磁共振波谱与弥散张量成像在颞叶癫痫诊断中的应用

王连庆 吴育锦

磁共振波谱与弥散张量成像在颞叶癫痫诊断中的应用

王连庆 吴育锦

磁共振，波谱;磁共振，弥散;磁共振成像;癫痫

癫痫是一种常见的神经系统综合征，在药物难治性癫痫中，约有70% ～80%是颞叶癫痫(temporal lobe epilepsy，TLE)，临床上因其发病率高、手术治疗效果好已成为近年来医学研究的重点，其中致痫灶的影像学定侧与定位更是研究的热点之一。海马在TLE的发生、发展和传导中起重要作用。常规MRI通过观察海马形态、信号改变或通过不同的分割方法测量海马体积的变化可对部分海马硬化做出诊断，但对早期病变或病变程度较轻的患者，则很难做出明确诊断。随着磁共振场强的提高和先进采集技术的运用，图像的信噪比和空间分辨率进一步提高，脑功能的无创性评价在癫痫术前评价及随访观察中发挥着越来越重要的作用。氢质子磁共振波谱成像(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)、弥 散 加 权 成 像 (diffusion weighted imaging，DWI)及弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)均属于磁共振功能成像技术。

1 MRS在颞叶癫痫中的应用

MRS是惟一一种能够非侵入性测定活体组织内化学物质或代谢产物的影像检查方法，使影像学研究达到了分子水平。1H-MRS在癫痫中的应用主要集中在病因分析、了解癫痫的病理生理变化、术前定侧定位病灶、评价抗癫痫药疗效及手术效果及预后的评价等方面。

1.1 MRS成像原理 MRS是利用不同电化学环境下原子核的共振频率发生偏移(化学移位)，经过傅立叶变换后，形成按频率-信号强度分布的谱线，通过某些物质在特定的频率产生的信号强度来判断该物质的浓度。目前主要采用1H-MRS来检测脑内化合物的浓度。MRS对发现癫痫患者的代谢产物异常是敏感的，其中与癫痫病灶生化改变密切相关的物质是N-乙酰天门冬氨酸(NAA)、肌酸(Cr)、胆碱(Cho)、谷氨酸(Glu)、谷氨酰胺(Ghi)、γ-氨基丁酸(GABA)和乳酸(Lac)等。代谢物的信号强度由峰高或峰下面积来表示，由于将信号强度转换为绝对浓度存在困难，人们一般用代谢物的信号强度比值来比较研究，如 NAA/Cr、NAA/(Cho+Cr)等。

1.2 MRS在癫痫诊断中的应用 1H-MRS的谱线中，NAA为最主要波峰，它广泛存在于神经元和轴突的线粒体内，是神经元活性及密度的标志，其浓度降低表明神经细胞的损伤或丧失［1］。Cr属于肌酸/磷酸肌酸类，是能量代谢中高能磷酸键的缓冲储备物，其改变反映能量代谢的变化，由于其浓度相对稳定，常作为其他代谢物变化的参照物;Cho属于胆碱/磷酸胆碱类，是细胞膜的成分之一，其改变反映胶质细胞数量的改变。

Doelken等［2］应用1H-MRS对TLE进行的定量 NAA研究表明，无论普通MRI表现为阳性还是阴性，其致痫灶同侧海马NAA均较正常对照组显著降低。而多数文献采用相对值，即NAA/(Cr+Cho)的比值作为颞叶癫痫定位诊断标准，王志群等［3］对一组经病理证实的HS患者进行的1H-MRS研究表明，患侧海马NAA/(Cr+Cho)值低于正常对照组，反映了神经元丢失和胶质增生的共同结果。

Starck等［4］认为，用MRS方法检测患者海马区NAA的浓度与NAA/(Cho+Cr)比值对HS的诊断是非常有帮助的，但对检测方法及测得结果的可靠性提出质疑，在海马头体尾部的不同区域或周围组织部分容积影响会不会导致结果的不稳定，他们选择一组12名健康志愿者在这方面进行了研究，最后认为MRS方法所检测到的内侧颞叶的代谢产物浓度是海马与大量邻近组织含量的平均值，所以建议要想对海马本身进行单独评估，就得缩小检测时的体素范围，达1 cm3之下，并需要一个亚厘米级的层厚。

熊晓双［5］采用3.0T磁共振扫描仪对12例伴有单侧HS的发作间期TLE患者及12例正常对照者行单体素1H-MRS及DWI检查。笔者对海马波谱扫描定位方法进行了改进，即不是采用既往常用的轴位或冠状位，而是以垂直于海马长轴的斜冠状位为定位像，辅以矢状位和轴位图像进行精确调整，以平行于海马长轴的长方体ROI扫描，并合理施加预饱和带，可最大限度包全海马结构、并减少脑脊液等其他影响因素的干扰，得到的谱线效果较好。研究结果显示，TLE患者患侧海马NAA/(Cr+Cho)值低于对侧海马及对照组，而患侧海马的Cho/Cr值与对侧及对照组间未见显著性差异;发作间期海马ADC值高于对侧海马及对照组;患侧海马NAA/(Cr+Cho)和ADC值之间存在相关性，各组海马Cho/Cr与ADC值之间未显示显著的相关性;患侧海马NAA/(Cr+Cho)和病程之间存在相关性，ADC值和病程之间存在显著性相关。

2 DTI在颞叶癫痫中的应用

DTI技术是近年来MRI研究的一项重大技术新进展，是目前唯一可以无创地清晰显示人脑内部白质纤维结构的成像技术［6］，它有助于理解正常脑功能和多种影响脑功能的病理过程。自由水分子的弥散是随机的，也就是说在不同方向上其弥散程度相同，这种现象被称为各向同性;而在生物体组织结构中，水分子的弥散过程受到多种局部因素的影响，如浓度梯度下的扩散、分子的跨膜扩散等，此时则表现为单位体积内不同方向上分子扩散程度的总和各不相同，这种现象被称为各向异性。在脑白质中，水分子在与纤维束平行的方向上的运动比在垂直方向上容易得多，所以水分子在神经纤维束内的弥散是高度各向异性的。现在，DTI可利用标定人脑组织中的水分子的扩散状态来研究其中的组织分布，以及研究纤维的走向和分叉等细节情况，并最终评价大脑白质结构的完整性、病理改变及组织结构和功能间的关系，是磁共振成像的重要组成部分。

2.1 DTI的原理 弥散是水分子的随机运动，即布朗运动。DWI是在自旋回波T2加权序列1800脉冲后通过施加两个对称的弥散敏感梯度脉冲来完成的，它可以反映水分子的弥散运动幅度，但由于该成像过程并不能区别水分子的运动方向，因而DWI所测得的分子运动只能用表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)来表示。DTI则是在DWI基础上，施加大于6个非线性方向的梯度块，以获取能描述水分子的运动方向，也可以说是水分子在三维空间内弥散各向异性的张量图像。DTI通过对每一个体素构造一个弥散张量，进而通过弥散张量的本征值与本征向量来反映水分子在该体素的弥散特征。DTI常用参数有平均弥散系数(average diffusion coefficient，Dav)、平均弥散率(mean diffusivity，MD)、部分各向异性(fractional anisotropy，FA)和相对各向异性(relative anisotropy，RA)。Dav主要反映弥散运动的快慢而忽略其弥散方向，取三个本征值的平均值得到每一个像素的Dav;MD值是弥散张量D在x、y、z三个方向的特征值的平均值，反映水分子弥散能力的大小。FA值主要反映组织各向异性弥散程度的变化，数值在0～1范围之间，当扩散各向异性最强时，FA值接近于1，而扩散各向异性最低时，FA值接近于0。RA是弥散各向异性与弥散各向同性的比值，0表示最大各向同性。通过定量分析这些参数值在病理情况下的变化可以了解组织病变的病理生理学信息。

2.2 DTI在癫痫诊断中的应用 体外实验证明，细胞外间隙扩大和细胞膜通透性增加都能引起ADC值升高。癫痫持续状态时脑细胞代谢率和大脑血流增加，以维持正常细胞能量水平，而离子通透性增加导致一定程度的细胞毒性水肿，细胞外间隙减小，ADC值急剧下降。随着发作停止以及导致弥散受限的一过性因素的终止，ADC值可恢复正常。如果出现不可复性组织损伤，弥散持续增加，超过正常水平，将出现致痫组织神经元变性、神经胶质增生等组织病理学变化［7］。

海马硬化的病理改变即是神经元丧失和胶质细胞增生，相应细胞外间隙扩张，引起水分子扩散运动增强，MD值升高;硬化海马的FA值也可出现异常，但改变程度比MD值低。

在TLE的不同时期，水分子的弥散率和各向异性值是不一样的。在发作期及发作后短时间内，脑组织局部代谢增强，氧耗增加，引起脑细胞相对缺氧、神经元肿胀和细胞毒性水肿，导致MD值下降。MD值减低持续时间与癫痫发作严重程度相关，一般来说，如果发作持续时间短，则MD值减低可不明显而不能被观察到。Briellmann等［8］研究表明，癫痫发作后24 h内是研究MD值急性异常变化的最佳时期。在大部分短暂发作患者，随着发作的结束，弥散的异常即可消失。而另一部分患者的海马区，MD值持续增加超过正常值，则提示出现了神经元萎缩、丢失、神经胶质增生等局灶性永久性损伤。发作前、后FA值未出现显著性的变化，提示癫痫发作期所引起的异常弥散的微观结构改变未引起白质纤维完整性及连续性的明显异常改变［9］。在发作间期，患侧海马MD值显著高于对侧海马和正常对照组，而患侧海马FA值低于对侧海马和正常对照组，其原因主要为发作间期海马结构细胞外间隙扩大，神经元密集度减低，树突减少，细胞结构丢失。有学者研究提出MD值升高可作为TLE术前定侧诊断的依据之一，而FA值降低为非特异性，并不稳定。

Arfanakis等［10］通过与正常对照组的对比研究中发现，局灶性TLE患者组的多个白质结构弥散各向异性值显著性减低，而与轴突相交方向上的弥散率升高，所选的这些白质结构并不单纯局限在颞叶。而对所选结构进行MD值比较后发现两者差异无统计学意义。Gross等［11］研究表明DTI能发现常规MRI难以明确的TLE白质改变。而且这些白质改变并不仅局限于颞叶结构，颞叶外白质结构均可发生异常，并常呈双侧分布，这些白质改变是由于癫痫灶的异常放电传递到全脑所致。此外，TLE患者穹隆、扣带回、丘脑等边缘系统的多个结构也发生了形态学改变，并且某些结构的改变具有特异性。

张泉等［12］对临床确诊的42例发作间期TLE患者和32名健康志愿者行常规MRI和DTI检查，定量测量胼胝体膝部、体部、压部、内囊前肢、后肢及外囊的平均想弥散系数(DCavg)和FA值并进行统计学分析。结果发现TLE患者胼胝体压部、内囊后肢及外囊的DCavg值显著高于正常人(P＜0.01)，胼胝体膝部、压部、内囊前肢及外囊的FA值显著低于正常人，TLE患者内囊后肢DCavg值与病程长短呈正相关。由此得出结论，TLE患者的颞叶以外白质确实存在隐匿性损伤，且内囊后肢的损伤程度与病程长短有关。

白卓杰等［13］基于体素分析的扩散张量成像在内侧颞叶癫痫中的应用中发现，与正常人相比，患者ADC增高区表现在患侧内外颞叶、部分额叶、顶叶和脑干结构，以及患侧丘脑等部位;其中大部分脑区同时也表现为FA值的降低，少部分脑区仅表现为FA值减低。在比较ADC及FA值两种结果后，发现前者在癫痫病灶定侧方面具有更好的效果。

总之，1H-MRS通过测定神经细胞的代谢变化，可在常规MRI显示结构和信号异常之前发现海马异常，从而可早期发挥对TLE的无创性辅助定侧诊断作用。海马MRS在临床应用中也存在一些不足，如定位较复杂，易受患者头部运动及海马周围结构如脑脊液、血管、颅骨等的影响导致代谢产物定量不准确等因素，在一定程度上影响了1H-MRS技术对海马观察的临床应用。DTI是一种基于表观扩散系数的多方向扩散各向异性分析方法，是一种敏感的影像技术，可用于TLE定侧及癫痫脑网络结构的研究，有助于对TLE病理生理机制理解，并具有潜在的临床应用价值。

1 Soares DP，Law M.Magnetic resonance spectroscopy of the brain:review of metabolites and clinical applications.Clini Radiology，2009，64:12-21.

2 Doelken MT，Stefan H，Pauli E，et al.1H-MRS profile in MRI positiveversus MRI negative patients with temporal lobe epilepsy.Seizure，2008，17:490-497.

3 王志群，李坤成，王亮，等.颞叶癫痫定位诊断的磁共振波谱研究.放射学实践，2007，22:371-375.

4 Starck G，Vkhoff Baaz B，Ljungberg M，et al.Anterior to posterior hippocampal MRS metabolite difference is mainly a partial volume effect.Acta Radiol，2010，51:351-359.

5 熊晓双.颞叶癫痫海马1H-MRS、DWI和语言fMRI的初步研究.第四军医大学学位论文，2009.

6 Alexander AL，Lee JE，Lazar M，et al.Diffusion tensor imaging of the brain.Neurotherapeutics，2007，4:316-329.

7 Nairismagi J，Grohn OH，Kettunen MI，et al.Progression of brain damage after status epilepticus and its association with epileptogenesis:a quantitative MRI study in a rat model of temporal lobe epilepsy.Epilepsia，2004，45:1024-1034.

8 Briellmann RS，Wellard RM，Jackson GD.Seizure-associated abnormalities in epilepsy:evidence from MR imaging.Epilepsia，2005，46:760-766.

9 Diehl B，Symms MR，Boulby PA，et al.Postictal diffusion tensor imaging.Epilepsy Res，2005，65:137-146.

10 Arfanakis K，Hermann BP，Rogers BP，et al.Diffusion tensor MRI in temporal lobe epilepsy.Magn Reson Imaging，2002，20:511-519.

11 Gross DW，Concha L，Beaulieu C.Extratemporal white matter abnormalities in mesial temporal lobe epilepsy demonstrated with diffusion tensor imaging.Epilepsia，2006，47:1360-1363.

12 张泉，张云亭，冯凯琳，等.颞叶癫痫患者的颞叶以外白质MR扩散张量成像研究.临床放射学杂志，2009，28:8-11.

13 白卓杰，张志强，卢光明，等.基于体素分析的扩散张量成像在内侧颞叶癫痫中的应用.临床放射学杂志，2009，28:924-928.

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1002-7386(2011)09-1391-03

10．3969/j．issn．1002-7386．2011．09．066

050051 石家庄市，河北省人民医院影像科

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2010-12-06)

·综述与讲座·