弥散张量成像对中枢神经系统疾病脑白质各向异性的研究进展

刘 澍，赵 宁

弥散张量成像对中枢神经系统疾病脑白质各向异性的研究进展

刘 澍，赵 宁

磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是在弥散加权成像的基础上发展而来，是磁共振成像的一种特殊形式。磁共振弥散张量成像利用组织水分子扩散运动存在各向异性(fractional anisotropy，FA)相关参数，可以检查到神经系统病理脑白质改变的信号及变化，从而可以更好地协助临床判断疾病的严重程度及预后。目前已逐渐运用于神经科、康复科、老年科等多种科室。现就DTI对神经系统疾病多个疾病病变部位脑白质结构的研究来阐述DTI中FA值的运用现状及其发挥的作用。

中枢神经系统疾病；弥散张量成像；各向异性

弥散张量成像是由Basser等在1994年首次提出[1]，它是弥散加权成像的发展和深化，并且成为目前神经系统功能研究的一大热点。所谓弥散，是指分子随机不规则运动，是人体重要的生理功能，是体内物质转运方式之一，又称之为布朗运动，其过程是一个三维过程，根据分子空间某一方向弥散的距离相同或不同，可以将运动方式分为两种，如同纯水中水分子的弥散即为各向同性弥散，在人脑组织中，脑脊液及大脑灰质中水分子的弥散近似各向同性弥散。另一种弥散具有方向依赖性，在按一定方向排列的组织中，分子向各个方向弥散的距离不相等，则称为各向异性(anisotropic)弥散，通过布朗运动传递的信号来进行追踪，从在MR中测量的物理过程[2]。因此，磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)在此基础上发展，可以通过脑部水分子运动来显示大脑组织结构的不同条件下的动态变化，协助临床判断疾病严重程度及预后。 关于DTI的研究有很多影像学参数，其中包括各项同性的平均弥散率(mean diffusivity，MD)和各向异性程度的部分各向异性(fractional anisotropy，FA)、相对各向异性(relative anisotropic，RA)及表观扩散系数(apparent diffusion coefficient ，ADC)、纤维束追踪技术(fiber tractography，FT)[3-4]。虽然各个参数都可以在一定程度方面显示脑部组织结构，但国内外众多研究均将FA作为主要参数来反映脑白质纤维束成像的指标[5-7]。 FA是水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例，范围为0～1。在脑白质中，其值越接近1，表明纤维束细胞膜、髓鞘以及轴索完整性良好，如果接近于0，则表明纤维束被破坏或者发育不成熟，细胞膜、髓鞘以及轴索方向一致性不完整[8]。除了其测量值较准确外，不随坐标系统旋转方向的改变而改变，且 FA 值是组织的物理特性，在同一对象不同时间、不同成像设备及不同对象间获得的数值具有可比性。目前，已有运用DTI研究正常人脑白质发育变化，不仅发现婴幼儿时期FA值较低，随着年龄的增长，其值逐渐升高，反映了脑白质纤维组织逐渐发育完善[9-10]。而且发现除去各种因素差别，语言表达和动手操作能力等一些行为能力与相关脑白质FA值有较大联系，FA越高，能力越高[11-12]。这为运用DTI研究神经系统疾病受损程度及进展提供了预后判断的依据。

DTI中FA值目前在中枢神经系统疾病中诊断及疗效评价中，主要运用于脑瘫、阿尔茨海默病、癫痫、肌萎缩侧索硬化、脑卒中等方面的疾病，并取得了一定的研究成果，现综述如下。

1 脑 瘫

脑瘫为婴儿出生前到出生后1个月内，由于各种原因导致的非进行性脑损害综合征，其发病率高，由于患儿身体出于发育起始阶段，其语言、动作、视觉、听觉的表现都缺乏特异性，在早期很难与其他疾病鉴别。因此磁共振对于诊断脑瘫具有非常重要的意义，常规的MRI虽然对脑瘫病人有很高的特异性，但对于脑白质的异常改变在成像上仍有不足，而DTI可以很好地反映出脑白质改变程度。目前研究表明DTI发现脑瘫患儿纤维异常及FA变化范围要大于常规MRI扫描，不仅异常区域，正常区域也显示出异常，且FA对轻度隐蔽性损伤更为敏感[13-15]。如图1所示[13]。

常规MRI未见异常 左侧FA值降低 DT1图像

除此之外，还发现在进行物理、作业等康复治疗后，研究所选择的感兴趣区域FA值有不同程度的增高[15-16]，提示外界的刺激可促进大脑白质再生和修复。脑白质损害早期为细胞毒性水肿，影响水分子扩散，其有髓纤维束间间隙缩小，限制水分子沿神经纤维方向运动，从而各向异性减低，所以FA值降低表明白质损伤部位纤维可能被破坏，影响大脑信息的传递，导致各种功能缺失。婴幼儿大脑功能仍在不断地完善，其自我修复能力比较强大，因此运用DTI的FA值进行检测，可以早期诊断及早期干预和治疗，Chaturvedi等[17]就曾用DTI中FA值用来比较物理疗法联合或不联合肉毒素治疗脑瘫患儿的差别，发现两种方法都促进了FA值的改变，但两种方式差异不大，可以避免过度治疗。

2 阿尔茨海默病

阿尔茨海默(Alzheimer’s disease，AD)包括AD痴呆、前驱性AD和潜伏性AD[18-20]，其临床表现主要为记忆障碍、认知障碍(语言功能障碍、视空间功能受损、失认及失用、计算力障碍)、精神障碍(抑郁或焦虑等)。其特征性病理表现为老年斑、神经元纤维缠结、神经毡细丝和基底前脑胆碱能神经元丢失[21]。然而由于其临床表现复杂，通过症状及神经心理学检测的判断，往往错过最佳治疗时期，导致疾病预后较差，死亡率也高[22]。影像学上已经有很多文献证明AD病人脑灰白质和结构功能的改变[23-24]，但却在研究脑白质纤维是否对AD有关方面一直存在欠缺。现如今，国内外越来越多引用DTI研究AD，并且取得了一定成果。Mielke等[25]研究中表明利用DTI成像发现实验组中AD病人中脑白质出现异常，且感兴趣区大多数在双侧扣带束前、后部，胼胝体膝部、体部、压部，内囊前后部等，其FA水平比对照组降低[26-27]。AD在双侧扣带束前、后部、连合系(胼胝体膝部、体部及压部)、投射系(内囊前、后肢)的感兴趣区FA值较对照组均减低胼胝体压部FA值降低[28-29]，FA值降低意味着白质纤维破坏，进而破坏大脑特定区域，与AD的发生是有关联的，为提高AD诊断率提供更加可靠的理论依据。

3 癫 痫

关于癫痫最常见的病理是海马硬化，它既可能是癫痫反复发作的结果，也可能是导致癫痫反复发作的病因。研究发现通过DTI可以检测到癫痫病人海马区FA的异常，提示其值的降低。除此之外，还发现其他脑区域的改变。有文献表明在双侧丘脑、岛叶、枕叶、扣带回等部位有FA值改变[30-32]，Focke等[33-34]证实在脑干、小脑存在着FA值减少的区域。同时Liang[35]、Whelan[36]和Widjaja等[37]还发现在胼胝体膝部FA值的下降，这些区域的改变，可能是由于长期癫痫发作，引起神经元变性，髓鞘缺失和轴突膜退化导致的脑白质纤维束变性，导致各向异性降低[38]。在康复治疗上不能只局限在海马区，DTI可以提供其他区域的病变，扩大治疗范围，减少病人痛苦的时间和提高疗效。

4 肌萎缩侧索硬化(ALS)

肌萎缩侧索硬化是一个累积上、下运动神经元的神经系统进行性变性病。目前依靠肌电图、神经等相关检查可以查出下运动神经元(LMN)的损害，但由于上运动神经元(UMN)改变临床表现诊断误差较大，易给ALS的诊断造成一定的困扰。DTI可检测到MRI无法显示的微观病变，各种组织结构完整性，有助于ALS的早期UMN损害的辨识和完善诊断。徐艳炜等[39]和唐梅丽等[40]发现处在无UMN症状或早期拟诊后期确诊的病人中DTI报告显示，内囊后肢、大脑脚、延髓锥体处FA值降低，反映了这些区域限制水分子自由运动的屏障被破坏[39]。除了中枢运动传导系统外，Senda等[41-42]发现ALS病人脑部非运动区及锥体束以外的白质已有变化，有研究也显示病人中央后回皮质下白质和胼胝体的FA值均明显减低[43-44]，Liu等[45]发现ALS病人皮质脊髓束FA值显著降低，这说明DTI不仅可以帮助检测UMN病变，而且还可以检测到更广泛的标志损害，提示ALS不单纯损害运动系统，而是损伤范围更广泛的系统性疾病，给疾病的治疗提供了更为广阔的思路。

5 脑卒中

脑卒中发病后大脑存在自我修复能力，包括轴突生长、突触形成等神经重建，或者原有白质恢复。卒中后因白质重塑具体方式不明确，从而使得病情评估、预后疗效的判断产生一定局限性。DTI的使用提供了一个很好的方法去评估脑卒中病人的大脑状况。王凯等[47]曾收集过17例中重度急性脑卒中病人康复前后梗死灶FA值变化，发现发病1周梗死灶区平均FA值较健侧明显降低，其他文献也证实了这一点。康复治疗后病灶部位的FA升高，且在一定范围内，病灶区健患侧FA差值越大，治疗效果越明显，提示发病早期的FA值可在一定程度上预测其康复治疗疗效。关于脑卒中引起的运动功能障碍，与皮质脊髓束(CST)完整性有很大关系，FA可以很好地反应CST是否完整，是轴突完整性较敏感指标[48-49]。

有研究得出DTI显示CST较完整，则脑卒中病人肢体肌力恢复预后较好[49-52]，在测量FA值前，都会选择感兴趣区域(regions of interest，ROI)，以求提高对CST的FA取值准确性，最常见的有大脑脚、内囊后肢区和放射冠。Koyama等[53-55]发现大脑脚区域FA值对评估脑出血病人运动功能恢复情况的准确性更高。因此，可以根据FA值的改变来评价疾病的严重程度及康复治疗的效果。

随着科技的进步，各种各样运用于帮助病人康复的仪器诞生，其中重复经颅磁刺激(rTMS)可用于脑卒中，改善病人症状。通过Demirtas-Tatlidede等[56-58]研究体现了不同频率的rTMS，对于脑卒中病人促进其相应大脑区域(额叶、胼胝体等)FA值增高，且FA值的提高与运动改善有着正线性关系，恢复脑白质的完整性，改善病人功能障碍。

通过DTI的观察发现，中国传统治疗针灸在对脑梗死也能促进脑白质纤维束的形成。运用“醒脑开窍”刺法针刺上星、百会、印堂及双侧内关，患侧三阴交，并加以辅穴患肢极泉、尺泽和委中，每日1次，2周1个疗程，进行为期3个疗程的治疗后FA值得到改善。为针灸在康复治疗中提高了一个有力的证据。除此之外，陆建霞等[59]通过操作性肌电生物反馈疗法帮助脑卒中病人恢复运动功能，其DTI结果显示病灶周围的FA值上升。

6 结 语

因DTI非侵入性大脑内部结构的优点，除了以上介绍的几种运用DTI测定神经系统疾病FA值得改变外，在脑肿瘤、脊髓型颈椎病等其他方面有着广泛的应用和认可，通过FA值得改变，不仅可以得出常见病灶脑白质的改变情况，发现其他区域脑白质的改变情况，从而对疾病可进行更为精确的认识、诊断及对预后的评估，也可以成为对诊疗手段的有效性进行评估，为选择最佳治疗方法提供一个客观的数据，为病人病情恢复争取时间。常规的核磁检查只能客观表达解剖结构的改变，而DTI既保留了原有的解剖成像特点，又可同时获得生理学信息，且能更加精准的判断不同治疗方法的疗效，比如可以通过DTI的FA值检测多种物理因子联用治疗脑卒中运动功能受损病人，其效果是否比单一治疗有效，从而缩短治疗周期，帮助病人改善运动功能。虽然对于数据的采集和处理仍有不理想之处，但随着DTI在临床研究进入系统化和微观化，其运用的前景将更为广阔。

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(本文编辑王雅洁)

深圳市第六人民医院(广东深圳 518052)

赵宁，E-mail：298360561@qq.com

信息：刘澍，赵宁.弥散张量成像对中枢神经系统疾病脑白质各向异性的研究进展[J].中西医结合心脑血管病杂志，2017，15(15)：1850-1853.

R743 R255

A

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2016-03-17)