扩散张量成像在脊髓病变中的应用进展

曹　磊(综述)，刘向东，吴文娟(审校)

(河北医科大学第三医院放射科，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)



·综述·

扩散张量成像在脊髓病变中的应用进展

曹磊(综述)，刘向东，吴文娟*(审校)

(河北医科大学第三医院放射科，河北省骨科生物力学重点实验室，河北 石家庄 050051)

脊髓疾病；弥散磁共振成像；综述文献doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.06.035

扩散张量成像(diffusion weighted imaging,DTI)利用人体内水分子自由热运动的各向异性原理，反映组织微观结构，是目前唯一可在活体内显示白质纤维束的无创性成像方法。主要用于中枢神经系统的研究和临床诊断，探讨白质纤维束的走向，并对人体内水分子的扩散方向和速率进行量化，为临床和基础研究提供可靠的数据。现就DTI的成像原理及在脊髓病变中的研究进展阐述如下。

1　DTI基本原理

1.1扩散现象扩散是由于分子热运动产生的质量迁移现象，在人体中，水的比重大约占70%，水分子的扩散运动是人体重要的生理活动。水分子的扩散运动是磁共振的成像基础。扩散主要有2种形式：一种是水分子扩散不受任何影响，在各个方向上的扩散概率是相同的，称为各向同性；另一种是水分子扩散受多种因素的影响，在各个方向上的扩散概率是不同的，称为各向异性。在体内由于不同的组织结构和细胞膜的影响，大部分水分子扩散的方向和速率是不同的，这种差异正是DTI成像的基础，并被其所检测并转化成图像和各参数值[1]。

1.2DTIDTI是在扩散加权的基础上发展而来的一种新技术。扩散加权成像是利用扩散敏感梯度脉冲将水分子扩散效应扩大，以研究不同组织中水分子运动的差异。DWI成像只是在X、Y、Z轴3个方向上施加敏感梯度，不能完全、正确地评价不同组织在三维空间内的扩散情况，组织各向异性往往被低估，DTI则可以在三维空间内定量分析组织的扩散特性，为了描述水分子的空间扩散情况，引入了张量的概念，脑白质中的每一个体素的各向异性扩散过程都可以用张量D表示，用高斯分布表示6个方向标量，此时张量D是一个3×3矩阵。均质介质中水分子自由运动为各向同性，此时张量D可以描述为球形；在脑白质中由于髓鞘扩散被限制在与纤维走形一致的方向上，具有较高的各向异性，此时张量可以描述为椭球形。二阶张量具有对称性，Dxy=Dyx，Dxz=Dzx，Dyz=Dzy，因此只需要计算6个变量，也就是至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同样参数未施加敏感梯度的图像，从扩散加权像和非扩散加权像的信号强度衰减差异中得到6幅表观扩散系数图，得到一个六元一次方程组，然后利用图像求得每个体素的有效扩散张量D，理论上6个方向就可以，但是由于噪声的存在，方向数越多，数据越准确。

2　脊髓DTI技术

2.1扫描序列目前国内外学者进行脊髓DTI成像较常用、较成熟的技术是单次激发回波平面成像(single shot echo planar imaging,SS-EPI )和多次激发回波平面成像(multiple shot echo planar imaging,MS-EPI )。SS-EPI在一次射频(radio frequency，RF)激励脉冲后完成全部K空间的填充，重建出一幅完整的图像，成像速度快，绝大多数的宏观运动可以忽略不计[2]。优点是成像速度快、运动伪影不敏感,缺点是磁化率伪影大、图像易失真、信噪比差。MS-EPI是多次RF激励脉冲的回波信息完成K空间的填充，提高了图像信噪比，降低了磁化率伪影，但扫描时间延长，对运动伪影敏感。

2.2体脊髓DTI扫描方法①扫描层面的选择：目前常用的是矢状位和轴位，矢状位扫描范围较大，病变显示更直观，但是脑脊液易产生伪影，图像质量较差，扭曲、变形较严重，灰白质分界不清，测量不准确。轴位扫描范围较小，显示病变不够直观，但是不易受脑脊液干扰，图像质量较好，无明显扭曲、变形。②扩散梯度强度(b值)的选择：b值表示梯度场的时间、幅度、形状，DTI必须获得一个非扩散加权图像(b=0时)，b值越高，信噪比越差，得到的信息越少；但b值过低图像对比度差。颈髓的扩散过程较快，正常颈髓DTI过程中，要适当降低扩散梯度强度，才能获得信号比较适中的图像，一般取b值为0、800。③扩散敏感梯度方向数：至少为6个，脊髓扩散各向异性较明显，应选择较多扩散敏感梯度方向数以更好显示脊髓扩散情况，虽然梯度场方向和数量越大，信噪比越高，但导致扫描时间延长，易引起较大运动伪影。④层厚：层厚越厚，图像信噪比越高，容积效应越大，层厚越薄，图像信噪比越差。⑤激励次数(number of excitation,NEX)：NEX的平方根与图像信噪比成正比，随着NEX增加，图像信噪比增加，空间分辨率下降，扫描时间延长。⑥扫描前应进行手动匀场，并设置脂肪抑制，提高颈髓DTI图像质量。陈细香等[3]对颈髓DTI不同扫描参数的研究结果显示，b值为 700 mm2/s、扩散敏感梯度方向数为25个、NEX为4和层厚为4 mm是颈髓 DTI 较好的扫描参数。

2.3扩散张量纤维示踪技术(diffusion tensor tractography，DTT)通过计算机软件对DTI所得各向异性的方向及速度进行纤维束三维成像，是目前唯一可在活体内显示脊髓纤维束的无创性成像技术。一般纤维追踪方法分为线性延伸法和能量最小法，线性延伸法是目前应用较广泛的纤维追踪方法。DTT图像中,水分子的扩散方向用颜色代表，一般左右扩散用红色表示，前后方向用绿色表示，头尾方向用蓝色表示[4]，脊髓纤维束表现为头尾方向均匀蓝色一束。

目前脊髓DTI应用于临床还存在许多挑战。①磁化率的影响：脊髓周围组织如脑脊液、椎体及附件、气管等结构由于磁化率差异造成外加磁场的不均匀，导致成像时严重的图像失真。②运动伪影：DTI对运动特别敏感，如颈动脉、主动脉波动，呼吸运动和脑脊液流动，可能会导致重影。③脊髓体积小：脊髓中心为灰质，外周是白质和脑脊液，颈髓平均横断面直径约12 mm，所以要求高分辨率以减少体积效应。

3　DTI在脊髓损伤中的应用

3.1DTI用于脊髓的定量指标最常用的指标包括表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)、各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、平均扩散率(mean diffusion,MD)、相对各向异性(relative anisotropy,RA)等。ADC反映水分子在组织内的扩散强度，扩散强度越高，ADC越高；FA反映水分子在组织内的扩散方向，在0～1之间波动，在神经元完整的情况下，FA越接近1，当轴突细胞膜受损，在这一水平扩散就变成不受限制或各向同性，FA就降低；扩散张量的3个本征值λ1、λ2、λ3，λ1代表体素中平行于纤维方向的扩散系数即(λ∥)，λ2、λ3分别代表横向扩散系数即(λ⊥=λ2+λ3/2)[5]，MD是本征值的平均数，描述的整体的扩散距离。

3.2颈椎病颈椎病是中老年人的常见病、多发病。表现为颈椎间盘退变本身及其继发性的一系列病理改变，如椎节失稳、髓核突出或脱出、骨赘形成、韧带肥厚和继发性椎管狭窄等，刺激和压迫脊髓、椎动脉等组织，造成脊髓供血障碍，导致胶质增生、细胞水肿、脱髓鞘、脊髓软化等病理改变，影响脊髓内水分子的运动，致使脊髓内水分子扩散的各向异性发生变化，从而引起DTI信号的改变。Song等[6]对53例颈椎病患者行常规MR和DTI检查，常规MRI(T2WI)发现24例脊髓内有异常信号，而DTI图像上发现39例脊髓内有异常信号，并且脊髓受压的部位FA值减低，ADC升高，与正常志愿者比较差异有统计学意义。大部分学者认为脊髓慢性损伤时，FA值减低，ADC值升高[7-8]。Hori等[9]报道有临床症状但T2WI上无信号异常的颈椎病患者，其FA、ADC值也有变化，提示DTI较常规T2WI更敏感。Xiangshui等[10]对脊髓型颈椎病患者进行了研究,认为在评价慢性脊髓损伤方面DTI较常规MRI敏感，ADC值和FA值是定量评估脊髓神经细胞破坏的敏感指标，本征值λ可以反映脊髓组织不同方向水分子扩散能力的变化，DTI能直观无创性地显示神经纤维束的走形及受压程度。Budzik等[11]进行脊髓型颈椎病的DTI研究发现，FA值与患者神经功能日本矫形外科协会(Japanese Orthopaedic Association,JOA)评分明显相关，然而T2WI脊髓内高信号与DTI参数和JOA评分不相关。Chang 等[12]对10例慢性脊髓损伤患者与10例健康人进行DTI检查,测量每个节段的DTI参数(FA、ADC)，进行脊髓纤维束追踪,并用国际标准ISCSCI(International Standards for the Neurological Classification of Spinal Cord Injury) 对所有患者的临床运动与感觉损害进行评估,结果发现实验组中常规MRI表现与临床症状和DTI值不相关,FA值与运动功能相关，认为DTI对脊髓损伤的评价更详细和准确，有巨大的潜力。

3.3颈椎外伤急性颈椎创伤常伴发脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)，是一种高致残性疾病，常常引起患者感觉、运动功能障碍。脊髓损伤后的病理过程非常复杂，脊髓水肿、坏死、出血，轴突损伤，髓鞘脱失及胶质细胞增生修复等病理改变都会引起水分子扩散各向异性的变化，DTI对脊髓内水分子扩散速率和方向进行量化，能够敏感地探测水分子扩散各向异性的变化，从而能够显示活体脊髓内细微结构的改变。王霄英等[13-14]制作胸12脊髓左半横断损伤模型，用DTI观察脊髓损伤后的形态和功能改变，发现脊髓急性损伤后ADC升高，FA值降低；随后又用DTI技术观察神经前体细胞移植对犬急性脊髓损伤的影响，发现移植后FA有所升高，ADC值有所下降；还通过植入可降解支架和神经干细胞对脊髓损伤进行修复，发现修复组脊髓左右侧FA、ADC值差异无统计学意义，得出结论DTI在观察实验性脊髓损伤和修复过程中有重要价值。杨蔚等[15]研究了DTI在急性颈髓损伤中的应用价值，发现常规MRI阴性但临床症状较重的患者，FA、ADC值均有明显改变，认为FA、ADC值与神经功能改变有相关性，评价颈髓损伤较常规MRI更准确更敏感。Cheran等[16]对急性颈髓损伤患者进行DTI检查，分析病例组DTI各参数的变化级与神经功能评分的相关性，结果提示DTI参数值能很好地反映脊髓损伤的程度，并且非出血性脊髓损伤中DTI参数与神经功能评分有很好的相关性。Kim等[17]对小鼠急性脊髓损伤后3 h进行DTI研究，认为脊髓轴向扩散系数可以准确预测运动功能恢复情况。一般认为横向的扩散反映髓鞘的状态，纵向的扩散反映轴突完整性。Herrera等[18]研究了脊髓损伤与组织学之间的相关性，通过对锯齿类动物脊髓损伤后4、8周组织学进行定量分析，采用特定的抗体对髓鞘和轴索进行处理，计算表达面积百分比，并对组织学与λ⊥、λ∥进行相关性研究，得出在大部分区域λ⊥与脱髓鞘呈负相关、λ∥与轴索不相关的结论。Kozlowski等[19]探讨了组织学与定量MRI分析的相关性,选取有代表性的免疫标记物对轴索和鞘磷脂进行标记,并测量FA、ADC、本征值λ等指标,研究发现定量MRI分析能准确反映白质损伤改变。

4　总结与展望

随着越来越多的脊髓DTI研究不断深入，在检测脊髓损伤方面DTI较常规MRI敏感基本已经得到了广泛的认可，但是对于脊髓损伤后DTI参数值如何变化、不同损伤类型DTI参数的变化及其与神经症状的相关性还存在不同观点，随着高场磁共振的开发，扫描技术及后处理技术的成熟，DTI图像及纤维示踪图像质量的提高，DTI在评价脊髓损伤、帮助设计治疗计划和判断预后方面将会发挥越来越大的作用。

[1]Fujiyoshi K,Konomi T,Yamada M,et al.Diffusion tensor imaging and tractography of the spinal cord:From experimental studies to clinical application[J]. Exp Neurol,2013,242:74-82.

[2]Nana R,Zhao T,Hu X.Single-shot multiecho parallel echo-planar imaging(EPI) for diffusion tensor imaging(DTI) with improved signal-to-noise ratio(SNR) and reduced distortion[J]. Magn Reson Med，2008,60(6):1512-1527.

[3]陈细香,李茂进,魏文洲,等.颈髓扩散张量磁共振成像扫描参数的比较[J].临床放射学杂志,2008,27(7):944-947.

[4]Bosma R,Stroman PW.Diffusion tensor imaging in the human spinal cord:development,limitations,and clinical applications[J]. Crit Rev Biomed Eng,2012,40(1):1-20.

[5]Lerner A,Mogensen MA,Kim PE，et al.Clinical applications of diffusion tensor imaging[J]. World Neurosurg,2014,82(1/2):96-109.

[6]Song T,Chen WJ,Yang B,et al.Diffusion tensor imaging in the cervical spinal cord[J]. Eur Spine J,2011,20(3):422-428.

[7]Koskinen E,Brander A,Hakulinen U,et al.Assessing the state of chronic spinal cord injury using diffusion tensor imaging[J]. J Neurotrauma,2013,30(18):1587-1595.

[8]Rajasekaran S,Yerramshetty JS,Chittode VS,et al.The assessment of neuronal status in normal and cervical spondylotic myelopathy using diffusion tensor imaging[J]. Spine(Phila Pa 1976),2014,39(15):1183-1189.

[9]Hori M,Okubo T,Aoki S,et al.Line scan diffusion tensor MRI at low magnetic field strength:feasibility study of cervical spondylotic myelopathy in an early clinical stage[J]. J Magn Reson Imaging,2006,23(2):183-188.

[10]Xiangshui M,Xiangjun C,Xiaoming Z,et al.3T magnetic resonance diffusion tensor imaging and fibre tracking in cervical myelopathy[J]. Clin Radiol,2010,65(6):465-473.

[11]Budzik JF,Balbi V,Le Thuc V，et al.Diffusion tensor imaging and fibre tracking in cervical spondylotic myelopathy[J]. Eur Radiol,2011,21(2):426-433.

[12]Chang Y,Jung TD,Yoo DS,et al.Diffusion tensor imaging and fiber tractography of patients with cervical spinal cord injury[J]. J Neurotrauma,2010,27(11):2033-2040.

[13]王霄英,谭可,倪石磊,等.用 MR 扩散张量成像评价犬急性脊髓损伤后神经前体细胞移植的作用[J].中华放射学杂志,2006,40(1):17-21.

[14]王霄英,倪石磊,谭可,等.用磁共振扩散张量成像研究犬急性脊髓损伤后可降解支架及神经干细胞移植的作用[J].中国医学影像技术,2005,21(12):1869-1872.

[15]杨蔚,金国宏,李德刚,等.急性颈髓损伤的扩散张量成像表现与神经功能改变的相关性[J].中国医学影像技术,2010,26(12):2263-2266.

[16]Cheran S,Shanmuganathan K,Zhuo J,et al.Correlation of MR diffusion tensor imaging parameters with ASIA motor scores in hemorrhagic and nonhemorrhagic acute spinal cord injury[J]. J Neurotrauma,2011,28(9):1881-1892.

[17]Kim JH,Loy DN,Wang Q,et al.Diffusion tensor imaging at 3 hours after traumatic spinal cord injury predicts long-term locomotor recovery[J]. J Neurotrauma,2010,27(3):587-598.

[18]Herrera JJ,Chacko T,Narayana PA.Histological correlation of diffusion tensor imaging metrics in experimental spinal cord injury[J]. J Neurosci Res,2008,86(2):443-447.

[19]Kozlowski P,Raj D,Liu J,et al.Characterizing white matter damage in rat spinal cord with quantitative MRI and histology[J]. J Neurotrauma,2008,25(6):653-676.

(本文编辑：赵丽洁)

2015-03-17；

2015-04-13

河北省科学技术研究与发展计划(13277773D)

曹磊(1988-)，男，河北景县人，河北医科大学第三医院医师，医学硕士，从事医学影像与核医学诊断研究。

。E-mail：wenjwu@163.com

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1007-3205(2016)06-0737-04