弥散张量成像技术在评估脑卒中患者白质纤维束损伤及预后方面的研究进展

张晓钰

脑卒中是严重危害人类健康的常见病之一,具有高发病率、高死亡率、高致残率及高复发率的特点,早期评价脑卒中的损伤程度和准确预测患者预后一直是医学界的难题[1]。常规CT和MRI很难准确显示病灶与神经纤维束的空间位置关系以及白质束受损的范围。弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DWI)技术是近年来在常规磁共振和弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DTI)基础上发展起来的成像及后处理技术,是一种新的无创性成像方法。其利用组织中水分子的自由热运动的各向异性原理,并通过特殊的软件处理成像,对大脑白质纤维束的三维几何结构进行研究,重建脑部白质神经连接,是唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创性成像技术[2],其主要方法为DTI纤维追踪成像[3],可直观地显示脑内病变对白质纤维形态结构直接或间接的影响[4]。

1 DTI脑白质纤维束成像的原理及分析方法

脑白质主要由神经纤维构成,其神经束的机制目前尚未完全清楚,但有证据显示在神经束的根部平行走行的髓化纤维是一个重要的因素,水分子可以平行扩散,但是在髓化纤维束的垂直方向扩散受到限制。脑白质纤维束的各向异性是一个重要的特征,DTI可利用弥散敏感梯度从多个方向对水分子的弥散各向异性[5]进行量化,在三维空间内定量分析组织内水分子的弥散运动,从微观角度反映组织的病理学改变,从而观察脑白质结构特性,追踪纤维走行,并评估其结构完整性与方向性。李贻卓等在正常志愿者的研究中得到脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态,其中较好显示的白质纤维有:连合系、钩束、上下纵束、下额枕束、内囊等,上述纤维束与已知的解剖学上的正常的同名纤维束的描述具有较好的一致性[6]。

目前,DTI一般采用基于体素的分析法(voxel-based analysis,VBA)和感兴趣区测量的方法两者相结合进行研究,并使用部分各向异性(fractional anistrophy,FA)值来反映水分子的弥散各向异性。FA是指水分子弥散的各向异性成分在整个弥散张量的中所占的比例。FA值的范围为0～1,0代表最大各向同性的弥散,1代表假想下最大各向异性的弥散。在白质中,弥散表现为各向异性,且FA值大小与髓鞘的完整性、神经纤维的致密性及平行性呈正相关,能够反映白质纤维是否完整[7],即也从一定程度上反映皮质脊髓束(cortical spinal tract,CST)的受损情况。组织的生化特性(黏滞性和温度)、组织的结构(大分子、细胞膜和细胞器等)改变能够从根本上影响水的弥散能力,所以研究水分子弥散各向异性的变化(FA值的变化)就可评价纤维组织结构的病理改变。

2 DTI对脑卒中患者白质纤维束损伤及疗效的评估

DTI主要用于评估影响脑白质纤维束完整性的疾病,可定量分析病变组织和正常组织的弥散特征,直观显示颅内病变与白质纤维之间的关系,为解释临床表现和判断预后提供更多、更可靠的依据。

2.1 DTI对出血性卒中患者的评估 2006年Jang等应用首先DTI对1例高血压脑出血患者进行个案研究,认为DTI可以更精确的观察脑卒中患者CST的受损情况[8]。Haris等利用DTI探讨脑出血不同阶段FA值增大的生物学基础,认为出血性脑疾病中的FA值增大可能与完整的红细胞和纤维蛋白网的存在有关[9]。Cho等对40例严重偏瘫的脑出血患者在发病早期行弥散张量纤维束成像(diffusion tensor tractography,DTT)检查,研究发现发病早期各组患者之间运动功能评分无明显差异,发病后6个月各组之间运动功能评分有显著性差异,因此推论脑出血患者早期DTT所示CST的改变可用来预测患者的运动功能转归[10]。Jang等对1例61岁脑出血患者及 6名正常对照者行DTI检查,结果显示发病后3周出血区FA值减小,表现弥散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)值增大,与对照组有显著性差异,但患者在发病后5个月患侧的FA及ADC值与对照组无明显差异,推断DTI可以通过对病灶中感兴趣区的各向异性的分析来研究脑出血后CST的修复情况[11]。最近国外学者对一例左侧放射冠、基底节区脑出血患者进行运动功能恢复机制的研究。在患者发病后1个月、4个月、16个月行DTT、磁共振功能成像(functional MRI,fM RI)、经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)检查及患肢运动功能评估,并同12例正常人对比研究,发现DTT显示CST的起点发生改变,TMS、fM RI也证实皮质脊髓侧束的修复过程,推测皮质脊髓侧束的修复是脑出血患者运动功能恢复机制之一[12]。国内王红[13]、任钰[14]等利用DTT重建2例脑出血患者的CST的三维图像,观察纤维束的形态结构及走行位置。并于患者入院时、发病后2周、发病后1个月及发病后2个月分别进行肌力判定和神经功能评分。发现CST完整的脑出血患者同CST中断的患者相比,肌力恢复较快、预后好,在各个时期的NIHSS评分均较低。该研究提示DTT可在脑出血的初期对神经功能损伤情况及临床预后进行判定,但是样本例数较少。

2.2 DTI对缺血性卒中患者的评估 国外学者Thomall等对发病2～16 d内的亚急性期轻、中度幕上缺血性卒中患者行DTI检查,发现患侧大脑脚的FA值下降,且患侧大脑脚FA与对侧FA的比值与美国国立卫生院神经功能缺损评分(NIHSS)之间存在负相关,FA越低,变性程度越重,神经运动功能恢复越差[4]。Kunimatsu等对8例内囊后肢或放射冠区梗死灶进行研究也有类似的发现[15]。Werring等对5例急性期脑梗死患者的研究发现,患者脑梗死区ADC、FA值显著降低,同侧大脑脚和脑桥处CST ADC、FA值显著降低。FA值降低,推测主要是因为细胞结构破坏,导致组织微观结构正常顺序丧失,从而使各向异性显著降低。而随着脑梗死的进一步发展,血管内皮细胞损伤,细胞通透性增加,细胞间隙水分聚积导致水分子弥散能力进一步下降,ADC值进一步降低[16]。国内钟进等应用MR扩散张量成像(DTI)技术对急性脑梗死行动态观察,研究其扩散变化规律,推断缺血半暗带的治疗时间窗,并通过扩散张量纤维束成像(DTT)技术论证CST与肌力的相关关系。结论是梗死灶的平均扩散系数(DCavg)、FA、相对各向异性系数(RA)及容积比(1-VR)值具有特征性演变规律;超急性期、急性期病灶边缘区可能为缺血半暗带组织,其治疗时间窗可扩展为24 h[17]。鲍莎莎等研究45例急性脑梗死患者,入院及治疗后分别行 NIHSS评分,记为 NIHSS1、NIHSS2,常规行 MRI、DWI、DTI/DT T检查,分析病灶FA值的变化及与CST的关系。结果显示梗死灶FA值降低百分比和NIHSS1相关,CST的损伤程度与NIHSS2相关,结论认为病灶FA值下降越明显,患者病情越重;CST破坏越严重,患者运动功能受损越重,预后越差[18]。这些结果均表明DTI技术可为临床医生分析患者临床症状和判断预后提供一些依据[19],同时纤维成像还可在活体上显示出双侧脑组织横向联系的胼胝体纤维,对判断可能的代偿恢复提供一定的依据[20]。

3 DTI对脑卒中患者白质纤维束评估的局限性

DTI虽然能够活体显示白质纤维束的形态、走行,并在分子水平研究脑病理机制。但仍有不可忽视的局限性,主要表现在:①部分容积效应的影响;②图像的信噪比,即噪声及伪影问题;③操作者选择兴趣区的大小及位置、FA阈值、轨迹投影角度、采用的算法以及神经解剖学知识的熟悉程度均影响示踪成像结果的准确性;④目前尚无验证其结果是否准确的金标准,仅是与已知的解剖学知识相对照。

综上所述,DTI是目前唯一的能够在活体研究大脑白质纤维的方法。DTI与DT T相结合,可以从影像学角度对神经纤维的损害程度进行定量分析,为判断白质纤维束的损伤程度及早期预测患者预后提供重要信息,有利于我们认识神经解剖、神经功能缺损症状以及神经病理学改变之间的相互联系。DTI对脑卒中患者白质纤维束的评估仍具有一定的局限性,需要我们进行更加深入的研究。

[1]李敏,于向荣,贾中正,等.白质纤维束成像评价CST损伤与脑梗死预后的关系[J].临床放射学杂志,2009,28(6):755-758.

[2]Wang QJ,Hanada KI,Perry-Lalley D,et al.Generating renal cancerreactive Tcell using dendritic cell(DCs)to present autologous tumor[J].JImmuother,2005,28(6):551-559.

[3]吴锡,周激流,谢明元,等.磁共振弥散张量成像的脑白质纤维优化重建[J].中国生物医学工程学报,2009,28(6):932-934.

[4]Thomalla G,Glauche V,KochMA,et al.Diffusion tensor imaging detects early Wallerian degeneration of the pyramidal tract after ischemic stroke[J].Neuroimage,2004,22(7):1767-1774.

[5]Le Bihan D,Mangin JF,Poupon C,et al.Diffusion tensor imaging:concepts and applications[J].JMagn Reson Imaging,2001,13:534-546.

[6]李贻卓,黄子林,魏一飞,等.MR弥散张量三维脑白质纤维束成像[J].南方医科大学学报,2007,27(8):1244-1247.

[7]Jellison BJ,Field AS,Medow J,et al.Diffusion tensor imaging of cerebral white matter:pictorial review of physics,fiber track anatomy,and tumor imaging patterns[J].Am JNeuroradiol,2004,25(3):356-369.

[8]Jang SH,Kim YH,Kwon YH,et al.Restoration of the corticospinal tract compressed by hematoma a tractography study using diffusion tensor imaging[J].Arch Neurol,2006,63(1):140-141.

[9]Haris M,Gupta RK,Husain N,et al.Measurement of DTI metrics in hemorrhagic brain lesions:possible implication in MRI interpretation[J].JMagn Reson Imaging,2006,24(6):1259-1268.

[10]Cho SH,Kim SH,Choi BY,et al.Motor outcome according to diffusion tensorractography findings in the early stage of intracerebral hemorrhage[J].Neurosci Lett,2007,421(2):142-146.

[11]Jang SH,Byun WM,Han BS,et al.Recovery of a partially damaged corticospinal tract in a patient with intracerebral hemorrhage:a diffusion tensor image study[J].Restor Neurol Neurosci,2006,24(1):25-29.

[12]Jang SH,Kim SH,Cho SH,et al.Demonstration of motor recovery process in a patient with intracerebral hemorrhange[J].Neurorehabilitation,2007,22(2):141-145.

[13]王红,任钰,陈嘉峰.磁共振弥散张量成像在脑血管病中的应用[J].中国卒中杂志,2008,3(4):297-302.

[14]任钰,陈嘉峰,饶明俐.核磁共振弥散张量纤维束成像对脑血管病患者预后的判定[J].中风与神经病学杂志,2008,25(5):570-573.

[15]Kunimatsu A,Aoki S,Masutani Y,et al.Three-dimensional white matter tractography by diffusion tensor imaging in ischaemic stroke involving the cortical spinal tract[J].Neuroradiology,2003,45:532-535.

[16]Werring DJ,Clack CA,Parker GJ,et al.A direct demonstration of both structure and function in the visual system:combining diffusion tensor imaging with functional magnetic resonance imaging.[J].Neuroimage,1999,9(3):352-361.

[17]钟进,张云亭.MR扩散张量成像在急性脑梗死的临床应用[J].中华放射学杂志,2005,39(7):677-681.

[18]鲍莎莎,刘青蕊,张金峰,等.磁共振弥散张量及纤维束成像在急性脑梗死的临床应用[J].脑与神经疾病杂志,2009,17(3):204-206.

[19]Gillard JH,Papadakis NG,Martin K,et al.MR diffusion tensor imaging of white matter tract disruption in stroke at 3 T[J].Br JRadiol,2001,74(883):642-647.

[20]Sartor K,Hartmann M,Fiebach J,et al.Normal and abnormal water diffusion in the brain[J].Rofo:Fortschritteaufdem Gebiete der Rontgenstrahlen und der Nuklearmedizin,2003,175(10):1317-1329.