo)致脊髓內(nèi)水分子的各向異性發(fā)生變化，從而引起DTI的信號(hào)改變。武樂斌等［15］認(rèn)為，在頸髓病變T2WI中高信號(hào)的患者均出現(xiàn)頸髓受壓平面ADC值升高，F(xiàn)A值下降;T2WI信號(hào)正常的患者中有68%頸髓受壓平面ADC值升高，F(xiàn)A值下降;DTI的敏感度比常規(guī)T2WI高。劉秀香等［16］應(yīng)用3.0TMR儀將患者根據(jù)病情及常規(guī)平掃的信號(hào)分組進(jìn)行分析，結(jié)果顯示脊髓型頸椎病組的FA值較對(duì)照組低，縱向彌散系數(shù)(λ1)、橫向平均彌散系數(shù)(λ┷)及平均彌散系數(shù)較對(duì)照組高，其中FA及λ┷較為敏感。DTI應(yīng)用于頸椎病是近年來研究的熱點(diǎn)之一，DTI可以在常規(guī)MRI發(fā)現(xiàn)病變之前更早地發(fā)現(xiàn)病變，這對(duì)于疾病的早期治療和干預(yù)疾病的發(fā)展有重要作用。

2.4 脊髓炎癥 脊髓炎癥是指由病原體感染所致的脊髓灰質(zhì)和(或)白質(zhì)的炎性病變，以病變水平以下肢體癱瘓、感覺障礙和自主神經(jīng)功能障礙為其臨床特征。臨床上雖有急性、亞急性和慢性等不同的表現(xiàn)形式，但在病理學(xué)上均有病變部位神經(jīng)細(xì)胞變性、壞死、缺失;白質(zhì)中髓鞘脫失、炎性細(xì)胞浸潤、膠質(zhì)細(xì)胞增生等改變。而DTI對(duì)這些病理改變較常規(guī)MRI更為敏感。Renoux等［17］研究表明，T2WI信號(hào)異常位置FA值明顯下降，60%的患者T2WI信號(hào)正常而FA值下降，80%的患者有多處FA值下降區(qū)域，33%的患者T2WI信號(hào)正常而FA值升高。Lee等［18］對(duì)原發(fā)性急性橫貫性脊髓炎進(jìn)行研究，測量FA值下降，其值的減少與臨床癥狀呈相關(guān)關(guān)系。脊髓炎癥病變區(qū)域FA值的改變已經(jīng)得到研究證實(shí)，其數(shù)值的改變與臨床癥狀相關(guān)性更有利于臨床的指導(dǎo)意義。

2.5 脊髓多發(fā)性硬化 多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)是脫髓鞘性疾病，常累及脊髓，脊髓的破壞是引起殘疾的一個(gè)重要原因。常規(guī)MRI檢查MS在 T2WI呈高信號(hào)病灶，急性期T1WI呈低信號(hào)代表血管源性水腫，慢性期T1WI呈低信號(hào)病灶代表不可逆的組織損傷。增強(qiáng)掃描多數(shù)MS新病灶強(qiáng)化，其中的95%維持時(shí)間短于8周，強(qiáng)化的病灶為局部血腦屏障發(fā)生破壞后的活動(dòng)性病灶，強(qiáng)化最初呈均一致的結(jié)節(jié)狀，數(shù)天至數(shù)周后變?yōu)榄h(huán)形邊緣強(qiáng)化，再經(jīng)數(shù)周強(qiáng)化消失。Cruz等［19］研究顯示，在MS患者，F(xiàn)A值較正常對(duì)照組下降，在T2WI無明顯異常的患者FA值也減低。常規(guī)MRI檢查發(fā)現(xiàn)的病灶很難解釋嚴(yán)重的臨床癥狀，而DTI檢查FA值的變化可為此提供有價(jià)值的信息。Agosta等［20］研究顯示脊髓功能的改變是因?yàn)橹虚g神經(jīng)元的損傷，這是一個(gè)復(fù)雜的不斷積蓄的過程，進(jìn)而導(dǎo)致患者不可逆性殘疾。MRI是診斷MS的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，但目前診斷標(biāo)準(zhǔn)僅限于常規(guī)MRI，結(jié)合 DTI可為 MS預(yù)后提供更多有價(jià)值的信息。

2.6 脊髓腫瘤 脊髓腫瘤是指脊髓本身及椎管內(nèi)和脊髓相鄰近的組織結(jié)構(gòu)的原發(fā)性腫瘤及轉(zhuǎn)移性腫瘤的統(tǒng)稱。脊髓腫瘤常造成白質(zhì)纖維束的受壓和(或)破壞，病變處白質(zhì)束稀疏、正常走行結(jié)構(gòu)的改變和丟失。DTI纖維示蹤成像技術(shù)可顯示白質(zhì)束的改變，對(duì)于外科術(shù)前及術(shù)后的評(píng)估均有幫助。Inglis等［21］建立的膠質(zhì)瘤動(dòng)物模型中腫瘤的擴(kuò)散參數(shù)與正?；野踪|(zhì)有明顯差別。Ducreux等［22］將3D纖維示蹤重建技術(shù)應(yīng)用于低級(jí)脊髓星形細(xì)胞瘤的分析，DTT圖像提供了更多有價(jià)值的信息。

2.7 脊髓其他疾病 肌萎縮性側(cè)索硬化是一種有嚴(yán)重頸髓損傷的神經(jīng)變性疾病，主要為皮質(zhì)脊髓束的變性以及低級(jí)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的缺失。Valsasina等［23］的研究顯示其FA值較正常下降，F(xiàn)A值與肌萎縮性側(cè)索硬化功能評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)程度較高，DTI對(duì)監(jiān)視病情的發(fā)展非常有用。Ozanne等［24］利用DTI的纖維示蹤技術(shù)為脊髓內(nèi)動(dòng)靜脈畸形的研究開辟了一扇新窗。

3 不足之處

雖然DTI提供一個(gè)全面的、非侵入性脊髓的功能圖，并可量化信息，但也存在諸多的問題和不足，部分容積效應(yīng)和非高斯擴(kuò)散是DTI主要的兩個(gè)缺點(diǎn)［25］。人類脊髓橫徑僅12 mm，想要獲得清晰的DTI圖像需要更高的空間分辨率。DTI可顯示組織的微觀結(jié)構(gòu)，但其高敏感性也導(dǎo)致其在用于活體時(shí)更容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，采用各種方法減少偽影對(duì)于DTI成像非常重要［26］。此外，現(xiàn)有脊髓DTI掃描序列大多數(shù)由頭部修改，沒有特定的脊髓掃描序列，纖維束示蹤成像圖像質(zhì)量還有待提高。目前正常脊髓DTI各參數(shù)值尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)脊髓疾病的研究也相對(duì)較少，因此尚需大樣本研究積累數(shù)據(jù)。

綜上所述，盡管DTI在脊髓的應(yīng)用還存在諸多不足，但目前的研究已經(jīng)顯示脊髓DTI具有廣闊的發(fā)展前景［27］。隨著MRI軟硬件發(fā)展、技術(shù)的改進(jìn)，DTI將為脊髓疾病提供更多有價(jià)值的信息，在脊髓疾病的診斷、預(yù)后中發(fā)揮更重要的作用。

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