劉 璐(綜述)，閆 東(審校)

(昆明醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院放射科，昆明650101)

磁共振成像因其諸多優(yōu)勢一直是研究中樞神經系統(tǒng)的重要工具。脊髓是中樞神經系統(tǒng)的重要組成部分，脊髓病變常會給患者帶來嚴重的功能障礙。盡管常規(guī)磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)能清晰顯示脊髓形態(tài)及信號的改變，但是對脊髓輕度變性和微結構改變敏感性低，難以用于評價脊髓的功能狀態(tài)，且不能定量評價脊髓微結構改變。因此探尋一種敏感、無創(chuàng)的方法來評價脊髓病變尤其是微小結構改變是非常重要的，以便能提供疾病早期診斷的信息，有利于患者及時、有效的治療。彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是在磁共振彌散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)基礎上發(fā)展起來的一種新的成像方法，它利用組織中水分子擴散運動存在各向異性的原理，探測組織微觀結構。近年來，由于MRI技術的飛速發(fā)展，DTI技術不再局限于腦部疾病的研究，已延伸到腦外疾病的研究，脊髓就是其中研究之一，但脊髓的DTI研究國內外尚不多見［1-3］?，F(xiàn)就DTI的原理及其目前在脊髓疾病的研究及應用現(xiàn)狀進行綜述。

1 DTI的基本原理

1827年Robert Brown發(fā)現(xiàn)分子或微觀粒子與周圍分子或微觀粒子發(fā)生的各種無規(guī)則的碰撞，每次碰撞都是隨機的，這種無規(guī)律的運動稱之為布朗運動［4］。人體中含有70%的水，水分子無時無刻不處于隨機運動之中，這種運動即為彌散。常規(guī)MRI序列中水分子彌散運動時對信號的影像非常小。DWI是在常規(guī)MRI序列的基礎上，在X、Y、Z軸三個互相垂直的方向上施加彌散敏感梯度，從而獲得反映體內水分子彌散運動狀況的MR圖像。其計算公式為:A=exp(－bD)［5］。A代表彌散運動引起的MRI信號衰減;D為彌散系數(shù)，反映彌散運動的快慢，單位為mm2/s;b為彌散因子，單位為s/mm2。在DWI中通常以表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)描述組織中水分子彌散的快慢。在均一狀態(tài)下，水分子隨機的運動向各個方向進行的概率和速度均相同，其運動軌跡近似一球形體，稱為各向同性。但在人體生理條件下，水分子的自由運動受多種因素的影響，使其三位空間內各個方向上的彌散運動的快慢不同，以至一個方向上的彌散比另一個方向上受到更多的限制，方向依賴性很強，稱之為各向異性［6］，其運動軌跡近似一個橢球體。橢球體的半徑稱為本征向量，其數(shù)值大小為本征值。由于DWI和ADC值只反映了三個施加彌散敏感梯度方向上彌散運動的快慢，不能反映彌散的各向異性。因此，為全面反映體內水分子的彌散各向異性就需要張量這一概念。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的三個方向向量，而張量是高階的向量矩陣，具有9個方向(xx、xy、xz、yx、yy、yz、zx、zy、zz)。其中xx為在x方向上的運動，xy為在x方向上相對于y方向的運動，其他方向以此類推。張量的9個方向使其可以對水分子的彌散運動進行更加精細和準確的描述。彌散張量成像是在DWI基礎上6～55個非線性方向的梯度磁場獲得彌散張量圖像，在180o脈沖前后相應的Gx、Gy、 Gz三個梯度磁場上施加2個對稱的斜方形彌散敏感梯度磁場，同時于相應的6個方向序貫施加彌散梯度，并對基礎平面回波T2加權像(T2 weighted imaging-echo planar imaging，T2WI-EPI)及平面回波彌散加權像(diffusion weighted imaging-echo planar imaging，DWI-EPI)進行多次采集后信號平均，獲取較高信噪比的彌散張量圖像。其主要參數(shù)包括:平均彌散系數(shù)，代表每一像素的各個方向彌散張量的本征值的平均值，能夠更加全面地反映彌散運動的快慢;各向異性分數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、相對各向異性、容積比，均代表水分子彌散運動各向異性大小的參數(shù)，分別可建立FA、相對各向異性、容積比圖，F(xiàn)A比相對各向異性敏感，因此臨床較為常用。纖維跟蹤技術(fiber tractography)是利用彌散張量數(shù)據(jù)，在活體上三維顯示纖維束的無創(chuàng)性成像方法，其主要基于兩大類神經纖維跟蹤的算法，從而得彌散張量纖維束成像(diffusion tensor tractography，DTT)［6］。

2 DTI在脊髓中的研究與應用

2.1 正常脊髓DTI 脊髓位于椎管內，呈圓柱形，前后稍偏，外包被膜，它與脊柱的彎曲一致。脊髓的白質主要由神經纖維組成，這些結構是影響水分子彌散的主要因素。人類最早將DWI技術應用于脊髓是在1999年，Clark等［7］使用矢狀面常規(guī)自旋回波序列，采用導航回波及心電門控技術以減少偽影，但圖像質量一般。近年來，國內外學者對于正常人頸髓做了一些DTI研究，其結果顯示略有不同［8-10］:ADC值范圍在(0.712～1.050)×10－3mm2/s;FA值范圍在(0.541～0.751)×10－3。有研究顯示［8］，C2～3、C4～5、C6～7的平均彌散系數(shù)值及FA值的差別均有統(tǒng)計學意義。國內外在正常頸髓DTI研究方面還處于初期階段，尚存在爭議且各參數(shù)值無統(tǒng)一標準。

2.2 脊髓損傷 脊髓損傷是指由于外界直接或間接因素導致脊髓損傷，由損傷的相應節(jié)段導致各種運動、感覺和括約肌功能障礙，以及肌張力異常及病理反射等。脊髓損傷可分為原發(fā)性脊髓損傷與繼發(fā)性脊髓損傷。前者是指外力直接或間接作用于脊髓所造成的損傷。后者是指外力所造成的脊髓水腫、椎管內小血管出血形成血腫、壓縮性骨折以及破碎的椎間盤組織等形成脊髓壓迫所造成的脊髓進一步損害。Kim等［11］建立了脊髓急性損傷的小鼠動物模型，實驗組與對照組均在3 h內行DTI檢查，結果顯示DTI檢查可以預測預后情況。Fujiyoshi等［12］將纖維示蹤圖應用于脊髓損傷猴子動物模型，DTT清楚地顯示脊髓的投射系統(tǒng)，如皮質脊髓束和傳入纖維，也可以顯示已經離斷的纖維束，提示此項技術可應用于活體生物，在臨床應用也是可行的。Ellingson等［13］用10例脊髓損傷＞4年的患者和13例健康志愿者做DTI對比研究發(fā)現(xiàn)，慢性損傷者FA值明顯下降。Shanmuganathan等［14］研究表明，在脊髓受傷部位ADC值和FA值明顯下降。脊髓急性損傷的動物模型實驗結果顯示，DTI不僅可以直觀的數(shù)值顯示損傷情況，而且可以預測長期的運動康復情況。但DTI應用于人類尚需克服一些困難，比如掃描時間長、患者能否耐受以及急性脊髓損傷患者的數(shù)據(jù)采集問題。

2.3 頸椎病 頸椎病又稱頸椎綜合征，是頸椎骨關節(jié)炎、增生性頸椎炎、頸神經根綜合征、頸椎間盤脫出癥的總稱，是一種以退行性病理改變?yōu)榛A的疾患。脊髓型頸椎病是中老年人的常見病，慢性的持續(xù)性的壓迫造成脊髓受壓和缺血，引起脊髓器質性和功能性損害，此時髓內水分子運動增加，導致脊髓內水分子的各向異性發(fā)生變化，從而引起DTI的信號改變。武樂斌等［15］認為，在頸髓病變T2WI中高信號的患者均出現(xiàn)頸髓受壓平面ADC值升高，F(xiàn)A值下降;T2WI信號正常的患者中有68%頸髓受壓平面ADC值升高，F(xiàn)A值下降;DTI的敏感度比常規(guī)T2WI高。劉秀香等［16］應用3.0TMR儀將患者根據(jù)病情及常規(guī)平掃的信號分組進行分析，結果顯示脊髓型頸椎病組的FA值較對照組低，縱向彌散系數(shù)(λ1)、橫向平均彌散系數(shù)(λ┷)及平均彌散系數(shù)較對照組高，其中FA及λ┷較為敏感。DTI應用于頸椎病是近年來研究的熱點之一，DTI可以在常規(guī)MRI發(fā)現(xiàn)病變之前更早地發(fā)現(xiàn)病變，這對于疾病的早期治療和干預疾病的發(fā)展有重要作用。

2.4 脊髓炎癥 脊髓炎癥是指由病原體感染所致的脊髓灰質和(或)白質的炎性病變，以病變水平以下肢體癱瘓、感覺障礙和自主神經功能障礙為其臨床特征。臨床上雖有急性、亞急性和慢性等不同的表現(xiàn)形式，但在病理學上均有病變部位神經細胞變性、壞死、缺失;白質中髓鞘脫失、炎性細胞浸潤、膠質細胞增生等改變。而DTI對這些病理改變較常規(guī)MRI更為敏感。Renoux等［17］研究表明，T2WI信號異常位置FA值明顯下降，60%的患者T2WI信號正常而FA值下降，80%的患者有多處FA值下降區(qū)域，33%的患者T2WI信號正常而FA值升高。Lee等［18］對原發(fā)性急性橫貫性脊髓炎進行研究，測量FA值下降，其值的減少與臨床癥狀呈相關關系。脊髓炎癥病變區(qū)域FA值的改變已經得到研究證實，其數(shù)值的改變與臨床癥狀相關性更有利于臨床的指導意義。

2.5 脊髓多發(fā)性硬化 多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)是脫髓鞘性疾病，常累及脊髓，脊髓的破壞是引起殘疾的一個重要原因。常規(guī)MRI檢查MS在 T2WI呈高信號病灶，急性期T1WI呈低信號代表血管源性水腫，慢性期T1WI呈低信號病灶代表不可逆的組織損傷。增強掃描多數(shù)MS新病灶強化，其中的95%維持時間短于8周，強化的病灶為局部血腦屏障發(fā)生破壞后的活動性病灶，強化最初呈均一致的結節(jié)狀，數(shù)天至數(shù)周后變?yōu)榄h(huán)形邊緣強化，再經數(shù)周強化消失。Cruz等［19］研究顯示，在MS患者，F(xiàn)A值較正常對照組下降，在T2WI無明顯異常的患者FA值也減低。常規(guī)MRI檢查發(fā)現(xiàn)的病灶很難解釋嚴重的臨床癥狀，而DTI檢查FA值的變化可為此提供有價值的信息。Agosta等［20］研究顯示脊髓功能的改變是因為中間神經元的損傷，這是一個復雜的不斷積蓄的過程，進而導致患者不可逆性殘疾。MRI是診斷MS的一個重要標準，但目前診斷標準僅限于常規(guī)MRI，結合 DTI可為 MS預后提供更多有價值的信息。

2.6 脊髓腫瘤 脊髓腫瘤是指脊髓本身及椎管內和脊髓相鄰近的組織結構的原發(fā)性腫瘤及轉移性腫瘤的統(tǒng)稱。脊髓腫瘤常造成白質纖維束的受壓和(或)破壞，病變處白質束稀疏、正常走行結構的改變和丟失。DTI纖維示蹤成像技術可顯示白質束的改變，對于外科術前及術后的評估均有幫助。Inglis等［21］建立的膠質瘤動物模型中腫瘤的擴散參數(shù)與正?；野踪|有明顯差別。Ducreux等［22］將3D纖維示蹤重建技術應用于低級脊髓星形細胞瘤的分析，DTT圖像提供了更多有價值的信息。

2.7 脊髓其他疾病 肌萎縮性側索硬化是一種有嚴重頸髓損傷的神經變性疾病，主要為皮質脊髓束的變性以及低級運動神經元的缺失。Valsasina等［23］的研究顯示其FA值較正常下降，F(xiàn)A值與肌萎縮性側索硬化功能評級標準相關程度較高，DTI對監(jiān)視病情的發(fā)展非常有用。Ozanne等［24］利用DTI的纖維示蹤技術為脊髓內動靜脈畸形的研究開辟了一扇新窗。

3 不足之處

雖然DTI提供一個全面的、非侵入性脊髓的功能圖，并可量化信息，但也存在諸多的問題和不足，部分容積效應和非高斯擴散是DTI主要的兩個缺點［25］。人類脊髓橫徑僅12 mm，想要獲得清晰的DTI圖像需要更高的空間分辨率。DTI可顯示組織的微觀結構，但其高敏感性也導致其在用于活體時更容易產生運動偽影，采用各種方法減少偽影對于DTI成像非常重要［26］。此外，現(xiàn)有脊髓DTI掃描序列大多數(shù)由頭部修改，沒有特定的脊髓掃描序列，纖維束示蹤成像圖像質量還有待提高。目前正常脊髓DTI各參數(shù)值尚無統(tǒng)一的標準，對脊髓疾病的研究也相對較少，因此尚需大樣本研究積累數(shù)據(jù)。

綜上所述，盡管DTI在脊髓的應用還存在諸多不足，但目前的研究已經顯示脊髓DTI具有廣闊的發(fā)展前景［27］。隨著MRI軟硬件發(fā)展、技術的改進，DTI將為脊髓疾病提供更多有價值的信息，在脊髓疾病的診斷、預后中發(fā)揮更重要的作用。

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