磁共振扩散及灌注成像技术在新生儿急性缺氧缺血性脑病中的应用

邢可舟　孔晓勤　史　浩*

磁共振扩散及灌注成像技术在新生儿急性缺氧缺血性脑病中的应用

邢可舟孔晓勤史浩*

缺氧缺血性脑病在新生儿中发病率较高，其致残及致死率居高不下，MRI已成为诊断HIE及评估预后的主要影像检查方法。近年来，一些新型MRI技术，例如扩散加权成像、扩散张量成像、扩散峰度成像、动脉自旋标记成像、体素内不相干运动等在扩散及灌注成像方面有了显著发展，能够更好地反映HIE的病理改变。就MRI扩散及灌注成像新技术在HIE中的成像特点及应用进行综述。

新生儿；缺氧缺血性脑病；磁共振成像；扩散加权成像；灌注加权成像

Int J Med Radiol，2016，39（5）:509-512

新生儿缺氧缺血性脑病（hypoxic ischemic encephalopathy,HIE）是新生儿窒息主要的并发症之一，可导致智力低下、发育落后、脑瘫、癫间，甚至死亡。早期发现、准确判断脑损伤情况是积极采取治疗措施的前提，如今MRI已成为HIE的重要检查方法之一，能够为临床提供必要的诊断及治疗依据。

HIE的病理改变较复杂，大脑血流量的减少会引发一系列暂时的损伤。在急性期，血流量减少会导致大脑氧含量和葡萄糖的减少，无氧酵解增加，引起三磷酸腺苷的减少及乳酸的堆积，能量产生减少，使得跨细胞运输减少，导致钠离子及水在细胞内的堆积，引起细胞毒性脑水肿[1]。其与缺氧缺血引起的血管源性脑水肿均可导致血管通透性的增加，血管破裂出血，包括蛛网膜下腔出血、脑室出血、脑实质出血。当细胞膜去极化时，细胞释放兴奋的氨基酸谷氨酸，钙离子通过化学通道进入细胞内，引起钙离子超载，使得氧自由基增多，引起的游离脂肪酸的过氧化反应导致了更多细胞的损伤。当缺氧缺血为部分性或慢性时，体内血液会重新分配以满足心、脑的血液供应，脑血管扩张，出现高灌注，但随着缺氧时间的延长，大脑半球血流减少，为保证代谢旺盛部位（基底节、脑干、丘脑等）的血流供应，大脑皮质矢状旁区及动脉边缘带易受损。

多种机制参与缺氧缺血后引起的脑损伤主要包括4种病理学类型：选择性神经元坏死、旁矢状区脑损伤、脑室周围白质软化和局灶性缺血脑梗死[2]。损伤后脑白质纤维束发育异常，髓鞘脱失，脑组织内水分子的扩散运动发生了变化。另外，缺氧缺血亦引起血流灌注的改变。本文从扩散和灌注两方面，结合国内外文献，就MRI多种成像技术对新生儿缺氧缺血性脑病的诊断进行综述。

1　扩散成像

1.1扩散加权成像（DWI）扩散指水分子的无序运动，即布朗运动，DWI能够反映组织中水分子运动的快慢，由于其所处的组织不同，其扩散能力也不同。扩散运动是多种因素综合的结果，可采用表观扩散系数（apparent diffusion constant，ADC）描述体素内分子的综合微观运动，亦使得水分子的扩散运动得到量化。

常规MRI只有在患儿出生1周后，其诊断敏感性才开始升高[3]，而DWI能够先于常规MRI出现异常信号，DWI及ADC对1周内HIE患儿异常的发现率高度一致，尤其是对皮质、脑干、内囊区[4]。蔡等[5]对10例重度HIE患儿及12例正常新生儿进行DWI扫描，并选取8个兴趣区测量ADC值，结果发现HIE患儿的DWI影像异常部位及未见异常部位的ADC值均有不同程度的下降，ADC值不仅是DWI影像的定量指标，还可以发现DWI影像未发现的异常；DWI不仅能早期发现异常，对于预后也有一定的指导作用[6]。Goergen等[4]通过对19例新生儿的研究发现，DWI影像中异常的内囊信号常提示预后不良。Liauw等[7]在HIE患儿的ADC图中选取30个兴趣区，对DWI影像中异常表现部位的ADC值进行测量，并对存活的患儿在学龄期时的发育情况进行评估对比，发现HIE患儿的DWI影像上表现异常处的ADC值并不能预测预后，但在基底节区、脑干等区域上ADC值的降低一般代表预后不良。但Cavalleri等[8]通过Barkovich评分系统得到的DWI值对HIE患儿预后的预测能力优于ADC值。Alderliesten等[9]对81例HIE患儿进行常规MRI及DWI扫描，并在18～46个月后根据临床神经系统发育评估将患儿分为预后良好者及预后不良者，研究结果发现ADC值结合MRI评分能更有效地预测患儿神经系统发育情况，但出生1周后患儿的ADC值会出现假正常现象。

1.2扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）DTI是在DWI基础上施加至少大于6个非线性方向的梯度场，可以在三维空间定时定量地分析组织内水分子的扩散特性。由于细胞膜等超微结构的影响，水分子在垂直于白质纤维束方向上的扩散运动要少于平行于纤维束方向，此为扩散张量的各向异性，可用各向异性分数（fractional anisotropy，FA）来表示，FA值增高代表纤维完整性的缺失[10]。Liu等[11]认为DTI的众多参数中，FA可靠性最强，一致性最佳。在HIE中，由于缺氧缺血导致新生儿脑白质纤维束发育异常，髓鞘脱失，FA值降低，且随着HIE严重程度的增加，其降低更加明显。Gano等[12]对生后1 d及3 d的新生儿研究发现，FA的测量能够先于定性MRI发现脑损伤。异常的FA值能够较早且准确地发现患儿微神经结构的破坏，可能对其未来的神经系统功能有预测价值[10,13]。Ancora等[14]对15例HIE患儿进行DTI扫描后得到平均扩散率（mean diffusivity，MD）、纵向及轴向的扩散率、FA，通过与2年后患儿的参数及神经系统症状对比，认为FA值预测预后的准确性较高，且以额顶叶最高（准确度为94%）。

DTI衍生出来的参数还包括ADC值，Cauley等[15]认为ADC值能够量化分析组织扩散特性，能较早且快速地发现异常，但其对HIE的诊断准确性较低，许多研究者也认为在严重脑损伤中早期ADC值下降后会出现假正常化[10，13]。

DTI能够提供组织的显微结构，其空间分辨力较低，而纤维示踪（fiber tracking，FT）技术能够将功能及空间结构相结合，显示纤维走行，因此可更加精确且无创地描述神经解剖系统。HIE患儿神经运动的异常与DTI所发现的皮质纤维束显微结构的损伤密切相关[16]。

1.3扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）

DWI及DTI均假定水分子的扩散运动符合高斯运动，而DKI作为DTI的延伸，更适合了解组织微观结构的变化。其成像指标最常用的是平均扩散峰度（mean kurtosis，MK），代表沿所有扩散方向的扩散峰度平均值，反映水分子扩散受限的程度[17]；结构越复杂，非正态分布水分子扩散受限越显著，MK值也就越大。研究表明MK对病灶微结构的显示较FA值有更高的敏感性及特异性；相对于FA，它也可以区分复杂交叉的纤维[18]。径向扩散峰度（radial kurtosis，RK）是MK的垂直分量，为非零的扩散受限，其扩散受限主要在径向方向；由于DKI呈非高斯分布，因此RK值的大小与该方向上非高斯分布的水分子扩散受限程度呈正比。峰度各向异性（kurtosis anisotropy，KA）指测量组织不均匀度的各向异性指数，在某种程度上类似于DTI的参数FA值，其大小与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性密切相关。KA值趋近于零表示接近于各向同性。

DKI技术尚未应用于新生儿缺氧缺血性脑病的研究中，但在HIE中，由于髓鞘发育的不完全，白质纤维束的各向异性较正常减低，理论上可引起DKI各参数值发生变化，此变化尚待研究。

2　灌注成像

2.1动态磁敏感对比（dynamic susceptibility contrast，DSC）增强技术DSC是灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）的主要方法，即运用外源性对比剂来观察新生儿脑血流灌注情况，可以获得的参数主要包括脑血容量（cerebral blood volume，CBV）、脑血流量（cerebral blood flow，CBF）、平均通过时间（mean transit time，MTT）及达峰时间（time to peak，TTP），能够获得缺氧缺血引起的灌注不足、侧支循环建立、血流再灌注等详细的血流灌注信息，且随着新生儿脑组织发育的逐渐成熟，获得的信息更加丰富[19]。有研究表明在众多参数中，仅rCBV较为准确，但在新生儿中，由于需要注射对比剂，其应用受到了限制[20]。

2.2动脉自旋标记（arterial spin labeled，ASL）成像ASL作为一种新型的MRI灌注技术，无需使用内源性对比剂，而是通过反转饱和脉冲序列对成像层面流入侧层面动脉血进行示踪磁标记，得出血流灌注影像，通过测量相对脑血流量（relative cerebral blood flow，rCBF）得到新生儿脑血流灌注情况。研究表明，rCBF的异常与严重脑病密切相关，且重度脑病的rCBF低于中度脑病[21]。史等[22]对正常新生儿与HIE患儿的rCBF进行对比后发现，2组在基底节与灰质的rCBF值存在差异，因此认为ASL能够有效检测HIE患儿脑组织异常灌注的情况，对判断脑损伤情况有一定的帮助。Massaro等[23]在第2周末对所有新生儿进行常规MRI及ASL扫描发现HIE患儿的脑血流量高于正常新生儿，尤其是基底节及丘脑区，但常规MRI表现正常的HIE患儿的rCBF值高于有异常表现者，这可能与rCBF的假正常化有关。De Vis等[3]对28例患儿进行ASL扫描并通过与9～18个月后的临床表现评分进行对比分析发现，8例预后不良的患儿基底节及丘脑的血流灌注高于20例预后良好的患儿，这表明随着缺氧缺血时间的延长，脑血流量减少，血液会重新分配供应基底节等代谢旺盛的部位，且结合ASL与常规MRI表现能够更好地预测预后情况。

3　体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）

IVIM是用来描述体素微观运动，即水分子的扩散和血液的微循环的一种成像方法，其信号变化与b值间的关系可表示为：Sb/S0＝（1－f）·exp（－b·D）＋f· exp（-b·D*），f指灌注分数，代表兴趣区内局部微循环所致的灌注效应占总体扩散效应的容积比率，其大小介于0～1之间；D*指伪扩散系数，代表体素内微循环的不相干运动；D指扩散系数，代表纯水分子扩散运动[17]。

IVIM对于高碳酸血症引起的血管扩张及高氧血症导致的血管收缩敏感，可以用来定量分析颅脑的血流灌注情况，并于20世纪90年代用于脑灌注的研究，但多数是动物研究，鲜有人体研究[24]。ASL是通过对动脉血进行示踪磁标记得到的血流灌注影像，同IVIM一样，无需注射对比剂，但磁标记血流的T1衰减较快，不利于对血流相对较慢的动脉血的研究，而IVIM则不存在这样的限制[25]。有研究表明，在IVIM的参数中，D*较D值对于血流灌注更具有生理意义[24]，且D*较头部灌注成像中的MTT更能真实地反映动态血流[26]，关于IVIM在脑组织扩散作用的报道甚少，还需要进一步研究。

运用IVIM对新生儿缺氧缺血性脑病的患儿进行血流灌注及扩散效应的检测，目前还没有相关临床应用的报道；运用IVIM来观察颅脑的血流灌注情况，选择何种b值最佳仍需要更进一步的研究[26]。有研究表明对于IVIM的扩散效应应选择较高b值使得反应组织结构的敏感性更高[25]。

综上，鉴于新生儿缺氧缺血性脑病的病理改变，可以从扩散及灌注两个方面对其进行早期检查，关于DWI、DTI、DSC、ASL等技术的研究相对较多，其与常规MRI联合应用，可以更好地反映脑组织损伤的情况，而DKI及IVIM对于HIE的研究较少，有待今后进一步探究。

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（收稿2015-10-28）

Applications of diffusion and perfusion MRI in neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy

XING Kezhou,

KONG Xiaoqin,SHI Hao.Department of Medical Image,Qianfoshan Hospital,Jinan 250014,China

The morbidity of hypoxic-ischemic encephalopathy(HIE)is high in the neonates,and its disability rate and fatality rate also stay at a high level.MRI has become the main examination to diagnose and evaluate the prognosis.In recent years,some new MRI techniques,such as diffusion weighted imaging,diffusion tensor imaging,diffusion kurtosis imaging,arterial spin labeling,and intravoxel incoherent motion,have achieved significant developments in the diffusion and perfusion imaging.These techniques can better reflect the pathological changes of HIE.In this paper,the characteristics and applications of the diffusion and perfusion MRI in HIE were summarized.

Neonate;Hypoxic ischemic encephalopathy;Magnetic resonance imaging;Diffusion weighted imaging; Perfusion weighted imaging

10.19300/j.2016.Z3883

R722.1；R445.2

A

山东省千佛山医院影像科，济南250014

史浩，E-mail：hansenschie@126.com

*审校者