磁共振彌散張量成像和纖維束密度成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究進(jìn)展

金瑋 ，李躍華，李斌，郭曉莉 上海交通大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海市，0040 上海市第六人民醫(yī)院，上海市，0033

0 引言

磁共振彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）是在彌散加權(quán)成像（Diffusion Weighted Imaging, DWI）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種在活體組織內(nèi)進(jìn)行無創(chuàng)成像的技術(shù)。常規(guī)磁共振成像對(duì)特定的中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變敏感性較低，在許多臨床病變中如果僅運(yùn)用常規(guī)磁共振成像，往往由于圖像上的異常信號(hào)出現(xiàn)于病變晚期而無法進(jìn)行及時(shí)治療。DTI通過評(píng)價(jià)細(xì)胞內(nèi)外水分子擴(kuò)散方向可以清晰顯示纖維束形態(tài)，能夠在早期發(fā)現(xiàn)病變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化。纖維束密度成像（Track Density Imaging, TDI）是最新基于DTI成像的重建技術(shù)，能夠達(dá)到超高的空間分辨率，生成亞毫米級(jí)體素的圖像，近些年來已經(jīng)開始逐漸應(yīng)用于某些中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變的檢測(cè)和診斷。

1 基于MRI的幾種中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像方法

1827年Robert Brown首先提出了布朗運(yùn)動(dòng)的概念，人體中的水分子沒有規(guī)律的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)被稱之為布朗運(yùn)動(dòng)[1]。DWI是目前應(yīng)用較為廣泛的通過觀察水分子擴(kuò)散的方式來對(duì)疾病進(jìn)行評(píng)估的方法，其主要應(yīng)用于診斷腦梗塞、顱內(nèi)腫瘤、彌漫性軸索損傷、脊髓缺血、外傷及腫瘤等，DWI已經(jīng)成為了包括超急性期腦梗塞等檢查的常規(guī)技術(shù)。然而，DWI在本質(zhì)上存在其局限性，DWI可以在微觀上反映水分子的彌散，但水分子在各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的量并不相同，亦即DWI無法反映彌散各向異性。

由此，DTI應(yīng)運(yùn)而生。1994年首次提出的擴(kuò)散張量的數(shù)學(xué)模型，為DTI提供了理論基礎(chǔ)[2]。DTI在DWI基礎(chǔ)上，引入了張量的概念。DTI在多個(gè)線性方向上施加彌散梯度，通常采用單激發(fā)平面回波成像技術(shù)，計(jì)算各個(gè)方向上的彌散張量從而成像。DTI較DWI能夠更準(zhǔn)確地在量和方向上反映成像體素內(nèi)擴(kuò)散的變化，可以定向定量地評(píng)價(jià)組織各向異性。

TDI是一種新興的基于DTI的磁共振成像和后處理技術(shù)[3]。傳統(tǒng)的DWI和DTI受制于掃描時(shí)間和序列參數(shù)設(shè)計(jì)，無法做到高分辨率成像，目前臨床上最小的采集體素都在毫米量級(jí)。TDI能夠生成亞毫米級(jí)體素的圖像，達(dá)到超高的解剖分辨率，能夠更加清晰敏感地顯示出組織異常。

2 彌散張量成像（DTI）

2.1 彌散張量成像原理

在均質(zhì)的介質(zhì)中，水分子通常在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)是相同的，這種彌散方式就稱為各向同性，其向量的分布軌跡是球形。而在非均一介質(zhì)中，水分子在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)不同，水分子在各個(gè)方向上彌散的距離不相等，這就稱為各向異性，其向量分布軌跡近似為橢圓形。這種各向異性在分子沿白質(zhì)纖維通道方向的彌散最為典型，水分子垂直于神經(jīng)纖維走行方向的彌散受到限制，彌散較慢；平行于神經(jīng)纖維走行方向的彌散較為容易，速度較快。臨床上常規(guī)的DWI不能反映出這種各向異性，但是DTI圖像能夠?qū)浬⒏飨虍愋赃M(jìn)行量化，通過擴(kuò)散的各向異性分?jǐn)?shù)（FA）和表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）值等反映水分子在空間內(nèi)向各個(gè)方向進(jìn)行彌散運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)方向。

2.2 彌散張量成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變的應(yīng)用

2.2.1 彌散張量成像在顱腦病變中的研究進(jìn)展

DTI在臨床上最常用于急性腦梗死的診斷和預(yù)后[4]。在研究腦梗死的進(jìn)程中，根據(jù)FA值和ADC值變化將腦梗死分為3個(gè)階段：① FA值升高、ADC值降低；② FA值和ADC 值均降低；③ FA值降低，ADC值升高[5]。WOUTERS等[6]通過測(cè)量白質(zhì)區(qū)域的FA 值得出結(jié)論，F(xiàn)A值在超急性期（發(fā)病后2～5 h內(nèi)）升高，急性期（7～14 h內(nèi)）及亞急性期（18～34 h內(nèi)）FA值降低。除此之外，DTI近來還多用于腦梗死的預(yù)后以及康復(fù)效果的評(píng)估。周國慶等[7]借助彌散張量成像技術(shù)顯示的錐體束受累程度為腦干梗死肢體功能康復(fù)結(jié)局的最有價(jià)值的預(yù)測(cè)因素。邵榮等[8]通過彌散張量纖維束成像技術(shù)分析腦梗死患者皮質(zhì)脊髓束損傷，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)脊髓束損傷程度、腦白質(zhì)病變等級(jí)及入院卒中量表評(píng)分是影響運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分的相關(guān)因素。

除了腦梗死，還有許多研究者將DTI運(yùn)用到其它顱腦損傷和疾病的診斷當(dāng)中。樊秋菊等[9]利用DTI敏感地檢測(cè)到輕度顱腦外傷患者腦組織損傷后微觀病理改變，發(fā)現(xiàn)正常對(duì)照組與輕度顱腦外傷組相比，后者傷側(cè)白質(zhì)區(qū)FA值降低。另有研究表明，腦出血發(fā)病后不同時(shí)間段血腫側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA值均低于對(duì)側(cè)，相對(duì)FA值與患者隨訪時(shí)預(yù)后指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，因此DTI也可以作為隨訪指標(biāo)，評(píng)價(jià)腦出血患者的預(yù)后[10-11]。此外，還有學(xué)者將DTI應(yīng)用于偏癱型腦癱和抑郁癥的診斷[12]。

2.2.2 彌散張量成像在脊髓病變中的研究進(jìn)展

脊髓是中樞神經(jīng)系統(tǒng)在椎管內(nèi)的延續(xù)，相當(dāng)數(shù)量的研究顯示，對(duì)于正常頸髓，DTI可以較清晰顯示呈現(xiàn)頸髓內(nèi)白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)[13]。進(jìn)一步定量研究發(fā)現(xiàn)，不同節(jié)段頸髓FA值及ADC值有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，C2/3椎間盤水平頸髓的FA值最高、ADC值最低，C6/7椎間盤水平頸髓FA值最低、ADC值最高[14]。

脊髓損傷會(huì)引起一系列復(fù)雜病理變化，常規(guī)磁共振成像對(duì)于嚴(yán)重的脊髓損傷，如出血和水腫等，能夠在圖像上顯示明顯的信號(hào)異常。但是對(duì)于早期損傷程度較輕且T2WI信號(hào)未發(fā)生明顯變化的患者，無法準(zhǔn)確評(píng)估其真實(shí)的損傷程度及范圍。如上所述，DTI具有及時(shí)發(fā)現(xiàn)顱腦病變以及評(píng)估預(yù)后的價(jià)值，該項(xiàng)技術(shù)近年來開始被運(yùn)用到評(píng)價(jià)脊髓損傷和檢測(cè)早期脊髓病變。對(duì)于頸髓急性創(chuàng)傷患者，蘇佳佳等[15]對(duì)頸髓創(chuàng)傷患者的研究發(fā)現(xiàn)無論創(chuàng)傷患者在T2加權(quán)像上是否有高信號(hào)，其FA值明顯低于正常組，證明了FA值是頸髓外傷早期頸髓微結(jié)構(gòu)改變的敏感指標(biāo)。對(duì)于頸髓慢性損傷患者，國內(nèi)有一部分研究[16-17]表明DTI 較常規(guī)MRI能夠較早且準(zhǔn)確地量化脊髓型頸椎病的頸髓微結(jié)構(gòu)改變，反映頸髓受壓迫造成缺血以及脊髓纖維束受壓損傷的范圍。

2.3 彌散張量成像的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

DTI作為一種張量成像，其優(yōu)點(diǎn)在于通過計(jì)算多個(gè)方向上的彌散張量，通過FA和ADC值等指標(biāo)量化各向異性，能夠更加直觀地表現(xiàn)成像體素內(nèi)擴(kuò)散的變化，有助于臨床醫(yī)師更加準(zhǔn)確地對(duì)病變進(jìn)行診斷，DTI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。DTI也有其缺點(diǎn)：受到成像速度的限制，DTI多利用單激發(fā)平面回波（EPI）序列進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，EPI對(duì)磁場不均勻性非常敏感，易造成形變，也會(huì)產(chǎn)生磁化率偽影；另外，單激發(fā)序列的EPI因子不能太大，否則會(huì)引起相位累積誤差，影響圖像質(zhì)量，因此也限制了EPI采集得到的圖像分辨率。

3 纖維束密度成像（TDI）

3.1 纖維束密度成像原理

纖維束密度成像最初在2010年由Calamante等提出，該報(bào)道指出當(dāng)前磁共振神經(jīng)影像的一個(gè)缺陷在于從圖像中獲取的空間信息不足。TDI是一種基于彌散纖維束追蹤方法的后處理成像技術(shù)，能夠獲取比磁共振成像體素空間分辨率更高的圖像。大腦作為磁共振成像的對(duì)象而言其本身是連續(xù)的，原始的磁共振圖像只能反映出大腦離散的信息。通過生成大量的纖維束軌跡，TDI可以生成連續(xù)的大腦信息。主要步驟包括首先進(jìn)行全腦纖維束追蹤，然后統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格里每個(gè)元素包含的纖維束數(shù)量，隨后TDI利用相鄰體素所包含的纖維束信息產(chǎn)生連續(xù)的信息，同時(shí)可以計(jì)算出密度值。由于網(wǎng)格尺寸可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁共振成像的體素尺寸，TDI生成的圖像可以比原始圖像的空間分辨率要高得多。

3.2 纖維束密度成像在顱腦的研究進(jìn)展

2011年CALAMANTE等[18]在之前的TDI方法基礎(chǔ)上，優(yōu)化了算法，提出了新的TDI形式體系。在新的TDI形式體系里，使用者被賦予更多選擇，包括可選擇對(duì)比機(jī)制，可調(diào)節(jié)臨近體素權(quán)重等來獲取質(zhì)量更好的圖像。隨后，通過對(duì)大鼠大腦的實(shí)驗(yàn)[19]，評(píng)估了TDI的解剖對(duì)比度，認(rèn)為TDI能夠提供具有豐富和有意義的解剖細(xì)節(jié)。DAI[20]等利用TDI對(duì)樹鼩大腦的細(xì)微結(jié)構(gòu)，比如初級(jí)視覺皮層的Baillarger帶和海馬體CA3區(qū)苔狀纖維進(jìn)行了成像，得到了高分辨率的圖像，同時(shí)報(bào)道如果僅僅利用DTI成像，無法達(dá)到上述目的，體現(xiàn)了TDI相較于常規(guī)DTI的優(yōu)越性。JR等[21]運(yùn)用TDI對(duì)多形性成膠質(zhì)細(xì)胞瘤患者的圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)定量的纖維束密度值可以提供腫瘤滲入?yún)^(qū)域的信息，在腫瘤中心區(qū)域腦白質(zhì)大量破壞，TD值降低，在腫瘤周圍非強(qiáng)化區(qū)域，TD值升高，這種現(xiàn)象可能是由于腫瘤細(xì)胞沿完整白質(zhì)向周邊滲透，導(dǎo)致其各向異性程度升高，增加了纖維束示蹤成像運(yùn)算的數(shù)值。

此外，為了驗(yàn)證TDI顯示腦白質(zhì)的準(zhǔn)確性，CALAMANTE等[22]在7 T超高場強(qiáng)的磁共振設(shè)備上對(duì)活體進(jìn)行常規(guī)DWI掃描，通過插值處理后分辨率為體素各向同性0.8 mm。以此作為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將獲取的原始數(shù)據(jù)降低采樣率得到低分辨率2.4 mm各向同性體素后，再用TDI進(jìn)行處理，比較經(jīng)過處理后的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像，驗(yàn)證TDI的有效性和可靠性。作為新興的技術(shù)，TDI在國內(nèi)的臨床研究尚且不多，羅夢(mèng)婷等[23]通過彌散張量成像和纖維束密度成像探討了老年抑郁癥患者腦白質(zhì)的完整性被破壞，TDI作為高分辨率成像技術(shù)，可以清晰顯示老年抑郁癥患者多發(fā)腦區(qū)白質(zhì)解剖結(jié)構(gòu)，TD值較FA值能夠更敏感地發(fā)現(xiàn)老年抑郁癥患者的腦白質(zhì)異常，證明了TDI在顱腦病變檢測(cè)的臨床應(yīng)用價(jià)值。

由于現(xiàn)在臨床上DTI技術(shù)大部分都用于顱腦檢查，因此TDI也大多應(yīng)用于研究顱腦病變。上文已有所述，DTI技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于非急性脊髓病變檢查，而對(duì)于TDI而言，國內(nèi)外現(xiàn)在尚未有將TDI技術(shù)開展顱腦之外的部位檢查。

3.3 纖維束密度成像的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

相較于DTI，TDI提供了更精確的解剖對(duì)比，以往的研究表明TD值比FA值對(duì)病變更敏感，更有利于早期病變的檢出。與此同時(shí)，TDI可以根據(jù)圖像網(wǎng)格大小和采集的軌跡數(shù)目來調(diào)整圖像的空間分辨率和信噪比，更加靈活和具有可操作性，因此針對(duì)不同的病例，臨床上可以設(shè)置不同的參數(shù)來得到更加有利于診斷的圖像，一定程度上提高診斷的準(zhǔn)確性。TDI同樣有其缺點(diǎn)，TDI的原始輸入數(shù)據(jù)基于DTI的圖像，容易受到DTI信號(hào)好壞的影響，因此在TDI圖像上觀察到的某些細(xì)微結(jié)構(gòu)可能會(huì)與噪聲混疊在一起，需要通過標(biāo)準(zhǔn)差率計(jì)算等方法將噪聲分離，增加了額外的工作量。

4 總結(jié)與展望

磁共振彌散張量成像和纖維束密度成像都是在磁共振彌散加權(quán)成像基礎(chǔ)上發(fā)展而來的彌散成像技術(shù)。國內(nèi)外已有大量研究證實(shí)了DTI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變中的臨床應(yīng)用價(jià)值。DWI現(xiàn)今在急性腦梗死、腦腫瘤和脊髓損傷等領(lǐng)域已成為臨床常規(guī)掃描序列。由于DTI在DWI的基礎(chǔ)上考慮到了各向異性，DTI也逐漸在上述領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用，并且對(duì)軸突和髓鞘的病變更加敏感。然而，DTI也存在著不足，主要在于其成像速度慢以及空間分辨率較低。TDI解決了DWI和DTI空間分辨率不夠高的問題。目前TDI的臨床應(yīng)用在國內(nèi)尚不常見，但隨著TDI技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，TDI還可以與常規(guī)功能磁共振成像技術(shù)相結(jié)合，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用將越來越廣泛，在不久的將來TDI可以運(yùn)用到除顱腦之外的其它部位病變檢查及診斷中。