弥散张量成像检测脊髓损伤①

廖凯 饶家声 李晓光,2

(1.北京航空航天大学生物与医学工程学院 北京 100191; 2.首都医科大学神经生物学系 北京 100069)

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是中枢神经系统的一种严重创伤,近年的统计数字表明脊髓损伤的年发病率为(3.0～3.5)/10万,大多由于车祸和坠落伤等原因造成的脊柱脱位、骨折所致,常遗留严重的伤残。脊髓损伤后受损组织大致经历:(1)神经组织变性;(2)小胶质细胞、少突胶质细胞和中性粒细胞清除阻滞崩解物;(3)星形细胞、成纤维细胞增生以修复创伤形成瘢痕3个阶段[1]。胶质瘢痕主要由星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞组成。由于胶质瘢痕的致密的网状结构和其组成部分产生的抑制轴突生长的分子,胶质瘢痕一直被视为脊髓轴突再生难以逾越的障碍。因此,研究瘢痕的形成机理以及寻找方法来减少瘢痕的形成已成为神经再生研究热点。随着医学影像学的发展,MRI对脊髓的诊断和预后估计得准确性有了很大的提高。因此,可以采用神经影像学的方法来确定空洞瘢痕的确切位置和大小,为临床手术提供依据。

1 核磁共振的应用

由于核磁的高软组织分辨率的特点,MRI可以用来评价软组织如脑、脊髓的异常。并且MRI可获取脊髓三维结构,矢状面扫描可直观地、连贯的显示脊髓病变全貌及与周围组织结构的关系。因此,MRI诊断脊髓病变是其他任何诊断技术无法取代的有效手段[2]。脊髓损伤后,脊髓伴随着发生一系列组织病理学改变,研究表明MRI可以用来检测这些病理学改变及演变过程,如水肿、出血、囊腔、和伤口的长度等[3～8]。因此,MRI还可以用来预测脊髓损伤恢复程度,指导临床治疗,特别是治疗方案的选择及手术方案的制定等。功能核磁可以用来测量脊髓损伤后病人的与解剖功能/代谢有关的感觉运动活性。核磁质谱可以用来检测脊髓损伤后脑和脊髓内的生物化学特性。MRI-DTI成像是一种基于MRI图像特征的成像方法,主要是测量组织中水分子的自由扩散。这种方法能探测到组织微结构,从而使分辨率比传统MRI高[7]。同时,MRI-DTI还可以用来研究轴突的完整性,髓鞘是否中断,以及轴突膨胀等。因此,MRI-DTI成为了一种新的研究脊髓损伤的神经影像学方法,尤其是用于检测白质的完整性。利用MRI-DTI还可以检测白质束的改变,从而判断肿瘤的位置以及大小等[11]。DTI中常用的参数为表面弥散系数(appearance diffusion coefficient,ADC)、各向异性比值FA(fraotional anisotropy,FA)、相对各项异性AI(anisotraphy index,AI)等,这些参数可以量化分析脊髓的改变。

1.1 空洞及瘢痕组织在常规核磁共振成像的表现

对于急性脊髓损伤的研究较多,但对脊髓损伤后伤后胶质瘢痕的研究较少,尤其是MRI观察更少见报道。有研究报道犬SCI后4周,T1加权图像髓内正中低信号影,T2加权图像为髓内高信号影,边界清楚。SCI后16周,见脊髓损伤处前后径明显变小,T1加权图像见脊髓中央有不规则椭圆形低信号,T2加权图像表现为高信号影,边界清楚[4]。实验中作者通过病理观察发现:SCI后4、16周,损伤处形成囊腔,边界清楚,囊腔内有大量无定形成分及细胞成分并有炎细胞浸润,囊腔壁有完整的室管膜细胞覆盖。SCI后,损伤处囊腔边界清楚,囊壁胶质瘢痕增生,囊壁光滑,内有液体成分,囊腔壁有炎细胞与新生血管。Bodley曾报道慢性脊髓损伤MRI检查中,T2WI图像更容易分辨出正常组织与病变组织的边界[5]。林江凯在实验中也发现脊髓损伤后胶质瘢痕的常规MRI表现为:T1WI呈局部低信号,T2WI呈高信号,信号纵向约为砸伤长度的2倍[6]。而Matt Fraidakis研究中表明瘢痕组织在信号强度上呈现不均匀性[8]。

1.2 空洞及瘢痕组织在弥散成像中的表现

DTI成像中,ADC和FA值能够反映组织的结构的完整性。如果病理改变引起细胞内外空间体积的重塑,ADC将发生改变。脊髓损伤会后引起包括神经元、胶质细胞、血管内皮细胞等多种细胞的形态和功能变化。在核磁上可能引起ADC和FA等值的变化。

北京大学第一医院医学影像科,用1.5T的核磁对犬做脊髓扫描。并对ADC和FA做了统计学分析。表明脊髓损伤后期,脊髓损伤区域与未损伤区域的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及瘢痕形成是一致的。实验表明瘢痕的ADC和FA与正常组织的不同,可以作为定量检测的标准[9]。Schwartz[10]采用离体的方法,对脊髓进行DTI成像发现瘢痕处的胶质细胞的突触方向发生改变,以垂直于轴突的方向为主。研究表明瘢痕的这一特点可以用来诊断瘢痕。但Schwartz发现瘢痕处的FA与正常组织相比变化不大,而AI却有明显的变化。Ibrahim Eishafiey通过在体DTI成像,利用非线性回归分析后发现脊髓损伤后到2周FA升高,而2周后FA降低,当损伤后71d测量FA发现比未损伤时略高[10]。

Matt Fraidakis[8]等人对脊髓横断和正常的老鼠进行MRI扫描,比较信号特点发现:脊髓横断端回缩,两端间的缺口处充满瘢痕组织。头部和尾部回缩程度不同,头部端有一个大的囊腔。囊腔在T2WI图像中与脊髓周围的CSF的信号强度相同。而在T1WI图像中囊腔呈低信号。注射造影剂之后检测可以发现瘢痕组织中富含血管[8]。由于脊髓损伤后横断端回缩,脊髓明显变细,可以利用MRI多方位成像的特点对脊髓进行矢状面和轴状面成像,从而定量分析脊髓残端变细段的长度。这样就可以为脊髓修复提供策略。

脊髓损伤的晚期,也会出现脊髓组织液化以及组织坏死等现象,最终导致囊腔。Schwartz[15]等人用体外大鼠模型研究脊髓空洞症的ADC值,在实验中在灰质处加入兴奋性神经递质受体,之后在体外进行DTI成像,测量纵向表观弥散系数(lateral ADC,lADC)和横向表观弥散系数(transverse ADC,tADC)并形成ADC图。1周后lADC和tADC图可以看出注射区的灰质具有高信号,与正常组织的ADC值比较可以看出注射区灰质的ADC值增加。经过组织病理学检测可知这一区域有空洞形成。并且随着时间的增加,ADC值逐渐增大,lADC和tADC随着时间的改变逐步增加。对这个区域进行组织病理学检测可发现囊腔。而常规T1WI和T2WI在4到8周才看到异常信号。所以认为弥散成像于与传统的MRI相比,能更早的显示组织结构上的发生。MRI-DTI成像之后还可以进一步进行纤维束示踪,用于组织工程治疗促进轴突再生的检验。

弥散成像一般用来检测白质束的完整性,瘢痕组织与正常组织之间的比较目前没有人专门的报道。但有些人研究中提及瘢痕组织的一些磁共振成像以及弥散成像的特点供我们参考[17～18]。

1.3 图像质量的提高

随着成像技术的提高,MRI和MRIDTI已经成为临床常用影响学诊断手段,但图像的质量好坏影响着后续数据分析正确与否,因此,提高图像质量是实验设计中的中重要部分。其中图像的信噪比和成像时间最为重要。

脊柱和脊髓检查中一般采用自旋回波脉冲序列进行矢状面及横状面扫描。前者应用T1及T2加权像,后者应用T2加权像。扫描时应选好相位频率编码方向,以避开大血管血流伪影的影响。在脊髓检查T1加权像中,脑脊液信号为低,脑脊液流动的影响较弱,伪影以自主性运动伪影为主。因此选择频率编码方向为前后方向,理论上可以减少运动伪影[12]。对呼吸时胸腹部运动可使用饱和脉冲消除脂肪产生的伪影,对横切面扫描仪可以在其上下部位加饱和脉冲,抑制信号产生,减少扫描层面的血流伪影。

MRI最主要的特点为无创伤性,所以在体脊髓MRI扫描的成像质量的提高尤为重要。在体检测和离体检测相比,脊髓距接收线圈的距离较远,这使得在体检测时信噪比较低,图像的质量较差。并且弥散成像的高敏感性使得较轻的运动都能产生较大的影响。为了解决这个问题,Fenyes[13～14]利用了一对能够移植入体的感应线圈来增加信噪比。利用呼吸门控MRI序列来降低呼吸引起的运动伪影。这需要一个介入导管,利用通风口来确保数据的采集是在呼吸间隙中取得的。为了减少由于非匀场引起的伪影,还对数据进行了后处理。作者在实验中对EPI序列和常规SE序列进行成像时间比较,发现常规SE序列需要43min,而EPI仅需要9min。在体和离体比较表明,在体的分辨率比离体的低,但二者的分辨率相差不大。Silver等人也用内置感应线圈的方法来描述各项异性,但具体的各项异性值没有给出。但他们采用了彩色编码图来描述各项异性。Schwartz[7]等人在报道中也采用了彩色编码图技术。在利用移植线圈的方法来提高信噪比的研究中,一般选用胸椎成像,因为颈椎椎骨的形状对线圈形状的要求较高。但这种移植线圈提高信噪比的方法在实际临床中是不能被采用的。为了提高图像的质量Mara Cercignani[16]等人在常规EPI序列中加系数为2的SENSE,与全视野的EPI序列扫描的结果比较表明敏感编码弥散张量成像具有减少伪影的作用。

2 结语

影像学方法被广泛应用于脊髓损伤中的诊断和预后估计,随着影像学技术的提高,诊断的正确率有很大的提高。关于脑组织病变及其影像学报道有大量的报道,然而对于脊髓报道较少。由于脊髓与脑组织的不同,使得MRI扫描及得到较好图像有很大的困难,尤其是弥散成像。为了量化分析瘢痕组织的图像特性,可以采用以脑脊液信号为标准来量化。文献中经常出现病变位置信号强度比较时以脑脊液的信号为标准[8]。同时在弥散成像时,也可以通过计算lADC和tADC的比值,或FA、ADC、AI等参数来定量分析瘢痕特点。

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