颈髓损伤DTI研究进展

张 超，穆学涛，王 宏

0 引言

脊髓损伤是由各种原因引起的脊髓结构、功能损害，造成损伤水平以下正常运动、感觉、自主神经功能等障碍[1]。颈髓损伤的后果更加严重，致残、致死率更高，以至于给家庭以及社会带来了沉重的负担。颈髓损伤如果早期诊断、早期治疗，能取得较好的效果。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是评价脊髓损伤的最佳方法，尤其是扩散张量（diffusion tensor imaging，DTI）技术可以无创性研究活体内组织、器官的分子弥散特征及病理变化。目前，该技术已应用于脑、心脏、脊髓的微细结构的研究，尤其是在大脑实质病变的应用，如脑肿瘤、急性中风、多发性硬化等的研究中更显示出其优势[2-4]。研究显示，DTI可以发现常规MRI不能显示的颈髓损伤[5-6]。

1 DTI基本原理

1.1 磁共振扩散张量成像

DTI是20世纪90年代早中期在弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）基础上发展起来的唯一的无创性观察活体组织微观特征结构的磁共振成像新技术，它利用DTI成像所获得的数据，通过计算机进行后处理，从而在活体研究神经纤维通道的轨迹、形状、结构、位置、局部解剖和它们之间的相互连接的方法[7]。其评价参数为各向异性分数（fractional anisotropy，FA）值及表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值等。研究显示，轴向扩散系数对于轴突的损伤比较敏感，而径向扩散系数对于髓鞘的损伤较敏感[8-9]。FA代表着3个扩散系数的规范化的标准差，并且被认为是白质完整性的标记，它的变化范围为0～1。FA值、轴向扩散系数、径向扩散系数与脊髓炎症、创伤及华勒氏退行性改变所致的轴突损伤的组织病理学结果有显著相关性[10-12]。研究表明，颈髓损伤DTI的异常可能与脊髓脱髓鞘病变以及轴突变性有关[13]。

1.2 白质纤维成像技术

白质纤维成像技术有：（1）确定性示踪成像：利用体素的第一特征向量轨迹来估算脑白质纤维的轨迹，对于重建出的纤维束很直观，但要依赖于人工操作。（2）概率跟踪算法：只需要计算出连接2个体素或区域的概率，能在一定程度上克服交叉纤维的问题，但是需要采集多梯度方向图像，处理时间较长。（3）基于白质骨架的空间统计分析法：平均化所有DTI参数计算得出白质构架，然后进行校准所有目标图像的FA，进一步处理得出纤维束成像。其能够提供全脑的信息且不依赖于人工操作，但是产生的图像不如上述的确定性纤维束成像直观。

2 颈髓损伤的概述

10%～14%的颈髓损伤由颈椎骨折脱位导致，多见于急性脊髓损伤，通常为强大的外力使颈椎骨折、脱位，造成颈髓挫裂伤或横断伤，脊髓功能部分或全部丧失，常为不可逆性损伤，临床后果较为严重。在X线、CT检查中能够发现颈椎的脱位或骨折等改变，但也有不少患者颈髓有损伤在放射学检查中未发现异常改变，即无骨折脱位型颈髓损伤（spinal cord injury without radiographic abnormality，SCIWORA），其常见原因为颈髓的一过性损伤和持续压迫性损伤[14]。脊髓慢性受压常为椎间盘突出、韧带增厚或钙化导致椎管狭窄所致，病变早期治疗后脊髓功能可完全恢复，挤压时间过久则不易恢复。

3 DTI在颈髓损伤中的应用研究

3.1 正常颈髓的DTI

扫描采用单次激发快速自旋回波平面序列（spin echo-echo planar imaging，SE-EPI），扩散敏感梯度场施加方向一般选择13～25。合适的b值对于DTI成像很关键，较大的b值具有较大的弥散权重，对水分子的弥散运动越敏感，引起信号明显下降，图像信噪比也相应下降；如果b值太小，就会产生所谓的T2透射效应（T2shine through effect）。目前，国内外的研究中对于b值的选择有多种，文献中报道的颈髓DTI成像选用b值大多数为400～1 000 s/mm2。对于脊髓内的损伤的检查中，各序列对于脊髓疾病的诊断敏感性、特异性从大到小分别为FA（73．3%、100%）、T2WI-FSE（46．7%、100%）、ADC（13．4%、80%）[15]。

DTI纤维束成像可清晰显示颈髓纤维束走行，图像无明显的扭曲。在ADC图像中，颈髓呈均匀连续的低信号，周围脑脊液呈高信号。白质纤维示踪显示纤维束呈头尾方向走行，走行连续，粗细均匀（如图1所示）。FA图像中，颈髓呈均匀的蓝色上下走行[16]。对于正常者的DTI参数，Barakat等人报道，7～21岁年龄组（平均年龄13．28岁）正常者的FA值在0．43～0．70 之间[17]。对于成年人的颈髓 DTI研究中，FA 值在 0．55～0．84 之间[18-20]。有研究认为，在颈髓的各个阶段之间的差异无统计学意义[21]，而有研究认为下颈髓FA值及ADC值水平要低于上颈髓，而且它们之间的差异有统计学意义[22]。文献报道的FA值的结果差异可能与样本之间的差异、采用不同的扫描参数以及依赖于人工操作的测量方法产生的差异有关。

图1 正常颈髓纤维束成像走行连续、形态规则

3.2 颈髓损伤DTI表现

3.2.1SCIWORA中T2WI未见明显异常信号的颈髓DTI表现

David等人报道，颈椎退行性改变或椎间盘病变所导致的颈髓受压，在T2WI上信号未见异常者，FA值为 0．6～0．74，ADC 值为 0．85×10-3～1．1 ×10-3mm2/s，与正常对照组相比较，有统计学意义，而未受压部位的脊髓FA值、ADC值与正常对照组相比没有统计学意义，并且有症状比无症状颈椎病患者的FA值更低，ADC值更高[23]。Kara等人报道，颈椎管狭窄处常规 MR 无异常信号颈髓 FA 值为 0．47±0．07，ADC值为（1．40±0．37）×10-3mm2/s，且与无狭窄处颈髓 FA值（0．65±0．04）、ADC 值（（1．01±0．19）×10-3mm2/s）相比有显著差异性[24]。白质纤维成像发现，在常规T2WI脊髓受压而无异常信号区域的颈髓白质纤维束表现为受压凹陷、扭曲、移位、局部纤细甚至断裂[15，25]。上述诸多学者的研究表明，DTI对于早期发现常规MR表现为正常的颈髓损伤有较高的敏感性，能够大大提高颈髓病变的检出率。

3.2.2 SCIWORA中T2WI上表现为高信号患者的DTI表现

常规MR T2WI序列扫描发现脊髓内异常高信号，常见于颈髓长期的慢性受压迫导致脊髓水肿、缺血，或进一步导致脊髓灰质细胞坏死从而发展为脊髓空腔，T2WI上由早期受压的等信号发展为高信号，最终达到不可逆性恢复的地步。有学者报道，颈椎退行性改变或椎间盘病变导致颈髓受压，在T2WI为高信号者，其 FA 值为 0．53～0．73，ADC 值为 0．88×10-3～1．41 ×10-3mm2/s[15]。与脊髓内未发现高信号者相比较，FA值、ADC值改变较为明显，白质纤维束成像显示纤维束受损程度有所加重。随着压迫程度的增加，FA值呈现下降趋势，ADC值呈升高趋势[25-26]。以上研究结果表明，FA值和ADC值的改变理论上可以反映出脊髓损伤以及临床表现的严重程度。然而，对于ADC值的变化，各学者存在不同的观点，李旭等人对于21名无骨折脱位型颈髓损伤患者（其中19人在常规MR T2WI为高信号）中FA值的变化与对照组相比，有统计学意义，而ADC的改变与对照组相比无统计学意义[20]，这一结果与Rajasekaran等人在动物实验中的结果相仿[27]。

3.2.3 颈椎骨折、脱位直接引起脊髓损伤

除了脊髓受压之外，较为严重的脊髓损伤包括脊髓挫伤、出血、部分或完全断裂。DTI显示损伤处颈髓的FA值、ADC值改变更加明显，白质纤维束走行更加紊乱，出现明显多处的断裂[28]。Rajasekaran等人报道，脊髓刺伤导致脊髓半切综合征，在常规T2WI上受伤侧脊髓局部为高信号，FA值为0．23±0．06，ADC 值为（2．12±1．88）×10-3mm2/s，其周边区域脊髓也存在不同程度的FA值、ADC值的改变，白质纤维束成像显示受伤处脊髓纤维束扭曲、中断、分离[29]（如图2所示）。Jirjis等人在对动物模型的研究中发现，偏离挫伤中心的远处脊髓在常规MR未发现明显异常，DTI发现脊髓FA值较正常者显著性减低，此结果表明DTI可以发现损伤处的情况以及周围存在隐匿性的损伤，因此，可以对整个脊髓损伤的整体程度作出更好的评估[30]。

3.3 颈髓损伤治疗的DTI研究

颈髓损伤的术前DTI可以提供更加精确的颈髓损伤的信息，为颈髓损伤患者的治疗提供正确的决策，不仅如此，DTI或许可以作为颈髓损伤患者治疗后评估的标准。理论上认为，DTI测量所得的ADC值和FA值能反映脊髓损伤和修复期轴突再髓鞘化的过程，因而DTI正初步应用于脊髓损伤动物模型和临床研究中[31-32]。另有研究报道，在颈髓受压的脊髓型颈椎病患者手术解压治疗后，T2WI显示颈髓内存在高信号者与无高信号者的恢复率之间无统计学差异，然而治疗后纤维束的比率与恢复率之间有显著相关性（P=0.000 6）[33]。由于颈髓外科解压术后金属固定器的置入，患者不适合做磁共振检查，Jones等人利用颈部残疾指数（neck disability index，NDI）评分来评估脊髓压迫解压术后的效果，发现术前较高基线的FA值与术后NDI改善相关，颈椎病影响较重的患者中，FA值较高比FA值较低的患者往往有更大的几率来实现术后功能的恢复，相同条件下随着FA值的增加，临床恢复的几率就越大，然而T2WI信号的变化与术后的恢复却无联系[34]。这说明DTI技术比常规MRI能够更加敏感地反映出脊髓内的变化，对于评估脊髓术后的恢复以及预后有重要的价值。

图2 颈髓损伤纤维束成像损伤处颈髓扭曲、断裂、分离

4 DTI在颈髓损伤中应用的不足与展望

DTI在颈髓损伤中应用的不足为：（1）由于颈椎管径较小，容易产生磁敏感伪影，导致图像容易产生畸变与扭曲；（2）患者检查过程中的呼吸运动、吞咽动作等均可使图像产生运动伪影；（3）DTI数据的测量完全依赖于人工操作。针对上述不足之处，检查时应当嘱患者在扫描过程中禁做吞咽动作，平静呼吸；在扫描技术上应尽量缩短回波时间，减小体素的尺寸以及采用相对小的扩散方向，从而缩短检查时间，减小运动伪影的发生率；对于数据的测量，采取多人多次测量求平均值的方法，以尽量缩小误差。

虽然DTI存在诸多不足之处，但是它仍然是唯一无创性反应活体内组织微观结构改变以及病理变化的一项技术。对DTI测量结果的量化分析，可为疾病的早期诊断及治疗的指导起到重要作用。目前，有研究显示在3T磁共振或更高场强的磁共振，利用扩散光谱成像（diffusion spectrμm imaging，DSI）技术能够显示DTI不能够显示的复杂交叉纤维束，并逐步应用于动物实验与临床研究[35-36]。Takahashi等人利用DSI技术成功描绘出动物脑白质纤维的生长发育形态学改变，清晰地显示出DTI不能够显示的交叉纤维束[36]。这种技术对于纤维束的观察更加细致、精确，更加有助于早期发现白质纤维的病变，但是其应用于活体人类颈髓尚需要进一步的研究。

5 结语

尽管目前DTI尚存在许多不足之处，但是其有广阔的发展前景，且其在颈髓损伤的诊断以及预后的评估中还处于研究阶段。随着研究的深入以及新技术的应用，将DTI技术与常规MR结合，可为颈髓损伤的早期诊断及临床治疗的指导、预后提供更大的帮助。

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