磁共振擴(kuò)散張量成像在腦梗死中的研究進(jìn)展

湯亞云 李瑞雄

【關(guān)鍵詞】 磁共振擴(kuò)散張量成像;腦梗死;缺血半暗帶;皮質(zhì)脊髓束

中圖分類號(hào)：R743.32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2020.02.014

腦梗死是神經(jīng)內(nèi)科最常見的急重癥[1]，占全部腦卒中的60%～80%[2]，其主要病理生理過程為各種原因?qū)е碌木植磕X組織血液循環(huán)障礙，并由此產(chǎn)生缺血缺氧性壞死，進(jìn)而出現(xiàn)相應(yīng)神經(jīng)功能缺損和肢體活動(dòng)障礙。腦梗死一般起病急驟，病死率和致殘率較高[3]，因此，早期診斷并及時(shí)進(jìn)行臨床干預(yù)顯得尤為重要。隨著功能磁共振成像技術(shù)的日新月異，磁共振擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）作為目前唯一可無創(chuàng)性顯示和分析大腦白質(zhì)纖維束的磁共振成像技術(shù)[4]，其在腦梗死方面的研究正逐步應(yīng)用于臨床及科研中。本文將對(duì)DTI在腦梗死中的研究進(jìn)行綜述。

1 DTI的發(fā)展史

1827年，Robert Brown首次發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，即液體中的懸浮顆粒存在不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，后來這種現(xiàn)象被命名為布朗運(yùn)動(dòng)。1965年，Stejskal等[5]首次提出了磁共振擴(kuò)散成像技術(shù)（diffusion weighted imaging，DWI），并通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)活體內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的測(cè)定。1986年Le Bihan等[6]首次將DWI引入臨床，并應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病中。1992年Basser等[7]在柏林磁共振年會(huì)上提出一種新的磁共振功能成像技術(shù)，即DTI，該技術(shù)可以從分子水平及三維角度來描述病灶，可以無創(chuàng)地、清晰地重建出腦白質(zhì)纖維束的走行及空間分布，并通過顯示腦白質(zhì)纖維束與腦內(nèi)病灶的空間關(guān)系，進(jìn)一步了解病灶對(duì)腦白質(zhì)纖維束形態(tài)、結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，目前DTI技術(shù)在臨床上已廣泛應(yīng)用于腦梗死、腦出血、腦腫瘤、阿爾茲海默病、癲癇、多發(fā)性硬化癥、精神分裂癥等疾病中，并逐步擴(kuò)展應(yīng)用于椎間盤和肌肉系統(tǒng)病變等方向[8～10]。

2 DTI的基本原理

擴(kuò)散是指分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，人體內(nèi)的水分子總是處于擴(kuò)散狀態(tài)。水分子在組織內(nèi)的自由擴(kuò)散，既是生物體中重要的生理活動(dòng)，也是體內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的重要形式。在完全均質(zhì)的溶劑中，水分子的擴(kuò)散是完全隨機(jī)、不受限制的，其在各個(gè)方向上的移動(dòng)距離是相等的，此種擴(kuò)散方式稱為各向同性擴(kuò)散[11]。例如在純水溶液、腦脊液中，水分子的擴(kuò)散方式即為各向同性擴(kuò)散。但在人體內(nèi)，由于細(xì)胞膜、細(xì)胞器、細(xì)胞間隙、大分子蛋白及其他組織結(jié)構(gòu)的屏障作用，水分子向各個(gè)方向上的移動(dòng)距離不相等，該種擴(kuò)散方式稱為各向異性擴(kuò)散[11]。例如在腦白質(zhì)中，由于受到髓鞘、軸突等組織結(jié)構(gòu)的限制，水分子主要沿腦白質(zhì)纖維束走行的方向擴(kuò)散，而向垂直于腦白質(zhì)纖維束走行方向的擴(kuò)散較少。DTI就是根據(jù)水分子在不均勻介質(zhì)中的各向異性擴(kuò)散的特點(diǎn)，通過在多個(gè)非線性方向上（至少6個(gè)以上）施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)體素內(nèi)水分子在各個(gè)方向上擴(kuò)散情況的定量檢測(cè)。由于人體組織內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)主要是各向異性擴(kuò)散，所以只要測(cè)定出單位體積內(nèi)的各向異性數(shù)據(jù)，即可分析出人體組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。

3 DTI的常用參數(shù)

3.1 平均擴(kuò)散度（mean diffusivity，MD）

MD反映某一區(qū)域內(nèi)水分子擴(kuò)散的整體情況，其不依賴于擴(kuò)散的方向，只與擴(kuò)散的速度有關(guān)。通常用表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）和平均擴(kuò)散系數(shù)（average diffusion coefficient，DCavg）來表示。以ADC值為成像參數(shù)可以擬合出ADC圖，其反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散的快慢，當(dāng)ADC值越大時(shí)，水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)，ADC圖信號(hào)越亮。DCavg值是成像體素內(nèi)各方向擴(kuò)散幅度的平均值，主要反映擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的快慢，當(dāng)DCavg值越小時(shí)，水分子的擴(kuò)散能力越受限制。

3.2 部分各向異性（fractional anisotropy，F(xiàn)A）

FA指水分子各向異性部分與總擴(kuò)散張量的比值，是各向異性的常用指標(biāo)。其取值范圍為0～1，當(dāng)FA接近于1時(shí)，各項(xiàng)異性最大，當(dāng)FA接近于0時(shí)，表示各項(xiàng)同性。以FA值為成像參數(shù)可以擬合出FA圖，其表示各向異性的比例。

3.3 容積比各向異性（volume ratio anisotropy，VRA）

VRA是指擴(kuò)散橢圓體的擴(kuò)散體積與相等的各向同性張量的球體體積的比率，它和FA一樣都是反映組織各項(xiàng)異性的常用指標(biāo)，其取值范圍為0～1，當(dāng)VRA趨近于1時(shí)，代表組織更具有各向同性的特征。

3.4 衰減指數(shù)（exponential attenuation，Exat）

Exat也稱指數(shù)ADC，反映組織的擴(kuò)散特征，但與ADC的變化方向相反。

3.5 擴(kuò)散張量纖維束成像（diffusion tensor tractography，DTT）

DTT是在DTI基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它通過對(duì)DTI掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，即可立體、清晰地呈現(xiàn)出腦白質(zhì)纖維束的走行，通常用于定位白質(zhì)纖維束與病變之間的空間關(guān)系。

4 DTI在腦梗死診斷及臨床分期中的應(yīng)用

腦梗死的臨床分期各家報(bào)道不一，國內(nèi)一般采用Osborn分類方法，將腦梗死按照發(fā)病時(shí)間分為4期，即超急性期（發(fā)病時(shí)間<6小時(shí)）、急性期（發(fā)病時(shí)間6～72小時(shí)）、亞急性期（發(fā)病時(shí)間4天～8周）和慢性期（發(fā)病時(shí)間>8周）[12]。由于腦梗死的治療方案與患者的發(fā)病時(shí)間密切相關(guān)，故早期診斷腦梗死并準(zhǔn)確判斷臨床分期具有重要意義。目前臨床上確定急性腦梗死的發(fā)病時(shí)間主要通過患者及家屬的主訴，這在一定程度上缺乏準(zhǔn)確性及客觀性。Puig等[13]對(duì)25例發(fā)病時(shí)間小于4.5 h的腦梗死患者和35例發(fā)病時(shí)間大于4.5 h的腦梗死患者行DTI檢查，通過測(cè)量雙側(cè)大腦深部白質(zhì)皮質(zhì)脊髓束的FA值發(fā)現(xiàn)，rFA在兩組患者中存在顯著差異，提示FA值能夠識(shí)別發(fā)病時(shí)間小于4.5 h的腦梗死病人。但是，由于不同研究人員所設(shè)置的腦梗死分期標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一或感興趣區(qū)部位不同，對(duì)于FA值在超急性期腦梗死病灶區(qū)的變化特點(diǎn)，國內(nèi)外報(bào)道尚未完全統(tǒng)一。Pitkonen等[14]通過縫合成年大鼠大腦中動(dòng)脈建立缺血性腦梗死模型，并在超急性期、急性期、亞急性期和慢性期重復(fù)進(jìn)行DTI掃描，收集相關(guān)參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在超急性期，病灶區(qū)FA值不變，在急性期至亞急性期，F(xiàn)A值則逐漸下降。而張娣等人[15]研究發(fā)現(xiàn)，腦梗死區(qū)FA值在超急性期略增高，之后隨著發(fā)病時(shí)間的增加，F(xiàn)A值逐漸降低。由此看出，單獨(dú)應(yīng)用FA值遴選超急性期腦梗死仍有一定的局限性。Sakai等[16]對(duì)44例不同發(fā)病時(shí)間的腦梗死患者行DTI成像，并依據(jù)測(cè)得的FA值及橫向擴(kuò)散率的特點(diǎn)分為3型，Ⅰ型：病灶區(qū)FA值增加且橫向擴(kuò)散率降低;Ⅱ型：病灶區(qū)FA值低于對(duì)側(cè)鏡像區(qū)且橫向擴(kuò)散率增加;Ⅲ型：病灶區(qū)FA值明顯下降且橫向擴(kuò)散率超過對(duì)側(cè)鏡像區(qū)。結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)病時(shí)間小于24小時(shí)，I型和Ⅱ型為優(yōu)勢(shì)型，當(dāng)發(fā)病時(shí)間大于2天，Ⅲ型開始明顯增多。譚湘萍等[17]依據(jù)腦梗死患者的FA圖和DCavg圖信號(hào)特點(diǎn)，將腦梗死患者的DTI征象分為4型，即：Ⅰ型FA圖呈高信號(hào)，ADC圖呈低信號(hào);Ⅱ型FA圖中心呈低信號(hào)、周圍呈高信號(hào)，ADC圖呈低信號(hào);Ⅲ型FA圖、ADC圖均呈低或等信號(hào);Ⅳ型FA圖呈低信號(hào)，ADC圖呈高信號(hào)。結(jié)果顯示急性期DTI征象以Ⅰ型和Ⅱ型為主，亞急性期DTI征象以Ⅱ型為主，慢性期DTI征象以Ⅳ型為主，直線相關(guān)分析表明腦梗死的臨床分期與 DTI征象的分型呈正相關(guān)，即腦梗死發(fā)病時(shí)間越長(zhǎng)，DTI的分型越高。因此，通過聯(lián)合應(yīng)用DTI技術(shù)的多個(gè)參數(shù)特點(diǎn)不但可以更好地反映腦梗死病灶區(qū)的病理生理變化，也能更準(zhǔn)確地評(píng)估腦梗死的發(fā)病時(shí)間。

雖然常規(guī)MRI檢查可以較清晰地顯示急性腦梗死病灶，但是不能對(duì)腦梗死的臨床分期作出判斷，更不能診斷超急性期腦梗死。DTI作為近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，可以通過定量分析各參數(shù)值的演變規(guī)律，協(xié)助臨床對(duì)腦梗死的早期診斷和分期，值得大力推廣并應(yīng)用。

5 DTI在缺血半暗帶中的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代末，英國醫(yī)學(xué)家Astrup通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺血半暗帶（ischemic penumbra，IP）。IP是指急性缺血后組織喪失電生理活動(dòng)，但尚能維持電位和跨膜離子電位，結(jié)構(gòu)、形態(tài)仍正常的腦組織。當(dāng)血液供應(yīng)能夠及時(shí)恢復(fù)時(shí)，該區(qū)域的電生理活性可以恢復(fù)到正常水平，若再灌注不及時(shí)，該區(qū)域?qū)⑥D(zhuǎn)化為不可逆損傷區(qū)[18]。但是，由于多種條件的限制，大多數(shù)腦梗死患者很難在發(fā)病6 h內(nèi)及時(shí)接受介入或者溶栓治療，因此，早期確定腦梗死后IP的存在有助于臨床診治。既往影像學(xué)上主要通過PWI-DWI不匹配來判斷IP區(qū)的存在，但是這種成像技術(shù)在緊急情況下常受到各種條件的限制。首先，注射釓造影劑可能導(dǎo)致腎源性全身纖維化，這就要求患者腎功能正常;其次，雖然DSC-MRI得出的灌注參數(shù)與PET定量結(jié)果有很好的相關(guān)性，但DSC-MRI可能高估了CBF并低估了MTT[19]。故而尋找簡(jiǎn)單、有效的方法判斷IP的存在已成為臨床科研的熱點(diǎn)之一。張迷等人[20]聯(lián)合應(yīng)用DTI和DWI在診斷急性腦梗死IP的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，IP區(qū)的FA值、Dcavg值及ADC值均低于對(duì)側(cè)鏡像區(qū)，但較梗死病灶中心區(qū)的FA值、Dcavg值及ADC值明顯升高，這說明應(yīng)用DTI技術(shù)可以有效地鑒別梗死病灶中心區(qū)和IP區(qū)。Kuo等[21]通過設(shè)計(jì)動(dòng)物模型，并利用DTI技術(shù)分析4.5小時(shí)內(nèi)腦梗死核心區(qū)（infarct core，IC）與IP兩個(gè)區(qū)域的相對(duì)總擴(kuò)散張量值的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)總擴(kuò)散張量值在鑒別IC與IP方面具有極高的診斷效能，同時(shí)該研究還表明DTI技術(shù)在區(qū)分IC和IP方面的敏感度與PWI-DWI不匹配相當(dāng)?？梢?，DTI技術(shù)有助于急性腦梗死后IP的判斷，但是目前國內(nèi)外關(guān)于單獨(dú)應(yīng)用DTI在判斷急性腦梗死后IP方面的大樣本研究仍然較少，還需要進(jìn)一步深入探討其有效性和可靠性。

6 DTI在腦梗死預(yù)后中的應(yīng)用

缺血性腦梗死發(fā)病率逐年上升，致殘率居高不下，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量，早期判斷臨床預(yù)后可以有效地降低致殘率。目前臨床上主要通過應(yīng)用卒中量表對(duì)腦梗死的預(yù)后進(jìn)行評(píng)估，然而這種評(píng)價(jià)方式具有很大的局限性。DTI作為一項(xiàng)全新的影像技術(shù)，不少研究證實(shí)，其在評(píng)價(jià)腦梗死患者臨床預(yù)后中有重要的參考價(jià)值。胡建斌等[22]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)腦梗死病灶區(qū)FA、DCavg和VRA值均低于對(duì)側(cè)，且從肌力功能預(yù)后良好組到預(yù)后差組腦梗死病灶區(qū)與對(duì)側(cè)區(qū)的FA、DCavg和VRA比值逐漸降低，提示FA、DCavg和VRA值可以為缺血性腦梗死患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后判斷提供有力的依據(jù)。但是，一些研究者認(rèn)為，肢體運(yùn)動(dòng)功能主要由皮質(zhì)脊髓束（corticospinal tract，CST）支配，腦梗死后運(yùn)動(dòng)功能缺損多與CST的受累有關(guān)，故定量分析腦梗死后同側(cè)CST的FA值也許可以更好地預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后。Moller等[23]通過分析腦梗死患者在發(fā)病后第1～4天、第30天、第90天CST的FA指數(shù)和運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A指數(shù)下降越明顯，運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)越差，且運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)良好的患者FA指數(shù)均大于0.85。也有研究者[24]得出了相似的結(jié)果，即在早期腦梗死患者中，梗死病灶近端CST的FA值下降越明顯，其3個(gè)月的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后也越差。因此，DTI可以通過計(jì)算腦梗死后患側(cè)CST的FA值來判斷運(yùn)動(dòng)功能轉(zhuǎn)歸，但是目前仍缺乏腦梗死后患側(cè)皮質(zhì)脊髓束上不同感興趣區(qū)FA值對(duì)運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后價(jià)值的相關(guān)性研究。

由于DTI技術(shù)可以三維顯示白質(zhì)纖維束，故也有不少學(xué)者通過觀察CST與病灶的關(guān)系來判斷腦梗死后運(yùn)動(dòng)功能的預(yù)后情況。路文革等[25]在應(yīng)用DTT評(píng)價(jià)68例腦梗死患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后研究中，通過重建患者的CST，并依據(jù)其受累程度分為4級(jí)，結(jié)果顯示1級(jí)患者CST僅輕度受壓、形態(tài)完整，發(fā)病后運(yùn)動(dòng)功能障礙較輕，經(jīng)治療后患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)良好。2～3級(jí)患者CST部分纖維束中斷，此組患者發(fā)病后運(yùn)動(dòng)功能障礙較重，但經(jīng)積極治療后，患者運(yùn)動(dòng)功能障礙大部分較前有明顯改善，3個(gè)月后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)良好。4級(jí)患者CST全部或大部分從病灶中穿過，纖維束大部分中斷或破壞，患者早期即出現(xiàn)嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)功能障礙，經(jīng)積極治療后，患者運(yùn)動(dòng)功能障礙恢復(fù)緩慢，3個(gè)月后運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后也差。由此可見，CST受累程度越嚴(yán)重，患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后越差。Kim等[26]對(duì)37例腦梗死患者在發(fā)病后5～30天內(nèi)行DTI檢查，并在6個(gè)月后評(píng)估患者的運(yùn)動(dòng)功能，結(jié)果顯示CST完全中斷組6個(gè)月后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)差，CST部分中斷組6個(gè)月后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)較好，而CST完整組6個(gè)月后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)良好，提示CST越完整，腦梗死患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后越好。而有研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，腦梗死后運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后不但與CST受累的程度相關(guān)，還與梗死病灶累及的部位相關(guān)，當(dāng)病變累及內(nèi)囊后肢時(shí)，患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)也較差，這可能與CST密集走行于該區(qū)域有關(guān)[27]。

7 DTI在腦梗死后皮質(zhì)脊髓束沃勒變性中的應(yīng)用

沃勒變性（Wallerian degeneration，WD）是指神經(jīng)元近端損傷后引起遠(yuǎn)端軸突和髓鞘的繼發(fā)性變性，它最早由英國科學(xué)家Waller于1850提出。中樞神經(jīng)系統(tǒng)WD多發(fā)生于皮質(zhì)脊髓束，主要原因包括腦出血、腦梗死、腦腫瘤、多發(fā)性硬化、阿爾茨海默病等疾病[28]。陳明等人[29]應(yīng)用常規(guī)MRI和DTI動(dòng)態(tài)觀察腦梗死后皮質(zhì)脊髓束WD，通過軟件測(cè)量雙側(cè)大腦腳區(qū)的FA和ADC值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)常規(guī)MRI及DWI在發(fā)病后第10天、第30天均未出現(xiàn)異常，僅在發(fā)病后第90天有5例患者出現(xiàn)患側(cè)大腦腳區(qū)異常高信號(hào)，而患側(cè)大腦腳區(qū)平均FA值在發(fā)病后（5.3±2.6）天即較健側(cè)降低9.9%，且在發(fā)病后第30天及第90天，患側(cè)大腦腳底FA值仍低于健側(cè)。由此可見，常規(guī)磁共振雖然可以在腦梗死后檢出皮質(zhì)脊髓束WD，但是檢出時(shí)間較DTI明顯滯后，更難以定量評(píng)估WD的嚴(yán)重程度。雖然多數(shù)文獻(xiàn)[30～31]證實(shí)，通過測(cè)量腦梗死病灶同側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA值可以在發(fā)病后一周內(nèi)檢測(cè)出WD，但是關(guān)于DTI檢測(cè)皮質(zhì)脊髓束WD的時(shí)間窗仍然參差不齊。Thomalla等[30]報(bào)道，腦梗死后同側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA值在發(fā)病后第5天開始下降。Xie等[31]收集23例大腦中動(dòng)脈腦梗死患者，運(yùn)用DTI技術(shù)分析患側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值發(fā)現(xiàn)，3例大面積梗死患者在發(fā)病后第3天即可發(fā)現(xiàn)患側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值明顯降低，而其余20例小面積腦梗死患者在發(fā)病后第7天才出現(xiàn)患側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值明顯降低，推測(cè)其原因可能是皮質(zhì)脊髓束WD的時(shí)間與腦梗死的嚴(yán)重程度有關(guān)。綜上研究，DTI作為定量檢測(cè)腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化的敏感方法，能夠?yàn)樵缙谠u(píng)估腦梗死后皮質(zhì)脊髓束WD提供新的影像學(xué)手段。

8 小結(jié)與展望

近年來，隨著磁共振的普及及功能磁共振成像技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)磁共振在腦梗死診斷及預(yù)后評(píng)估方面的不足逐漸凸顯。與常規(guī)磁共振相比，DTI在腦梗死應(yīng)用方面擁有更多的優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以診斷常規(guī)MRI難以顯示的超急性腦梗死病灶;其次，它可以反映病灶區(qū)水分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提供定量信息;最后，它可以無創(chuàng)、直觀地顯示出腦白質(zhì)纖維束的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可以生動(dòng)地顯示病灶和腦白質(zhì)纖維束的空間關(guān)系。故在臨床上積極開展DTI檢查，對(duì)早期診斷腦梗死及評(píng)估缺血半暗帶具有重要的臨床意義，同時(shí)也為評(píng)價(jià)急性腦梗死患者的預(yù)后提供一種全新的影像學(xué)方法，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2019-12-17 修回日期：2020-01-07）

（編輯：王琳葵 潘明志）