MRI弥散张量成像技术在脊髓损伤中的应用现状

张振显 王生海 宋延峰 李帅 杨彦玲

脊髓作为中枢神经系统的重要组成部分，损伤后对肢体的运动和感觉产生十分重要影响，因此，脊髓损伤（spinal cord injuries，SCI）后系列改变现已成为神经生物学研究的主要课题之一。近年来随着影像技术的快速发展，在脊髓的解剖形态和功能诸多影像无创研究方法中，磁共振（MRI）脊髓成像成为目前最为先进、应用最广泛的方法。磁共振成像可以对脊髓微观结构进行检测，是唯一的能对人体脊髓的结构和功能提供有效信息的检查方法[1-3]，在临床诊断脊髓损伤及预后评估具有不可替代的价值。目前，磁共振除可进行常规脊髓形态成像外，研究性技术也层出不穷，主要有成像技术有扩散张量成像（DTI），磁化传递（MT），髓鞘水分数（MWF），磁共振波谱（MRS）和功能性磁共振成像（fMRI），尤其MRI扩散加权成像（DWI）及弥散张量成像（DTI）为近年来最成熟的技术，为极具发展潜力的研究热点。文章将对磁共振弥散张量成像技术对脊髓损伤的基础研究与临床应用现状进行概述。

1 DTI技术的发展历程及基本原理

20世纪80年代中期，磁共振成像（MRI）的出现改变了脊髓成像领域，为临床医生提供了实时的高分辨率解剖图像，成为脊髓疾病检查的首选，然而，随着传统的MRI技术（自旋回波、梯度回波和反转恢复序列）应用广泛及成熟，在30余年的使用中，学者们逐渐发现传统的MRI对脊髓损伤的早期损伤及脊髓的细微病理生理结构、脊髓内部白质纤维束的联系变化，却不能准确及时的得以反映。由此，Basser等[4]1994年首次提出了磁共振弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI），是基于扩散成像（diffusion weighted imaging，DWI）的进一步拓展的一项功能成像检查方法。它除了能测量水分子的弥散速度，还能探测水分子弥散的方向性，即各向异性的特性，推测组织内部微结构状态及白质纤维束轴突方向的解剖走行及其细微变化。其首先应用于脑白质成像，从而实现观察脑白质纤维束的完整性和方向性，随后又应用到脊髓，而成为全新的研究领域。

DTI基本原理是利用多个不同方向的扩散敏感梯度和量级（b值）扩散加权对水分子的扩散方向性进行量化，将获得的数据经计算机后处理后衍生出量化指标参数，包括平均弥散系数（ADC）、部分各向异性（FA）、相对各向异性（RA）、容积比（VR），应用FA、RA、VR值和FA、AR、VR图可以对每个体素水分子的弥散运动进行量化，DTI 的参数ADC值、FA值代表水分子在扩散主项两轴上的运动强度，是用来描述扩散各向异性的重要指标之。ADC值和FA值可量化反应脊髓损伤程度和恢复情况，能够定量对脊髓损伤进行分期。通过动态变化趋势观察，ADC值和FA值能够作为脊髓损伤分期的一个指标。另外一些临床研究[5-7]证实，ADC值和FA值也可以作为一项神经保护治疗效果评价的参数，其中FA 值的敏感性更高，尤其是对急性压迫性损伤临床预后的评估。严重SCI和中度SCI后，各时间点FA值均显著降低，损伤震中FA值与未发生损伤的白质、灰质体积及病灶体积均显著相关。严格地说，亚急性（24小时）和随后所有时间点的FA值的量化对终点行为具有高度的预测作用，这反映在与每周BBB评分和终点步态参数的显著相关性上。对于脊髓慢性损伤，ADC值升高和FA值降低的幅度与病变的严重程度具有相关性。因此，一般认为，脊髓压迫早期FA值显著降低者临床效果较差，而早期FA值正常者，则行减压手术后临床效果良好。但是应当指出，DTI在提高对脊髓损伤诊断敏感性的同时，特异性却有所下降[8-10]。

2 DTI技术在脊髓损伤的研究中的受限因素及相关新技术

随着弥散张量成像作为MRI新技术的出现激发了大量关于脊髓病理状态的早期临床研究，研究涉及到大鼠 狗、兔、羊等动物，但是获取精确的脊髓的DTI数据却有诸多受限因素影响其应用及功能发挥。

首先，标准的DTI成像序列基于回声平面成像（EPI），对脊髓内弱磁场均匀性非常敏感，而脊髓位于脊柱内骨性椎管内且脊髓的断面较小，以及脊髓自身及周围环境磁场的不均匀性，有诸多论述认为脊髓是获取MRI数据时最差的环境之一。周围环绕流动的脑脊液在椎管内以头-足方向来回流动，脊髓周围动脉血管搏动，临近运动器官如心脏和肺的生理运动，骨、软组织和空气磁化率的差异，均可导致图像失真和信号强度的损失。生理运动可能产生重影伪影脊髓的小体积造成了部分体积效应，由于白质束与周围脑脊液（CSF）的接近，在脊髓中增强了部分容积效应[11-12]。

其次，目前磁共振设备硬件和开发的软件技术仍有一定限度，需要不断开发如磁场补偿匀场，采用自旋回波序列，脊柱前方空间饱和，呼吸及心电门控，相位编码方向改变，运动补偿梯度等用来减少运动伪影及改善成像质量[13-14]。使用较低的扩散加权及较短的回波时间（TE）的优势，因此增加信噪比，较高的b值（＞1 000 s/mm2）为区分受限扩散的程度提供了更高的灵敏度，但仍需要在扩散敏感度和信噪比之间找到平衡。

3 DTI技术在脊髓损伤中临床应用及研究意义

提高评估脊髓组织活力和检测脊髓残余神经功能的能力，以识别和区分形态学和功能变化，是提高临床预后和脊髓损伤患者管理能力的关键。研究的目的是确定所有应用了一种或多种MRI技术的研究，以评估以下三个关键问题中的一个或多个的临床效用：（1）诊断效用：MRI技术是否提供了在脊柱病理诊断中显示群体差异或提高诊断准确性（灵敏度/特异性）的指标? （2）生物标志物效用：先进的MRI技术是否能产生量化损伤数量的指标，从而与神经/功能损害和/或显示随时间的纵向变化与脊髓病变的残疾变化相关?（3）预测效用：先进的核磁共振成像技术是否产生了能够预测神经系统、功能或脊柱病理状态下生活质量的指标。

有报道[15-16]，通过弥散张量成像（DTI）展示了MRI在脊髓损伤大鼠模型上的应用，可作为研究微结构损伤的潜在生物标志物，影像学生物标志物的潜在发现将有助于脊髓损伤患者的诊断和治疗。这些标志物可能在临床前模型的治疗发现中发挥作用，并使观察或预后转化为临床环境。目前，世界上只有相对少数的研究实验室在积极研究脊髓成像方法，虽然取得了长足的进展但许多技术还没有进入临床实践及应用。因此，如通过不断改进检查方法，提高有效性以及创建必要的科学和临床网络来提高研究的进展速度，则对脊髓损伤的准确诊断、治疗指导、预后、科学研究有十分重要意义。这些方法作为脊髓损伤的临床诊断和治疗的生物标志物具有很高的应用价值，已被广泛应用于描述健康和疾病中神经系统的微观结构[17]。

4 面临的挑战与研究展望

脊髓成像方法常见的技术挑战已经很明显确定为：（1）磁化率差异；（2）生理运动；（3）脊髓横截面尺寸较小。成像的这些性质中，人类脊髓条件不会改变，因此未来的发展需要开发更好的方法来克服这些挑战，改善成像[18-19]。

展望未来，脊髓成像界将继续推动强有力的技术向前发展，同时还将采取几个关键步骤：（1）设计和实施更大规模的临床研究，以评估其临床效用；（2）采集技术将继续发展和完善，以最大化信噪比（SNR）和分辨率，同时最小化失真、人为因素和采集时间；（3）开发强大的数据分析工具，能够自动从特定域提取定量数据。新技术和创新也正在出现，这些技术和创新可能显著改变这一领域的研究进程[20-21]。

未来脊髓成像方法的发展需要MRI设备制造商和软件开发工程师进行不间断的更深层次沟通，以使方法和技术共享。未来发展的方向为促进方法和数据的广泛共享，如可以为脊髓成像软件和方法建立一个自由访问的方法库，可以用于共享脊髓成像数据。专门讨论脊髓成像方面的成果和新进展，使更多研究人员能参与，弥补相互不足而促进更快的发展。因此，在我们对脊髓损伤的病理生理学的详细了解和脊髓功能磁共振成像所利用的信号变化的生物物理机制之间架起桥梁是很重要的。放射科医生、神经学家和脊柱外科医生由于工作繁忙，无法亲自进行后期手动生成量化指标，所以数据分析需要完全自动化，方法耗时、不可靠或不准确都是不可接受的。

5 小结

新的核磁共振技术，无一例外地面临着诸多挑战，而要成功地将这些技术应用于临床，仍有大量工作要做。DTI的研究已经产生了最实质性的成果，但在这项技术被广泛应用于临床之前，仍然需要进一步的改进，然后进行标准化。目前，国内外各学者对 DTI相关参数在病理基础表现上持有不同的观点，在预后判定方面还未做系统的研究。有关ADC值、FA值变化的病理机制、临床意义及与临床预后的研判方面的研究将是在未来的几年里研究的重点与热点。脊髓成像界无疑会取得许多伟大的成就，未来的研究转化将使临床从中受益。