頸髓損傷DTI研究進(jìn)展

張 超，穆學(xué)濤，王 宏

0 引言

脊髓損傷是由各種原因引起的脊髓結(jié)構(gòu)、功能損害，造成損傷水平以下正常運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)、自主神經(jīng)功能等障礙[1]。頸髓損傷的后果更加嚴(yán)重，致殘、致死率更高，以至于給家庭以及社會(huì)帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。頸髓損傷如果早期診斷、早期治療，能取得較好的效果。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是評(píng)價(jià)脊髓損傷的最佳方法，尤其是擴(kuò)散張量（diffusion tensor imaging，DTI）技術(shù)可以無(wú)創(chuàng)性研究活體內(nèi)組織、器官的分子彌散特征及病理變化。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于腦、心臟、脊髓的微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，尤其是在大腦實(shí)質(zhì)病變的應(yīng)用，如腦腫瘤、急性中風(fēng)、多發(fā)性硬化等的研究中更顯示出其優(yōu)勢(shì)[2-4]。研究顯示，DTI可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)MRI不能顯示的頸髓損傷[5-6]。

1 DTI基本原理

1.1 磁共振擴(kuò)散張量成像

DTI是20世紀(jì)90年代早中期在彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的唯一的無(wú)創(chuàng)性觀察活體組織微觀特征結(jié)構(gòu)的磁共振成像新技術(shù)，它利用DTI成像所獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，從而在活體研究神經(jīng)纖維通道的軌跡、形狀、結(jié)構(gòu)、位置、局部解剖和它們之間的相互連接的方法[7]。其評(píng)價(jià)參數(shù)為各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）值及表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）值等。研究顯示，軸向擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于軸突的損傷比較敏感，而徑向擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于髓鞘的損傷較敏感[8-9]。FA代表著3個(gè)擴(kuò)散系數(shù)的規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)差，并且被認(rèn)為是白質(zhì)完整性的標(biāo)記，它的變化范圍為0～1。FA值、軸向擴(kuò)散系數(shù)、徑向擴(kuò)散系數(shù)與脊髓炎癥、創(chuàng)傷及華勒氏退行性改變所致的軸突損傷的組織病理學(xué)結(jié)果有顯著相關(guān)性[10-12]。研究表明，頸髓損傷DTI的異?？赡芘c脊髓脫髓鞘病變以及軸突變性有關(guān)[13]。

1.2 白質(zhì)纖維成像技術(shù)

白質(zhì)纖維成像技術(shù)有：（1）確定性示蹤成像：利用體素的第一特征向量軌跡來(lái)估算腦白質(zhì)纖維的軌跡，對(duì)于重建出的纖維束很直觀，但要依賴于人工操作。（2）概率跟蹤算法：只需要計(jì)算出連接2個(gè)體素或區(qū)域的概率，能在一定程度上克服交叉纖維的問(wèn)題，但是需要采集多梯度方向圖像，處理時(shí)間較長(zhǎng)。（3）基于白質(zhì)骨架的空間統(tǒng)計(jì)分析法：平均化所有DTI參數(shù)計(jì)算得出白質(zhì)構(gòu)架，然后進(jìn)行校準(zhǔn)所有目標(biāo)圖像的FA，進(jìn)一步處理得出纖維束成像。其能夠提供全腦的信息且不依賴于人工操作，但是產(chǎn)生的圖像不如上述的確定性纖維束成像直觀。

2 頸髓損傷的概述

10%～14%的頸髓損傷由頸椎骨折脫位導(dǎo)致，多見(jiàn)于急性脊髓損傷，通常為強(qiáng)大的外力使頸椎骨折、脫位，造成頸髓挫裂傷或橫斷傷，脊髓功能部分或全部喪失，常為不可逆性損傷，臨床后果較為嚴(yán)重。在X線、CT檢查中能夠發(fā)現(xiàn)頸椎的脫位或骨折等改變，但也有不少患者頸髓有損傷在放射學(xué)檢查中未發(fā)現(xiàn)異常改變，即無(wú)骨折脫位型頸髓損傷（spinal cord injury without radiographic abnormality，SCIWORA），其常見(jiàn)原因?yàn)轭i髓的一過(guò)性損傷和持續(xù)壓迫性損傷[14]。脊髓慢性受壓常為椎間盤突出、韌帶增厚或鈣化導(dǎo)致椎管狹窄所致，病變?cè)缙谥委熀蠹顾韫δ芸赏耆謴?fù)，擠壓時(shí)間過(guò)久則不易恢復(fù)。

3 DTI在頸髓損傷中的應(yīng)用研究

3.1 正常頸髓的DTI

掃描采用單次激發(fā)快速自旋回波平面序列（spin echo-echo planar imaging，SE-EPI），擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)施加方向一般選擇13～25。合適的b值對(duì)于DTI成像很關(guān)鍵，較大的b值具有較大的彌散權(quán)重，對(duì)水分子的彌散運(yùn)動(dòng)越敏感，引起信號(hào)明顯下降，圖像信噪比也相應(yīng)下降；如果b值太小，就會(huì)產(chǎn)生所謂的T2透射效應(yīng)（T2shine through effect）。目前，國(guó)內(nèi)外的研究中對(duì)于b值的選擇有多種，文獻(xiàn)中報(bào)道的頸髓DTI成像選用b值大多數(shù)為400～1 000 s/mm2。對(duì)于脊髓內(nèi)的損傷的檢查中，各序列對(duì)于脊髓疾病的診斷敏感性、特異性從大到小分別為FA（73．3%、100%）、T2WI-FSE（46．7%、100%）、ADC（13．4%、80%）[15]。

DTI纖維束成像可清晰顯示頸髓纖維束走行，圖像無(wú)明顯的扭曲。在ADC圖像中，頸髓呈均勻連續(xù)的低信號(hào)，周圍腦脊液呈高信號(hào)。白質(zhì)纖維示蹤顯示纖維束呈頭尾方向走行，走行連續(xù)，粗細(xì)均勻（如圖1所示）。FA圖像中，頸髓呈均勻的藍(lán)色上下走行[16]。對(duì)于正常者的DTI參數(shù)，Barakat等人報(bào)道，7～21歲年齡組（平均年齡13．28歲）正常者的FA值在0．43～0．70 之間[17]。對(duì)于成年人的頸髓 DTI研究中，F(xiàn)A 值在 0．55～0．84 之間[18-20]。有研究認(rèn)為，在頸髓的各個(gè)階段之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[21]，而有研究認(rèn)為下頸髓FA值及ADC值水平要低于上頸髓，而且它們之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[22]。文獻(xiàn)報(bào)道的FA值的結(jié)果差異可能與樣本之間的差異、采用不同的掃描參數(shù)以及依賴于人工操作的測(cè)量方法產(chǎn)生的差異有關(guān)。

圖1 正常頸髓纖維束成像走行連續(xù)、形態(tài)規(guī)則

3.2 頸髓損傷DTI表現(xiàn)

3.2.1SCIWORA中T2WI未見(jiàn)明顯異常信號(hào)的頸髓DTI表現(xiàn)

David等人報(bào)道，頸椎退行性改變或椎間盤病變所導(dǎo)致的頸髓受壓，在T2WI上信號(hào)未見(jiàn)異常者，F(xiàn)A值為 0．6～0．74，ADC 值為 0．85×10-3～1．1 ×10-3mm2/s，與正常對(duì)照組相比較，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而未受壓部位的脊髓FA值、ADC值與正常對(duì)照組相比沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并且有癥狀比無(wú)癥狀頸椎病患者的FA值更低，ADC值更高[23]。Kara等人報(bào)道，頸椎管狹窄處常規(guī) MR 無(wú)異常信號(hào)頸髓 FA 值為 0．47±0．07，ADC值為（1．40±0．37）×10-3mm2/s，且與無(wú)狹窄處頸髓 FA值（0．65±0．04）、ADC 值（（1．01±0．19）×10-3mm2/s）相比有顯著差異性[24]。白質(zhì)纖維成像發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)T2WI脊髓受壓而無(wú)異常信號(hào)區(qū)域的頸髓白質(zhì)纖維束表現(xiàn)為受壓凹陷、扭曲、移位、局部纖細(xì)甚至斷裂[15，25]。上述諸多學(xué)者的研究表明，DTI對(duì)于早期發(fā)現(xiàn)常規(guī)MR表現(xiàn)為正常的頸髓損傷有較高的敏感性，能夠大大提高頸髓病變的檢出率。

3.2.2 SCIWORA中T2WI上表現(xiàn)為高信號(hào)患者的DTI表現(xiàn)

常規(guī)MR T2WI序列掃描發(fā)現(xiàn)脊髓內(nèi)異常高信號(hào)，常見(jiàn)于頸髓長(zhǎng)期的慢性受壓迫導(dǎo)致脊髓水腫、缺血，或進(jìn)一步導(dǎo)致脊髓灰質(zhì)細(xì)胞壞死從而發(fā)展為脊髓空腔，T2WI上由早期受壓的等信號(hào)發(fā)展為高信號(hào)，最終達(dá)到不可逆性恢復(fù)的地步。有學(xué)者報(bào)道，頸椎退行性改變或椎間盤病變導(dǎo)致頸髓受壓，在T2WI為高信號(hào)者，其 FA 值為 0．53～0．73，ADC 值為 0．88×10-3～1．41 ×10-3mm2/s[15]。與脊髓內(nèi)未發(fā)現(xiàn)高信號(hào)者相比較，F(xiàn)A值、ADC值改變較為明顯，白質(zhì)纖維束成像顯示纖維束受損程度有所加重。隨著壓迫程度的增加，F(xiàn)A值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，ADC值呈升高趨勢(shì)[25-26]。以上研究結(jié)果表明，F(xiàn)A值和ADC值的改變理論上可以反映出脊髓損傷以及臨床表現(xiàn)的嚴(yán)重程度。然而，對(duì)于ADC值的變化，各學(xué)者存在不同的觀點(diǎn)，李旭等人對(duì)于21名無(wú)骨折脫位型頸髓損傷患者（其中19人在常規(guī)MR T2WI為高信號(hào)）中FA值的變化與對(duì)照組相比，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而ADC的改變與對(duì)照組相比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[20]，這一結(jié)果與Rajasekaran等人在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果相仿[27]。

3.2.3 頸椎骨折、脫位直接引起脊髓損傷

除了脊髓受壓之外，較為嚴(yán)重的脊髓損傷包括脊髓挫傷、出血、部分或完全斷裂。DTI顯示損傷處頸髓的FA值、ADC值改變更加明顯，白質(zhì)纖維束走行更加紊亂，出現(xiàn)明顯多處的斷裂[28]。Rajasekaran等人報(bào)道，脊髓刺傷導(dǎo)致脊髓半切綜合征，在常規(guī)T2WI上受傷側(cè)脊髓局部為高信號(hào)，F(xiàn)A值為0．23±0．06，ADC 值為（2．12±1．88）×10-3mm2/s，其周邊區(qū)域脊髓也存在不同程度的FA值、ADC值的改變，白質(zhì)纖維束成像顯示受傷處脊髓纖維束扭曲、中斷、分離[29]（如圖2所示）。Jirjis等人在對(duì)動(dòng)物模型的研究中發(fā)現(xiàn)，偏離挫傷中心的遠(yuǎn)處脊髓在常規(guī)MR未發(fā)現(xiàn)明顯異常，DTI發(fā)現(xiàn)脊髓FA值較正常者顯著性減低，此結(jié)果表明DTI可以發(fā)現(xiàn)損傷處的情況以及周圍存在隱匿性的損傷，因此，可以對(duì)整個(gè)脊髓損傷的整體程度作出更好的評(píng)估[30]。

3.3 頸髓損傷治療的DTI研究

頸髓損傷的術(shù)前DTI可以提供更加精確的頸髓損傷的信息，為頸髓損傷患者的治療提供正確的決策，不僅如此，DTI或許可以作為頸髓損傷患者治療后評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。理論上認(rèn)為，DTI測(cè)量所得的ADC值和FA值能反映脊髓損傷和修復(fù)期軸突再髓鞘化的過(guò)程，因而DTI正初步應(yīng)用于脊髓損傷動(dòng)物模型和臨床研究中[31-32]。另有研究報(bào)道，在頸髓受壓的脊髓型頸椎病患者手術(shù)解壓治療后，T2WI顯示頸髓內(nèi)存在高信號(hào)者與無(wú)高信號(hào)者的恢復(fù)率之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，然而治療后纖維束的比率與恢復(fù)率之間有顯著相關(guān)性（P=0.000 6）[33]。由于頸髓外科解壓術(shù)后金屬固定器的置入，患者不適合做磁共振檢查，Jones等人利用頸部殘疾指數(shù)（neck disability index，NDI）評(píng)分來(lái)評(píng)估脊髓壓迫解壓術(shù)后的效果，發(fā)現(xiàn)術(shù)前較高基線的FA值與術(shù)后NDI改善相關(guān)，頸椎病影響較重的患者中，F(xiàn)A值較高比FA值較低的患者往往有更大的幾率來(lái)實(shí)現(xiàn)術(shù)后功能的恢復(fù)，相同條件下隨著FA值的增加，臨床恢復(fù)的幾率就越大，然而T2WI信號(hào)的變化與術(shù)后的恢復(fù)卻無(wú)聯(lián)系[34]。這說(shuō)明DTI技術(shù)比常規(guī)MRI能夠更加敏感地反映出脊髓內(nèi)的變化，對(duì)于評(píng)估脊髓術(shù)后的恢復(fù)以及預(yù)后有重要的價(jià)值。

圖2 頸髓損傷纖維束成像損傷處頸髓扭曲、斷裂、分離

4 DTI在頸髓損傷中應(yīng)用的不足與展望

DTI在頸髓損傷中應(yīng)用的不足為：（1）由于頸椎管徑較小，容易產(chǎn)生磁敏感偽影，導(dǎo)致圖像容易產(chǎn)生畸變與扭曲；（2）患者檢查過(guò)程中的呼吸運(yùn)動(dòng)、吞咽動(dòng)作等均可使圖像產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影；（3）DTI數(shù)據(jù)的測(cè)量完全依賴于人工操作。針對(duì)上述不足之處，檢查時(shí)應(yīng)當(dāng)囑患者在掃描過(guò)程中禁做吞咽動(dòng)作，平靜呼吸；在掃描技術(shù)上應(yīng)盡量縮短回波時(shí)間，減小體素的尺寸以及采用相對(duì)小的擴(kuò)散方向，從而縮短檢查時(shí)間，減小運(yùn)動(dòng)偽影的發(fā)生率；對(duì)于數(shù)據(jù)的測(cè)量，采取多人多次測(cè)量求平均值的方法，以盡量縮小誤差。

雖然DTI存在諸多不足之處，但是它仍然是唯一無(wú)創(chuàng)性反應(yīng)活體內(nèi)組織微觀結(jié)構(gòu)改變以及病理變化的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)DTI測(cè)量結(jié)果的量化分析，可為疾病的早期診斷及治療的指導(dǎo)起到重要作用。目前，有研究顯示在3T磁共振或更高場(chǎng)強(qiáng)的磁共振，利用擴(kuò)散光譜成像（diffusion spectrμm imaging，DSI）技術(shù)能夠顯示DTI不能夠顯示的復(fù)雜交叉纖維束，并逐步應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與臨床研究[35-36]。Takahashi等人利用DSI技術(shù)成功描繪出動(dòng)物腦白質(zhì)纖維的生長(zhǎng)發(fā)育形態(tài)學(xué)改變，清晰地顯示出DTI不能夠顯示的交叉纖維束[36]。這種技術(shù)對(duì)于纖維束的觀察更加細(xì)致、精確，更加有助于早期發(fā)現(xiàn)白質(zhì)纖維的病變，但是其應(yīng)用于活體人類頸髓尚需要進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管目前DTI尚存在許多不足之處，但是其有廣闊的發(fā)展前景，且其在頸髓損傷的診斷以及預(yù)后的評(píng)估中還處于研究階段。隨著研究的深入以及新技術(shù)的應(yīng)用，將DTI技術(shù)與常規(guī)MR結(jié)合，可為頸髓損傷的早期診斷及臨床治療的指導(dǎo)、預(yù)后提供更大的幫助。

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