磁共振弥散成像在脊髓损伤中的应用＊

遵义医学院第五附属(珠海)医院影像科(广东 珠海 519100)

毛锐利 陈昆涛

综 述

磁共振弥散成像在脊髓损伤中的应用＊

遵义医学院第五附属(珠海)医院影像科(广东 珠海 519100)

毛锐利 陈昆涛

磁共振弥散成像是近些年发展起来的一种新的成像技术。通过神经组织中水分子的弥散特性，定量反映白质纤维束的完整性及各种病变，从而在微观水平对脊髓损伤进行更精确的评价。磁共振弥散成像对脊髓损伤（SCI）的早期诊断、治疗和预后均具有重要价值。本文对磁共振弥散成像技术在急慢性脊髓损伤中的应用情况及研究进展进行综述。

磁共振；弥散加权成像；弥散张量成像；脊髓损伤

随着世界各国经济水平的发展，脊髓损伤发生率呈现逐年增高的趋势。脊髓损伤(spinal cord injuries, SCI)是脊柱损伤最严重的并发症，往往导致损伤节段以下肢体严重的功能障碍。脊髓损伤不仅会给患者本人带来身体和心理的严重伤害，还会对整个社会造成巨大的经济负担。针对脊髓损伤的预防、治疗和康复已成为当今医学界的一大课题。目前有关脊髓损伤评价和治疗效果验证主要依靠临床的主观评价，缺乏客观的功能影像学标准。

脊髓损伤首选的影像学检查是MRI，但常规MRI结果与功能残疾评价相关性差，与神经病学及组织学损伤程度不相关联，低估了脊髓病变程度，不能反映脊髓白质纤维束状态,不能有效定量观察轴突损伤及再髓鞘化过程，不适于评价脊髓的功能状态[1-2]。常规MRI检查在脊髓型颈椎病早期诊断中敏感度较低，T2WI显示高信号的患者其病程多为晚期，多提示为不可逆性损伤[3]，且往往低估了脊髓损伤的程度，其与脊髓临床功能状态无相关性[4-6]，不能为临床早期干预提供可靠信息。

根据急性脊髓损伤在MRI上的基本表现，Kulkarni等[7]将其分为出血、挫伤和水肿三类，结合MRI表现与患者临床评定做了相关性分析。Frankel分级标准[8]是评价SCI预后的指标。MRI上最常见的脊髓外伤表现是脊髓出血和脊髓水肿[9-10]。脊髓水肿的预后往往较好，脊髓挫伤的预后则较差，而脊髓出血往往为完全性SCI，预后很差[11-14]。因此，能够早期准确地评价脊髓损伤的情况，检测出脊髓内有无出血，对患者的预后评价非常重要。

1 DWI简介

磁共振扩散加权成像(diffussion·weighted irna—ging，DWI)是磁共振功能成像技术之一，能反映水分子的扩散特性，评价水分子随机运动的动态分布状况，还可以提供各部分组织的空间结构信息。弥散是指水分子的随机无序运动，也称布朗运动，它为研究组织细微结构提供可能。水分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，而在扩散梯度场方向上的扩散运动将造成体素信号的衰减，如果水分子在敏感梯度场方向上扩散越自由，则在扩散梯度场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，组织信号衰减越明显。DWI通过测量施加扩散敏感梯度场前后组织发生的信号强度变化，来检测组织中水分子扩散状态(自由度及方向)，后者可间接反映组织微观结构特点及其变化。水分子运动的自由程度用弥散系数表示。弥散系数直接反映组织的弥散特性，为衡量生物组织中分子弥散程度的绝对值。但受限弥散、弥散时间、血流、运动、RF脉冲等因素均可影响测得的弥散系数。活体脑组织内的水分子运动受各种生物膜的影响，其自由程度小于自由水分子的弥散度，故用表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)表示。ADC值越大，说明水分子的扩散能力越强；ADC值越小，说明水分子的扩散能力越弱[15]。弥散加权的程度由扩散梯度持续时间、扩散梯度间隔时间、施加梯度场强大小等因素共同决定。上述各因素综合起来可用参数b值来表示。b值越大，对水分子运动的检测越敏感，但图像的信噪比相应的下降。通常b值取1000s/mm3，成二组图像：b=0和b=1000。通过结合2次以上的不同b值即可得到ADC图。

2 DTI简介

磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是在扩散加权成像的基础上发展而来的，通过水分子在脊髓中的弥散运动，能提供疾病早期组织空间组成和病理生理状态下各组织成分之间水交换的功能改变，并能显示神经纤维束的走行方向，反映脊髓束功能的完整性。张量是指固体内三维排列的向量张力。DTI至少在6个方向上对体内水分子的位移情况进行测量，较扩散加权成像能更准确地反映体内水分子的扩散情况，显示神经纤维束的走行和组织的微观结构，并能定量分析白质纤维束的完整性。当水分子的运动不受限制时，其向各个方向运动的概率相等，称为弥散张量的(isotropy)各向同性，用平均弥散率(mean diffusivity，MD)来表示。由于细胞膜等超微结构的影响，在垂直于白质纤维束方向上的水分子扩散程度要低于平行于纤维束方向的，称为弥散张量的各向异性(anisotropy)，可用各向异性分数(fractional anisotropy，FA)和相对各向异性(relative anisotropy，RA)表示。FA值指水分子各向异性成份占整个扩散张量的比例，RA值指张量各向异性与张量各向同性之比。容积比(volume ratio，VA)也是衡量弥散张量各向异性的指标。FA、RA和VA的值在0～1之间变化。

3 DWI及DTI在脊髓损伤中的应用

3.1 研究的有效参数 弥散的各向异性可以作为判定脊髓损伤严重程度和临床治疗评价的有效参数。Faenn等[16]的研究表明FA值可以作为评估脊髓急性压迫后临床表现的预测性指标，早期FA值增高可提示有急性压迫，如及时进行手术可以改善预后。研究认为，ADC值结合年龄及病变数目对预测昏迷后恢复具有较好的临床意义[17]。在外伤与缺血的诊断中可以探测原发与继发的神经损伤，为预后提供指导[18]。

王霄英[19]在犬急性脊髓损伤后神经前体细胞移植模型证实DTI检测到脊髓损伤不同时期ADC值与FA的变化，可以为脊髓损伤和修复过程提供更多病理学进展的相关信息。

Hammoud等研究结果[20]同样表明弥散成像比常规MRI能更早、更准确地显示创伤性轴索损伤病灶的信号变化。

Donald等人[21]发现：DWI对亚急性损伤显示优于常规SE-T2加权图像。伤后几天至几周的亚急性病灶在常规SE序列T2WI中表现为略高信号，但其信号强度明显低于DWI，并且DWI信号的变化在亚急性期间统计学上有显著差异。

研究发现[22]，离体小鼠脊髓损伤10rain后，FA值和ADC值的改变即可在受损部位脊髓背侧的白质和灰质浅层观察到，而此时其他的成像方法并没有表现出异常信号。

3.2 DTI研究的发展过程1999年Clark[15]首次报道将DTI技术用于人类脊髓疾病研究。Ducreux等[23]的研究表明FA值不仅能够早期诊断脊髓受压损伤及变性，而且能够预测病人的病变程度。

近年来，根据一些学者的研究，正常人的脊髓DTI参数值范围为：ADC(650-1390)×10-6mm2/s、FA(495-843)×10-3、λ1(1380-1661)×10-6mm2/s、λ2(330-639)×10-6mm2/s、λ3(310-595)×10-6mm2/s[24-25]。

陈细香等[26]采用DTI对40例影像学证实为CSM且髓内无明显T2高信号的患者进行研究，其中约90%的患者脊髓受压部位ADC值较正常部位升高，约70%的患者脊髓受压部位FA值较正常部位降低。结果表明了DTI对CSM患者早期脊髓损伤具有较高的敏感性。

Ellingson[27]等的研究表明不管异质性在SCI病变程度和位置，与未受伤害的相比，慢性病灶的扩散特征均明显升高。在慢性损伤中FA显著降低，FA的出现依赖损伤的完整性。相反，在上颈髓的脊髓损伤的平均扩散系数的测量值均明显低于对照组。这些趋势表明，脊髓损伤的长期复苏可能会影响到整个神经轴。这些数据表明，结构性变化的发生是脊髓创伤长期复苏的结果。研究结果表明：磁共振扩散张量成像可能对脊髓损伤的评估和复苏有用。

陈蕾等[28]采用DTI对脊髓型颈椎病的研究显示，在常规MRI显示T2WI呈等信号的患者中，36%的患者颈髓相应节段平均ADC值、平均FA值与正常组比较无统计学差异；64%的患者颈髓相应节段平均ADC值较正常组明显增高，平均FA值较正常组明显下降。DTI显示T2WI脊髓病变检出的敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值分别为76.56%、41.50%、78.20和39.30%。

石璐等[29]采用DTI对颈椎病脊髓损伤的研究显示，突出椎间盘和未突出椎间盘相邻层面的颈髓FA值和ADC值差别有统计学意义；不同突出程度间颈椎间盘相应层面的颈髓ADC值和FA值差别有统计学意义；30例弥散张量纤维束中76.6%的患者均观察到神经纤维束的受压、移位，更有11例显示部分腹侧神经纤维束中断。

宋清伟等[30]采用DTI对颈髓急、慢性损伤的研究显示，与对照组相比：颈髓急、慢性损伤的FA值明显降低，两者的差异有显著性；颈髓慢性损伤的ADC值明显增高，两者的差异有显著性；而颈髓急性损伤的ADC值略降低，两者的差异无显著性。颈髓慢性损伤与颈髓急性损伤的FA值比较：颈髓急性损伤较慢性损伤的FA值明显降低，两者的差异有显著性。

李旭等[31]采用DTI对无骨折脱位型颈脊髓损伤的研究显示，与对照组相对比：无骨折脱位型颈脊髓损伤中FA值明显降低，两者的差异具有统计学意义，而ADC值略增高，两者的差异无统计学意义。

有研究表明，脊髓损伤后期，脊髓损伤区域与为损伤区域的ADC和FA的差异有统计学意义，与病理结果发现损伤区域有明显的空洞和瘢痕形成是一致的。瘢痕的ADC值和FA值与正常组织的不同，可以作为定量检测的标准。Ibrahim Eishsfiey[32]采用DTI研究显示，脊髓损伤后2周FA值升高，然而2周后FA值降低，当损伤后71d测量发现FA值比为损伤时略高。

弥散成像除了定量评价受损程度外，还可以通过纤维束示踪来直观地显示断裂的纤维束和残存的纤维束。

弥散张量白质束成像(Diffusiontens or Tractography,DTT)或称纤维束示踪成像技术(Fiber tractography, FT)，是在弥散张量成像的基础上发展起来得一项新技术，利用计算机后处理软件在三维空间里对纤维束成像，可在活体中显示纤维束的方向及完整性，是目前能够直观显示活体纤维束最有效的手段[33]。DTI图像反映脑白质纤维素的走行方向，并可观查白质纤维束的方向，称谓白质束成像(Tractography)。脑白质束成像可以在活体无创性显示白质纤维束的走行、病理及与肿瘤、病变等的关系等。其与功能性磁共振联合应用可有助于我们了解神经纤维束的起源、行程及结构与功能的关系[34]，有助于进一步了解纤维组织与中枢、周围神经系统的联系。Schwartz[35]等利用4.7I的磁共振成像仪采用体外检测的方法对大鼠进行DTI和纤维示踪，检测到脊髓纤维束中断裂的部分，同时还可以检测出保留下来的部分，为临床手术提供依据。

4 结 语

磁共振弥散成像较常规MRI能更早期而准确地判断脊髓损伤的情况，是显示脊髓损伤病变和观察病程的有效影像学手段；能对神经纤维的损害程度进行定量分析；能够早期准确反映脊髓继发性损伤的病理生理变化,对于正确、及时制定脊髓损伤后的治疗计划及评估预后、随访观察具有非常重要的意义。但是，由于人类脊髓横径仅12mm左右，脊髓弥散成像受影响因素较多，导致图像信噪比不高是需要解决的主要问题；虽然目前有关脊髓弥散成像的研究数据及临床应用较少，但已展现了弥散成像在SCI上的应用价值和发展前景。随着磁共振成像设备硬件及软件的不断更新和开发，成像参数的不断优化，磁共振弥散成像技术将在脊髓损伤的诊断和治疗上发挥越来越重要的作用。

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(本文编辑: 黎永滨)

Application of Magnetic Resonance Diffusion Imaging in Spinal Cord Injury*

MAO Rui-li, CHEN Kun-tao． Department of Imageology, Fifth Affiliated (Zhuhai) Hospital of Zunyi Medical College, Zhuhai 519100,China

Magnetic resonance diffusion imaging is a new imaging technique developed in recent years． Through the nerve tissue dispersion properties of water molecules, which can quantitatively reflects the integrity of white matter fiber tracts and various kinds of pathological changes ,thus to make a more accurate evaluation of spinal cord injury at the micro level． Magnetic resonance diffusion imaging is valuable for the diagnosis in the early stage,the treatment and the prognosis of spinal cord injury(SCI)． In this paper, the magnetic resonance diffusion imaging technology in application of acute or chronic spinal cord injury and the research progress were summarized．

Magnetic Resonance Imaging; Diffusion Weighted Imaging; Diffusion Tensor Imaging; Spinal Cord Injury

R744；R445.2

A

2014-06-12

贵州省科学技术基金项目（黔科合J字LKZ[2010]52号）

10.3969/j.i s s n.1672-5131.2014.04.01

陈昆涛