扩散加权成像在胎儿脑发育中的应用进展

刘海东　许相丰

神经放射学

扩散加权成像在胎儿脑发育中的应用进展

刘海东许相丰*

胎儿先天性发育异常是围生儿死亡和致残的重要原因，产前早期准确诊断是干预及治疗的关键。胎儿MR成像能够弥补超声检查的不足，是胎儿产前诊断的一种重要辅助手段。扩散加权成像不但能够评估胎儿的正常脑发育过程，而且对脑先天发育异常及胎儿宫内脑损伤的早期评估具有重要意义。现就扩散加权成像在胎儿脑发育中的应用进展予以综述。

胎儿；脑损伤；先天性异常；扩散加权成像；表观扩散系数

Int J Med Radiol，2016，39（4）：378-381

胎儿先天性发育异常在新生儿中的发生率为4%～6%，是围生儿死亡和致残的重要原因，早期准确的产前诊断是临床医师采取有效干预措施的关键。超声是产前诊断的首选方法，但也存在一定局限性。近年来，随着MR成像设备和快速成像序列的发展，胎儿MR成像的应用范围越来越广，弥补了胎儿超声检查的不足，成为胎儿产前诊断的一种重要辅助手段。扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）能够无创地评估活体组织内水分子扩散运动，可以从微观角度反映组织器官的解剖结构和功能信息，是胎儿MR成像的一种重要检查技术。现就DWI在胎儿脑发育中的应用进展进行综述。

1　DWI概述

扩散是指水分子不规则随机运动，即布朗运动，是DWI的物理基础。生物组织内水分子扩散与体外容器内水分子自由扩散不同，它受细胞膜和大分子物质限制，包括细胞外、细胞内、跨细胞膜运动以及微循环灌注［1］。由于人体不同组织间扩散强度不同，所以不同组织信号衰减程度也就不同，从而形成组织对比，产生扩散加权影像。水分子扩散慢时在DWI上为高信号；反之，为低信号。由水分子扩散所引起DWI信号强度的变化还可以用表观扩散系数 （apparent diffusion coefficient，ADC）来定量表示，即ADC值越大，水分子扩散运动越快；反之，水分子扩散运动越慢。目前，胎儿DWI检查主要应用于胎儿中枢神经系统。

由于胎儿在母体子宫内的位置不断改变，且无法应用各种门控技术，因此对胎儿DWI技术有以下几点要求：①应用快速成像序列，尽量缩短采集时间，减轻运动伪影；②b值应相对低（700 s/mm2），这对富质子的胎儿脑组织更合适；③DWI检查应用以胎儿为中心标准的几何正交平面采集影像数据，这样有利于识别正常与异常胎儿组织结构［2］。

2　DWI在胎儿脑发育中的应用

2.1胎儿正常脑发育的评估DWI能够反映胎儿脑发育程度。大脑半球在DWI上表现为3种层状分布的不同信号，由脑室周围至大脑表面依次代表两侧脑室周围的室管膜下区、皮质下脑白质区和大脑皮质区［3］。不同层间的脑组织结构不同，水分子扩散特性有差异，因此DWI上信号也各有特点，这是DWI显示胎儿大脑结构的基础［2］。最内层是含有神经元和神经胶质前体细胞的室管膜下区，该区域还含有大量的微血管，细胞密度大，细胞外间隙小，水分子扩散受限明显，DWI上呈高信号。中间层是皮质下脑白质区，此层较薄，体积较小，其内含大量神经纤维和轴突，但细胞密度小而细胞外间隙大，水分子扩散受限轻，DWI上表现为皮质下边界清楚、连续的低信号带。由于脑白质区含有较多的神经纤维束，因此可以通过扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）来描述水分子在三维空间扩散的方向和程度，反映脑组织各向异性和神经纤维走行特征。最外层是脑皮质区，由已迁移的神经元和各自轴突、树突及起支撑作用的胶质纤维构成，在DWI上表现为高信号。

DWI不仅可以通过信号强度的变化观察胎儿脑发育程度，还可以通过ADC值进行定量评估［4］。Han等［5］评估了40例胎龄大于24周正常胎儿的10个不同脑区ADC值，包括双侧额叶白质、枕叶白质、丘脑、基底节和小脑半球，相应脑区ADC值分别为（1.800±0.214）×10-3mm2/s、（1.700±0.133）×10-3mm2/s、（1.300±0.126）×10-3mm2/s、（1.400±0.100）×10-3mm2/s和（1.400±0.155）×10-3mm2/s；基底节、丘脑、小脑和枕叶白质的ADC值与胎龄呈明显负相关，ADC值在枕叶白质降低最快，其次为小脑和丘脑，基底节最慢；额叶白质ADC值在不同胎龄间无明显变化。Bui等［6］对24例正常胎儿（胎龄31～37周）的脑白质DWI研究显示，半卵圆中心、胼胝体和锥体束的ADC值分别为1.8×10-3mm2/s、1.2×10-3mm2/s、1.1× 10-3mm2/s，三者的FA值依次为1.1%、3.8%、4.7%；随着胎龄增加，锥体束和胼胝体的ADC值逐渐降低，而FA值逐渐升高。提示不同白质区髓鞘化程度不同，相同白质区的髓鞘化程度随着胎儿脑发育而提高，而ADC值能够反映胎儿脑成熟度信息。郑等［7］也有相似的研究结果。Hoffmann等［8］研究显示，相同胎龄阶段的胎儿不同脑区的ADC值不同，白质最高，脑桥最低；但在孕晚期，同一脑区ADC值相对稳定，随胎龄变化不明显，因此孕晚期脑ADC定量分析对胎儿脑发育的评估更重要。Cartry等［9］对正常胎儿的脑DWI研究认为，在孕晚期（胎龄＞32周），胎儿大脑的ADC值存在额-枕梯度差，是胎儿脑成熟的一个重要标志。但Cannie等［10］采用线性回归分析法对胎儿脑ADC值的研究显示，不同脑区平均ADC值、最大ADC值和最小ADC值与胎龄的相关性变化很大，因此ADC值对胎儿脑发育评估的稳定性和重复性还有待进一步证实。

2.2胎儿脑先天发育异常的评估DWI可以显示胎儿脑解剖结构和形态特征，有利于早期发现脑先天发育异常。DWI能够识别脑回的发育状态。Ozcan等［11］分析了41例正常胎儿脑中央前回DWI特征与胎龄关系，发现中央前回表现为中央沟前方的额叶高信号带，在ADC图为低信号带；中央前回最早可在胎龄25周时显示；在胎龄25～27周时，双侧显示率为60%，单侧显示率为40%；从28周开始，两侧中央前回都可显示（显示率100%）；在胎龄大于28周时，如果DWI不能显示中央前回，提示胎儿脑发育异常。Prayer等［12］认为DWI可以在胎儿大脑皮质褶皱发育异常或缺失出现前发现脑发育异常。在中期妊娠时，脑沟和脑回还没有发育，常规序列无法诊断无脑回畸形，但DWI可以发现一些异常征象：脑的正常分层状结构消失或紊乱，在皮质下白质区出现高信号结构等。DWI也可以发现胎儿脑发育过程中神经元移行异常。胎儿皮质区的神经元是从脑室下区经过白质区移行而来。在神经元正常移行过程中 （胚胎2～6个月），脑白质区内也可含有神经元，这些神经元与已经移行至皮质区的神经元都将发育成新生儿的大脑皮质，因此两者的结构和功能相同，在DWI上信号也相同［3］。当神经元移行受阻、停滞（如灰质异位）时，室管膜下区和白质区也可以出现与皮质区相似的异常信号，因此在神经元移行期，DWI诊断神经元移行异常不可靠。

2.3胎儿脑损伤的评估胎儿脑损伤的超声检出率为1%～2%，出生后超声随访及尸检发现率为3%～5%，与母体及胎儿本身因素所致的缺血缺氧性事件有关［2，13］。产前超声对胎儿脑损伤的评估有局限性，MRI是评估胎儿脑损伤的最佳影像方式，但MR常规序列仅对胎儿脑损伤的晚期评估敏感，对急性期脑损伤评估困难。DWI对胎儿急性脑损伤非常敏感，呈明显高信号，扩散明显受限，比T2WI能更早地发现脑损伤病灶。Weisz等［14］对30例双胎输血综合征的研究显示，DWI能够早期显示胎儿镜激光凝固手术所致的脑损伤。Righini等［15］也有相似的发现。但动物实验研究显示，脑损伤缺血再灌注阶段存在ADC值“假正常化”现象，即在急性持续缺氧缺血性损伤发生后数分钟内，脑组织ADC值降低；当缺血再灌注发生后，ADC值又可以恢复正常［16］。急性脑损伤早期ADC值减低与细胞毒性水肿有关，之后ADC值升高与细胞膜破坏、细胞外间隙增加和血管源性水肿有关［17］。有关双胎输血综合征的研究也说明胎儿脑ADC值正常并不能排除脑损伤［15］。胎儿急性脑损伤过程中也常伴发脑出血，尤其是缺血后再灌注阶段。Manganaro等［13］发现胎儿脑出血亚急性期在DWI呈高信号，但这种改变没有特征性，必须结合常规序列进行综合评估。DWI还能检出急性脑损伤后的脑室周围白质软化病灶，但与常规序列比较没有优势［13］。DWI对胎儿脑慢性缺血性损伤也有一定帮助。在胎儿脑积水时，脑室内压升高，脑血流量减少，无氧酵解增加，细胞内乳酸浓度增高，最终导致细胞毒性水肿，因此额叶和枕叶白质、基底节区水分子扩散受限，提示缺血性改变［18］。Berman等［19］在先天性心脏病胎儿的MRI研究中也发现了相似结果。

DWI不但能够发现胎儿急、慢性脑损伤，而且能够预测脑损伤所致的胎儿生后运动功能障碍。Drobyshevsky等［20］对孕晚期发生缺血缺氧性事件的胎兔进行了MRI实验，在不同时间点（子宫缺血后40 min，再灌注后20 min、4 h、24 h、72 h）对胎兔进行一系列MRI扫描，并与其出生后的运动功能进行对比研究，结果显示，子宫缺血后，高肌张力组与非高肌张力组的ADC值均低于基线水平，但前者程度更低，相当于基线水平的70.3%，而对照组ADC值高于基线水平；ADC值能够在一定程度上提示胎儿的预后。但是，由于不同胎龄阶段的胎儿脑组织ADC值是可变的，并且在急性缺氧缺血性脑损伤再灌注阶段ADC值有“假正常化”现象，因此DWI评估胎儿脑损伤的敏感性取决于病变的严重程度和检查的时间窗，多次MRI随访检查对于判断胎儿预后至关重要［20-21］。

3　胎儿MR成像的安全性

MRI自1980年应用于临床以来，至今尚未发现对人体（包括胎儿）损害的报道，也没有证据表明短期暴露于场强≤1.5 T的磁场中会影响胎儿生长发育［6］。尽管MR射频磁场产生的热效应可能是一种潜在的风险，但是胎猪实验研究显示，MRI检查不会升高羊水、胎儿腹部和脑的温度，也不会对胎儿产生损伤［22］。目前，应用于临床的MR成像系统都有限制受试者接受过多热量的功能，检查序列的特异性吸收率不会过高；同时胎儿成像过程中有羊水保护，因此MRI检查对母体和胎儿都是安全的。尽管如此，目前仍不主张对孕3个月以内的胎儿进行MRI检查，因为该阶段是胎儿细胞分化的关键期，生长发育易受外界因素干扰。

4　局限性

尽管DWI在胎儿中枢神经系统的产前评估中具有重要作用，但仍然存在一些局限性。首先，母体和胎儿运动产生的伪影是DWI检查最大的挑战，尽管采用快速成像序列能够减轻这种影响，但仍然不能完全消除。其次，DWI信噪比和空间分辨力低，对细微解剖结构的显示不佳；同时ADC值定量评估时也容易受部分容积效应影响。第三，胎儿DWI检查b值低，不能消除微血管灌注作用对影像的影响，因此不能准确反映水分子扩散状态。第四，胎儿DWI检查还要避免特异性吸收率过高，一般要控制在3W/kg以下［23］。

总之，DWI是胎儿MRI检查的一种具有重要应用潜力的成像技术，能够为胎儿中枢神经系统的产前评估提供重要信息。常规MRI序列结合DWI检查可以弥补超声检查的不足，可作为产前超声检查的一种有力补充和重要辅助手段。

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（收稿2015-09-22）

Research progresses of diffusion weighted imaging in fetal brain development

LIU Haidong，XU Xiangfeng. Department of Radiology，Tianjin Central Hospital of Gynecology and Obstetrics，Tianjin 300100，China

The fetal congenital abnormality is a crucial cause leading to perinatal death and disability.The key of intervention and treatment is the early and accurate prenatal diagnosis.Fetal MR imaging can remedy the deficiency of ultrasound，which is an important auxiliary prenatal diagnosis method.Diffusion weighted imaging（DWI）can not only evaluate the normal fetal brain development，but also can detect the congenital dysplasia and brain injury of fetus.In this article，we reviewed the current clinical applications of DWI in fetal brain，as well as its safety and limitations.

Fetus；Brain injuries；Congenital abnormalities；Diffusion-weighted imaging；Apparent diffusion coefficient

*审校者

10.19300/j.2016.Z3725

R714.51；R445.2

A

天津市中心妇产科医院放射科，天津300100

许相丰，E-mail：tjxxf813@163.com