多发性硬化的扩散张量成像研究进展*

曾 春 综述,李咏梅审校

(重庆医科大学附属第一医院放射科 400016)

多发性硬化(multiple sclerosis,MS)是一种中枢神经系统最常见的炎性脱髓鞘疾病[1-2]。虽然常规磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)对检出MS病灶非常敏感,但它不能区分病灶的病理学基础,也不能显示隐匿性的组织损害。磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是在扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)的基础上发展起来的一项新技术,可以在活体无创地显示脑白质纤维束及其走行,主要用来评价组织微观结构的完整性、水分子扩散运动的各向同性和各向异性等,是功能M RI的一个重要组成部分。DTI不仅可以显示微观的白质解剖,还能对MS病灶的性质、范围和常规M RI不能显示的隐匿性损害进行分析,为解释MS微观病理改变提供了更多信息。

1 DTI的基本原理

在那些具有随意微观结构的组织中,水分子向各个方向运动的概率相同,表现为扩散的各向同性,用平均扩散率(mean diffusivity,MD)来表示其大小,它与组织的方向性无关,而与组织结构的大小和完整性有关。在那些具有固定排列顺序的结构如脑组织中,由于神经纤维被髓鞘包裹,水分子沿着纤维走行方向的扩散速度远大于其垂直方向,这种具有明显方向依赖性的扩散即扩散的各向异性,可用各向异性分数(fraction anisotropy,FA)、相对各向异性(relative anisotropy,RA)和容积比(volume ratio,VR)来对其量化。FA是指水分子张量各向异性成分占整个扩散张量的比例,为最常用的参数;RA是指张量的各向异性与各向同性的比例;VR是扩散形成的椭圆体与球体的容积比。三者的范围均为0～1,其中FA值为0,代表最大各向同性的扩散,1代表最大各向异性的扩散,FA值降低代表了神经通路的损伤[3]。

2 DTI在MS中的作用

2.1 DTI在MS脑内可视病灶中的价值 MS病灶在 T1加权图像(T1-weighted imaging,T1WI)上表现为等信号和低信号,DTI对鉴别T1WI上不同信号病灶的病理基础有价值。国内段云云等[3]曾对24例复发-缓解型 MS(relapsing-remitting MS,RRM S)患者脑内的76处病灶(等信号30处,低信号46处)作了DTI分析。与对照组比较,所有病灶的平均MD值升高,而平均FA值降低,造成这种结果的原因为髓鞘丢失和轴索破坏,这与Naismith等[4]的研结果一致,即脑组织结构的破坏和成份的丢失会导致MD值升高,胶质增生或炎症反应作为限制水分子运动屏障结构的损害会引起FA值下降;其中,等信号病灶的MD值低于低信号病灶,FA值高于低信号病灶,其研究结果认为前者大分子结构相对保留,以炎症或水肿为主,脱髓鞘程度较轻,而后者大分子结构显著破坏,以髓鞘脱失和轴索破坏为主,脱髓鞘程度较重。还有很多研究[5-6]一致认为,T1WI上最低信号处(即所谓的“黑洞”)有最高的MD值和最低的FA值。

目前判断MS病灶具有活动性的标准是静脉注射钆后病灶有强化,但这种定性判断不能对病灶进行量化,DTI克服了这个缺点,从而使急、慢性期病灶的鉴别更加准确。在MS的超急性期,由于再髓鞘化、炎细胞浸润和髓鞘崩解产物可导致扩散降低,即MD值降低、FA值增高。李郁欣等[2]分析了34例MS患者的急、慢性期病灶的扩散特点。急性期病灶,由于血管源性水肿、脱髓鞘、轴索脱失,使扩散增加,MD值明显增加、FA值明显降低;慢性期病灶,组织丢失会使MD值增加、FA值降低,同时神经胶质增生和轻度炎性反应使M D值稍降低和FA值稍升高,但总的扩散特点仍表现为MD值升高,FA值下降,不如急性期明显。Castriota-Scanderbeg等[7]也曾对MS患者作了DTI随访报道,得出了相同的结论。因此,DTI联合常规M RI对MS病灶既可以定性诊断又可以定量分析。

尽管如此,大家对强化病灶、未强化病灶及不同强化形式病灶间的MD值和FA值还是有争议的。虽然DTI结合其他检查已经证实急性MS病灶发生了显著的组织破坏,但是,在强化病灶中究竟哪些损害是永久的(即与轴索丢失有关),哪些是可逆的(即与水肿、脱髓鞘和髓鞘再生有关)还是不清楚,还有待深入研究。

2.2 DTI在脑内隐匿的组织损害中的价值 目前,DTI除了用于研究MS脑内可视病灶的改变外,还用于研究病灶周围看似正常表现脑白质(normal appearing white matter,NAWM)和看似正常表现脑灰质(normal appearing grey matter,NAGM)的变化特点。国外很多研究表明,MS患者与健康对照组的白质(white matter,WM)相比,MS患者NAWM区的MD值增加[8],FA值下降[9]。最近,国内于春水等[10]对MS患者全脑DTI的研究显示,整个脑组织的MD值和FA值明显不同于正常人,说明NAWM区出现了潜在的异常,其病理改变主要为弥漫的胶质细胞增生、血管周围细胞浸润、髓鞘异常变薄、轴索缺失等,这些均导致了水分子运动的结构屏障损伤。虽然炎症和胶质增生潜在性地限制了水分子运动,但髓鞘脱失和轴索损伤则明显导致了细胞间隙扩大,水分子扩散增加,表现为MD值增加和FA值降低。胼胝体是连接两侧大脑半球最大的白质纤维束,是脑内最具有方向性的组织结构,很多学者在研究MS的NAWM区损伤时,都将胼胝体作为研究对象。国内李郁欣等[11]研究发现,MS患者在常规MRI上看似正常表现的胼胝体在DTI上已经出现了微观的异常,主要表现为整个胼胝体的MD值升高,FA值下降,以体部最显著,这与Rueda等[12]和 Hasan等[13]的研究结果一致,他们推断轴索的华勒变性是胼胝体出现扩散异常的主要原因。其中胼胝体扩散异常以体部为主,这可能与膝部、体部和压部的纤维构成有关,膝部和压部主要由直径小于2 μ m纤细的纤维构成,且髓鞘化程度高,纤维排列紧密,间隙很小,而体部的纤维直径最粗,纤维间的间隙较大,所以,胼胝体扩散异常主要表现在体部。

Zhou等[14]指出,MS患者NAGM 区的平均MD值也要高于健康对照组的脑灰质(gay matter,GM),FA值较之降低,这说明MS患者的NAGM区也存在着微观改变。Bozzali等[15]进一步研究指出,在MS患者NAGM区的病理改变中,原发进展型MS(primary progressive MS,PPMS)和继发进展型MS(secondary progressive MS,SPMS)比RRMS更加显著。同时,Marco等[16]对PPMS和SPMS作了比较,显示二者的病理改变没有明显的差别。由于基底节是由灰质核团组成的,Ceccarelli等[17]采用扩散图像研究得出MS患者基底节区的各向异性明显高于对照组,可能反映了基底节内在联系的重组,并伴有纤维选择性的丢失。NAGM区扩散异常可能的原因为,常规T2WI不能显示其已经发生的微小病灶,和继发于白质病灶的灰质神经元的逆行性变性。

这些隐匿损害的病理学机制非常复杂,它们从不同方面影响水分子的扩散和各向异性,可能减少DTI的灵敏性和特异性,因此,需结合常规MRI和DWI等多种方法对其综合分析。

2.3 DTI在MS患者脊髓中的价值 MS不仅可表现为脑内病灶,还可表现为脊髓内病灶。脊髓和脑相比,结构较小,有较大的表面积和体积比,且易受脑脊液影响,所以,研究脊髓的扩散图像需要更高的技术,目前对DTI报道较少。

Van等[18]证明了DTI能够量化脊髓内常规MRI上可视病灶损害的严重程度。最近,Valsasina等[19]对 RRMS和SPMS患者颈髓的DTI研究显示,MS患者与对照组比较有显著不同的MD和FA直方图特征,提示MS患者有弥漫的脊髓损害。Agosta等[20]也发现PPMS患者颈髓显示出异常的扩散率和各向异性,它的病理机制仍为脱髓鞘和轴索丢失,这可能使残存纤维间的细胞外间隙的扩大,从而导致MD值增加和FA值降低。

2.4 DTI对MS患者神经功能缺损的评估 目前,常规M RI虽能显示MS患者脑白质脱髓鞘病变,但其与患者神经功能缺损间缺乏良好相关性,DTI在这方面突显了其优势。Giorgio等[21]结合DTI与临床神经功能研究发现,MS患者病灶区的FA值与扩展残疾状态量表(expended disability status scale,EDSS)评分之间呈中度相关性,在SPMS患者中,损伤区的MD值和FA值与EDSS评分有显著相关性。还有研究表明[22]MS患者大脑脚的FA值与运动能力丧失状态量表的评估和锥体功能积分呈负相关,疾病持续时间则与大脑脚FA值显著相关。Rovaris等[23]认为有轻微残疾的RRMS患者的总体认知缺损指数和NAGM的MD值间呈中等相关。国内陈丽萍等[24]的研究发现,有认知障碍的MS患者其NAWM和NAGM区的FA值均较对照组低。总之,DTI结果结合其他检查为MS患者神经功能的缺损提供了一种可行的办法,但在这方面的研究还有待深入。

3 结 语

MS是中枢神经系统的一个弥漫性病变,常规MRI对显示其病变有局限性,DTI对直接显示MS的微观病理损害提供了量化指标,对MS神经纤维的损害程度进行定量分析,有助于临床医师认识MS影像学特点、亚临床隐匿性病变、神经功能缺损症状与MS病理学改变之间的相互联系。但是DTI作为一项新技术,还有很多潜能没有被探知,相信随着MRI设备的改进,DTI会更加显示出它的优越性,将对MS的研究提供更加丰富的信息。

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