脊神經(jīng)叢MR成像的研究進展

鄧燕，王衛(wèi)衛(wèi)，劉含秋*

正常人體內(nèi)共有31對脊神經(jīng)，其前后根自脊髓發(fā)出后在椎間孔處匯合，然后分出前支、后支、交通支及脊膜支，前支是主要的成像對象。其中，僅胸神經(jīng)前支具有明顯的節(jié)段性走行和分布，頸段、腰段及骶尾段脊神經(jīng)前支分別構(gòu)成4個神經(jīng)叢，即頸叢、臂叢、腰叢和骶叢，再由神經(jīng)叢發(fā)出分支分布于四肢及盆腔等相應區(qū)域。臨床常見的脊神經(jīng)疾病包括炎性疾病、腫瘤以及急性損傷等，這些病變可以通過結(jié)合詳細的病史資料和各種輔助檢查得出診斷結(jié)果。電生理檢查對遠端神經(jīng)損害的敏感性較高，對近端神經(jīng)損害的診斷卻不太準確；超聲可以探查到部位表淺的神經(jīng)病變，對深部神經(jīng)疾病的診斷卻無能為力；CT可顯示較粗大神經(jīng)的大致形態(tài)，但對周圍神經(jīng)的分辨力及對比度顯示能力較差；正電子發(fā)射體層成像（PET）可以通過分析損傷組織的代謝改變來評估神經(jīng)損傷，但費用昂貴且有輻射。MRI具有良好的對比度和分辨力，能夠?qū)崿F(xiàn)3D成像并可使用多平面重組（multiplanar reconstruction,MPR）、最大強度投影（maximum intensity projection,MIP）、容積再現(xiàn)（volume rendering,VR）等方式進行影像三維重建，還能使用各種技術(shù)實現(xiàn)定量測量，因而是目前脊神經(jīng)叢成像的主要手段。本文就脊神經(jīng)叢MR成像展開綜述，將依次介紹形態(tài)學成像（包括常用的脂肪抑制技術(shù)及重T2加權(quán)脂肪抑制序列）、定量成像、較新的對比劑成像和顯微神經(jīng)成像等技術(shù)。

1 MR形態(tài)學成像技術(shù)

神經(jīng)的特定間隙內(nèi)含水量較鄰近肌肉等組織多，因而在T2WI上呈較高信號，而鄰近肌肉呈較低信號。采用MRI重T2加權(quán)脂肪抑制序列能夠突出神經(jīng)組織的長T2特性并抑制周圍的脂肪信號，因此可以實現(xiàn)脊神經(jīng)叢的MR形態(tài)學成像。各種抑脂技術(shù)的原理及應用有一定差異，與不同的重T2加權(quán)序列結(jié)合可以達到不同的成像效果。

1.1 脂肪抑制技術(shù) 常見的MRI脂肪抑制技術(shù)包括短時反轉(zhuǎn)恢復（short tau inversion recovery，STIR）、頻率衰減反轉(zhuǎn)恢復（spectral attenuated inversion recovery，SPAIR）、選擇性水激勵脂肪抑制技術(shù)（principle of selective excitation technique，PROSET）、迭代最小二乘法非對稱采集水脂分離（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and leastsquares estimation，IDEAL）等。STIR技術(shù)對液體含量變化敏感，可以清晰顯示節(jié)后神經(jīng)的形態(tài)及走行，也能靈敏地反映神經(jīng)水腫等病理狀態(tài)，且其對磁場均勻性要求不高，因此應用廣泛。然而，該技術(shù)基于水和脂肪T1弛豫時間的差別，選擇性地抑制脂肪信號，這就不可避免地影響了與脂肪T1時間相近的組織，降低了影像信噪比；另外，神經(jīng)周圍小血管及淋巴結(jié)構(gòu)信號未被抑制，這對目標神經(jīng)的觀察產(chǎn)生了較大的干擾。SPAIR是基于水和脂肪進動頻率差異的一項脂肪抑制技術(shù)，主要應用于脊神經(jīng)叢遠端分支成像。PROSET是一種二項式水激發(fā)脂肪抑制技術(shù)，能很好地抑制背景脂肪信號，清晰顯示脊神經(jīng)根、神經(jīng)節(jié)及部分節(jié)后神經(jīng)的解剖形態(tài)，目前常用于腰骶叢成像。IDEAL采用Dixon水-脂分離技術(shù)，在減少偽影的同時能均勻抑制神經(jīng)周圍的脂肪并保持高信噪比，對臂叢及腰骶叢顯示良好。

1.2 三維快速自旋回波序列 三維快速自旋回波序列可稱為（sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolution,SPACE；西門子公司）、（fast spin echo with an extended echo train acquisition,CUBE；GE公司）、（volume isotropic turbo spin echo acquisition,VISTA；飛利浦公司），目前在臨床應用廣泛。該序列的優(yōu)勢在于空間分辨力高，射頻能量吸收率低，并且可以有效減少靜磁場不均勻帶來的偽影。為了提高神經(jīng)與周圍組織的對比度，常與SPAIR或者STIR等脂肪抑制技術(shù)結(jié)合，如常用的三維快速自旋回波短時反轉(zhuǎn)恢復(3D STIR SPACE)序列，其中SPACE序列能進行各向同性采集，允許成像后對神經(jīng)進行任意曲面的三維重建，而增加的STIR技術(shù)能很好地抑制脂肪信號，但周圍的小血管和淋巴等結(jié)構(gòu)仍在一定程度上影響神經(jīng)的顯示，必要時可行釓劑增強掃描[1]。

1.3 平衡式穩(wěn)態(tài)自由進動序列 常規(guī)平衡式穩(wěn)態(tài)自由進動序列可稱為（true-fast imaging with steadystate precession,true-FISP；西門子公司）、（fast imaging employing steady state acquisition,FIESTA；GE公司）、（balance fast field echo,B-FFE，飛利浦公司），在層面選擇、相位編碼及頻率編碼3個方向上都施加了重聚焦梯度進行相位補償，減少了腦脊液的流動偽影。同時，該序列上腦脊液表現(xiàn)為很高的信號，椎管內(nèi)神經(jīng)根信號相對較低，因此能得到類似于CT脊髓造影的影像，具有良好的腦脊液-脊髓-神經(jīng)根對比度。然而，該序列不是單純的梯度回波序列，相位偏移時容易形成條帶狀偽影。在此基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化可以得到雙激發(fā)平衡式穩(wěn)態(tài)自由進動（constructive interference in the steady state,CISS；西門子公司）、（fast imaging employing steady state acquisition cycled phases,FIESTA-c；GE公司）序列，該序列通過施加2次不同相位編碼方向的射頻激勵，然后將得到的兩組true-FISP影像合二為一，以消除條帶狀偽影。上述的平衡式穩(wěn)態(tài)自由進動序列都具有高信噪比、高對比度的特征，是評估根性撕脫傷及其他椎管內(nèi)脊神經(jīng)疾病的最佳手段，但這些梯度回波序列都很容易受運動偽影的影響[2]。

1.4 三維多回波數(shù)據(jù)聯(lián)合成像序列 三維多回波數(shù)據(jù)聯(lián)合成像序列又可稱為（multiple-echo data image combination，MEDIC；西門子公司）、（coherent oscillatory state acquisition for the manipulation imaging contrast,COSMIC；GE公司）序列，使用一次小角度射頻脈沖激發(fā)后采集多個梯度回波，然后將這些回波合并，以提高信噪比。該序列影像具有良好的組織對比度，脊神經(jīng)的節(jié)后神經(jīng)呈高信號，邊界清楚、走行連續(xù)，椎間盤呈稍高信號，椎體呈低信號。因此，該序列的影像尤其適用于椎間盤突出癥引起神經(jīng)受累的影像學診斷。

1.5 其他 三維神經(jīng)鞘信號增高并背景抑制弛豫增強的快速采集成像（3D nerve-sheath signal increased with inked rest-tissue rapid acquisition of relaxation imaging，3D SHINKEI）是飛利浦公司的新序列，它聯(lián)合了SPAIR與運動敏化驅(qū)動平衡脈沖，在抑制肌肉和脂肪信號的同時，也能很好地抑制血流快速的動脈血管，因此能突出神經(jīng)鞘信號以顯示神經(jīng)叢的形態(tài)。為了進一步減少腰骶部腦脊液、靜脈血及膀胱等信號的影響，Tadenuma等[3]在腰骶叢神經(jīng)成像過程中使用高信號抑制神經(jīng)鞘信號增強（high-intensity reduction SHINKEI,HIRE-SHINKEI）技術(shù)，愈加突出顯示腰骶叢神經(jīng)結(jié)構(gòu)及走行。Ferrer等[4]在最近的研究中還發(fā)現(xiàn)呼吸心臟雙觸發(fā)的3D SHINKEI序列可以顯示腹腔神經(jīng)叢，這在神經(jīng)成像中是很少見的。

三維雙回波穩(wěn)態(tài)水激發(fā)（3D double-echo steady-state with water excitation,3D DESS-WE）序列是西門子公司特有的梯度回波序列，既往主要用于骨關(guān)節(jié)成像，近年來開始被用在神經(jīng)成像中。其影像信噪比及組織對比度高，脊神經(jīng)叢顯示良好，還能觀察神經(jīng)根與椎間盤的關(guān)系，在被檢者高度配合下能得到優(yōu)質(zhì)影像[5]。

2 MRI定量技術(shù)

脊神經(jīng)叢形態(tài)學成像的MRI序列較多，成像質(zhì)量也越來越高。然而，形態(tài)學成像所提供的有關(guān)神經(jīng)損傷的病理以及疾病病程的信息卻十分有限，也不能很好地監(jiān)測神經(jīng)的再生狀態(tài)，而定量MRI正好在一定程度上彌補了這些缺陷。形態(tài)學成像與定量技術(shù)的結(jié)合有助于疾病的早期診斷、預后指導和再生評估等。目前應用于脊神經(jīng)叢的MRI定量成像方法主要包括基于擴散加權(quán)技術(shù)的序列、T2-mapping/SHINKEI-Quant、磁化轉(zhuǎn)移率（magnetization transfer ratio，MTR）成像等。

2.1 基于擴散加權(quán)技術(shù)的序列 擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是目前臂叢及腰骶叢神經(jīng)最常用的定量成像手段，其可靠性及可重復性較高。DTI利用神經(jīng)纖維內(nèi)水分子運動的高度各向異性特征進行成像，獲取各向異性分數(shù)（FA）、表觀擴散系數(shù)（ADC）等參數(shù)值并進行數(shù)據(jù)分析，當這些值處于正常范圍內(nèi)時，可以認為神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)完整。而神經(jīng)因各種原因發(fā)生損傷后，軸突膜、髓鞘以及纖維結(jié)構(gòu)破壞并出現(xiàn)水腫等病理改變時，這些參數(shù)值會發(fā)生相應的改變，且其變化程度還可以反映神經(jīng)損傷的嚴重程度或鑒別不同的神經(jīng)疾病類型[6-7]。此外，DTI的這些參數(shù)改變與臨床電生理檢查有一定的相關(guān)性[8]。DTI現(xiàn)在被廣泛應用于脊神經(jīng)叢炎癥、腫瘤、牽拉、卡壓及撕裂等病變的研究中[9]。擴散張量纖維束成像（diffusion tensor tractography，DTT）在DTI的基礎(chǔ)上利用計算機后處理軟件進行神經(jīng)三維重建，可以直觀顯示神經(jīng)叢的走行，也可以觀察到由于各種疾病因素導致的神經(jīng)受壓推移、稀疏、缺損或中斷的形態(tài)學改變[10]。因此，DTI及DTT在脊神經(jīng)叢的定量研究中具有重要地位。

擴散峰度成像（diffusional kurtosis imaging，DKI）是在DTI基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而來的技術(shù)，DTI成像基于理想狀態(tài)下水分子擴散運動為高斯模式，而DKI則是基于細胞內(nèi)外水分子實際擴散方式的非高斯模式。DKI作為神經(jīng)成像的一種新技術(shù)，在發(fā)現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)各向同性擴散區(qū)域（如皮質(zhì)、基底節(jié)和丘腦等）微觀結(jié)構(gòu)變化方面比DTI具有更高的敏感性[11]。疾病早期階段，DKI的平均擴散峰度（MK）值比DTI的FA值更早出現(xiàn)改變。然而，DKI在周圍神經(jīng)中的應用仍然較少，視神經(jīng)及聽神經(jīng)成像中偶見，在坐骨神經(jīng)成像中的應用目前也只見于動物實驗。Wan等[12]認為DKI在周圍神經(jīng)成像中的應用價值可能不如DTI，且相對于DTI而言，DKI的成像耗時更長。

背景抑制全身擴散加權(quán)成像（diffusion weighted whole-body imaging with background body signal suppression，DWIBS），又稱“類PET”序列。DWIBS是基于平面回波和擴散加權(quán)成像的序列，它能很有效地抑制神經(jīng)周圍的背景信號，從而著重顯示臂叢或腰骶叢神經(jīng)。DWIBS對神經(jīng)節(jié)及節(jié)后神經(jīng)顯示清晰。由于臂叢神經(jīng)相對纖細，周圍結(jié)構(gòu)更復雜，脂肪抑制常不均勻，且容易產(chǎn)生偽影，因此在腰骶叢成像中使用較多。

讀出分割平面回波擴散加權(quán)（readout segmentation of long variable echo-trains diffusion weighted imaging，RESOLVE DWI）序列是一種新的擴散序列，不僅可以獲得高質(zhì)量、高分辨率DWI影像，還可以測量ADC值。Abdulaal等[13]最新的研究表明這個擴散序列可以準確檢測和定位骶叢神經(jīng)異常。

2.2 T2-mapping/SHINKEI-Quant T2-mapping是一種定量分析技術(shù)，可以生成T2-mapping偽彩圖，通過測量組織的T2值，即橫向弛豫時間，反映病變組織自由水含量的變化[14]。這項技術(shù)的可重復性很高，目前被廣泛用于研究關(guān)節(jié)軟骨和心肌。近來許多學者也用T2-mapping來研究脊神經(jīng)叢相關(guān)疾病，發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)神經(jīng)的T2值增高且具有統(tǒng)計學意義，因此推測T2-mapping可能具有提示神經(jīng)病理改變的潛能，能夠在臨床診斷中占據(jù)一席之地。T2-mapping在測量T2值的同時也可以測量質(zhì)子密度，但目前這個方法在臨床上應用較少，因為質(zhì)子密度的測量很大程度上依賴MRI信號和相關(guān)參數(shù)[15]。

SHINKEI序列能對神經(jīng)叢進行良好的形態(tài)學成像，但和大多數(shù)方法一樣，它無法對神經(jīng)進行定量成像。近些年成像參數(shù)不斷改進，SHINKEI-Quant序列也能在形態(tài)學成像的同時獲得神經(jīng)組織的T2值。Eguchi等[16]使用SHINKEI-Quant序列對頸椎間盤突出病人的臂叢神經(jīng)進行成像，在冠狀面影像上觀察到患側(cè)C7神經(jīng)腫脹。Hiwatashi等[17]對慢性炎性脫髓鞘性多發(fā)性神經(jīng)根神經(jīng)病（chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy,CIDP）病人和正常人的腰叢進行SHINKEI-Quant成像，發(fā)現(xiàn)CIDP病人的神經(jīng)明顯較正常人粗大，且病人腰叢神經(jīng)測得的T2值較正常人高。由此看來，SHINKEIQuant成像既能在保證影像不失真的情況下進行形態(tài)學成像，又能用作定量手段，因此具有較好的研究前景。但由于這個序列測得的T2值只經(jīng)過2個回波計算獲得，所以會比多回波自旋回波T2-mapping序列測出的T2值偏大。

2.3 MTR成像MTR成像時先使用偏振脈沖激發(fā)結(jié)合水，使結(jié)合水質(zhì)子部分被飽和，被飽和的結(jié)合水再把磁化飽和的狀態(tài)傳遞給自由水，這個過程就是磁化轉(zhuǎn)移，使用偏振脈沖前后的組織信號差與使用偏振脈沖前組織信號的比值稱為MTR。MTR成像對白質(zhì)脫髓鞘或髓鞘密度變化敏感，現(xiàn)在主要應用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病的研究中，并被認為是一個很好的指標[18]。不僅如此，快速、高分辨率的周圍神經(jīng)MTR成像也是可行的。Yiannakas等[19]發(fā)現(xiàn)使用臨床常規(guī)的3 T MRI設備便可以測量健康志愿者腰叢神經(jīng)的MTR值。Boonsuth等[20]測量中樞多發(fā)性硬化（multiple sclerosis,MS）病人腰叢及坐骨神經(jīng)的MTR值，結(jié)果顯示坐骨神經(jīng)MTR值顯著降低，這可能提示中樞MS病人脊神經(jīng)的分支也可以出現(xiàn)脫髓鞘改變。Kollmer等[21]在研究下肢神經(jīng)MTR值時還發(fā)現(xiàn)，在年輕健康志愿者中，下肢神經(jīng)的MTR值從近端到遠端沒有明顯差異，但隨著年齡增長有逐漸降低的趨勢。

3 對比劑成像

脊神經(jīng)叢的MR對比劑成像主要基于損傷部位的免疫反應。在以往的研究中，最主要的分子水平成像對比劑是超順磁性氧化鐵（superperamagnetic iron oxide，SPIO）或超小超順磁性氧化鐵（ultrasmall superperamagnetic iron oxide，USPIO），以及全氟化碳（perfluorocarbon，PFC）。釓氟林M（gadofluorine M，Gf）則是利用神經(jīng)損傷時血神經(jīng)屏障破壞或紊亂進行成像。但目前這些對比劑主要用于動物實驗。

3.1 SPIO/USPIO具有超順磁性的SPIO和USPIO能被體內(nèi)單核巨噬細胞吞噬，在神經(jīng)炎性反應過程中隨巨噬細胞遷移到病變部位。由于其超順磁效應，病灶MRI成像表現(xiàn)為T1WI高信號和T2WI低信號。USPIO作為一種良好的MRI對比劑，能很好地反映神經(jīng)損傷后巨噬細胞的浸潤情況。Chen等[22]最近的研究以小鼠坐骨神經(jīng)急性損傷作為模型，使用USPIO增強MRI在體內(nèi)監(jiān)測到了神經(jīng)損傷后巨噬細胞的募集情況。

3.2 PFC PFC也能被活體內(nèi)巨噬細胞吞噬，然后隨巨噬細胞到達神經(jīng)損傷部位并集聚于此。與SPIO和USPIO不同的是，PFC中19F并非天然存在于軟組織內(nèi)，所以神經(jīng)損傷部位的PFC成像具有高度特異性，近年來被廣泛應用于各種組織或不同疾病的19F MRI分子成像的研究[23]。Weise等[24]在誘導大鼠坐骨神經(jīng)脫髓鞘后向大鼠體內(nèi)注入PFC乳劑，5 d后行19F MRI觀察到了病灶部位的高信號，離體后的組織學檢查也證實病灶區(qū)集聚了大量巨噬細胞。因此，PFC也是一種無創(chuàng)監(jiān)測神經(jīng)免疫活動的方法。

3.3 Gf Gf是一種釓復合物，在神經(jīng)炎癥成像方面比常規(guī)MRI對比劑釓噴酸葡胺敏感性高，能聚集到神經(jīng)脫髓鞘區(qū)域，顯示釓噴酸葡胺增強后所不能發(fā)現(xiàn)的病變。Gf這種特異性聚集的具體機制尚不明了，被認為和血神經(jīng)屏障破壞或紊亂有關(guān)。在動物實驗中，利用Gf對急性或慢性神經(jīng)炎性脫髓鞘疾病進行成像時，T1WI上病灶表現(xiàn)為明亮的高信號，而隨著神經(jīng)髓鞘的修復再生，其信號逐漸降低。因此Gf具有監(jiān)測髓鞘再生的能力，但近年來相關(guān)研究較少[25]。

4 顯微神經(jīng)成像

顯微神經(jīng)成像是指通過高場強高分辨MRI設備對神經(jīng)進行成像，在常規(guī)橫斷面自旋回波或梯度回波T2WI影像上即可顯示其超微結(jié)構(gòu)，并允許在一定程度上分辨目標神經(jīng)的成分，如神經(jīng)外膜和束膜等結(jié)構(gòu)。Bilgen等[26]使用專門設計的表面線圈和9.4 T高場強MRI設備，并配備能夠產(chǎn)生強磁場變化的梯度線圈組對離體的正中神經(jīng)進行成像，展示了高分辨MRI上正中神經(jīng)的超微結(jié)構(gòu)，與蘇木精-伊紅染色顯示的正中神經(jīng)顯微影像結(jié)構(gòu)具有較高的一致性。Yoon等[27]用3 T和7 T MRI設備對踝關(guān)節(jié)脛神經(jīng)進行成像，7 T MRI橫斷面影像上神經(jīng)束結(jié)構(gòu)的顯示明顯較3 T MRI清晰，與周圍結(jié)構(gòu)的對比也更加明顯。

雖然目前在臨床工作中應用高場強的MRI設備不太現(xiàn)實，但Zochowski等[28]提出的一種新的基于深度學習的MRI重建（deep learning-based MR reconstruction，DLRecon）方法可能會提供顯微神經(jīng)成像的新思路。該研究將DLRecon法應用于正中神經(jīng)、脛神經(jīng)等脊神經(jīng)叢遠端分支成像的臨床評估，發(fā)現(xiàn)DLRecon法在很大程度上提高了影像的信噪比以及邊緣銳化度，使神經(jīng)的細微結(jié)構(gòu)顯示更清晰。神經(jīng)成像影像質(zhì)量的提高或許提示這是一種在3 T MRI設備上實現(xiàn)顯微神經(jīng)成像的替代方法。

5 小結(jié)

周圍神經(jīng)成像一直是比較熱門的研究方向，脊神經(jīng)叢是研究的主要著力點。大部分研究都是希望借助MRI這一無創(chuàng)的檢查手段，用最短的成像時間實現(xiàn)脊神經(jīng)損傷的精準診斷，并對神經(jīng)損傷進行分級和預后評估，甚至對某些未知原因的神經(jīng)疾病進行病因探索。各種形態(tài)學MRI成像序列能夠提供神經(jīng)損害的直接征象，是影像診斷的基礎(chǔ)，因此提高MRI的影像質(zhì)量，得到滿意的分辨率及對比度是神經(jīng)影像診斷永恒的話題。但只有神經(jīng)出現(xiàn)明顯形態(tài)學改變時，才能在影像上觀察到病變，因此應用定量技術(shù)或新型對比劑探索神經(jīng)的細微結(jié)構(gòu)或疾病早期病理生理變化勢在必行，將會是未來研究的重點。新型對比劑提供了一種分子層面成像的方法，目前的研究表明其具有揭示神經(jīng)炎性反應病理過程的潛能，但尚需更多有力研究的證實。顯微神經(jīng)成像能提供給影像醫(yī)生肉眼可見的神經(jīng)細微結(jié)構(gòu)信息，但它依賴于高場強MRI設備。人工智能技術(shù)的發(fā)展呈不可阻擋之勢，近年來也逐漸滲入脊神經(jīng)叢成像的研究領(lǐng)域，并顯示出這項技術(shù)在此領(lǐng)域具有的巨大潛力[28-29]，醫(yī)工結(jié)合必將使脊神經(jīng)叢成像的研究變得更加簡易而深刻。