磁共振彌散成像在脊髓損傷中的應(yīng)用＊

遵義醫(yī)學(xué)院第五附屬(珠海)醫(yī)院影像科(廣東 珠海 519100)

毛銳利 陳昆濤

綜 述

磁共振彌散成像在脊髓損傷中的應(yīng)用＊

遵義醫(yī)學(xué)院第五附屬(珠海)醫(yī)院影像科(廣東 珠海 519100)

毛銳利 陳昆濤

磁共振彌散成像是近些年發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)。通過神經(jīng)組織中水分子的彌散特性，定量反映白質(zhì)纖維束的完整性及各種病變，從而在微觀水平對脊髓損傷進(jìn)行更精確的評價(jià)。磁共振彌散成像對脊髓損傷（SCI）的早期診斷、治療和預(yù)后均具有重要價(jià)值。本文對磁共振彌散成像技術(shù)在急慢性脊髓損傷中的應(yīng)用情況及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

磁共振；彌散加權(quán)成像；彌散張量成像；脊髓損傷

隨著世界各國經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，脊髓損傷發(fā)生率呈現(xiàn)逐年增高的趨勢。脊髓損傷(spinal cord injuries, SCI)是脊柱損傷最嚴(yán)重的并發(fā)癥，往往導(dǎo)致?lián)p傷節(jié)段以下肢體嚴(yán)重的功能障礙。脊髓損傷不僅會給患者本人帶來身體和心理的嚴(yán)重傷害，還會對整個(gè)社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。針對脊髓損傷的預(yù)防、治療和康復(fù)已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)界的一大課題。目前有關(guān)脊髓損傷評價(jià)和治療效果驗(yàn)證主要依靠臨床的主觀評價(jià)，缺乏客觀的功能影像學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

脊髓損傷首選的影像學(xué)檢查是MRI，但常規(guī)MRI結(jié)果與功能殘疾評價(jià)相關(guān)性差，與神經(jīng)病學(xué)及組織學(xué)損傷程度不相關(guān)聯(lián)，低估了脊髓病變程度，不能反映脊髓白質(zhì)纖維束狀態(tài),不能有效定量觀察軸突損傷及再髓鞘化過程，不適于評價(jià)脊髓的功能狀態(tài)[1-2]。常規(guī)MRI檢查在脊髓型頸椎病早期診斷中敏感度較低，T2WI顯示高信號的患者其病程多為晚期，多提示為不可逆性損傷[3]，且往往低估了脊髓損傷的程度，其與脊髓臨床功能狀態(tài)無相關(guān)性[4-6]，不能為臨床早期干預(yù)提供可靠信息。

根據(jù)急性脊髓損傷在MRI上的基本表現(xiàn)，Kulkarni等[7]將其分為出血、挫傷和水腫三類，結(jié)合MRI表現(xiàn)與患者臨床評定做了相關(guān)性分析。Frankel分級標(biāo)準(zhǔn)[8]是評價(jià)SCI預(yù)后的指標(biāo)。MRI上最常見的脊髓外傷表現(xiàn)是脊髓出血和脊髓水腫[9-10]。脊髓水腫的預(yù)后往往較好，脊髓挫傷的預(yù)后則較差，而脊髓出血往往為完全性SCI，預(yù)后很差[11-14]。因此，能夠早期準(zhǔn)確地評價(jià)脊髓損傷的情況，檢測出脊髓內(nèi)有無出血，對患者的預(yù)后評價(jià)非常重要。

1 DWI簡介

磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(diffussion·weighted irna—ging，DWI)是磁共振功能成像技術(shù)之一，能反映水分子的擴(kuò)散特性，評價(jià)水分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)分布狀況，還可以提供各部分組織的空間結(jié)構(gòu)信息。彌散是指水分子的隨機(jī)無序運(yùn)動(dòng)，也稱布朗運(yùn)動(dòng)，它為研究組織細(xì)微結(jié)構(gòu)提供可能。水分子都存在一定程度的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其方向是隨機(jī)的，而在擴(kuò)散梯度場方向上的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將造成體素信號的衰減，如果水分子在敏感梯度場方向上擴(kuò)散越自由，則在擴(kuò)散梯度場施加期間擴(kuò)散距離越大，經(jīng)歷的磁場變化也越大，組織信號衰減越明顯。DWI通過測量施加擴(kuò)散敏感梯度場前后組織發(fā)生的信號強(qiáng)度變化，來檢測組織中水分子擴(kuò)散狀態(tài)(自由度及方向)，后者可間接反映組織微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其變化。水分子運(yùn)動(dòng)的自由程度用彌散系數(shù)表示。彌散系數(shù)直接反映組織的彌散特性，為衡量生物組織中分子彌散程度的絕對值。但受限彌散、彌散時(shí)間、血流、運(yùn)動(dòng)、RF脈沖等因素均可影響測得的彌散系數(shù)?；铙w腦組織內(nèi)的水分子運(yùn)動(dòng)受各種生物膜的影響，其自由程度小于自由水分子的彌散度，故用表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)表示。ADC值越大，說明水分子的擴(kuò)散能力越強(qiáng)；ADC值越小，說明水分子的擴(kuò)散能力越弱[15]。彌散加權(quán)的程度由擴(kuò)散梯度持續(xù)時(shí)間、擴(kuò)散梯度間隔時(shí)間、施加梯度場強(qiáng)大小等因素共同決定。上述各因素綜合起來可用參數(shù)b值來表示。b值越大，對水分子運(yùn)動(dòng)的檢測越敏感，但圖像的信噪比相應(yīng)的下降。通常b值取1000s/mm3，成二組圖像：b=0和b=1000。通過結(jié)合2次以上的不同b值即可得到ADC圖。

2 DTI簡介

磁共振彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是在擴(kuò)散加權(quán)成像的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通過水分子在脊髓中的彌散運(yùn)動(dòng)，能提供疾病早期組織空間組成和病理生理狀態(tài)下各組織成分之間水交換的功能改變，并能顯示神經(jīng)纖維束的走行方向，反映脊髓束功能的完整性。張量是指固體內(nèi)三維排列的向量張力。DTI至少在6個(gè)方向上對體內(nèi)水分子的位移情況進(jìn)行測量，較擴(kuò)散加權(quán)成像能更準(zhǔn)確地反映體內(nèi)水分子的擴(kuò)散情況，顯示神經(jīng)纖維束的走行和組織的微觀結(jié)構(gòu)，并能定量分析白質(zhì)纖維束的完整性。當(dāng)水分子的運(yùn)動(dòng)不受限制時(shí)，其向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率相等，稱為彌散張量的(isotropy)各向同性，用平均彌散率(mean diffusivity，MD)來表示。由于細(xì)胞膜等超微結(jié)構(gòu)的影響，在垂直于白質(zhì)纖維束方向上的水分子擴(kuò)散程度要低于平行于纖維束方向的，稱為彌散張量的各向異性(anisotropy)，可用各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)和相對各向異性(relative anisotropy，RA)表示。FA值指水分子各向異性成份占整個(gè)擴(kuò)散張量的比例，RA值指張量各向異性與張量各向同性之比。容積比(volume ratio，VA)也是衡量彌散張量各向異性的指標(biāo)。FA、RA和VA的值在0～1之間變化。

3 DWI及DTI在脊髓損傷中的應(yīng)用

3.1 研究的有效參數(shù) 彌散的各向異性可以作為判定脊髓損傷嚴(yán)重程度和臨床治療評價(jià)的有效參數(shù)。Faenn等[16]的研究表明FA值可以作為評估脊髓急性壓迫后臨床表現(xiàn)的預(yù)測性指標(biāo)，早期FA值增高可提示有急性壓迫，如及時(shí)進(jìn)行手術(shù)可以改善預(yù)后。研究認(rèn)為，ADC值結(jié)合年齡及病變數(shù)目對預(yù)測昏迷后恢復(fù)具有較好的臨床意義[17]。在外傷與缺血的診斷中可以探測原發(fā)與繼發(fā)的神經(jīng)損傷，為預(yù)后提供指導(dǎo)[18]。

王霄英[19]在犬急性脊髓損傷后神經(jīng)前體細(xì)胞移植模型證實(shí)DTI檢測到脊髓損傷不同時(shí)期ADC值與FA的變化，可以為脊髓損傷和修復(fù)過程提供更多病理學(xué)進(jìn)展的相關(guān)信息。

Hammoud等研究結(jié)果[20]同樣表明彌散成像比常規(guī)MRI能更早、更準(zhǔn)確地顯示創(chuàng)傷性軸索損傷病灶的信號變化。

Donald等人[21]發(fā)現(xiàn)：DWI對亞急性損傷顯示優(yōu)于常規(guī)SE-T2加權(quán)圖像。傷后幾天至幾周的亞急性病灶在常規(guī)SE序列T2WI中表現(xiàn)為略高信號，但其信號強(qiáng)度明顯低于DWI，并且DWI信號的變化在亞急性期間統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著差異。

研究發(fā)現(xiàn)[22]，離體小鼠脊髓損傷10rain后，F(xiàn)A值和ADC值的改變即可在受損部位脊髓背側(cè)的白質(zhì)和灰質(zhì)淺層觀察到，而此時(shí)其他的成像方法并沒有表現(xiàn)出異常信號。

3.2 DTI研究的發(fā)展過程1999年Clark[15]首次報(bào)道將DTI技術(shù)用于人類脊髓疾病研究。Ducreux等[23]的研究表明FA值不僅能夠早期診斷脊髓受壓損傷及變性，而且能夠預(yù)測病人的病變程度。

近年來，根據(jù)一些學(xué)者的研究，正常人的脊髓DTI參數(shù)值范圍為：ADC(650-1390)×10-6mm2/s、FA(495-843)×10-3、λ1(1380-1661)×10-6mm2/s、λ2(330-639)×10-6mm2/s、λ3(310-595)×10-6mm2/s[24-25]。

陳細(xì)香等[26]采用DTI對40例影像學(xué)證實(shí)為CSM且髓內(nèi)無明顯T2高信號的患者進(jìn)行研究，其中約90%的患者脊髓受壓部位ADC值較正常部位升高，約70%的患者脊髓受壓部位FA值較正常部位降低。結(jié)果表明了DTI對CSM患者早期脊髓損傷具有較高的敏感性。

Ellingson[27]等的研究表明不管異質(zhì)性在SCI病變程度和位置，與未受傷害的相比，慢性病灶的擴(kuò)散特征均明顯升高。在慢性損傷中FA顯著降低，F(xiàn)A的出現(xiàn)依賴損傷的完整性。相反，在上頸髓的脊髓損傷的平均擴(kuò)散系數(shù)的測量值均明顯低于對照組。這些趨勢表明，脊髓損傷的長期復(fù)蘇可能會影響到整個(gè)神經(jīng)軸。這些數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)性變化的發(fā)生是脊髓創(chuàng)傷長期復(fù)蘇的結(jié)果。研究結(jié)果表明：磁共振擴(kuò)散張量成像可能對脊髓損傷的評估和復(fù)蘇有用。

陳蕾等[28]采用DTI對脊髓型頸椎病的研究顯示，在常規(guī)MRI顯示T2WI呈等信號的患者中，36%的患者頸髓相應(yīng)節(jié)段平均ADC值、平均FA值與正常組比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；64%的患者頸髓相應(yīng)節(jié)段平均ADC值較正常組明顯增高，平均FA值較正常組明顯下降。DTI顯示T2WI脊髓病變檢出的敏感度、特異度、陽性預(yù)測值、陰性預(yù)測值分別為76.56%、41.50%、78.20和39.30%。

石璐等[29]采用DTI對頸椎病脊髓損傷的研究顯示，突出椎間盤和未突出椎間盤相鄰層面的頸髓FA值和ADC值差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；不同突出程度間頸椎間盤相應(yīng)層面的頸髓ADC值和FA值差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；30例彌散張量纖維束中76.6%的患者均觀察到神經(jīng)纖維束的受壓、移位，更有11例顯示部分腹側(cè)神經(jīng)纖維束中斷。

宋清偉等[30]采用DTI對頸髓急、慢性損傷的研究顯示，與對照組相比：頸髓急、慢性損傷的FA值明顯降低，兩者的差異有顯著性；頸髓慢性損傷的ADC值明顯增高，兩者的差異有顯著性；而頸髓急性損傷的ADC值略降低，兩者的差異無顯著性。頸髓慢性損傷與頸髓急性損傷的FA值比較：頸髓急性損傷較慢性損傷的FA值明顯降低，兩者的差異有顯著性。

李旭等[31]采用DTI對無骨折脫位型頸脊髓損傷的研究顯示，與對照組相對比：無骨折脫位型頸脊髓損傷中FA值明顯降低，兩者的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而ADC值略增高，兩者的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

有研究表明，脊髓損傷后期，脊髓損傷區(qū)域與為損傷區(qū)域的ADC和FA的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與病理結(jié)果發(fā)現(xiàn)損傷區(qū)域有明顯的空洞和瘢痕形成是一致的。瘢痕的ADC值和FA值與正常組織的不同，可以作為定量檢測的標(biāo)準(zhǔn)。Ibrahim Eishsfiey[32]采用DTI研究顯示，脊髓損傷后2周FA值升高，然而2周后FA值降低，當(dāng)損傷后71d測量發(fā)現(xiàn)FA值比為損傷時(shí)略高。

彌散成像除了定量評價(jià)受損程度外，還可以通過纖維束示蹤來直觀地顯示斷裂的纖維束和殘存的纖維束。

彌散張量白質(zhì)束成像(Diffusiontens or Tractography,DTT)或稱纖維束示蹤成像技術(shù)(Fiber tractography, FT)，是在彌散張量成像的基礎(chǔ)上發(fā)展起來得一項(xiàng)新技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)后處理軟件在三維空間里對纖維束成像，可在活體中顯示纖維束的方向及完整性，是目前能夠直觀顯示活體纖維束最有效的手段[33]。DTI圖像反映腦白質(zhì)纖維素的走行方向，并可觀查白質(zhì)纖維束的方向，稱謂白質(zhì)束成像(Tractography)。腦白質(zhì)束成像可以在活體無創(chuàng)性顯示白質(zhì)纖維束的走行、病理及與腫瘤、病變等的關(guān)系等。其與功能性磁共振聯(lián)合應(yīng)用可有助于我們了解神經(jīng)纖維束的起源、行程及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系[34]，有助于進(jìn)一步了解纖維組織與中樞、周圍神經(jīng)系統(tǒng)的聯(lián)系。Schwartz[35]等利用4.7I的磁共振成像儀采用體外檢測的方法對大鼠進(jìn)行DTI和纖維示蹤，檢測到脊髓纖維束中斷裂的部分，同時(shí)還可以檢測出保留下來的部分，為臨床手術(shù)提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

磁共振彌散成像較常規(guī)MRI能更早期而準(zhǔn)確地判斷脊髓損傷的情況，是顯示脊髓損傷病變和觀察病程的有效影像學(xué)手段；能對神經(jīng)纖維的損害程度進(jìn)行定量分析；能夠早期準(zhǔn)確反映脊髓繼發(fā)性損傷的病理生理變化,對于正確、及時(shí)制定脊髓損傷后的治療計(jì)劃及評估預(yù)后、隨訪觀察具有非常重要的意義。但是，由于人類脊髓橫徑僅12mm左右，脊髓彌散成像受影響因素較多，導(dǎo)致圖像信噪比不高是需要解決的主要問題；雖然目前有關(guān)脊髓彌散成像的研究數(shù)據(jù)及臨床應(yīng)用較少，但已展現(xiàn)了彌散成像在SCI上的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。隨著磁共振成像設(shè)備硬件及軟件的不斷更新和開發(fā)，成像參數(shù)的不斷優(yōu)化，磁共振彌散成像技術(shù)將在脊髓損傷的診斷和治療上發(fā)揮越來越重要的作用。

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(本文編輯: 黎永濱)

Application of Magnetic Resonance Diffusion Imaging in Spinal Cord Injury*

MAO Rui-li, CHEN Kun-tao． Department of Imageology, Fifth Affiliated (Zhuhai) Hospital of Zunyi Medical College, Zhuhai 519100,China

Magnetic resonance diffusion imaging is a new imaging technique developed in recent years． Through the nerve tissue dispersion properties of water molecules, which can quantitatively reflects the integrity of white matter fiber tracts and various kinds of pathological changes ,thus to make a more accurate evaluation of spinal cord injury at the micro level． Magnetic resonance diffusion imaging is valuable for the diagnosis in the early stage,the treatment and the prognosis of spinal cord injury(SCI)． In this paper, the magnetic resonance diffusion imaging technology in application of acute or chronic spinal cord injury and the research progress were summarized．

Magnetic Resonance Imaging; Diffusion Weighted Imaging; Diffusion Tensor Imaging; Spinal Cord Injury

R744；R445.2

A

2014-06-12

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目（黔科合J字LKZ[2010]52號）

10.3969/j.i s s n.1672-5131.2014.04.01

陳昆濤