苗丹童，張冰，朱斌

彌散張量成像在胎兒腦發(fā)育中的研究進(jìn)展

苗丹童，張冰*，朱斌

胎腦從妊娠第3周末一個(gè)簡(jiǎn)單的神經(jīng)管結(jié)構(gòu)發(fā)育成出生后功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腦組織，期間經(jīng)歷了腦原始誘導(dǎo)發(fā)育、神經(jīng)細(xì)胞增殖、神經(jīng)元移行、兩側(cè)大腦半球皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)形成、腦室、溝、裂、腦回發(fā)育，以及白質(zhì)纖維出現(xiàn)到成熟的髓鞘化過(guò)程。這些發(fā)育過(guò)程極其精確復(fù)雜，但是遵從嚴(yán)格的順序。產(chǎn)前超聲僅能篩查早期胎腦較明顯的先天異常，無(wú)法評(píng)估這些細(xì)微的腦結(jié)構(gòu)發(fā)育情況。近年來(lái)發(fā)展的磁共振成像技術(shù)為胎腦發(fā)育的研究提供了有用工具，尤其是彌散張量成像技術(shù)通過(guò)檢測(cè)腦組織的水分子彌散運(yùn)動(dòng)，提供了從微觀結(jié)構(gòu)層面觀察胎腦信息的視角，同胎腦組織學(xué)研究形成互補(bǔ)。本文將簡(jiǎn)要介紹彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)應(yīng)用于胎腦方面的優(yōu)勢(shì)及其主要應(yīng)用手段，DTI對(duì)皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)的顯示，以及顯示白質(zhì)纖維束出現(xiàn)的時(shí)間、順序、胎腦纖維束連接的變化、白質(zhì)髓鞘化前成熟過(guò)程等，還總結(jié)了目前DTI技術(shù)用于胎兒腦成像的主要技術(shù)難題與解決辦法，為進(jìn)一步應(yīng)用彌散張量成像研究正常胎兒腦發(fā)育奠定理論基礎(chǔ)。

彌散磁共振成像；纖維追蹤；胎兒發(fā)育；磁共振成像

苗丹童, 張冰, 朱斌. 彌散張量成像在胎兒腦發(fā)育中的研究進(jìn)展. 磁共振成像, 2017, 8(2): 149-154.

胎兒腦結(jié)構(gòu)的組織學(xué)研究方法開(kāi)始于1972年[1]，但缺乏對(duì)三維層面胎腦發(fā)育的認(rèn)知，更不能用于活體胎兒研究。超聲技術(shù)雖在胎兒產(chǎn)前篩查領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但顱骨限制了其在胎兒腦研究中的應(yīng)用，不能顯示胎腦的精細(xì)結(jié)構(gòu)，僅能篩查明顯的胎兒畸形，而且在妊娠晚期受羊水量、母體脂肪、胎兒顱骨骨化偽影等干擾。磁共振成像序列具有軟組織分辨率高，且不受羊水和胎兒顱骨干擾的成像優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已經(jīng)成為用于胎兒腦疾病診斷的主要手段。2002年，Mori等首次將彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)應(yīng)用于分析不同階段發(fā)育中胎腦標(biāo)本。DTI可以檢測(cè)發(fā)育中胎腦的彌散各項(xiàng)異性及白質(zhì)纖維追蹤，從三維層面上描述發(fā)育中的活體胎腦，其優(yōu)勢(shì)在于可以用較短的成像時(shí)間、非侵入性手段、三維定量研究胎兒腦發(fā)育，對(duì)胎腦微觀結(jié)構(gòu)改變尤其敏感。因此，本文就彌散張量成像在胎兒腦發(fā)育中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 DTI在胎腦中應(yīng)用的原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 DTI的原理及應(yīng)用參數(shù)

人體水分子布朗運(yùn)動(dòng)是DTI的成像基礎(chǔ)。DTI的原理是利用生物體內(nèi)水分子運(yùn)動(dòng)具有受限擴(kuò)散及擴(kuò)散各向異性特點(diǎn)，引入張量概念，結(jié)合Fick第一定律(擴(kuò)散定律)三維層面上描述水分子擴(kuò)散情況。掃描時(shí)在至少6個(gè)方向上施加擴(kuò)散梯度場(chǎng)，從而獲得一組磁共振彌散張量圖像，以評(píng)價(jià)微觀組織結(jié)構(gòu)的連通性及發(fā)育完整性。DTI常用于描述胎腦結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括：本征向量及本征值λ1、λ2、λ3；平均擴(kuò)散度(λ1+λ2+λ3)/3；表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)圖；各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)圖及偽彩碼圖；纖維示蹤技術(shù)(diffusion tensor tractography，DTT)。ADC值直接反映組織水?dāng)U散的快慢，即擴(kuò)散率越快，ADC值越大，可以間接反映組織成分變化。FA反映水分子擴(kuò)散的各向異性，擴(kuò)散速率越快，F(xiàn)A越大，可以間接反映組織結(jié)構(gòu)變化。值得一提的是，由于宮內(nèi)胎頭自由擺放，常規(guī)成人彩色編碼圖顏色對(duì)應(yīng)的方向并不適用于胎兒[2]，所以不能僅僅依據(jù)顏色指示的方向判別胎腦信息。

2 DTI對(duì)胎腦皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)研究

胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育主要經(jīng)歷背側(cè)及腹側(cè)誘導(dǎo)形成胚胎神經(jīng)管、神經(jīng)細(xì)胞增殖、神經(jīng)元移行及大腦層狀結(jié)構(gòu)形成，腦室、溝、裂及腦回發(fā)育，髓鞘形成。其中發(fā)生的組織學(xué)事件包含：神經(jīng)元增殖、移行，軸索通路建立，突觸發(fā)生，樹(shù)突分化，暫時(shí)回路形成，輸入、輸出回路形成。這些事件的認(rèn)知既往只能通過(guò)組織學(xué)方法來(lái)獲得，DTI對(duì)微觀結(jié)構(gòu)改變的測(cè)量具有巨大的優(yōu)勢(shì)。2009年，Richa等[3]通過(guò)組織學(xué)及DTI聯(lián)合研究額葉層狀結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了DTI對(duì)于觀察神經(jīng)組織發(fā)育事件的可信度。DTI不僅可以從三維層面上觀察胎腦層狀結(jié)構(gòu)及其發(fā)育，同時(shí)可以根據(jù)FA結(jié)合T1WI值進(jìn)行分區(qū)，以便組織體積測(cè)量等進(jìn)一步研究。

原始神經(jīng)管周?chē)鷱膬?nèi)向外排列：(1)生發(fā)基質(zhì)層/室管膜區(qū)，包含成神經(jīng)細(xì)胞、成神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞及室管膜細(xì)胞，前兩者向外遷移構(gòu)成中間層。(2)套層/中間層。(3)邊緣層，主要為中間層內(nèi)成神經(jīng)細(xì)胞向外周伸展的突起構(gòu)成。胎腦發(fā)育初始時(shí)期前腦由生發(fā)基質(zhì)和前板構(gòu)成，目前認(rèn)為前板是神經(jīng)發(fā)生的開(kāi)始，未來(lái)皮質(zhì)第一層[4]。底板(SP)是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，作為神經(jīng)元聚集及移行“中轉(zhuǎn)站”存在，內(nèi)部匯聚大量神經(jīng)元、神經(jīng)遞質(zhì)，大量親水性細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)，短暫突觸聯(lián)系[4]。SP的功能是指導(dǎo)丘腦皮層連接形成，促進(jìn)胎兒腦部功能連接[5]。28 w后由于神經(jīng)移行結(jié)束，SP層MRI信號(hào)減弱，與中間帶相融合不見(jiàn)，可能與ECM溶解，皮質(zhì)板中軸突生長(zhǎng)相關(guān)。在常規(guī)磁共振圖像中，由于信號(hào)差異，部分研究認(rèn)為新皮質(zhì)僅能分辨出4層結(jié)構(gòu)(組織學(xué)將腦實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外概括為6層：邊緣層(MZ)、皮質(zhì)層(CP)、SP、中間帶、室管膜下區(qū)、室管膜區(qū)[6-7])。所以使用DTI檢測(cè)SP+CP厚度及用ADC、FA值評(píng)估SP彌散性質(zhì)，可以觀察到SP中ECM結(jié)構(gòu)崩解導(dǎo)致ADC信號(hào)明顯減少，使用DTT可以評(píng)估新生軸突方向及向皮質(zhì)內(nèi)生長(zhǎng)情況[8]。

2.1 DTI研究腦皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)微觀成熟模式

2004年，Luis等[7]首次研究早產(chǎn)兒胎腦層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量出不同區(qū)域ADC、FA值，用FCM算法得出胎腦層狀結(jié)構(gòu)分區(qū)算法，為三維重建分區(qū)計(jì)算腦區(qū)體積及估計(jì)正常孕齡相關(guān)FA、ADC變異范圍奠定了基礎(chǔ)。2009年，Huang等[9]在胎兒標(biāo)本上通過(guò)ADC值進(jìn)行分區(qū)。FA結(jié)合ADC描繪新皮質(zhì)三層結(jié)構(gòu)及腦皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)不同成熟模式。目前胎腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)分為3層結(jié)構(gòu)：外板、底板、底板深層結(jié)構(gòu)(中間帶、室管膜下區(qū)、室管膜區(qū)，F(xiàn)A圖上無(wú)法區(qū)分這3層)，中期妊娠期間3層結(jié)構(gòu)的FA隨孕齡變化。外板和底板深層結(jié)構(gòu)的FA信號(hào)均大于底板，底板由于富含大量親水性細(xì)胞外基質(zhì)，水分子移動(dòng)沒(méi)有明顯方向性而保持持續(xù)低的FA信號(hào)，厚度則隨孕齡持續(xù)增加。外板隨著胎兒發(fā)育，原有大量神經(jīng)細(xì)胞有序聚集，水分子有方向彌散帶來(lái)高FA值，隨著軸突向內(nèi)外方向發(fā)展[7]，水分子彌散方向雜亂，彌散各項(xiàng)異性減低，F(xiàn)A信號(hào)明顯減低，厚度保持平穩(wěn)。底板深層結(jié)構(gòu)在組織學(xué)引導(dǎo)下可以依據(jù)組織排列方式帶來(lái)的FA不同再分為近腦室區(qū)(室管膜下區(qū)，室管膜區(qū))、近底板區(qū)(中間帶)。組織學(xué)上發(fā)現(xiàn)近腦室區(qū)，大部分由有序的放射組織構(gòu)成，而近底板區(qū)反射結(jié)構(gòu)與切線結(jié)構(gòu)混雜，所以近腦室區(qū)FA值高于近底板區(qū)[10]。

2.2 彌散本征張量揭示胎腦皮質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化

通過(guò)彌散主要本征向量的方向信息，胎腦皮質(zhì)層微觀結(jié)構(gòu)可視化。成角測(cè)量顯示腦表面彌散主要本征向量同腦表面法向量的排列關(guān)系：胎腦FA皮質(zhì)結(jié)構(gòu)較高，同成人皮質(zhì)FA相反，反映胎腦皮質(zhì)組織結(jié)構(gòu)性，13 w時(shí)，在ADC及彩色編碼圖上，三層腦實(shí)質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)顯示，但是沒(méi)有觀察到明顯的柱狀纖維組織，15～19 w，跨越腦實(shí)質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)的放射結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。同時(shí)使用彌散本征向量及腦表面成角測(cè)量，可以追蹤放射層狀結(jié)構(gòu)變化的方向[9]。

3 DTI評(píng)估胎腦白質(zhì)發(fā)育過(guò)程

通過(guò)ADC、彩色編碼圖聯(lián)合DTT技術(shù)追蹤白質(zhì)纖維發(fā)育出現(xiàn)時(shí)間及髓鞘化過(guò)程，旨在建立與孕齡相關(guān)的同一標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)評(píng)估胎兒腦白質(zhì)發(fā)育情況[11-13]。目前DTI所有可測(cè)量的白質(zhì)束均被組織學(xué)證明。胎腦白質(zhì)內(nèi)軸索通路根據(jù)功能主要分為4類白質(zhì)束：邊緣系統(tǒng)、連合纖維、投射纖維、聯(lián)絡(luò)纖維。連合系的作用是連接左右半球皮質(zhì)，聯(lián)絡(luò)系的作用是一側(cè)半球內(nèi)各葉間互相連接，投射系的作用是將大腦皮質(zhì)同皮質(zhì)的中樞各部聯(lián)系起來(lái)的纖維，邊緣系統(tǒng)的作用是使中腦、間腦和新皮層結(jié)構(gòu)之間發(fā)生信息交換。

3.1 4類白質(zhì)纖維發(fā)育出現(xiàn)時(shí)間

根據(jù)胎兒宮外標(biāo)本DTI追蹤，13 w時(shí)邊緣系統(tǒng)束最早出現(xiàn)，投射系統(tǒng)也可以看見(jiàn)，15 w前連合及視交叉較胼胝體先出現(xiàn)，胼胝體前部較后部早發(fā)育。

3.1.1 邊緣系統(tǒng)

邊緣系統(tǒng)包含終紋、穹窿、扣帶束，在13 w前連合平面上可以見(jiàn)到前兩者，扣帶束要到17 w才可見(jiàn)。

3.1.2 連合系統(tǒng)

前連合及視交叉較胼胝體先出現(xiàn)，19～21 w時(shí)候胼胝體在正中矢狀位顯示斷續(xù)，在旁矢狀位或者軸位可補(bǔ)充顯示。

3.1.3 聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)

矢狀位上，外囊區(qū)包含了大多數(shù)聯(lián)絡(luò)纖維，DTT纖維追蹤，外囊最早在13～15 w可以被追蹤到，15 w矢狀位可見(jiàn)鉤束形成，19 w下額-枕束，下縱束可以被追蹤，但是不同于內(nèi)囊和胼胝體的發(fā)育變化，聯(lián)絡(luò)系纖維在胎腦發(fā)育中沒(méi)有明顯的體積增長(zhǎng)。而上縱束即便到出生時(shí)也不明顯[14]。

3.1.4 投射系統(tǒng)

13 w可以追蹤到內(nèi)囊，從而清晰區(qū)分尾狀核，豆?fàn)詈?，神?jīng)節(jié)隆起，其中內(nèi)囊體積由中心向周?chē)鷶U(kuò)大。

3.2 腦干白質(zhì)追蹤

包含橋前交叉束及皮質(zhì)脊髓束，13 w的時(shí)候兩者均可見(jiàn)，15 w橋前交叉束體積增大，包繞皮質(zhì)脊髓束，這個(gè)結(jié)構(gòu)同成人大腦類似。15～21 w皮質(zhì)脊髓束較腦橋體積增加，同時(shí)小腦中下腳及內(nèi)側(cè)丘系逐漸變得清晰可見(jiàn)。

3.3 皮質(zhì)脊髓束追蹤反映底板暫時(shí)移行環(huán)路

Huang等[15]用DTT追蹤出底板散在的丘腦皮質(zhì)束纖維，組織學(xué)已經(jīng)證明丘腦皮質(zhì)束成熟前在底板有短暫停留聚集[16]，隨后生長(zhǎng)入外板，為腦皮質(zhì)區(qū)正常結(jié)構(gòu)成熟和功能連接起到關(guān)鍵性作用，這驗(yàn)證了底板內(nèi)短暫突觸環(huán)路形成及胞外軸索生長(zhǎng)引導(dǎo)的作用，進(jìn)一步DTI研究并量化神經(jīng)束生長(zhǎng)與皮質(zhì)層關(guān)系，有利于深入了解腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)成熟模式，進(jìn)而了解復(fù)雜認(rèn)知功能形成。

3.4 DTI反映胎腦整體連接性改變

使用DTI揭示胎腦整體連接性。19～42 w胎腦內(nèi)皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)放射結(jié)構(gòu)開(kāi)始消退，伴隨腦內(nèi)多個(gè)軸索通路的建立。19 w皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)放射結(jié)構(gòu)仍然明顯顯示，投射系及邊緣系纖維出現(xiàn)，伴隨少量臨時(shí)橋接纖維束。22 w放射結(jié)構(gòu)仍然存在，長(zhǎng)范圍聯(lián)絡(luò)纖維出現(xiàn)。26 w頂葉，下縱束，背側(cè)前額葉放射結(jié)構(gòu)開(kāi)始減少，短、長(zhǎng)聯(lián)絡(luò)纖維出現(xiàn)，33 w顳葉，枕葉區(qū)放射結(jié)構(gòu)崩解，短、長(zhǎng)聯(lián)絡(luò)纖維建立，40 w放射結(jié)構(gòu)完全消失，帶以長(zhǎng)短不一聯(lián)絡(luò)纖維。

3.5 DTT追蹤胎腦臨時(shí)灰質(zhì)核團(tuán)

經(jīng)皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，喉源性咳嗽的局部病理改變與其中醫(yī)辨證分型有關(guān)，呈高度正相關(guān)，r=0.819，P＜0.05。

同時(shí)可以用DTT追蹤到一些特殊灰質(zhì)核團(tuán)，在成人時(shí)期消失，比如：13～17 w出現(xiàn)的乳頭體丘腦組織，腳間三角束，這些核團(tuán)符合組織學(xué)的研究成果。

3.6 FA、ADC、本征向量縱軸λ//和垂直向量λ⊥反映胎腦白質(zhì)成熟3階段

既往已有組織學(xué)證明白質(zhì)髓鞘化前會(huì)經(jīng)歷3個(gè)成熟階段：軸突組織階段、髓鞘膠質(zhì)階段、髓鞘化形成階段[17]。免疫組化結(jié)果發(fā)現(xiàn)不成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞及少突膠質(zhì)細(xì)胞前體的證據(jù)。Zanin等[12]通過(guò)FA、ADC、本征向量縱軸λ// 和垂直向量λ⊥宮內(nèi)檢測(cè)17例正常胎腦的皮質(zhì)脊髓束、視束、胼胝體，選取孕齡介于23～38 w，研究揭露白質(zhì)成熟3個(gè)階段。

第一階段，26.3 w前，軸突組織階段，纏繞扭曲的軸突沿垂直方向生長(zhǎng)，限制水分子運(yùn)動(dòng)物質(zhì)少導(dǎo)致高ADC，但是沿著平行于主軸突方向彌散高，水分子運(yùn)動(dòng)模型是從小球體變成大橢球體，所以FA值也高，相應(yīng)的λ//及λ⊥值也快速增長(zhǎng)。第二階段，26.3～34.8 w，髓鞘膠質(zhì)階段，由于胞外間隙膠質(zhì)增生，所以各方向水分子彌散運(yùn)動(dòng)均勻受限，水分子運(yùn)動(dòng)模型從大橢球體變?yōu)樾E球體，ADC、λ//及λ⊥值都有下降，但是FA值不變。第三階段，34.8 w后，髓鞘化階段，軸突緊密髓鞘化，結(jié)合髓鞘結(jié)合蛋白。垂直于軸突行走方向的水分子彌散受限更明顯，平行方向彌散更顯著，所以水分子運(yùn)動(dòng)模型更加偏向長(zhǎng)軸的橢球體，ADC、λ//及λ⊥值都明顯下降，F(xiàn)A明顯增加。通過(guò)DTI參數(shù)解釋白質(zhì)成熟階段變化同組織學(xué)得到的細(xì)胞學(xué)時(shí)間相吻合，可進(jìn)一步了解白質(zhì)發(fā)育成熟過(guò)程。

表1 胎兒腦DTI成像技術(shù)可顯示的纖維束及對(duì)應(yīng)分辨率匯總Tab.1 Summary of observed fiber bundles and corresponding resolution detected by fetal brain DTI technology

4 DTI用于胎腦研究主要技術(shù)問(wèn)題及突破進(jìn)展

4.1 宮內(nèi)活體 DTI和宮外胎腦標(biāo)本DTI

DTI對(duì)胎兒腦內(nèi)纖維束能夠達(dá)到的最高分辨率是宮外100μm ，宮內(nèi)1500μm，無(wú)法同組織學(xué)分辨率媲美，但是其優(yōu)勢(shì)是非侵入性和即時(shí)動(dòng)態(tài)觀察胎兒腦發(fā)育，成像時(shí)間短，從影像層面了解正常胎兒發(fā)育，指導(dǎo)早期發(fā)現(xiàn)先天發(fā)育異常及宮內(nèi)病理狀況，后者也是組織學(xué)無(wú)法比擬的特點(diǎn)。

目前，DTI研究胎兒腦發(fā)育主要有兩種方法，即宮內(nèi)活體彌散張量成像In vivo DTI 和宮外胎兒標(biāo)本彌散張量成像ex vivo DTI。早期用DTI獲取胎腦內(nèi)纖維束發(fā)育都是依靠宮外標(biāo)本追蹤，通過(guò)使用高場(chǎng)強(qiáng)MRI，長(zhǎng)時(shí)間掃描來(lái)獲取高分辨圖像，從而得到更多胎腦發(fā)育信息[10，18-20]。宮內(nèi)追蹤則是使用超快速序列，一般在1.5 T MRI掃描[8，13]，未對(duì)母體進(jìn)行鎮(zhèn)靜處理[21]。宮內(nèi)胎兒腦DTI成像的主要缺點(diǎn)是圖像質(zhì)量受母親和胎兒雙重運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致宮內(nèi)重建的成功率不高，僅約40%的數(shù)據(jù)能夠成功重建[22]，這也是DTI數(shù)據(jù)獲取困難的主要問(wèn)題。

4.2 DTI掃描序列

目前多使用EPI DTI序列為主要掃描序列，單射EPI短時(shí)間內(nèi)可以忽略大多數(shù)宏觀運(yùn)動(dòng)對(duì)彌散值的影響，但是圖像信噪比稍差，多次激發(fā)EPI提高了信噪比，降低了對(duì)去磁共振效應(yīng)的敏感性，但是采集時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于宏觀運(yùn)動(dòng)引起的偽影更加敏感。HASTE序列最顯著的缺陷是T2衰減導(dǎo)致的圖像模糊；同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間掃描導(dǎo)致高射頻能量沉積影響彌散值準(zhǔn)確度。Kasprian等[11]在宮內(nèi)追蹤胎腦時(shí)提出掃描時(shí)間越長(zhǎng)，胎頭圖像漂移越多，當(dāng)漂移＞1 cm時(shí)候，重建圖像不可靠。目前螺旋槳技術(shù)及并行采集技術(shù)等新技術(shù)正應(yīng)用于現(xiàn)有序列的優(yōu)化改進(jìn)，縮短掃描時(shí)間，提高圖像信噪比是未來(lái)DTI繼續(xù)努力的方向。

4.3 SVR圖像重建提高受胎動(dòng)影像圖像的分辨率

Jiang等[23]使用后處理重建技術(shù)SVR (snapshot images with volume reconstruction)來(lái)解決胎動(dòng)引起圖像質(zhì)量損害問(wèn)題。近年發(fā)展的DTI圖像雖然能夠提供更多信息，但是對(duì)胎動(dòng)敏感度更高，面臨挑戰(zhàn)更大。胎腦DTI圖像模糊的主要原因：(1)單層掃描由于胎動(dòng)產(chǎn)生偽影；(2)胎動(dòng)導(dǎo)致連續(xù)掃描圖像不重合。在優(yōu)化序列減少掃描時(shí)間的同時(shí)，可以通過(guò)后處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行改進(jìn)。SVR技術(shù)原理是補(bǔ)充用EPI DT序列多層重疊采集胎腦空間信息，對(duì)彌散張量矩陣進(jìn)行重建，將原有的分散質(zhì)量良好的數(shù)據(jù)重新排列成規(guī)則圖像完成重建。該技術(shù)的前提是需要較長(zhǎng)的掃描時(shí)間獲得更多樣本圖像用于取樣重建。Fogtmann等[24]給出了彌散敏感層面矯正與三維圖像重建的同一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于在后處理階段解決原始胎兒圖像質(zhì)量問(wèn)題跨出了一大步。

4.4 宮內(nèi)白質(zhì)纖維束示蹤成像技術(shù)追蹤FA及成角閾值設(shè)定

宮內(nèi)追蹤運(yùn)動(dòng)問(wèn)題目前推薦宮內(nèi)應(yīng)用FA追蹤值是0.08，反轉(zhuǎn)角不超過(guò)70°，原因是較低的FA值較適用于追蹤不成熟神經(jīng)纖維[8]。宮外追蹤是0.1[20，25]。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)沒(méi)有給出統(tǒng)一明確的追蹤適用值，所以目前設(shè)立規(guī)范的追蹤閾值是很有必要的。Mitter等[13]在宮內(nèi)追蹤聯(lián)絡(luò)纖維時(shí)候，由于各階段神經(jīng)發(fā)育時(shí)間，相鄰結(jié)構(gòu)信號(hào)改變或者鄰近結(jié)構(gòu)交叉纖維影響，神經(jīng)束部分節(jié)段追蹤不顯影或者顯示錯(cuò)亂，這也是日后宮內(nèi)追蹤矯正需要考慮的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

使用彌散張量成像追蹤胎腦皮質(zhì)及白質(zhì)纖維的發(fā)展，利用檢測(cè)胎腦內(nèi)水分子彌散運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，定量追蹤胎腦微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育成熟變化，較傳統(tǒng)磁共振信號(hào)更早，較彌散加權(quán)成像獲得更多妊娠早期胎腦微觀層面上發(fā)育情況信息。以上綜述主要從現(xiàn)有腦皮質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)研究，白質(zhì)纖維束追蹤方面DTI主要應(yīng)用及取得的信息做簡(jiǎn)要概述，同時(shí)也回顧了近年DTI進(jìn)展的技術(shù)難題以及相關(guān)解決方案的進(jìn)展。隨著醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)前診斷已成為應(yīng)用最普遍、實(shí)用價(jià)值最顯著的預(yù)防性優(yōu)生措施，從胎腦認(rèn)知理論轉(zhuǎn)變?yōu)榕R床實(shí)踐尤為重要，提高早期先天畸形檢出率尤為重要，宮內(nèi)胎腦診斷將成為研究重點(diǎn)。盡管諸多客觀因素影響，DTI圖像獲取成功率不高，未來(lái)研究的熱點(diǎn)是將集中在快速掃描序列的調(diào)整、后處理矯正及重建高清圖像上，進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。近年來(lái)，由于DTI具有三維成像，短期掃描時(shí)間內(nèi)可以較傳統(tǒng)磁共振及彌散加權(quán)成像更多的微觀信息諸多優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)胎腦DTI很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前出版的文獻(xiàn)多集中在胎腦第2、3孕周的研究，胎腦早期的研究以及胎兒過(guò)渡到新生兒階段研究出現(xiàn)斷層，所以DTI研究的總體趨勢(shì)是將更多與3D重建后容積測(cè)量、磁共振波譜分析等定量微觀結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)聯(lián)合，完成從胎兒到新生兒微觀結(jié)構(gòu)圖譜的勾勒，實(shí)現(xiàn)從研究向臨床診斷、產(chǎn)前干預(yù)指導(dǎo)的跨越。

[References]

[1]Rakic P. Mode of cell migration to the superficial layers of fetal monkey neocortex. Journal of comparative neurology, 1972, 145(1): 61-83.

[2]Pajevic S, Pierpaoli C. Color schemes to represent the orientation of anisotropic tissues from diffusion tensor data: Application to white matter fiber tract mapping in the human brain. Magnetic Resonance in Medicine, 1999, 42(3): 526-540.

[3]Trivedi R, Husain N, Rathore RKS, et al. Correlation of diffusion tensor imaging with histology in the developing human frontal cerebrum. Developmental Neuroscience, 2009, 31(6): 487-496.

[4]Bystron I, Rakic P, Molnar Z, et al. The first neurons of the human cerebral cortex. Nature Neuroscience, 2006, 9(7): 880-886.

[5]Perkins L, Hughes E, Srinivasan L, et al. Exploring cortical subplate evolution using magnetic resonance imaging of the fetal brain. Developmental Neuroscience, 2008, 30(1-3): 211-220.

[6]Kostovic I, Rakic P. Developmental history of the transient subplate zone in the visual and somatosensory cortex of the macaque monkey and human brain. Journal of comparative neurology, 1990, 297(3): 441-470.

[7]Kostovic I, Judas M, Rados M, et al. Laminar organization of the human fetal cerebrum revealed by histochemical markers and magnetic resonance imaging. Cerebral Cortex, 2002, 12(5): 536-544.

[8]Nossin-Manor R, Card D, Raybaud C, et al. Cerebral maturation in the early preterm period—A magnetization transfer and diffusion tensorimaging study using voxel-based analysis. NeuroImage, 2015, 112(1): 30-42.

[9]Huang H, Xue R, Zhang J, et al. Anatomical characterization of human fetal brain development with diffusion tensor magnetic resonance imaging. Journal of Neuroscience, 2009, 29(13): 4263-4273.

[10]Huang H, Vasung L. Gaining insight of fetal brain development with diffusion MRI and histology. International Journal of Developmental Neuroscience, 2014, 32(2): 11-22.

[11]Kasprian G, Brugger PC, Weber M, et al. In utero tractography of fetal white matter development. NeuroImage, 2008, 43(2): 213-224.

[12]Zanin E, Ranjeva JP, Confort-Gouny S, et al. White matter maturation of normal human fetal brain. An in vivo diffusion tensor tractography study. Brain Behav, 2011, 1(2): 95-108.

[13]Mitter C, Prayer D, Brugger PC, et al. In vivo tractography of fetal association fibers. PLoS One, 2015, 10(3): e119536.

[14]Zhang J, Evans A, Hermoye L, et al. Evidence of slow maturation of the superior longitudinal fasciculus in early childhood by diffusion tensor imaging. Neuroimage, 2007, 38(2): 239-247.

[15]Huang H, Jeon T, Sedmak G, et al. Coupling diffusion imaging with histological and gene expression analysis to examine the dynamics of cortical areas across the fetal period of human brain development. Cerebral Cortex, 2013, 23(11): 2620-2631.

[16]Kostovic I, Rakic P. Developmental history of the transient subplate zone in the visual and somatosensory cortex of the macaque monkey and human brain. Journal of comparative neurology, 1990, 297(3): 441-470.

[17]Beaulieu C. The basis of anisotropic water diffusion in the nervous system - a technical review. NMR in Biomedicine, 2002, 15(7-8): 435-455.

[18]Dubois J, Dehaene-Lambertz G, Kulikova S, et al. The early development of brain white matter: A review of imaging studies in fetuses, newborns and infants. Neuroscience, 2014, 276(1): 48-71.

[19]Xu G, Takahashi E, Folkerth RD, et al. Radial coherence of diffusion tractography in the cerebral white matter of the human fetus: Neuroanatomic insights. Cerebral Cortex, 2014, 24(3): 579-592.

[20]Song JW, Mitchell PD, Kolasinski J, et al. Asymmetry of white matter pathways in developing human brains. Cerebral Cortex, 2015, 25(9): 2883-2893.

[21]Tocchio S, Kline-Fath B, Kanal E, et al. MRI evaluation and safety in the developing brain. Seminars in Perinatology, 2015, 39(2): 73-104.

[22]Masselli G. MRI of fetal and maternal diseases in pregnancy. American Journal of Obstetrics & Gynecology, 1998, 178(2): 247-254.

[23]Jiang S, Xue H, Counsell S, et al. Diffusion tensor imaging (DTI) of the brain in moving subjects: Application to in-utero fetal and ex-utero studies. Magnetic Resonance in Medicine, 2009, 62(3): 645-655.

[24]Fogtmann M, Seshamani S, Kroenke C, et al. A unified approach to diffusion direction sensitive slice registration and 3-D DTI reconstruction from moving fetal brain anatomy. Medical Imaging IEEE Transactions on, 2014, 33(2): 272-289.

[25]Viehweger A, Riffert T, Dhital B, et al. The gini coefficient: a methodological pilot study to assess fetal brain development employing postmortem diffusion MRI. Pediatric Radiology, 2014, 44(10): 1290-1301.

Advances of diffusion tensor imaging in fetal brain development

MIAO Dan-tong, ZHANG Bing*, ZHU Bin
Department of Radiology, Nanjing Drum Tower Hospital Clinical Collgeg of Nanjing Medical University, Nanjing 210008, China
*

Zhang B, E-mail: zhangbing_nanjing@vip.163.com
Received 8 Oct 2016, Accepted 18 Nov 2016

Fetal brain is extraordinarily complex and functional, yet its origin is a simple tubular structure at the end of 3 gestational week. During this period, it undergoes brain primitive induction development, nerve cells proliferation, neuronal migration, bilateral cerebral hemisphere stratum formation, ditch, crack, brain development, white matter fibers appearance and myelination. These developmental processes are extremely precise and complex, but follow a strict sequence. Prenatal ultrasound can only screen obvious congenital anomalies during early pregnancy, but has not yet assessed the development of these subtle brain structure. In recent years, the development of magnetic resonance imaging technology for the development of fetal brain provides a useful tool, in particular, diffusion tensor imaging provides a microstructure observation of fetal brain information perspective by detecting water dispersion movement of brain tissue. Histopathologic examination can provide complementary information. The advantages and application of DTI in fetal brain will be briefly introduced in this review. DTI can display the cortical lamellar structure and the time and sequence of white matter fiber bundles, the changes of connective fiber bundles of fetal brain, myelin maturation process and so on. The main technical problems and solutions of DTI technique for fetal brain imaging are also summarized, which will lay a theoretical foundation for the further application of diffusion tensor imaging in normal fetal brain development.

Diffusion magnetic resonance imaging; Fiber tack; Fetal development; Magnetic resonance imaging

南京醫(yī)科大學(xué)鼓樓臨床醫(yī)學(xué)院，南京210008

張冰，E-mail：zhangbing_nanjing@ vip.163.com

2016-10-08接受日期：2016-11-18

R445.2；R338.2

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.02.015