磁共振弥散张量成像与脑胶质瘤

张倩 夏永华

磁共振弥散张量成像与脑胶质瘤

张倩①夏永华②

磁共振； 弥散张量成像； 脑胶质瘤

弥散张量成像（DTI）是在弥散加权成像（DWI）基础上发展起来的一项磁共振功能成像新技术。DTI利用水分子扩散原理，通过评估水分子在体内的三维弥散状态，显示纤维束在脑实质内的走行，并通过对比纤维束走行的改变反映颅内肿瘤的范围及对正常白质纤维束的影响，实现了无创及活体研究颅内肿瘤的方法，为确定治疗方案及手术方式提供了重要的影像学依据。自1994年Basser等[1]提出了弥散张量成像的技术，DTI已经越来越广泛地用于中枢神经系统疾病的研究，并在计算机重建技术的辅助下，发展为弥散张量纤维束成像（diffusion tensor tracking，DTT）。

1 弥散张量成像基本原理及基本参数

同DWI一样，DTI也是水分子的弥散运动为成像基础。在人体组织中，存在两种弥散方式，即各向同性弥散（isotropic diffusion）和各项异性弥散（anisotropic diffusion）。在颅内脑脊液、大脑灰质，水分子向各个方向运动的几率相当，接近于在纯水中的弥散轨迹，称为各向同性弥散；但是在大脑内水分子的运动是优先沿着白质纤维束弥散的，这归结于细胞内的屏障如神经丝和细胞器，和细胞外的屏障如磷脂膜和胶质细胞。表现为其运动轨迹为椭圆，称为各项异性弥散（anisotropic diffusion）。DTI是利用组织中水分子弥散的各向异性来探测组织微观结构，能精确描述水分子在三维空间中的扩散轨迹， 并能对这种扩散作定量评价[2]。

目前DTI研究分为两大方向：一是定量研究，主要参数有：表观弥散系数（ADC），各向异性分数（FA）。这些参数可以帮助了解脑组织的解剖结构之外的生物学特性[3]，ADC值可用于预测胶质瘤术后放疗的疗效及无进展生存（TPP）等[4]；二是弥散张量纤维束成像（DTT），是以FA值为基础合成的彩色图像，通过计算机重建软件，可以得到同脑内纤维走行一致的三维纤维束信号。随着计算机软件的不断升级，得到的DTT图像不断优化和改进，甚至可以描绘出人脑完整的三维立体神经图像。

2 DTI在胶质瘤的应用

胶质瘤（glioma）是发生在脑组织的最常见肿瘤，脑胶质瘤的病理类型主要有星形细胞起源肿瘤、少突胶质细胞起源的肿瘤、室管膜细胞起源的肿瘤、星形细胞-少突胶质细胞混合性起源的肿瘤。依据WHO标准可分四级：Ⅰ、Ⅱ级偏良性；Ⅲ、Ⅳ级偏恶性，占所有胶质瘤的77.5%，而且级别越高，恶性程度越高，特别是高级别胶质瘤，呈侵袭性浸润生长，致残率和致死率高，预后差。其主要的治疗手段是手术和术后放疗。目前胶质瘤手术切除主要依靠术者经验行肉眼下全切除，术后易复发。DTI和DTT检查可以用于显示胶质瘤与周围白质纤维的三维空间关系[5-6]，在指导手术入路、确定术中病灶切除范围以及评估预后方面都非常重要。特别是用于运动区和视觉皮质区胶质瘤的手术计划与导航，已作为2012年中国中枢神经系统恶性胶质瘤诊断和治疗指南的强烈推荐方案。

2.1 判断胶质瘤的恶性程度，明确肿瘤与周围纤维的关系

术前通过DTI检查，显示脑白质各向异性的改变，再通过定量分析FA值的变化，初步推测肿瘤的良恶性和瘤细胞的侵及范围。Beppu等[7]通过与病理结果对比发现，FA值可反映胶质母细胞瘤的细胞密度及增殖活性，提出脑胶质瘤级别越低，FA值降低越明显。Chen等[8]回顾性研究了31例术后病理确诊为胶质瘤患者的FA值，认为当FA阈值设置为0.25时，高级别胶质瘤患者与低级别胶质瘤患者的双侧FA比值存在着显著差别，认为根据FA值在术前区分高低级别胶质瘤，从而指导选择合适的手术方式，最大范围地切除病灶。肿瘤与周围神经纤维的关系也可以通过DTT检查明确。肿瘤的浸润性生长，对周围的白质纤维束产生水肿、压迫和浸润。通常描述为以下4种类型：（1）移位，指白质纤维束保持正常的各向异性，位置和走行已发生改变；（2）水肿，在T2WI图像上显示为高信号，白质纤维束的各向异性及其位置尚正常；（3）浸润，在移位或水肿的基础上，白质纤维束变得稀疏，但尚能辨认；（4）破坏，是指白质纤维束出现断裂，消失，不能辨认。低级别胶质瘤一般仅表现为移位和（或）水肿，高级别胶质瘤除表现为水肿、移位外，多有浸润和破坏的征象，由此可初步鉴别肿瘤的级别和浸润范围。将FA值和增强MRI联合应用，则可以提高判断肿瘤恶性程度的准确性，确定合理手术方式，选择恰当的切除范围，最大范围切除肿瘤并减少对正常纤维束的损害，提高手术的安全性。

2.2 在放疗中的作用 放疗是脑胶质瘤治疗的第二重要手段，因为解剖位置或肉眼观察有限等原因，手术不能完全切除的脑胶质瘤需要放疗进一步根治。通过DTI及DTT检查，可以明确区分肿瘤残留灶及术后水肿区，分别勾画为GTV和CTV，给予不同的治疗剂量，达到既消除肿瘤，又避免局部功能损伤的目的。Chang等[9]认为弥散张量成像等磁共振功能成像在确定放疗计划中有助于辨别及区分颅内重要功能区域，从而避免功能损伤。脑肿瘤除了局部复发，还有可能发生对侧脑半球转移，究其原因，可能与肿瘤沿胼胝体纤维束走行方向发生的转移有关，DTT通过纤维束重建成像，显示肿瘤周围纤维束走行，可以对肿瘤高危区域进行预防，避免遗漏。放疗后的损伤与复发一直是诊断与鉴别的难点，需要通过多个定量参数及临床表现进行分析，还有待于进一步的研究。Xu等[10]比较术后复发与放疗损伤的区别时认为，ADC值在术后复发组里较放疗损伤组明显降低，而FA值明显增高。

3 问题与展望

DTI和DTT通过追踪水分子的弥散速度和方向的定量信息，显示组织的纤维结构和病理状态，并结合常规MRI检查，为脑肿瘤诊断和临床治疗方案的制定提供了有力的影像学依据。目前DTI和DTT技术仍没有广泛应用于临床，考虑原因主要有以下几个因素：（1）DTI、DTT成像时间较长，而且数据处理也需要大量的人力及物力，绝大多数患者不具备这种经济实力；（2）DTI、DTT成像数据的采集经常受到噪声和伪影干扰，计算机重建的纤维束成像与实际纤维走行有一定误差，需要改进数据采集设备。DTT是现今唯一的能够在活体研究大脑白质纤维的方法，其应用价值前景是可以预见的，随着科学的不断更新发展，此技术也将会有更大的发展。

[1] Basser P J，Mattiello J，LeBihan D.MR diffusion tensor spectroscopy and imaging[J].Biophys J，1994，66（1）：259-267.

[2] Wieshmann U C，Symms M R，Parker G J，et al.Diffusion tensor imaging demonstrates deviation of fibres in normal appearing white matter adjacent to a brain tumour[J].J Neurol Neurosurg Psychiatry，2000，68（5）：5012-5031.

[3] Gerstner E R，Batchelor T T.Imaging and response criteria in gliomas[J].Curr Opin Oncol，2010，22（6）：598-603.

[4] 曲金荣，李少武，艾林，等.胶质母细胞瘤术后表观弥散系数预测放射治疗疗效和无进展生存期的研究[J].中国神经精神疾病杂志，2009，35（6）：331-335.

[5] Yoshioka H，Horikoshi T，Aoki S，et al.Diffusion tensor tractographypredicts motor functional outcome in patients with spontaneousintracerebral hemorrhage[J].Neurosurgery，2008，62（1）：97-103.

[6] Singh M，Jeong J，Hwang D，et al.Novel diffusion tensor imagingmethodology to detect and quantify injured regions and affectedbrain pathways in traumatic brain injury[J].Magn Reson Imaging，2010，28（1）：22-40.

[7] Beppu T，Inoue T，Shibata Y，et al.Fractional anisotropy value bydiffusion tensor magnetic resonance imaging as a predictor of celldensity and proliferation activity of glioblastomas[J].Surg Neuroi，2005，63（1）：56-61.

[8] Chen Y，Shi Y，Song Z.Differences in the architecture of lowgradeand high-grade gliomas evaluated using fiber density indexand fractional anisotropy[J].J Clin Neurosci，2010，17（7）：824-829.

[9] Chang J，Narayana A.Functional MRI for radiotherapy of gliomas.Technol Cancer Res Treat[J].Technol Cancer Res Treat，2010，9（4）：347-358.

[10] Xu J L，Li Y Z，Lian J M，et al.Distinction between postoperative recurrent glioma and radiation injury using MR diffusion tensor imaging[J].Neuroradiology，2010，52（12）：1193-1199.

10.3969/j.issn.1674-4985.2013.08.077

①江苏省肿瘤医院 江苏 南京 210009

②新乡医学院第一附属医院

张倩

2012-09-28） （本文编辑：陈丹云）