MRI彌散張量成像技術在脊髓損傷中的應用現(xiàn)狀

張振顯 王生海 宋延峰 李帥 楊彥玲

脊髓作為中樞神經系統(tǒng)的重要組成部分，損傷后對肢體的運動和感覺產生十分重要影響，因此，脊髓損傷（spinal cord injuries，SCI）后系列改變現(xiàn)已成為神經生物學研究的主要課題之一。近年來隨著影像技術的快速發(fā)展，在脊髓的解剖形態(tài)和功能諸多影像無創(chuàng)研究方法中，磁共振（MRI）脊髓成像成為目前最為先進、應用最廣泛的方法。磁共振成像可以對脊髓微觀結構進行檢測，是唯一的能對人體脊髓的結構和功能提供有效信息的檢查方法[1-3]，在臨床診斷脊髓損傷及預后評估具有不可替代的價值。目前，磁共振除可進行常規(guī)脊髓形態(tài)成像外，研究性技術也層出不窮，主要有成像技術有擴散張量成像（DTI），磁化傳遞（MT），髓鞘水分數（MWF），磁共振波譜（MRS）和功能性磁共振成像（fMRI），尤其MRI擴散加權成像（DWI）及彌散張量成像（DTI）為近年來最成熟的技術，為極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯繜狳c。文章將對磁共振彌散張量成像技術對脊髓損傷的基礎研究與臨床應用現(xiàn)狀進行概述。

1 DTI技術的發(fā)展歷程及基本原理

20世紀80年代中期，磁共振成像（MRI）的出現(xiàn)改變了脊髓成像領域，為臨床醫(yī)生提供了實時的高分辨率解剖圖像，成為脊髓疾病檢查的首選，然而，隨著傳統(tǒng)的MRI技術（自旋回波、梯度回波和反轉恢復序列）應用廣泛及成熟，在30余年的使用中，學者們逐漸發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的MRI對脊髓損傷的早期損傷及脊髓的細微病理生理結構、脊髓內部白質纖維束的聯(lián)系變化，卻不能準確及時的得以反映。由此，Basser等[4]1994年首次提出了磁共振彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI），是基于擴散成像（diffusion weighted imaging，DWI）的進一步拓展的一項功能成像檢查方法。它除了能測量水分子的彌散速度，還能探測水分子彌散的方向性，即各向異性的特性，推測組織內部微結構狀態(tài)及白質纖維束軸突方向的解剖走行及其細微變化。其首先應用于腦白質成像，從而實現(xiàn)觀察腦白質纖維束的完整性和方向性，隨后又應用到脊髓，而成為全新的研究領域。

DTI基本原理是利用多個不同方向的擴散敏感梯度和量級（b值）擴散加權對水分子的擴散方向性進行量化，將獲得的數據經計算機后處理后衍生出量化指標參數，包括平均彌散系數（ADC）、部分各向異性（FA）、相對各向異性（RA）、容積比（VR），應用FA、RA、VR值和FA、AR、VR圖可以對每個體素水分子的彌散運動進行量化，DTI 的參數ADC值、FA值代表水分子在擴散主項兩軸上的運動強度，是用來描述擴散各向異性的重要指標之。ADC值和FA值可量化反應脊髓損傷程度和恢復情況，能夠定量對脊髓損傷進行分期。通過動態(tài)變化趨勢觀察，ADC值和FA值能夠作為脊髓損傷分期的一個指標。另外一些臨床研究[5-7]證實，ADC值和FA值也可以作為一項神經保護治療效果評價的參數，其中FA 值的敏感性更高，尤其是對急性壓迫性損傷臨床預后的評估。嚴重SCI和中度SCI后，各時間點FA值均顯著降低，損傷震中FA值與未發(fā)生損傷的白質、灰質體積及病灶體積均顯著相關。嚴格地說，亞急性（24小時）和隨后所有時間點的FA值的量化對終點行為具有高度的預測作用，這反映在與每周BBB評分和終點步態(tài)參數的顯著相關性上。對于脊髓慢性損傷，ADC值升高和FA值降低的幅度與病變的嚴重程度具有相關性。因此，一般認為，脊髓壓迫早期FA值顯著降低者臨床效果較差，而早期FA值正常者，則行減壓手術后臨床效果良好。但是應當指出，DTI在提高對脊髓損傷診斷敏感性的同時，特異性卻有所下降[8-10]。

2 DTI技術在脊髓損傷的研究中的受限因素及相關新技術

隨著彌散張量成像作為MRI新技術的出現(xiàn)激發(fā)了大量關于脊髓病理狀態(tài)的早期臨床研究，研究涉及到大鼠 狗、兔、羊等動物，但是獲取精確的脊髓的DTI數據卻有諸多受限因素影響其應用及功能發(fā)揮。

首先，標準的DTI成像序列基于回聲平面成像（EPI），對脊髓內弱磁場均勻性非常敏感，而脊髓位于脊柱內骨性椎管內且脊髓的斷面較小，以及脊髓自身及周圍環(huán)境磁場的不均勻性，有諸多論述認為脊髓是獲取MRI數據時最差的環(huán)境之一。周圍環(huán)繞流動的腦脊液在椎管內以頭-足方向來回流動，脊髓周圍動脈血管搏動，臨近運動器官如心臟和肺的生理運動，骨、軟組織和空氣磁化率的差異，均可導致圖像失真和信號強度的損失。生理運動可能產生重影偽影脊髓的小體積造成了部分體積效應，由于白質束與周圍腦脊液（CSF）的接近，在脊髓中增強了部分容積效應[11-12]。

其次，目前磁共振設備硬件和開發(fā)的軟件技術仍有一定限度，需要不斷開發(fā)如磁場補償勻場，采用自旋回波序列，脊柱前方空間飽和，呼吸及心電門控，相位編碼方向改變，運動補償梯度等用來減少運動偽影及改善成像質量[13-14]。使用較低的擴散加權及較短的回波時間（TE）的優(yōu)勢，因此增加信噪比，較高的b值（＞1 000 s/mm2）為區(qū)分受限擴散的程度提供了更高的靈敏度，但仍需要在擴散敏感度和信噪比之間找到平衡。

3 DTI技術在脊髓損傷中臨床應用及研究意義

提高評估脊髓組織活力和檢測脊髓殘余神經功能的能力，以識別和區(qū)分形態(tài)學和功能變化，是提高臨床預后和脊髓損傷患者管理能力的關鍵。研究的目的是確定所有應用了一種或多種MRI技術的研究，以評估以下三個關鍵問題中的一個或多個的臨床效用：（1）診斷效用：MRI技術是否提供了在脊柱病理診斷中顯示群體差異或提高診斷準確性（靈敏度/特異性）的指標? （2）生物標志物效用：先進的MRI技術是否能產生量化損傷數量的指標，從而與神經/功能損害和/或顯示隨時間的縱向變化與脊髓病變的殘疾變化相關?（3）預測效用：先進的核磁共振成像技術是否產生了能夠預測神經系統(tǒng)、功能或脊柱病理狀態(tài)下生活質量的指標。

有報道[15-16]，通過彌散張量成像（DTI）展示了MRI在脊髓損傷大鼠模型上的應用，可作為研究微結構損傷的潛在生物標志物，影像學生物標志物的潛在發(fā)現(xiàn)將有助于脊髓損傷患者的診斷和治療。這些標志物可能在臨床前模型的治療發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮作用，并使觀察或預后轉化為臨床環(huán)境。目前，世界上只有相對少數的研究實驗室在積極研究脊髓成像方法，雖然取得了長足的進展但許多技術還沒有進入臨床實踐及應用。因此，如通過不斷改進檢查方法，提高有效性以及創(chuàng)建必要的科學和臨床網絡來提高研究的進展速度，則對脊髓損傷的準確診斷、治療指導、預后、科學研究有十分重要意義。這些方法作為脊髓損傷的臨床診斷和治療的生物標志物具有很高的應用價值，已被廣泛應用于描述健康和疾病中神經系統(tǒng)的微觀結構[17]。

4 面臨的挑戰(zhàn)與研究展望

脊髓成像方法常見的技術挑戰(zhàn)已經很明顯確定為：（1）磁化率差異；（2）生理運動；（3）脊髓橫截面尺寸較小。成像的這些性質中，人類脊髓條件不會改變，因此未來的發(fā)展需要開發(fā)更好的方法來克服這些挑戰(zhàn)，改善成像[18-19]。

展望未來，脊髓成像界將繼續(xù)推動強有力的技術向前發(fā)展，同時還將采取幾個關鍵步驟：（1）設計和實施更大規(guī)模的臨床研究，以評估其臨床效用；（2）采集技術將繼續(xù)發(fā)展和完善，以最大化信噪比（SNR）和分辨率，同時最小化失真、人為因素和采集時間；（3）開發(fā)強大的數據分析工具，能夠自動從特定域提取定量數據。新技術和創(chuàng)新也正在出現(xiàn)，這些技術和創(chuàng)新可能顯著改變這一領域的研究進程[20-21]。

未來脊髓成像方法的發(fā)展需要MRI設備制造商和軟件開發(fā)工程師進行不間斷的更深層次溝通，以使方法和技術共享。未來發(fā)展的方向為促進方法和數據的廣泛共享，如可以為脊髓成像軟件和方法建立一個自由訪問的方法庫，可以用于共享脊髓成像數據。專門討論脊髓成像方面的成果和新進展，使更多研究人員能參與，彌補相互不足而促進更快的發(fā)展。因此，在我們對脊髓損傷的病理生理學的詳細了解和脊髓功能磁共振成像所利用的信號變化的生物物理機制之間架起橋梁是很重要的。放射科醫(yī)生、神經學家和脊柱外科醫(yī)生由于工作繁忙，無法親自進行后期手動生成量化指標，所以數據分析需要完全自動化，方法耗時、不可靠或不準確都是不可接受的。

5 小結

新的核磁共振技術，無一例外地面臨著諸多挑戰(zhàn)，而要成功地將這些技術應用于臨床，仍有大量工作要做。DTI的研究已經產生了最實質性的成果，但在這項技術被廣泛應用于臨床之前，仍然需要進一步的改進，然后進行標準化。目前，國內外各學者對 DTI相關參數在病理基礎表現(xiàn)上持有不同的觀點，在預后判定方面還未做系統(tǒng)的研究。有關ADC值、FA值變化的病理機制、臨床意義及與臨床預后的研判方面的研究將是在未來的幾年里研究的重點與熱點。脊髓成像界無疑會取得許多偉大的成就，未來的研究轉化將使臨床從中受益。