DTI技術(shù)在腦梗死與肌力功能相關(guān)性研究中的應(yīng)用

梁永勤

皮質(zhì)脊髓束（corticospinal tract，CST）是人體大腦將沖動(dòng)信息傳遞至軀體運(yùn)動(dòng)效應(yīng)器的重要傳導(dǎo)通路，大腦CST分布區(qū)腦梗死主要引起對(duì)側(cè)肌力功能障礙。CT及常規(guī)MRI序列僅能發(fā)現(xiàn)早期腦梗死灶本身，而對(duì)其下行神經(jīng)纖維華勒氏變性（Wallerian degeneration，WD）卻無法顯示。擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是一種能從生物分子水平層面對(duì)其病理變化進(jìn)行分析的影像技術(shù)，不僅可對(duì)其平均擴(kuò)散率 （average diffusion coefficient，ADC）、容積比率（volume ratio，VR）和分?jǐn)?shù)各向異性系數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）等進(jìn)行量化性分析，還可通過擴(kuò)散張量纖維束示蹤成像（diffusion tensor tractography，DTT）對(duì)神經(jīng)纖維進(jìn)行可視性分析，為患者治療后肌力所能恢復(fù)程度的預(yù)判提供依據(jù)[1]。DTI作為WD無創(chuàng)性檢查技術(shù)，在腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 皮質(zhì)脊髓束華勒氏變性的病因及病理變化

CST在大腦的分布區(qū)域是中央溝周圍腦組織，后沿內(nèi)囊后肢前部及大腦腳底3/5的外側(cè)部下行至椎體交叉，除小部分纖維束沿本側(cè)半脊髓下行外，其余大部分纖維束跨過對(duì)側(cè)半脊髓下行，分別止于同側(cè)和對(duì)側(cè)脊髓前角運(yùn)動(dòng)細(xì)胞，主要支配對(duì)側(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)功能。WD屬于繼發(fā)性病變，是由于神經(jīng)元及近端軸索損傷引起其下行神經(jīng)纖維束的水腫及變性，最終導(dǎo)致神經(jīng)纖維束信息傳導(dǎo)功能受損。神經(jīng)元及近端軸索的損傷包括腦梗死、腦出血、腦外傷、腦腫瘤及術(shù)后等，其中以腦梗死最為常見，腦梗死引起其遠(yuǎn)端神經(jīng)纖維束發(fā)生繼發(fā)性變性已在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體解剖的病理檢查上得到證實(shí)[2]。神經(jīng)元及近端軸索損傷后遠(yuǎn)端軸索出現(xiàn)微管的聚集，神經(jīng)絲蛋白破壞降解，軸膜損傷，這是早期WD的特征性微觀病理改變[3]。Povlishock JT等[4]利用彌漫性軸索損傷（diffuse axonal injury，DAI）動(dòng)物模型進(jìn)行的示蹤實(shí)驗(yàn)也表明，軸索損傷后將發(fā)生連鎖病理生理反應(yīng)，先是軸漿運(yùn)輸局部受阻，隨后受阻部位近端出現(xiàn)軸索增粗，最后增粗軸索發(fā)生斷裂。腦皮質(zhì)及皮質(zhì)下區(qū)為神經(jīng)元及軸突近端主要集中區(qū)，因此該區(qū)域發(fā)生腦梗死可引起神經(jīng)元胞體壞死或近端軸突損傷，胞體與軸突間的軸漿運(yùn)輸受到破壞及中斷，軸突失去神經(jīng)元胞體提供的營(yíng)養(yǎng)來源而發(fā)生變性。整個(gè)軸索病變?cè)缙谝运[為主，而后逐步進(jìn)入脫髓鞘進(jìn)程[5]，與此同時(shí)軸突突觸間信息交換也受到破壞，大腦沖動(dòng)信息不能很好往下傳遞而引起軀體運(yùn)動(dòng)效應(yīng)器功能障礙。

2 常規(guī)MRI序列及DWI檢查對(duì)華勒氏變性顯示的局限性

常規(guī)T1加權(quán)成像（T1weighted image，T1WI）、T2加權(quán)成像（T2weighted image，T2WI）、T2WI液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù) （T2WI fluid attenuated inversion recovery，T2WIFLAIR）對(duì)早期腦梗死病灶的顯示明顯優(yōu)于CT，而擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）技術(shù)的出現(xiàn)，使得MRI由傳統(tǒng)的解剖成像過渡到功能成像，把MRI對(duì)早期腦梗死的檢出時(shí)間大大向前推進(jìn)。其在超急性-急性期腦梗死診斷方面的價(jià)值已得到公認(rèn)，檢出率及顯示明顯優(yōu)于常規(guī)MRI序列[6]，DWI配合腦灌注檢查對(duì)腦梗死半暗帶的顯示，更能有效地指導(dǎo)臨床進(jìn)行溶栓治療。但無論是傳統(tǒng)常規(guī)MRI序列，還是DWI及腦灌注檢查，其僅能發(fā)現(xiàn)早期腦梗死灶本身或只在腦梗死形成軟化灶后才能顯示其下行神經(jīng)纖維傳導(dǎo)通路的信號(hào)改變，對(duì)早期腦梗死引起其下行神經(jīng)纖維傳導(dǎo)通路的病理變化卻無法顯示。

3 DTI的基本原理及其在華勒氏變性顯示的優(yōu)越性

DTI技術(shù)是在DWI技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者均是用于描述水分子擴(kuò)散方向特征的MRI技術(shù)。通過改變擴(kuò)散敏感梯度方向測(cè)量體素內(nèi)水分子在各個(gè)方向上的擴(kuò)散，DWI描述水分子擴(kuò)散方向?yàn)?個(gè)，而DTI描述水分子擴(kuò)散方向達(dá)到13個(gè)及以上，其對(duì)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)描述更加精確，利用DTI采集的數(shù)據(jù)選擇專用的軟件后處理可建立DTT圖，用其描述神經(jīng)纖維束的走行形態(tài)更為立體形象。DTI主要參數(shù)有FA、ADC及VR值等，以FA值最常用，其主要反映水分子擴(kuò)散的方向性，是顯示神經(jīng)纖維束是否損傷及損傷程度的敏感指標(biāo)，F(xiàn)A值越大，圖像越亮，神經(jīng)纖維方向性越好，傳導(dǎo)性越佳[7，8]；ADC值代表體素內(nèi)水分子擴(kuò)散的大小及程度，其對(duì)神經(jīng)纖維束損傷的靈敏度較FA值稍差；VR值為橢球體的體積與半徑為平均擴(kuò)散球體的體積之比，其對(duì)神經(jīng)纖維束的損傷也較為敏感。DWI技術(shù)在全身各系統(tǒng)都得到了廣泛應(yīng)用，而DTI技術(shù)主要應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)，其中就有研究表明DTI對(duì)腰脊神經(jīng)的顯示有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[9]，能客觀地評(píng)價(jià)纖維束受損程度，為臨床早期診斷、早期干預(yù)和準(zhǔn)確評(píng)估預(yù)后提供可靠的影像信息。

4 DTI對(duì)華勒氏變性的相關(guān)研究

4.1 皮質(zhì)脊髓束華勒氏變性與腦梗死相關(guān)性研究

CST發(fā)生WD的嚴(yán)重程度與腦梗死的面積、部位及病程存在相關(guān)性。中國(guó)在該方面的研究也比較多，其中楊麗娟等[10]關(guān)于腦干WD的DTI研究顯示，CST分布區(qū)和（或）近皮質(zhì)區(qū)早期腦梗死面積越大，其下行神經(jīng)纖維束FA值就越低。這充分說明神經(jīng)纖維束在腦內(nèi)分布區(qū)的腦梗死面積越大，神經(jīng)元胞體或近端軸突損傷壞死越嚴(yán)重，發(fā)生WD的下行神經(jīng)纖維越多，神經(jīng)纖維束水腫變性越明顯，水分子在髓鞘的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受限程度越高，最終導(dǎo)致肌力功能障礙越嚴(yán)重。CST的受損程度除了與其在大腦分布區(qū)腦梗死的面積有關(guān)外，還與腦梗死發(fā)生的部位有關(guān)。大腦分為不同的功能區(qū)，如記憶和情緒功能區(qū)、視覺功能區(qū)、運(yùn)動(dòng)功能區(qū)等，不同的腦功能區(qū)對(duì)機(jī)體有不同指揮功能。CST為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)纖維，其在大腦的功能分布區(qū)位于中央前回及中央旁小葉前部，該區(qū)域核心區(qū)發(fā)生腦梗死往往會(huì)引起明顯的臨床肌力受損癥狀，即使是病灶非常小，這也就更好解釋了為什么有些患者腦梗死面積大而臨床肌力受損輕，有些患者腦梗死面積小而臨床肌力受損嚴(yán)重，因此認(rèn)為梗死灶的發(fā)病部位與CST受損程度有關(guān)[11]，梗死灶越靠近功能核心區(qū)，其臨床癥狀越明顯。另外，CST的受損程度除了與腦梗死面積和發(fā)病部位有關(guān)外，還與腦梗死的病程有關(guān)，隨著病程延遲，DTI也逐步能檢測(cè)到其遠(yuǎn)端神經(jīng)纖維束FA值的變化[12]，表明隨著腦梗死時(shí)間延長(zhǎng)，軸索發(fā)生WD的結(jié)構(gòu)逐步降解，后期軸索消失及膠質(zhì)細(xì)胞浸潤(rùn)，這在大腦CST分布區(qū)腦梗死并軟化灶形成后引起患側(cè)大腦腳縮小及纖維束T2WI-FLAIR信號(hào)增高的MRI影像表現(xiàn)中得到印證。

4.2 皮質(zhì)脊髓束華勒氏變性與肌力功能相關(guān)性研究

4.2.1 皮質(zhì)脊髓束損傷是腦梗死引起肌力障礙因果關(guān)系的橋梁

腦梗死引起肌力功能障礙與CST的WD有關(guān)，CST大腦分布區(qū)發(fā)生腦梗死后患者常常會(huì)出現(xiàn)對(duì)側(cè)肌力功能損害。 深究其原因主要是腦梗死引起人體聯(lián)系大腦至軀體運(yùn)動(dòng)效應(yīng)器之間的運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)通路發(fā)生異常所致，大腦的神經(jīng)沖動(dòng)信息不能順暢傳遞到運(yùn)動(dòng)效應(yīng)器，即CST發(fā)生了WD，腦梗死患者臨床癥狀的輕重與梗死灶的面積、部位及病程間接相關(guān)，而與CST的空間關(guān)系及WD直接相關(guān)[13]，其在腦梗死引起肌力障礙的病理改變中起著橋梁作用。臨床以恢復(fù)患者肌力功能為治療目的，這也是患者及家屬最為關(guān)心的問題，而目前臨床神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師主要是依據(jù)患者腦梗死的部位、大小及腦血管情況來判斷肌力的預(yù)后，判斷依據(jù)過于籠統(tǒng)。因此，人們?cè)O(shè)法想找到一種較為直接有效的量化性指標(biāo)作為判斷肌力預(yù)后的依據(jù)，而這種量化指標(biāo)依據(jù)就是直接支配肢體運(yùn)動(dòng)功能的CST發(fā)生WD的嚴(yán)重程度。DTI是目前唯一種能無創(chuàng)性檢測(cè)到WD的醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)，其不僅可通過ADC、VR及FA等參數(shù)值對(duì)神經(jīng)纖維的多少、排列方向一致性及完整性進(jìn)行量化性分析，還可通過重建DTT圖進(jìn)行可視性分析，能很好評(píng)價(jià)神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)完整程度與功能關(guān)系[14]。中國(guó)學(xué)者根據(jù)DTT圖將CST完整性分為3級(jí)[15]。ADC、VR及FA等參數(shù)能反映CST WD的嚴(yán)重程度，又因?yàn)镃ST直接支配肢體運(yùn)動(dòng)功能，因此利用ADC、VR及FA等變化來反映肌力功能損害比根據(jù)腦梗死灶大小、部位等情況來反映更為直接、有效，并可通過ADC、VR及FA值變化來預(yù)判肌力所能恢復(fù)的程度。

4.2.2 皮質(zhì)脊髓束華勒氏變性程度與肌力受損程度的關(guān)系

DTI可通過檢測(cè)WD的嚴(yán)重程度來反映肌力的受損程度，CST WD作為腦梗死引起肌力功能障礙的橋梁，探究CST WD與肌力受損程度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是業(yè)界的努力方向。DTI能夠在活體內(nèi)檢測(cè)出急性腦梗死下行神經(jīng)纖維束WD，可直接顯示CST投射結(jié)構(gòu)的完整性[16]，其參數(shù)值可在一定程度上定量評(píng)估CST微細(xì)結(jié)構(gòu)變化和臨床神經(jīng)功能改變。腦梗死患側(cè)大腦腳CST投射區(qū)的DTI參數(shù)值比健側(cè)大腦腳CST投射區(qū)的DTI參數(shù)值減低。同時(shí)，患側(cè)CST FA參數(shù)值越高，肌力分級(jí)越高，F(xiàn)A值越低，肌力分級(jí)越低，CST投射區(qū)DTI參數(shù)值變化與肢體運(yùn)動(dòng)功能存在相關(guān)性[17]，CST變性程度越嚴(yán)重，相應(yīng)肢體肌力受損越嚴(yán)重。

4.2.3 皮質(zhì)脊髓束華勒氏變性程度與肌力恢復(fù)程度的關(guān)系

DTI在對(duì)腦梗死患者患側(cè)肌力預(yù)后的判斷方面也有積極作用。腦梗死患者CST WD的嚴(yán)重程度與對(duì)側(cè)肌力功能受損程度存在明顯正相關(guān)性，而CST早期變性越嚴(yán)重，則會(huì)對(duì)其神經(jīng)纖維束的后期恢復(fù)產(chǎn)生消極影響，最終影響患側(cè)肌力的恢復(fù)。它們之間存在密切關(guān)聯(lián)性，神經(jīng)纖維束損傷治療后的演變趨勢(shì)與其早期神經(jīng)纖維束變性的嚴(yán)重程度有關(guān)，這在姚添奇等[18]對(duì)恒河猴腦梗死模型腦缺血后不同時(shí)期纖維束損傷的DTI研究得出的結(jié)論中得以印證。郭龍軍等[19]通過對(duì)慢性腦梗死患者運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)治療前后CST的FA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果認(rèn)為DTI技術(shù)可根據(jù)CST受損程度評(píng)估肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練效果。對(duì)于腦梗死并肌力障礙患者，利用早期CST FA的變化幅度可以預(yù)測(cè)后期患者的運(yùn)動(dòng)功能狀態(tài)，CST早期FA指標(biāo)的變化與腦卒中后期運(yùn)動(dòng)指數(shù)（motricity index，MI）評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，與美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院卒中量表（National Institute of Health Stroke Scale，NIHSS）評(píng)分呈正相關(guān)[20]，與NIHSS及上肢運(yùn)動(dòng)功能評(píng)測(cè)法（Fugl-Meyer assessment，F(xiàn)MA）預(yù)測(cè)腦梗死患者疾病評(píng)估相比，通過FA參數(shù)值評(píng)估患者疾病準(zhǔn)確度更高，更具臨床價(jià)值[21]。

5 不足與展望

DTI技術(shù)雖然能無創(chuàng)性顯示神經(jīng)纖維束的形態(tài)，描述纖維束WD的演變機(jī)制。但仍有不足之處有待解決，如①圖像信噪比低及容易失真變形，尤其是在躁動(dòng)患者較為明顯，這將在一定程度上影響DTI測(cè)量值的準(zhǔn)確度；②壓水不理想及磁場(chǎng)的不均勻性均可對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；③測(cè)量值的準(zhǔn)確度可因不同操作者的人為因素有所差別，比如感興趣區(qū)的位置、大小及對(duì)神經(jīng)纖維束解剖的熟悉程度；④“證實(shí)”問題，雖然腦梗死后在梗死灶遠(yuǎn)端白質(zhì)纖維發(fā)生繼發(fā)性變性已在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體解剖的病理檢查上得到證實(shí)，但是在人體內(nèi)是否存在仍無法證實(shí)；⑤患者早期及康復(fù)后肌力的評(píng)定可能因評(píng)定時(shí)間、人員、治療等因素不同而存在一定的差異，從而削弱了ADC、VR及FA值與肌力存在相關(guān)性的可信度；⑥目前尚不清楚WD的DTI指標(biāo)變化與局部細(xì)胞構(gòu)筑特點(diǎn)是否存在相關(guān)性[22]。

雖然DTI在腦梗死與肌力功能相關(guān)性研究中的應(yīng)用仍存在諸多不足，但是隨著MRI機(jī)器場(chǎng)強(qiáng)的提高，特別是3.0 T MRI的普遍應(yīng)用，7.0 T MRI已在部分醫(yī)院臨床應(yīng)用，可有效解決信噪比低、容易失真變形及磁場(chǎng)不均勻等問題。通過加強(qiáng)對(duì)專業(yè)MRI技師及影像診斷醫(yī)師的培訓(xùn)，實(shí)行專人后處理DTI參數(shù)測(cè)量，降低人為因素對(duì)檢查結(jié)果的影響，嚴(yán)格對(duì)研究患者的篩選及分組，統(tǒng)一治療處理方法，將增強(qiáng)結(jié)果的可信度。由于DTI技術(shù)不但能通過ADC、VR及FA等進(jìn)行量化分析，還可通過DTT進(jìn)行三維立體可視性分析，DTI技術(shù)開辟了腦梗死與肌力相關(guān)性研究的有效研究途徑，使得研究層次更深及范圍更廣[23，24]，其前景將非常廣闊。綜上，隨著DTI技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)腦梗死與肌力的相關(guān)性研究更加深入，進(jìn)而為患者肌力的預(yù)后及評(píng)價(jià)軸突保護(hù)藥物的療效等方面發(fā)揮更大作用。