磁共振擴散成像及磁敏感加權成像在脊髓損傷中的應用

趙細輝陳昆濤*

磁共振擴散成像及磁敏感加權成像在脊髓損傷中的應用

趙細輝1陳昆濤2*

目前，脊髓MR成像常規(guī)檢查是診斷脊髓損傷的最佳手段，能清楚地顯示受損傷脊髓形態(tài)及信號改變，以此明確疾病，但是當MRI常規(guī)檢查出現信號改變時往往提示脊髓損傷嚴重，并非病變的早期，使得病人錯過最佳治療時期。而MR擴散加權成像（DWI）和磁敏感加權成像(SWI)對脊髓損傷的早期診斷、治療和預后均具有重要價值。對DWI及SWI在急慢性脊髓損傷中的應用情況及研究進展進行綜述。

磁共振成像；擴散加權成像；擴散張量成像；磁敏感加權成像；纖維束示蹤成像；脊髓損傷

Int J Med Radiol，2015，38（5）：423-426

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是由于各種原因導致的脊髓結構、功能的損害。損傷平面以下運動、感覺功能部分或完全喪失，是一種較常見的致殘致死率較高的疾病，傷情嚴重復雜，多發(fā)傷、復合傷較多，并發(fā)癥多，預后較差，甚至造成終生殘廢或危及生命。我國創(chuàng)傷性脊髓損傷的發(fā)病率呈現出逐年上升的趨勢。美國脊髓損傷病人平均每人一年需花費70 575美元用于治療及康復[1]。脊髓損傷造成不同程度系統(tǒng)、功能紊亂及四肢癱或截癱，繼發(fā)各種并發(fā)癥，嚴重影響病人生活質量及生命安全，盡早診斷及積極有效治療對預后具有重要意義[2]。文獻報道顯示對頸髓損傷6 h以內的病人及時治療能取得很好的效果，可改善病人生活質量，極大地提高其預后[3]。

MRI是脊髓損傷首選的檢查方法，常規(guī)MRI雖能夠直觀地顯示受壓脊髓的形態(tài)改變，但其常常低估脊髓病變程度，不能反映脊髓白質纖維束狀態(tài)，其與脊髓臨床功能狀態(tài)相關性差，MR擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）能反映脊髓損傷病理改變及水分子的擴散情況，能發(fā)現常規(guī)MRI不能顯示的病灶[4]。脊髓損傷后是否伴有微出血灶對評估病情及判斷預后有重要意義，MR血管成像能顯示較大的血管，但對小靜脈及微出血灶卻無能為力。磁敏感加權成像（susceptibility weighted imaging，SWI）是顯示組織病變出血的最敏感的脈沖序列之一[5]。SWI較傳統(tǒng)的T2*WI顯示微出血灶的部位、數目、大小更佳，對于顯示脊髓損傷的程度及制定治療方案有重要作用，應作為一種檢測微出血的常規(guī)序列[6]。

1 MR成像技術簡介

1.1 DWI 水分子在人體組織中做布朗運動，DWI反映水分子擴散的特性，獲得水分子的分布情況，反映部分組織的空間結構信息，為研究組織的微結構提供有力的幫助。擴散的自由度用擴散系數表示，活體組織內水分子受各種生物膜的限制，其自由度相對小于自由的水分子擴散程度，故用表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）作為衡量人體組織中每個測量體素水分子擴散強度的指標。ADC值越大，水分子擴散越自由，組織信號衰減越明顯；ADC值越小，擴散越受限，擴散距離越小。DWI通過測量施加擴散敏感梯度場前后組織發(fā)生的信號強度變化，來檢測組織中水分子擴散狀態(tài)（自由度及方向），可間接反映組織微觀結構特點及其變化。b值是反映MRI各成像序列對擴散運動表現的敏感程度的參數，b值越大，越敏感。通常應用的 b值在 0～1 000 s/mm2之間，擴散張量成像（magnetic tensor imaging，DTI）在大腦的應用中，b值通常選擇0和1 000 s/mm2。由于脊髓白質的有序排列，擴散速度要快于大腦，選擇低的b值可以提高信噪比，通常選擇0和500 s/mm2[7]。

1.2 DTIDTI是在DWI技術基礎上發(fā)展起來的一項新型MRI技術，能在活體中反映細微的病理生理結構的信息。平均擴散率（mean diffusivity，MD）表示擴散張量的各向同性，即水分子運動不受限制時，其向各個方向運動的概率相等。各向異性分數（fractional anisotropy，FA）代表測量體素中的擴散異性成分，垂直于纖維方向的擴散能力比平行于纖維方向的高，對體素內具有方向性的纖維的數量敏感，FA值介于0～1之間，代表各向異性。通過水分子在脊髓中的擴散，能顯示脊髓纖維束的走行方向，反映脊髓損傷的嚴重程度。脊髓的體積較小，且損傷時擴散參數的變化有時只在少數體素內，需要高的影像分辨力和低的信噪比來避免部分容積效應，傳統(tǒng)的研究常采用大量的信號平均來提高信噪比，但增加了成像時間。Haldar等[8]報道一種提高擴散影像質量及信噪比的數據重建方法，使用懲罰最大似然（penalized maximum likelihood，PML）影像重建方法，使影像邊緣也保持高的信噪比。該方法模擬健康老鼠腦的DTI、健康人不同b值腦DTI及健康人類的大腦擴散頻譜成像，均取得了很好的成像效果。Kim等[9]證實Haldar等提高信噪比的方法比傳統(tǒng)多平均數據重建法可產生更好的擴散系數和各向異性波動，且不需要采用多組信號數據，節(jié)約了成像時間。Tu等[10]對脊髓動物模型研究的結果表明，在同樣的采集時間下，平均分階段多自旋回波成像比傳統(tǒng)的自旋回波成像增加84%信噪比，因此建議脊髓損傷采用分階段多自旋回波成像來提高信噪比。

1.3 纖維束示蹤成像 （diffusion tensor tractgraphy，DTT） DTT通過三維重組直觀地顯示脊髓的纖維束形態(tài)、走行及連續(xù)性，較直接地反映了白質纖維束的損傷情況，是DTI成像技術的補充[11]。DTT可以清楚地顯示脊髓損傷部位纖維束的斷裂情況，比DTI能更直觀地描述病變的形態(tài)，區(qū)分病變與完好的纖維束[12]。

1.4 SWISWI是一種利用磁場中物質的不均勻性而引起的磁敏感性差異相位的T2*技術，以三維、高分辨力、完全流速補償及高信噪比的T2*脈沖序列技術為基礎，利用局部組織順磁性及抗磁性的特征，產生磁化率的差異，獲得SWI的相位圖，通過相位蒙片及幅度圖加權等后處理獲得磁敏感影像。SWI對組織內順磁性物質、血液產物以及小靜脈的顯示較敏感，因此在檢測隱匿性的血管疾?。ㄈ绾＞d狀血管瘤、靜脈血管瘤、毛細血管擴張等）及微出血較T2WI能提供更有效的信息，顯示出更多的病灶[13]。

2 MRI技術在脊髓損傷中的應用

2.1 DWIDWI及DTI已經被廣泛應用于腦的多種疾?。X外傷、腦腫瘤、高血壓腦病及多發(fā)性硬化等）的診斷，特別是近年來逐漸被應用于脊髓損傷的分析診斷。由于DWI能反映水分子受軸突膜限制和阻礙情況，它能作為由外傷、退行性變或其他原因引起的白質纖維束損傷潛在的標志物。但Pouw等[14]的研究發(fā)現，急性脊髓損傷后24 h以內，T2WI與DWI（b≤1 000 s/mm2）對檢測病變的有效程度沒有顯著差異。而Rangwala等[15]采用擴散時間從76～1 000 ms，b值達14 750 s/mm2，采用合適的參數對60例志愿者進行DWI掃描，發(fā)現擴散時間為1000ms時，b值在大范圍內取不同值，均能獲得有價值的信號，這些信號差異可能反映軸突的密度、直徑或走行，表明采用高b值的DWI是檢測脊髓病變的有效手段。隨著MR技術的進展，DWI技術不斷開拓新領域。Zhang等[16]對20例急性脊髓損傷后72 h內的病人行多重DWI檢查，對水腫型、出血型、混合型以及壓縮型（被硬膜外血腫擠壓）均有診斷價值，DWI有助于發(fā)現和評估脊髓損傷的早期階段，尤其是區(qū)分細胞毒性水腫和血管源性水腫。

2.2 DTI及DTT 脊髓損傷后，組織內阻止水分子擴散的屏障發(fā)生改變，DTI能快速地檢測水分子擴散運動情況，為臨床研究者提供了一種很好地檢測脊髓損傷后脊髓組織學變化的工具。Zhang等[17]對大鼠脊髓損傷模型及健康大鼠進行DWI對比發(fā)現，模型組FA值低于對照組，而ADC值則相反，FA值與ADC值呈顯著負相關性；纖維成像技術能清楚地顯示纖維束的完整性。Kim等[18]記錄脊髓損傷病人損傷區(qū)域皮質脊髓束的走行及纖維結構完整性，研究發(fā)現，病人運動功能的恢復情況是由皮質脊髓束的損傷程度及恢復情況所決定的。Koskinen等[4]報道遠離原發(fā)損傷部位的白質纖維束極有可能繼發(fā)變性。損傷部為脊髓的FA值越低，病人的運動和感覺功能越差。Jirjis等[19]也證實了這一觀點，采用大鼠脊髓損傷模型進行研究，對遠離脊髓損傷區(qū)域的未損傷脊髓進行DTI檢查發(fā)現，脊髓除原發(fā)性損傷外，在遠離損傷部位的脊髓組織也能檢測到水分子擴散情況的改變，表明脊髓繼發(fā)性損傷可能發(fā)生在整段脊髓，DTI能發(fā)現損傷部位以外的隱匿性損傷。Mulcahey等[20]研究發(fā)現頸髓損傷的病人ADC值與脊髓損傷神經學分類國際標準（international standards forneurologicalclassification ofSCI，ISNCSCI）值呈負相關性，而FA值則與ISNCSCI值呈正相關性，另有研究者[21]發(fā)現低FA值與美國脊髓損傷協(xié)會（ASIA）的運動評分、脊髓獨立測量量表Ⅲ(SCIMⅢ)相關聯(lián)，高FA值與感覺誘發(fā)電位、運動誘發(fā)電位相關，FA值降低與腦脊液的流動、神經功能的測試和誘發(fā)電位相關。這表明FA值對于判斷脊髓損傷的慢性期病變范圍及臨床分期有重要作用。Ohn等[22]對8例高壓電造成脊髓損傷的病人以及8名年齡、性別相匹配健康人作為對照，選取288個興趣區(qū)進行DTI的研究，發(fā)現與對照組比較，所有高壓電脊髓損傷病人的興趣區(qū)FA值降低，MD值升高，其差別具有統(tǒng)計學意義。DTI能反映高壓電脊髓損傷部位的擴散情況，與脊髓損傷病理生理學相一致。Robert等[23]觀察脊髓DTI與具體的臨床功能(如手指的振動覺閾值、25英尺距離步行實驗及擴展殘疾狀態(tài)評分等)之間的關系，發(fā)現除手指震動閾值FA值及MD值與皮質脊髓側束相關性差之外（MD，P=0.29；FA，P=0.14），其余臨床功能與脊髓后柱及皮質脊髓側束均有較好的相關性（均P＜0.0001）。這一結果表明FA值與MD值與臨床的預后有高度的一致性，能反映臨床功能的水平。

2.3 SWI 臨床上SWI最早應用于腦的研究。微出血是脊髓損傷常見的病理表現，SWI能檢測出腦損傷的出血部位、出血灶的數目和大小。SWI能根據病人的出血情況預測病人的臨床過程和結果，是一種很有前途的檢查方法。將來它可以應用于不同類型的機械力和各種分析顱腦外傷的類型和程度的損傷[24]。Liu等[25]收集23例腦損傷病人的磁敏感加權影像分析發(fā)現，SWI對檢測直徑10 mm微出血的能力比檢測深靜脈高，其特異度為92%～97%，敏感度為84%～92%。SWI對脊髓損傷的研究尚處于探索階段。Wang等[26]對16例有急性頸椎外傷病史的病人行常規(guī)MRI及高分辨SWI檢查，常規(guī)MRI僅檢出其中的4例有脊髓出血，另2例顯示為脊髓挫傷，而SWI和T2*WI顯示6例有脊髓出血，表明常規(guī)MRI的T1WI和T2WI在顯示脊髓水腫和挫傷方面很有優(yōu)勢，但在檢出脊髓出血方面不夠敏感。SWI在檢測脊髓出血方面更敏感，可用于頸髓損傷病人的常規(guī)檢查。孔等[27]對21例脊髓急性外傷出血的病人行MRI檢查，研究中21例脊髓挫裂傷常規(guī)快速自旋回波-T2WI均顯示水腫征象，其中6例脊髓挫裂傷在常規(guī)MR序列上均未見出血征象；7例脊髓挫裂傷僅在SWI顯示低信號出血征象；8例脊髓挫裂傷在SWI顯示明顯的局灶性低信號出血征象。表明SWI對脊髓外傷微出血的顯示明顯優(yōu)于常規(guī)MRI，對評估病情、判斷預后均有重要意義。

3 局限性及展望

由于脊髓體積小，形態(tài)不規(guī)則，所處解剖位置較深，呼吸也會產生偽影，并且DTI成像序列對磁場不均勻性的敏感性高，使影像易變形及缺失，而DTT的影像質量也有待提高。SWI有時也會產生骨結構、骨折片有關的磁敏感偽影，干擾脊髓出血的顯示，噪聲及呼吸偽影均較大。

隨著MR成像設備硬件及軟件的不斷更新和開發(fā)，利用擴散光譜成像（diffusion spectrum imaging，DSI）能描繪出動物的白質纖維束的形態(tài)改變，還能顯示出DTI不能顯示的復雜交叉的神經纖維束[28-29]?；?DTI基礎上延伸的擴散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）技術也逐步應用于脊髓損傷，DKI較DTI技術更適合掌握組織微觀結構的變化[30]。雖然目前DTI聯(lián)合SWI檢測脊髓損傷的研究較少，但已經顯示出巨大的潛力。常規(guī)MRI結合DTI及SWI可以在急性期檢查出脊髓的出血與水腫，還可以在脊髓亞急性期評估脊髓永久性損傷的程度。DTI及SWI將成為常規(guī)MRI的重要補充，為脊髓損傷早期診斷、病變程度及預后判斷提供影像診斷依據。

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（收稿2015-04-20）

Applications of magnetic resonance diffusion imaging and magnetic susceptibility weighted imaging in spinal cord injury

ZHAO Xihui1,CHEN Kuntao2.1 Zunyi Medical College,Zhuhai 519100,China;2
Department of Radiology, Fifth Affiliated(Zhuhai)Hospital of Zunyi Medical College

Nowadays,traditional MRI is the best tool for the diagnosis of spinal cord injury,which can clearly identify the spinal cord injury by detecting the morphological and signal changes.However,when traditional MRI detects the signal change,indicative of a serious myelo injury,it is too late for treatment.Magnetic diffusion imaging and magnetic susceptibility weighted imaging(SWI)have values for the early diagnosis,treatment and prognosis of spinal cord injury.In this paper,we reviewed the applications of DTI and SWI in the acute or chronic spinal cord injury and the research progress.

Magnetic resonance imaging;Diffusion weighted imaging;Diffusion tensor imaging;Susceptibility weighted imaging;Diffusion tensor tractgraphy;Spinal cord injury

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.05.Z0502

1遵義醫(yī)學院，珠海 519100；2遵義醫(yī)學院第五附屬珠海醫(yī)院影像科

陳昆濤，E-mail:zy5yyx@126.com

*審校者

貴州省科學技術基金（黔科合J字LKZ[2010]52號）