磁共振扩散成像及磁敏感加权成像在脊髓损伤中的应用

赵细辉陈昆涛*

磁共振扩散成像及磁敏感加权成像在脊髓损伤中的应用

赵细辉1陈昆涛2*

目前，脊髓MR成像常规检查是诊断脊髓损伤的最佳手段，能清楚地显示受损伤脊髓形态及信号改变，以此明确疾病，但是当MRI常规检查出现信号改变时往往提示脊髓损伤严重，并非病变的早期，使得病人错过最佳治疗时期。而MR扩散加权成像（DWI）和磁敏感加权成像(SWI)对脊髓损伤的早期诊断、治疗和预后均具有重要价值。对DWI及SWI在急慢性脊髓损伤中的应用情况及研究进展进行综述。

磁共振成像；扩散加权成像；扩散张量成像；磁敏感加权成像；纤维束示踪成像；脊髓损伤

Int J Med Radiol，2015，38（5）：423-426

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是由于各种原因导致的脊髓结构、功能的损害。损伤平面以下运动、感觉功能部分或完全丧失，是一种较常见的致残致死率较高的疾病，伤情严重复杂，多发伤、复合伤较多，并发症多，预后较差，甚至造成终生残废或危及生命。我国创伤性脊髓损伤的发病率呈现出逐年上升的趋势。美国脊髓损伤病人平均每人一年需花费70 575美元用于治疗及康复[1]。脊髓损伤造成不同程度系统、功能紊乱及四肢瘫或截瘫，继发各种并发症，严重影响病人生活质量及生命安全，尽早诊断及积极有效治疗对预后具有重要意义[2]。文献报道显示对颈髓损伤6 h以内的病人及时治疗能取得很好的效果，可改善病人生活质量，极大地提高其预后[3]。

MRI是脊髓损伤首选的检查方法，常规MRI虽能够直观地显示受压脊髓的形态改变，但其常常低估脊髓病变程度，不能反映脊髓白质纤维束状态，其与脊髓临床功能状态相关性差，MR扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）能反映脊髓损伤病理改变及水分子的扩散情况，能发现常规MRI不能显示的病灶[4]。脊髓损伤后是否伴有微出血灶对评估病情及判断预后有重要意义，MR血管成像能显示较大的血管，但对小静脉及微出血灶却无能为力。磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）是显示组织病变出血的最敏感的脉冲序列之一[5]。SWI较传统的T2*WI显示微出血灶的部位、数目、大小更佳，对于显示脊髓损伤的程度及制定治疗方案有重要作用，应作为一种检测微出血的常规序列[6]。

1 MR成像技术简介

1.1 DWI 水分子在人体组织中做布朗运动，DWI反映水分子扩散的特性，获得水分子的分布情况，反映部分组织的空间结构信息，为研究组织的微结构提供有力的帮助。扩散的自由度用扩散系数表示，活体组织内水分子受各种生物膜的限制，其自由度相对小于自由的水分子扩散程度，故用表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）作为衡量人体组织中每个测量体素水分子扩散强度的指标。ADC值越大，水分子扩散越自由，组织信号衰减越明显；ADC值越小，扩散越受限，扩散距离越小。DWI通过测量施加扩散敏感梯度场前后组织发生的信号强度变化，来检测组织中水分子扩散状态（自由度及方向），可间接反映组织微观结构特点及其变化。b值是反映MRI各成像序列对扩散运动表现的敏感程度的参数，b值越大，越敏感。通常应用的 b值在 0～1 000 s/mm2之间，扩散张量成像（magnetic tensor imaging，DTI）在大脑的应用中，b值通常选择0和1 000 s/mm2。由于脊髓白质的有序排列，扩散速度要快于大脑，选择低的b值可以提高信噪比，通常选择0和500 s/mm2[7]。

1.2 DTIDTI是在DWI技术基础上发展起来的一项新型MRI技术，能在活体中反映细微的病理生理结构的信息。平均扩散率（mean diffusivity，MD）表示扩散张量的各向同性，即水分子运动不受限制时，其向各个方向运动的概率相等。各向异性分数（fractional anisotropy，FA）代表测量体素中的扩散异性成分，垂直于纤维方向的扩散能力比平行于纤维方向的高，对体素内具有方向性的纤维的数量敏感，FA值介于0～1之间，代表各向异性。通过水分子在脊髓中的扩散，能显示脊髓纤维束的走行方向，反映脊髓损伤的严重程度。脊髓的体积较小，且损伤时扩散参数的变化有时只在少数体素内，需要高的影像分辨力和低的信噪比来避免部分容积效应，传统的研究常采用大量的信号平均来提高信噪比，但增加了成像时间。Haldar等[8]报道一种提高扩散影像质量及信噪比的数据重建方法，使用惩罚最大似然（penalized maximum likelihood，PML）影像重建方法，使影像边缘也保持高的信噪比。该方法模拟健康老鼠脑的DTI、健康人不同b值脑DTI及健康人类的大脑扩散频谱成像，均取得了很好的成像效果。Kim等[9]证实Haldar等提高信噪比的方法比传统多平均数据重建法可产生更好的扩散系数和各向异性波动，且不需要采用多组信号数据，节约了成像时间。Tu等[10]对脊髓动物模型研究的结果表明，在同样的采集时间下，平均分阶段多自旋回波成像比传统的自旋回波成像增加84%信噪比，因此建议脊髓损伤采用分阶段多自旋回波成像来提高信噪比。

1.3 纤维束示踪成像 （diffusion tensor tractgraphy，DTT） DTT通过三维重组直观地显示脊髓的纤维束形态、走行及连续性，较直接地反映了白质纤维束的损伤情况，是DTI成像技术的补充[11]。DTT可以清楚地显示脊髓损伤部位纤维束的断裂情况，比DTI能更直观地描述病变的形态，区分病变与完好的纤维束[12]。

1.4 SWISWI是一种利用磁场中物质的不均匀性而引起的磁敏感性差异相位的T2*技术，以三维、高分辨力、完全流速补偿及高信噪比的T2*脉冲序列技术为基础，利用局部组织顺磁性及抗磁性的特征，产生磁化率的差异，获得SWI的相位图，通过相位蒙片及幅度图加权等后处理获得磁敏感影像。SWI对组织内顺磁性物质、血液产物以及小静脉的显示较敏感，因此在检测隐匿性的血管疾病（如海绵状血管瘤、静脉血管瘤、毛细血管扩张等）及微出血较T2WI能提供更有效的信息，显示出更多的病灶[13]。

2 MRI技术在脊髓损伤中的应用

2.1 DWIDWI及DTI已经被广泛应用于脑的多种疾病（脑外伤、脑肿瘤、高血压脑病及多发性硬化等）的诊断，特别是近年来逐渐被应用于脊髓损伤的分析诊断。由于DWI能反映水分子受轴突膜限制和阻碍情况，它能作为由外伤、退行性变或其他原因引起的白质纤维束损伤潜在的标志物。但Pouw等[14]的研究发现，急性脊髓损伤后24 h以内，T2WI与DWI（b≤1 000 s/mm2）对检测病变的有效程度没有显著差异。而Rangwala等[15]采用扩散时间从76～1 000 ms，b值达14 750 s/mm2，采用合适的参数对60例志愿者进行DWI扫描，发现扩散时间为1000ms时，b值在大范围内取不同值，均能获得有价值的信号，这些信号差异可能反映轴突的密度、直径或走行，表明采用高b值的DWI是检测脊髓病变的有效手段。随着MR技术的进展，DWI技术不断开拓新领域。Zhang等[16]对20例急性脊髓损伤后72 h内的病人行多重DWI检查，对水肿型、出血型、混合型以及压缩型（被硬膜外血肿挤压）均有诊断价值，DWI有助于发现和评估脊髓损伤的早期阶段，尤其是区分细胞毒性水肿和血管源性水肿。

2.2 DTI及DTT 脊髓损伤后，组织内阻止水分子扩散的屏障发生改变，DTI能快速地检测水分子扩散运动情况，为临床研究者提供了一种很好地检测脊髓损伤后脊髓组织学变化的工具。Zhang等[17]对大鼠脊髓损伤模型及健康大鼠进行DWI对比发现，模型组FA值低于对照组，而ADC值则相反，FA值与ADC值呈显著负相关性；纤维成像技术能清楚地显示纤维束的完整性。Kim等[18]记录脊髓损伤病人损伤区域皮质脊髓束的走行及纤维结构完整性，研究发现，病人运动功能的恢复情况是由皮质脊髓束的损伤程度及恢复情况所决定的。Koskinen等[4]报道远离原发损伤部位的白质纤维束极有可能继发变性。损伤部为脊髓的FA值越低，病人的运动和感觉功能越差。Jirjis等[19]也证实了这一观点，采用大鼠脊髓损伤模型进行研究，对远离脊髓损伤区域的未损伤脊髓进行DTI检查发现，脊髓除原发性损伤外，在远离损伤部位的脊髓组织也能检测到水分子扩散情况的改变，表明脊髓继发性损伤可能发生在整段脊髓，DTI能发现损伤部位以外的隐匿性损伤。Mulcahey等[20]研究发现颈髓损伤的病人ADC值与脊髓损伤神经学分类国际标准（international standards forneurologicalclassification ofSCI，ISNCSCI）值呈负相关性，而FA值则与ISNCSCI值呈正相关性，另有研究者[21]发现低FA值与美国脊髓损伤协会（ASIA）的运动评分、脊髓独立测量量表Ⅲ(SCIMⅢ)相关联，高FA值与感觉诱发电位、运动诱发电位相关，FA值降低与脑脊液的流动、神经功能的测试和诱发电位相关。这表明FA值对于判断脊髓损伤的慢性期病变范围及临床分期有重要作用。Ohn等[22]对8例高压电造成脊髓损伤的病人以及8名年龄、性别相匹配健康人作为对照，选取288个兴趣区进行DTI的研究，发现与对照组比较，所有高压电脊髓损伤病人的兴趣区FA值降低，MD值升高，其差别具有统计学意义。DTI能反映高压电脊髓损伤部位的扩散情况，与脊髓损伤病理生理学相一致。Robert等[23]观察脊髓DTI与具体的临床功能(如手指的振动觉阈值、25英尺距离步行实验及扩展残疾状态评分等)之间的关系，发现除手指震动阈值FA值及MD值与皮质脊髓侧束相关性差之外（MD，P=0.29；FA，P=0.14），其余临床功能与脊髓后柱及皮质脊髓侧束均有较好的相关性（均P＜0.0001）。这一结果表明FA值与MD值与临床的预后有高度的一致性，能反映临床功能的水平。

2.3 SWI 临床上SWI最早应用于脑的研究。微出血是脊髓损伤常见的病理表现，SWI能检测出脑损伤的出血部位、出血灶的数目和大小。SWI能根据病人的出血情况预测病人的临床过程和结果，是一种很有前途的检查方法。将来它可以应用于不同类型的机械力和各种分析颅脑外伤的类型和程度的损伤[24]。Liu等[25]收集23例脑损伤病人的磁敏感加权影像分析发现，SWI对检测直径10 mm微出血的能力比检测深静脉高，其特异度为92%～97%，敏感度为84%～92%。SWI对脊髓损伤的研究尚处于探索阶段。Wang等[26]对16例有急性颈椎外伤病史的病人行常规MRI及高分辨SWI检查，常规MRI仅检出其中的4例有脊髓出血，另2例显示为脊髓挫伤，而SWI和T2*WI显示6例有脊髓出血，表明常规MRI的T1WI和T2WI在显示脊髓水肿和挫伤方面很有优势，但在检出脊髓出血方面不够敏感。SWI在检测脊髓出血方面更敏感，可用于颈髓损伤病人的常规检查。孔等[27]对21例脊髓急性外伤出血的病人行MRI检查，研究中21例脊髓挫裂伤常规快速自旋回波-T2WI均显示水肿征象，其中6例脊髓挫裂伤在常规MR序列上均未见出血征象；7例脊髓挫裂伤仅在SWI显示低信号出血征象；8例脊髓挫裂伤在SWI显示明显的局灶性低信号出血征象。表明SWI对脊髓外伤微出血的显示明显优于常规MRI，对评估病情、判断预后均有重要意义。

3 局限性及展望

由于脊髓体积小，形态不规则，所处解剖位置较深，呼吸也会产生伪影，并且DTI成像序列对磁场不均匀性的敏感性高，使影像易变形及缺失，而DTT的影像质量也有待提高。SWI有时也会产生骨结构、骨折片有关的磁敏感伪影，干扰脊髓出血的显示，噪声及呼吸伪影均较大。

随着MR成像设备硬件及软件的不断更新和开发，利用扩散光谱成像（diffusion spectrum imaging，DSI）能描绘出动物的白质纤维束的形态改变，还能显示出DTI不能显示的复杂交叉的神经纤维束[28-29]。基于 DTI基础上延伸的扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）技术也逐步应用于脊髓损伤，DKI较DTI技术更适合掌握组织微观结构的变化[30]。虽然目前DTI联合SWI检测脊髓损伤的研究较少，但已经显示出巨大的潜力。常规MRI结合DTI及SWI可以在急性期检查出脊髓的出血与水肿，还可以在脊髓亚急性期评估脊髓永久性损伤的程度。DTI及SWI将成为常规MRI的重要补充，为脊髓损伤早期诊断、病变程度及预后判断提供影像诊断依据。

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（收稿2015-04-20）

Applications of magnetic resonance diffusion imaging and magnetic susceptibility weighted imaging in spinal cord injury

ZHAO Xihui1,CHEN Kuntao2.1 Zunyi Medical College,Zhuhai 519100,China;2
Department of Radiology, Fifth Affiliated(Zhuhai)Hospital of Zunyi Medical College

Nowadays,traditional MRI is the best tool for the diagnosis of spinal cord injury,which can clearly identify the spinal cord injury by detecting the morphological and signal changes.However,when traditional MRI detects the signal change,indicative of a serious myelo injury,it is too late for treatment.Magnetic diffusion imaging and magnetic susceptibility weighted imaging(SWI)have values for the early diagnosis,treatment and prognosis of spinal cord injury.In this paper,we reviewed the applications of DTI and SWI in the acute or chronic spinal cord injury and the research progress.

Magnetic resonance imaging;Diffusion weighted imaging;Diffusion tensor imaging;Susceptibility weighted imaging;Diffusion tensor tractgraphy;Spinal cord injury

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.05.Z0502

1遵义医学院，珠海 519100；2遵义医学院第五附属珠海医院影像科

陈昆涛，E-mail:zy5yyx@126.com

*审校者

贵州省科学技术基金（黔科合J字LKZ[2010]52号）