擴散張量成像在脊髓病變中的應用進展

曹　磊(綜述)，劉向東，吳文娟(審校)

(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院放射科，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

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擴散張量成像在脊髓病變中的應用進展

曹磊(綜述)，劉向東，吳文娟*(審校)

(河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院放射科，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

脊髓疾??；彌散磁共振成像；綜述文獻doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.06.035

擴散張量成像(diffusion weighted imaging,DTI)利用人體內(nèi)水分子自由熱運動的各向異性原理，反映組織微觀結構，是目前唯一可在活體內(nèi)顯示白質(zhì)纖維束的無創(chuàng)性成像方法。主要用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究和臨床診斷，探討白質(zhì)纖維束的走向，并對人體內(nèi)水分子的擴散方向和速率進行量化，為臨床和基礎研究提供可靠的數(shù)據(jù)。現(xiàn)就DTI的成像原理及在脊髓病變中的研究進展闡述如下。

1　DTI基本原理

1.1擴散現(xiàn)象擴散是由于分子熱運動產(chǎn)生的質(zhì)量遷移現(xiàn)象，在人體中，水的比重大約占70%，水分子的擴散運動是人體重要的生理活動。水分子的擴散運動是磁共振的成像基礎。擴散主要有2種形式：一種是水分子擴散不受任何影響，在各個方向上的擴散概率是相同的，稱為各向同性；另一種是水分子擴散受多種因素的影響，在各個方向上的擴散概率是不同的，稱為各向異性。在體內(nèi)由于不同的組織結構和細胞膜的影響，大部分水分子擴散的方向和速率是不同的，這種差異正是DTI成像的基礎，并被其所檢測并轉化成圖像和各參數(shù)值[1]。

1.2DTIDTI是在擴散加權的基礎上發(fā)展而來的一種新技術。擴散加權成像是利用擴散敏感梯度脈沖將水分子擴散效應擴大，以研究不同組織中水分子運動的差異。DWI成像只是在X、Y、Z軸3個方向上施加敏感梯度，不能完全、正確地評價不同組織在三維空間內(nèi)的擴散情況，組織各向異性往往被低估，DTI則可以在三維空間內(nèi)定量分析組織的擴散特性，為了描述水分子的空間擴散情況，引入了張量的概念，腦白質(zhì)中的每一個體素的各向異性擴散過程都可以用張量D表示，用高斯分布表示6個方向標量，此時張量D是一個3×3矩陣。均質(zhì)介質(zhì)中水分子自由運動為各向同性，此時張量D可以描述為球形；在腦白質(zhì)中由于髓鞘擴散被限制在與纖維走形一致的方向上，具有較高的各向異性，此時張量可以描述為橢球形。二階張量具有對稱性，Dxy=Dyx，Dxz=Dzx，Dyz=Dzy，因此只需要計算6個變量，也就是至少在6個不同非共線方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同樣參數(shù)未施加敏感梯度的圖像，從擴散加權像和非擴散加權像的信號強度衰減差異中得到6幅表觀擴散系數(shù)圖，得到一個六元一次方程組，然后利用圖像求得每個體素的有效擴散張量D，理論上6個方向就可以，但是由于噪聲的存在，方向數(shù)越多，數(shù)據(jù)越準確。

2　脊髓DTI技術

2.1掃描序列目前國內(nèi)外學者進行脊髓DTI成像較常用、較成熟的技術是單次激發(fā)回波平面成像(single shot echo planar imaging,SS-EPI )和多次激發(fā)回波平面成像(multiple shot echo planar imaging,MS-EPI )。SS-EPI在一次射頻(radio frequency，RF)激勵脈沖后完成全部K空間的填充，重建出一幅完整的圖像，成像速度快，絕大多數(shù)的宏觀運動可以忽略不計[2]。優(yōu)點是成像速度快、運動偽影不敏感,缺點是磁化率偽影大、圖像易失真、信噪比差。MS-EPI是多次RF激勵脈沖的回波信息完成K空間的填充，提高了圖像信噪比，降低了磁化率偽影，但掃描時間延長，對運動偽影敏感。

2.2體脊髓DTI掃描方法①掃描層面的選擇：目前常用的是矢狀位和軸位，矢狀位掃描范圍較大，病變顯示更直觀，但是腦脊液易產(chǎn)生偽影，圖像質(zhì)量較差，扭曲、變形較嚴重，灰白質(zhì)分界不清，測量不準確。軸位掃描范圍較小，顯示病變不夠直觀，但是不易受腦脊液干擾，圖像質(zhì)量較好，無明顯扭曲、變形。②擴散梯度強度(b值)的選擇：b值表示梯度場的時間、幅度、形狀，DTI必須獲得一個非擴散加權圖像(b=0時)，b值越高，信噪比越差，得到的信息越少；但b值過低圖像對比度差。頸髓的擴散過程較快，正常頸髓DTI過程中，要適當降低擴散梯度強度，才能獲得信號比較適中的圖像，一般取b值為0、800。③擴散敏感梯度方向數(shù)：至少為6個，脊髓擴散各向異性較明顯，應選擇較多擴散敏感梯度方向數(shù)以更好顯示脊髓擴散情況，雖然梯度場方向和數(shù)量越大，信噪比越高，但導致掃描時間延長，易引起較大運動偽影。④層厚：層厚越厚，圖像信噪比越高，容積效應越大，層厚越薄，圖像信噪比越差。⑤激勵次數(shù)(number of excitation,NEX)：NEX的平方根與圖像信噪比成正比，隨著NEX增加，圖像信噪比增加，空間分辨率下降，掃描時間延長。⑥掃描前應進行手動勻場，并設置脂肪抑制，提高頸髓DTI圖像質(zhì)量。陳細香等[3]對頸髓DTI不同掃描參數(shù)的研究結果顯示，b值為 700 mm2/s、擴散敏感梯度方向數(shù)為25個、NEX為4和層厚為4 mm是頸髓 DTI 較好的掃描參數(shù)。

2.3擴散張量纖維示蹤技術(diffusion tensor tractography，DTT)通過計算機軟件對DTI所得各向異性的方向及速度進行纖維束三維成像，是目前唯一可在活體內(nèi)顯示脊髓纖維束的無創(chuàng)性成像技術。一般纖維追蹤方法分為線性延伸法和能量最小法，線性延伸法是目前應用較廣泛的纖維追蹤方法。DTT圖像中,水分子的擴散方向用顏色代表，一般左右擴散用紅色表示，前后方向用綠色表示，頭尾方向用藍色表示[4]，脊髓纖維束表現(xiàn)為頭尾方向均勻藍色一束。

目前脊髓DTI應用于臨床還存在許多挑戰(zhàn)。①磁化率的影響：脊髓周圍組織如腦脊液、椎體及附件、氣管等結構由于磁化率差異造成外加磁場的不均勻，導致成像時嚴重的圖像失真。②運動偽影：DTI對運動特別敏感，如頸動脈、主動脈波動，呼吸運動和腦脊液流動，可能會導致重影。③脊髓體積小：脊髓中心為灰質(zhì)，外周是白質(zhì)和腦脊液，頸髓平均橫斷面直徑約12 mm，所以要求高分辨率以減少體積效應。

3　DTI在脊髓損傷中的應用

3.1DTI用于脊髓的定量指標最常用的指標包括表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)、各向異性分數(shù)(fractional anisotropy,FA)、平均擴散率(mean diffusion,MD)、相對各向異性(relative anisotropy,RA)等。ADC反映水分子在組織內(nèi)的擴散強度，擴散強度越高，ADC越高；FA反映水分子在組織內(nèi)的擴散方向，在0～1之間波動，在神經(jīng)元完整的情況下，F(xiàn)A越接近1，當軸突細胞膜受損，在這一水平擴散就變成不受限制或各向同性，F(xiàn)A就降低；擴散張量的3個本征值λ1、λ2、λ3，λ1代表體素中平行于纖維方向的擴散系數(shù)即(λ∥)，λ2、λ3分別代表橫向擴散系數(shù)即(λ⊥=λ2+λ3/2)[5]，MD是本征值的平均數(shù)，描述的整體的擴散距離。

3.2頸椎病頸椎病是中老年人的常見病、多發(fā)病。表現(xiàn)為頸椎間盤退變本身及其繼發(fā)性的一系列病理改變，如椎節(jié)失穩(wěn)、髓核突出或脫出、骨贅形成、韌帶肥厚和繼發(fā)性椎管狹窄等，刺激和壓迫脊髓、椎動脈等組織，造成脊髓供血障礙，導致膠質(zhì)增生、細胞水腫、脫髓鞘、脊髓軟化等病理改變，影響脊髓內(nèi)水分子的運動，致使脊髓內(nèi)水分子擴散的各向異性發(fā)生變化，從而引起DTI信號的改變。Song等[6]對53例頸椎病患者行常規(guī)MR和DTI檢查，常規(guī)MRI(T2WI)發(fā)現(xiàn)24例脊髓內(nèi)有異常信號，而DTI圖像上發(fā)現(xiàn)39例脊髓內(nèi)有異常信號，并且脊髓受壓的部位FA值減低，ADC升高，與正常志愿者比較差異有統(tǒng)計學意義。大部分學者認為脊髓慢性損傷時，F(xiàn)A值減低，ADC值升高[7-8]。Hori等[9]報道有臨床癥狀但T2WI上無信號異常的頸椎病患者，其FA、ADC值也有變化，提示DTI較常規(guī)T2WI更敏感。Xiangshui等[10]對脊髓型頸椎病患者進行了研究,認為在評價慢性脊髓損傷方面DTI較常規(guī)MRI敏感，ADC值和FA值是定量評估脊髓神經(jīng)細胞破壞的敏感指標，本征值λ可以反映脊髓組織不同方向水分子擴散能力的變化，DTI能直觀無創(chuàng)性地顯示神經(jīng)纖維束的走形及受壓程度。Budzik等[11]進行脊髓型頸椎病的DTI研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A值與患者神經(jīng)功能日本矯形外科協(xié)會(Japanese Orthopaedic Association,JOA)評分明顯相關，然而T2WI脊髓內(nèi)高信號與DTI參數(shù)和JOA評分不相關。Chang 等[12]對10例慢性脊髓損傷患者與10例健康人進行DTI檢查,測量每個節(jié)段的DTI參數(shù)(FA、ADC)，進行脊髓纖維束追蹤,并用國際標準ISCSCI(International Standards for the Neurological Classification of Spinal Cord Injury) 對所有患者的臨床運動與感覺損害進行評估,結果發(fā)現(xiàn)實驗組中常規(guī)MRI表現(xiàn)與臨床癥狀和DTI值不相關,FA值與運動功能相關，認為DTI對脊髓損傷的評價更詳細和準確，有巨大的潛力。

3.3頸椎外傷急性頸椎創(chuàng)傷常伴發(fā)脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)，是一種高致殘性疾病，常常引起患者感覺、運動功能障礙。脊髓損傷后的病理過程非常復雜，脊髓水腫、壞死、出血，軸突損傷，髓鞘脫失及膠質(zhì)細胞增生修復等病理改變都會引起水分子擴散各向異性的變化，DTI對脊髓內(nèi)水分子擴散速率和方向進行量化，能夠敏感地探測水分子擴散各向異性的變化，從而能夠顯示活體脊髓內(nèi)細微結構的改變。王霄英等[13-14]制作胸12脊髓左半橫斷損傷模型，用DTI觀察脊髓損傷后的形態(tài)和功能改變，發(fā)現(xiàn)脊髓急性損傷后ADC升高，F(xiàn)A值降低；隨后又用DTI技術觀察神經(jīng)前體細胞移植對犬急性脊髓損傷的影響，發(fā)現(xiàn)移植后FA有所升高，ADC值有所下降；還通過植入可降解支架和神經(jīng)干細胞對脊髓損傷進行修復，發(fā)現(xiàn)修復組脊髓左右側FA、ADC值差異無統(tǒng)計學意義，得出結論DTI在觀察實驗性脊髓損傷和修復過程中有重要價值。楊蔚等[15]研究了DTI在急性頸髓損傷中的應用價值，發(fā)現(xiàn)常規(guī)MRI陰性但臨床癥狀較重的患者，F(xiàn)A、ADC值均有明顯改變，認為FA、ADC值與神經(jīng)功能改變有相關性，評價頸髓損傷較常規(guī)MRI更準確更敏感。Cheran等[16]對急性頸髓損傷患者進行DTI檢查，分析病例組DTI各參數(shù)的變化級與神經(jīng)功能評分的相關性，結果提示DTI參數(shù)值能很好地反映脊髓損傷的程度，并且非出血性脊髓損傷中DTI參數(shù)與神經(jīng)功能評分有很好的相關性。Kim等[17]對小鼠急性脊髓損傷后3 h進行DTI研究，認為脊髓軸向擴散系數(shù)可以準確預測運動功能恢復情況。一般認為橫向的擴散反映髓鞘的狀態(tài)，縱向的擴散反映軸突完整性。Herrera等[18]研究了脊髓損傷與組織學之間的相關性，通過對鋸齒類動物脊髓損傷后4、8周組織學進行定量分析，采用特定的抗體對髓鞘和軸索進行處理，計算表達面積百分比，并對組織學與λ⊥、λ∥進行相關性研究，得出在大部分區(qū)域λ⊥與脫髓鞘呈負相關、λ∥與軸索不相關的結論。Kozlowski等[19]探討了組織學與定量MRI分析的相關性,選取有代表性的免疫標記物對軸索和鞘磷脂進行標記,并測量FA、ADC、本征值λ等指標,研究發(fā)現(xiàn)定量MRI分析能準確反映白質(zhì)損傷改變。

4　總結與展望

隨著越來越多的脊髓DTI研究不斷深入，在檢測脊髓損傷方面DTI較常規(guī)MRI敏感基本已經(jīng)得到了廣泛的認可，但是對于脊髓損傷后DTI參數(shù)值如何變化、不同損傷類型DTI參數(shù)的變化及其與神經(jīng)癥狀的相關性還存在不同觀點，隨著高場磁共振的開發(fā)，掃描技術及后處理技術的成熟，DTI圖像及纖維示蹤圖像質(zhì)量的提高，DTI在評價脊髓損傷、幫助設計治療計劃和判斷預后方面將會發(fā)揮越來越大的作用。

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(本文編輯：趙麗潔)

2015-03-17；

2015-04-13

河北省科學技術研究與發(fā)展計劃(13277773D)

曹磊(1988-)，男，河北景縣人，河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院醫(yī)師，醫(yī)學碩士，從事醫(yī)學影像與核醫(yī)學診斷研究。

。E-mail：wenjwu@163.com

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1007-3205(2016)06-0737-04