磁共振弥散张量成像在颈髓中的研究及应用现状

刘 璐(综述)，闫 东(审校)

(昆明医科大学第二附属医院放射科，昆明650101)

磁共振成像因其诸多优势一直是研究中枢神经系统的重要工具。脊髓是中枢神经系统的重要组成部分，脊髓病变常会给患者带来严重的功能障碍。尽管常规磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)能清晰显示脊髓形态及信号的改变，但是对脊髓轻度变性和微结构改变敏感性低，难以用于评价脊髓的功能状态，且不能定量评价脊髓微结构改变。因此探寻一种敏感、无创的方法来评价脊髓病变尤其是微小结构改变是非常重要的，以便能提供疾病早期诊断的信息，有利于患者及时、有效的治疗。弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是在磁共振弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)基础上发展起来的一种新的成像方法，它利用组织中水分子扩散运动存在各向异性的原理，探测组织微观结构。近年来，由于MRI技术的飞速发展，DTI技术不再局限于脑部疾病的研究，已延伸到脑外疾病的研究，脊髓就是其中研究之一，但脊髓的DTI研究国内外尚不多见［1-3］。现就DTI的原理及其目前在脊髓疾病的研究及应用现状进行综述。

1 DTI的基本原理

1827年Robert Brown发现分子或微观粒子与周围分子或微观粒子发生的各种无规则的碰撞，每次碰撞都是随机的，这种无规律的运动称之为布朗运动［4］。人体中含有70%的水，水分子无时无刻不处于随机运动之中，这种运动即为弥散。常规MRI序列中水分子弥散运动时对信号的影像非常小。DWI是在常规MRI序列的基础上，在X、Y、Z轴三个互相垂直的方向上施加弥散敏感梯度，从而获得反映体内水分子弥散运动状况的MR图像。其计算公式为:A=exp(－bD)［5］。A代表弥散运动引起的MRI信号衰减;D为弥散系数，反映弥散运动的快慢，单位为mm2/s;b为弥散因子，单位为s/mm2。在DWI中通常以表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)描述组织中水分子弥散的快慢。在均一状态下，水分子随机的运动向各个方向进行的概率和速度均相同，其运动轨迹近似一球形体，称为各向同性。但在人体生理条件下，水分子的自由运动受多种因素的影响，使其三位空间内各个方向上的弥散运动的快慢不同，以至一个方向上的弥散比另一个方向上受到更多的限制，方向依赖性很强，称之为各向异性［6］，其运动轨迹近似一个椭球体。椭球体的半径称为本征向量，其数值大小为本征值。由于DWI和ADC值只反映了三个施加弥散敏感梯度方向上弥散运动的快慢，不能反映弥散的各向异性。因此，为全面反映体内水分子的弥散各向异性就需要张量这一概念。向量既具有大小又具有方向，通常使用的矢量是具有x、y、z的三个方向向量，而张量是高阶的向量矩阵，具有9个方向(xx、xy、xz、yx、yy、yz、zx、zy、zz)。其中xx为在x方向上的运动，xy为在x方向上相对于y方向的运动，其他方向以此类推。张量的9个方向使其可以对水分子的弥散运动进行更加精细和准确的描述。弥散张量成像是在DWI基础上6～55个非线性方向的梯度磁场获得弥散张量图像，在180o脉冲前后相应的Gx、Gy、 Gz三个梯度磁场上施加2个对称的斜方形弥散敏感梯度磁场，同时于相应的6个方向序贯施加弥散梯度，并对基础平面回波T2加权像(T2 weighted imaging-echo planar imaging，T2WI-EPI)及平面回波弥散加权像(diffusion weighted imaging-echo planar imaging，DWI-EPI)进行多次采集后信号平均，获取较高信噪比的弥散张量图像。其主要参数包括:平均弥散系数，代表每一像素的各个方向弥散张量的本征值的平均值，能够更加全面地反映弥散运动的快慢;各向异性分数(fractional anisotropy，FA)、相对各向异性、容积比，均代表水分子弥散运动各向异性大小的参数，分别可建立FA、相对各向异性、容积比图，FA比相对各向异性敏感，因此临床较为常用。纤维跟踪技术(fiber tractography)是利用弥散张量数据，在活体上三维显示纤维束的无创性成像方法，其主要基于两大类神经纤维跟踪的算法，从而得弥散张量纤维束成像(diffusion tensor tractography，DTT)［6］。

2 DTI在脊髓中的研究与应用

2.1 正常脊髓DTI 脊髓位于椎管内，呈圆柱形，前后稍偏，外包被膜，它与脊柱的弯曲一致。脊髓的白质主要由神经纤维组成，这些结构是影响水分子弥散的主要因素。人类最早将DWI技术应用于脊髓是在1999年，Clark等［7］使用矢状面常规自旋回波序列，采用导航回波及心电门控技术以减少伪影，但图像质量一般。近年来，国内外学者对于正常人颈髓做了一些DTI研究，其结果显示略有不同［8-10］:ADC值范围在(0.712～1.050)×10－3mm2/s;FA值范围在(0.541～0.751)×10－3。有研究显示［8］，C2～3、C4～5、C6～7的平均弥散系数值及FA值的差别均有统计学意义。国内外在正常颈髓DTI研究方面还处于初期阶段，尚存在争议且各参数值无统一标准。

2.2 脊髓损伤 脊髓损伤是指由于外界直接或间接因素导致脊髓损伤，由损伤的相应节段导致各种运动、感觉和括约肌功能障碍，以及肌张力异常及病理反射等。脊髓损伤可分为原发性脊髓损伤与继发性脊髓损伤。前者是指外力直接或间接作用于脊髓所造成的损伤。后者是指外力所造成的脊髓水肿、椎管内小血管出血形成血肿、压缩性骨折以及破碎的椎间盘组织等形成脊髓压迫所造成的脊髓进一步损害。Kim等［11］建立了脊髓急性损伤的小鼠动物模型，实验组与对照组均在3 h内行DTI检查，结果显示DTI检查可以预测预后情况。Fujiyoshi等［12］将纤维示踪图应用于脊髓损伤猴子动物模型，DTT清楚地显示脊髓的投射系统，如皮质脊髓束和传入纤维，也可以显示已经离断的纤维束，提示此项技术可应用于活体生物，在临床应用也是可行的。Ellingson等［13］用10例脊髓损伤＞4年的患者和13例健康志愿者做DTI对比研究发现，慢性损伤者FA值明显下降。Shanmuganathan等［14］研究表明，在脊髓受伤部位ADC值和FA值明显下降。脊髓急性损伤的动物模型实验结果显示，DTI不仅可以直观的数值显示损伤情况，而且可以预测长期的运动康复情况。但DTI应用于人类尚需克服一些困难，比如扫描时间长、患者能否耐受以及急性脊髓损伤患者的数据采集问题。

2.3 颈椎病 颈椎病又称颈椎综合征，是颈椎骨关节炎、增生性颈椎炎、颈神经根综合征、颈椎间盘脱出症的总称，是一种以退行性病理改变为基础的疾患。脊髓型颈椎病是中老年人的常见病，慢性的持续性的压迫造成脊髓受压和缺血，引起脊髓器质性和功能性损害，此时髓内水分子运动增加，导致脊髓内水分子的各向异性发生变化，从而引起DTI的信号改变。武乐斌等［15］认为，在颈髓病变T2WI中高信号的患者均出现颈髓受压平面ADC值升高，FA值下降;T2WI信号正常的患者中有68%颈髓受压平面ADC值升高，FA值下降;DTI的敏感度比常规T2WI高。刘秀香等［16］应用3.0TMR仪将患者根据病情及常规平扫的信号分组进行分析，结果显示脊髓型颈椎病组的FA值较对照组低，纵向弥散系数(λ1)、横向平均弥散系数(λ┷)及平均弥散系数较对照组高，其中FA及λ┷较为敏感。DTI应用于颈椎病是近年来研究的热点之一，DTI可以在常规MRI发现病变之前更早地发现病变，这对于疾病的早期治疗和干预疾病的发展有重要作用。

2.4 脊髓炎症 脊髓炎症是指由病原体感染所致的脊髓灰质和(或)白质的炎性病变，以病变水平以下肢体瘫痪、感觉障碍和自主神经功能障碍为其临床特征。临床上虽有急性、亚急性和慢性等不同的表现形式，但在病理学上均有病变部位神经细胞变性、坏死、缺失;白质中髓鞘脱失、炎性细胞浸润、胶质细胞增生等改变。而DTI对这些病理改变较常规MRI更为敏感。Renoux等［17］研究表明，T2WI信号异常位置FA值明显下降，60%的患者T2WI信号正常而FA值下降，80%的患者有多处FA值下降区域，33%的患者T2WI信号正常而FA值升高。Lee等［18］对原发性急性横贯性脊髓炎进行研究，测量FA值下降，其值的减少与临床症状呈相关关系。脊髓炎症病变区域FA值的改变已经得到研究证实，其数值的改变与临床症状相关性更有利于临床的指导意义。

2.5 脊髓多发性硬化 多发性硬化(multiple sclerosis，MS)是脱髓鞘性疾病，常累及脊髓，脊髓的破坏是引起残疾的一个重要原因。常规MRI检查MS在 T2WI呈高信号病灶，急性期T1WI呈低信号代表血管源性水肿，慢性期T1WI呈低信号病灶代表不可逆的组织损伤。增强扫描多数MS新病灶强化，其中的95%维持时间短于8周，强化的病灶为局部血脑屏障发生破坏后的活动性病灶，强化最初呈均一致的结节状，数天至数周后变为环形边缘强化，再经数周强化消失。Cruz等［19］研究显示，在MS患者，FA值较正常对照组下降，在T2WI无明显异常的患者FA值也减低。常规MRI检查发现的病灶很难解释严重的临床症状，而DTI检查FA值的变化可为此提供有价值的信息。Agosta等［20］研究显示脊髓功能的改变是因为中间神经元的损伤，这是一个复杂的不断积蓄的过程，进而导致患者不可逆性残疾。MRI是诊断MS的一个重要标准，但目前诊断标准仅限于常规MRI，结合 DTI可为 MS预后提供更多有价值的信息。

2.6 脊髓肿瘤 脊髓肿瘤是指脊髓本身及椎管内和脊髓相邻近的组织结构的原发性肿瘤及转移性肿瘤的统称。脊髓肿瘤常造成白质纤维束的受压和(或)破坏，病变处白质束稀疏、正常走行结构的改变和丢失。DTI纤维示踪成像技术可显示白质束的改变，对于外科术前及术后的评估均有帮助。Inglis等［21］建立的胶质瘤动物模型中肿瘤的扩散参数与正常灰白质有明显差别。Ducreux等［22］将3D纤维示踪重建技术应用于低级脊髓星形细胞瘤的分析，DTT图像提供了更多有价值的信息。

2.7 脊髓其他疾病 肌萎缩性侧索硬化是一种有严重颈髓损伤的神经变性疾病，主要为皮质脊髓束的变性以及低级运动神经元的缺失。Valsasina等［23］的研究显示其FA值较正常下降，FA值与肌萎缩性侧索硬化功能评级标准相关程度较高，DTI对监视病情的发展非常有用。Ozanne等［24］利用DTI的纤维示踪技术为脊髓内动静脉畸形的研究开辟了一扇新窗。

3 不足之处

虽然DTI提供一个全面的、非侵入性脊髓的功能图，并可量化信息，但也存在诸多的问题和不足，部分容积效应和非高斯扩散是DTI主要的两个缺点［25］。人类脊髓横径仅12 mm，想要获得清晰的DTI图像需要更高的空间分辨率。DTI可显示组织的微观结构，但其高敏感性也导致其在用于活体时更容易产生运动伪影，采用各种方法减少伪影对于DTI成像非常重要［26］。此外，现有脊髓DTI扫描序列大多数由头部修改，没有特定的脊髓扫描序列，纤维束示踪成像图像质量还有待提高。目前正常脊髓DTI各参数值尚无统一的标准，对脊髓疾病的研究也相对较少，因此尚需大样本研究积累数据。

综上所述，尽管DTI在脊髓的应用还存在诸多不足，但目前的研究已经显示脊髓DTI具有广阔的发展前景［27］。随着MRI软硬件发展、技术的改进，DTI将为脊髓疾病提供更多有价值的信息，在脊髓疾病的诊断、预后中发挥更重要的作用。

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