弥散张量成像在周围神经损伤中的应用进展

尹露，严隽陶，陈霄，伍丹丹

上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院推拿科，上海市 200437

周围神经损伤(peripheral nerve injury,PNI)是临床常见病，通常由创伤、疾病或手术引起，往往导致严重甚至永久性功能障碍。损伤修复的关键在于明确损伤部位和严重程度，常用的评估方式有临床评估、电诊断和常规成像等。临床评估和电诊断对急性损伤程度的判断和早期自发恢复不敏感：仅有少数运动单元重新受神经支配时，可能无法检测到肌肉或肢体运动。常规成像仅限于观察神经直径和信号变化的异常，无法确定严重神经病变的连续性。弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)在PNI修复中有潜在的应用价值，能准确反映神经损伤的严重程度和恢复潜力。

1 概述

DTI 是一种磁共振成像技术，通过在体内无创测量水分子的弥散运动，获取不同组织的各向异性信息，从而定量测量组织的结构完整性，明确损伤部位，指导适当的患者管理[1-2]。DTI 在中枢神经系统疾病评估中已得到广泛研究，如肿瘤、退行性病变、脱髓鞘疾病和癫痫等[3-5]。由于周围神经存在直径小、质子密度低、成像伪影等方面挑战，DTI 评估仍处于初期阶段，多应用于科研中。随着磁共振成像技术不断进步，DTI近年在周围神经领域中越来越受到关注。

DTI 是由磁共振弥散加权成像发展而来，基于水分子的布朗运动非侵入性探测组织的微观结构。在均匀介质中，水分子在各个方向无障碍均匀扩散，称为各向同性扩散；在有一定排列规律的组织中，由于细胞膜和大分子等的阻碍，导致水分子各个方向扩散不等，称为各向异性扩散。周围神经有良好的组织结构和沿肢体方向的纵行轴索束，故具有高度各向异性[5]。通过在自旋回波序列180º脉冲前后施加扩散敏感梯度磁场，可检测水分子运动，获得扩散系数。通常把水分子在组织中特定扩散梯度磁场方向上的水分子位移强度称作表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)。DTI 通过在至少6 个非共线方向上应用扩散敏化梯度实现，可以显示反映沿X、Y和Z轴扩散和各向异性三维特征的矩阵模型，从而评价组织各向异性程度[2,6-7]。各向异性程度常用各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、ADC、轴向扩散率(axial diffusion rate,AD)和径向扩散率(radial diffusion rate,RD)表示。FA 是最常用的参数，反映组织向异性部分占整个扩散值的比例，FA为0表示在组织中扩散不受限，FA 越趋向1 表示扩散沿组织方向排列越规则、紧密。ADC 只代表扩散梯度磁场施加方向上水分子的弥散特点；AD反映沿主神经方向的水扩散，被认为是轴浆流完整性的替代生物标志物；RD反映垂直神经轴内的水扩散，由于髓鞘的存在，水在垂直神经轴上的扩散非常有限[8]。

PNI 通常由创伤、疾病或手术引起，其中创伤性PNI 最多见，包括臂丛和腰丛神经损伤。臂丛神经损伤主要涉及桡神经和正中神经，腰骶部创伤所致神经损伤较少见[9-10]。PNI还可能与慢性压迫有关，如腕管和肘管综合征、外伤挤压和肿瘤等。周围神经DTI可以快速全面提供神经微结构信息，评估神经损伤的部位和严重程度。现有研究多聚焦于卡压性周围神经损伤疾病。

2 压迫性神经损伤

2.1 腕管综合征

Skorpil 等[11]首次在周围神经系统中的应用DTI 技术。其后该技术评估PNI 的研究主要集中在腕正中神经[12-19]。腕管综合征(carpal tunnel syndrome,CTS)是慢性正中神经压迫最常见的原因，Brienza 等[12]观察30 例CTS 患者，发现FA 和ADC 与神经电图参数显著相关；与健康人相比，CTS 患者FA 降低，ADC 升高。Schmid 等[13]在高分辨率DTI 下观察到正中神经和浅表桡神经单束，以及腕管内的屈肌腱和腱鞘等结构，发现FA 和RD 与症状严重程度相关。比较DTI参数和电生理学参数发现[14]，AD 反映轴突完整性，FA 和RD 则可能反映髓鞘完整性。平均FA 比最大FA 敏感性更高，但特异性较低[15]。也有研究提出[1,16]，FA 和AD 反映轴索损伤，RD 增加可能提示髓鞘退化。Lindberg 等[17]对复发性CTS 进行DTI 研究，发现患者正中神经ADC、AD 和RD 下降，可能与神经内纤维化和较慢的神经传导有关。在DTI参数测定位置的选择上，有人测量远端桡尺关节、豌豆骨和钩骨3 个水平，发现接受皮质类固醇注射CTS 患者的症状缓解与豌豆骨水平正中神经的ADC 有关[18]。以前也有研究提示[19]，在腕管入口处测量FA 具有最高的诊断准确度。

2.2 肘管综合征

肘部周围神经也容易受到卡压和损伤，肘管综合征是第二常见的外周卡压性神经病。基于DTI数据和纤维跟踪后处理方法，可实现肘部周围神经的立体显示[20]。Breitenseher 等[21]发现，在肘沟处和通过深屈肌筋膜时，尺神经FA显著降低；DTI纤维束成像中，65%患者尺神经完全或部分不连续。

2.3 坐骨神经损伤

坐骨神经由于位置深、结构复杂，常规超声或电生理学研究评估腰骶丛的价值有限。Bernabeu 等[22]的研究表明，与常规磁共振相比，DTI 检测坐骨神经损伤敏感性更高，纤维束成像能准确显示神经受压、神经炎症区域和纤维化形成，横断面可观察到炎症相关区域坐骨神经直径增加；损伤的坐骨神经FA较低，ADC 较高。Wada 等[23]发现，坐骨神经痛患者患侧坐骨神经FA 降低，ADC 升高。腓骨肌萎缩症Ⅰ型患者坐骨神经横截面积明显增大，FA 降低，RD 和平均弥散率(mean diffusivity,MD)升高，评定者间信度较高，表明坐骨神经DTI评估具有可重复性[24]。

臂丛神经损伤后，DTI 参数明显异常，可作为早期评价神经修复与再生的量化指标[25]。DTI 和纤维束成像发现的主要异常，包括臂丛内或沿着臂丛的肿瘤引起的纤维束移位、变形、浸润，破坏和纤维解体[26]。直接或间接创伤后，臂丛神经根由于纤维组织丧失而导致RD增加，臂丛神经根萎缩将显示FA降低。这些参数变化可作为临床神经损伤评估的有效工具[27]。

3 周围神经肿瘤

在良性肿瘤中，DTI 纤维束成像仅显示纤维移位或纤维置换和肿瘤包裹；恶性肿瘤中可见纤维破坏或完全解体[26]。常规MRI可能无法评估病变的组织学特征，而利用DTI和纤维束成像可提供纤维移位或破坏的三维影像，提高诊断性能。Mobbs等[28]的研究提示，DTI 可显示恶性肘部尺神经鞘肿瘤的特征。与良性病变相比，恶性病变时ADC、FA 和MD 均降低，可能表明神经结构中的恶性扩展[29]。DTI 能精确描绘周围神经与肿瘤之间的位置关系，方便完全切除肿瘤，最大限度减少神经损伤[30]。

4 其他周围神经疾病

骨间前神经综合征患者，与正常束相比，正中神经损伤束FA 减少，MD、RD 和AD 增加；与健康人相比也显示同样趋势。提示DTI有较好的诊断准确性，能量化单个分支的神经结构[31]。Kronlage 等[32]发现，慢性炎症性脱髓鞘多发性神经病患者，FA 与电生理参数相关性最高，FA 和RD 均与脱髓鞘的电生理学参数强相关，而AD 与轴突的参数无关。在糖尿病周围神经病患者中，胫神经和腓总神经FA 降低，DTI 参数与运动神经传导速度间存在中等程度相关性，DTI 参数评价者间信度较好[33]。

DTI 检测神经横断伤，可以防止延误手术，也是评估神经修复和确定翻修手术有价值的工具。但也应参考临床、电生理、常规成像等检查，提高诊断准确性。

5 DTI在基础研究中的应用

由于周围神经直径小、质子密度低、成像存在伪影等[34]，DTI 在急性PNI 中的应用大都侧重于基础研究，动物模型通常涉及神经挤压、横断或牵拉伤，其中坐骨神经模型使用最多。

陈镜聪等[35]发现，纤维示踪成像可清晰、直观、早期显示兔坐骨神经牵拉伤的异常改变，损伤早期牵拉段和远段神经纤维无法显示，FA 下降，病理学改变可能是髓鞘板层疏松、崩解、轴索崩解；损伤1～6周纤维束逐渐增多，FA升高，提示髓鞘、轴索再生。FA 可作为监测坐骨神经牵拉伤后退变及再生的敏感指标。Boyer 等[36]对急性坐骨神经损伤大鼠的研究也提示，FA 是神经损伤高度敏感和特异的标志物；纤维束成像显示，损伤部位扩散变异性加大，受损神经近端轴突直径增大与神经损伤严重程度相关，可能反映轴突膜损伤后细胞毒性水肿。大鼠坐骨神经挤压伤后第1 天，远端神经RD 增加，并持续增加至第4天，在第6周时逐渐恢复正常；AD 和MD 无显著性差异[37]。还有研究提示[38-39]，DTI 参数的改变与神经肿胀、轴突丧失、脱髓鞘和神经纤维化等多种病理变化相关，其中FA 和RD 主要受轴突变性和脱髓鞘影响，ADC 增加归因于水肿，AD 减少主要来源于收缩和纤维化。应用9.4 T DTI 观察大鼠坐骨神经损伤后4 周感兴趣区，发现近端残端AD 减少，提示DTI可以检测损伤神经的整个区域，而不仅局限于远端神经残端[40]。

多项基础研究将DTI参数与行为学、电生理、组织学、常规磁共振等技术进行比较，以确定干预方法对神经再生修复的有效性，并评估DTI应用的价值[39,41-43]。有研究发现[44]，人类羊水液干细胞和聚乳酸神经导管结合，可加速坐骨神经损伤修复，复合肌肉动作电位与DTI参数有一定相关性。电生理、荧光逆行示踪剂和DTI 评估发现[41]，轴突融合剂聚乙二醇可迅速恢复坐骨神经横断伤大鼠的轴突连续性，轴突数量与行为结果间存在相关性，DTI 能量化评估轴突完整性和脱髓鞘，且能预测融合术后成功率。与磁共振T2序列相比，DTI 是评估PNI 更敏感和准确的方法，FA和RD可能是监测PNI的定量指标[42]。

以上部分研究是在离体坐骨神经进行的，尚无相关研究比较离体与体内神经DTI参数。

6 影响周围神经DTI参数的因素

DTI 参数应满足信噪比高、采集时间短、空间分辨率高和伪影少等要求，高信噪比提高FA 和扩散系数测量的准确性，采集时间短可减少运动伪影。DTI 受扩散敏感梯度场强度和方向影响，前者可通过设置b值优化，但增加b值使信噪比降低；增加方向数可减少噪声，但增加成像时间[1,5]。高分辨率DTI信噪比高，但伪影增强，采集时间增加[2]。在保持诊断准确性的同时，能检测出更小直径的神经，是今后研究方向之一。有研究比较臂丛神经丛多切片读出分段和传统单射回波平面成像技术的图像质量，前者图像质量更高，伪影增加，但更高程度的伪影并未太多恶化图像质量[43]。Manoliu 等[45]在腰神经根功能评估中也验证了此结论。Kronlage 等[32]研究健康人的坐骨神经、胫神经、尺神经和桡神经，发现FA 与身高、体质量和体质量指数负相关，所有神经平均FA 随年龄增加而下降，可能反映随年龄增长的亚临床纤维丢失和脱髓鞘。根据作者所提出的校正公式，调整体质量后性别间FA 差异可以忽略，有助于周围神经DTI 的进一步研究。有人在坐骨神经研究中发现FA和ADC 随测量神经位置水平的变化有所不同[7]。另外不同磁共振供应商间定量DTI测量存在扫描间差异[46]。

轻度周围神经病变可能只导致DTI 参数微小改变，故DTI最佳技术设置和序列规范至关重要。DTI 后处理和准确参数量化均需要由有经验的人员进行，在研究中应控制磁共振扫描仪，避免供应商之间的差异。

7 小结

PNI 修复的关键在于明确神经损伤部位和严重程度，开发识别轴索损伤和早期再生的非侵入性检测手段意义重大。DTI能早期识别严重神经损伤，促进适合患者早期手术探索[1]；能通过DTI 参数识别轻微神经病变；量化的DTI 参数有助于PNI严重程度分级，与经典Sunderland(病理生理学角度)神经损伤程度分级方法如出一辙[47-48]。DTI 在神经肿瘤的诊断和治疗中已显示出重要作用。在基础研究中，神经损伤模型高度依赖于行为测试和组织学，DTI 可以实时无创跟踪周围神经退行性和再生变化，减少感兴趣时间点牺牲的动物数量，且DTI参数具有客观性和可重复性。

然而DTI 仍有一定局限性。DTI 参数受技术设置和序列规范等多种因素影响，提高分辨率、时间效率和图像质量有助于弥合研究和临床应用之间的差距[30]；肢体功能、病理特征与DTI 参数之间的对应关系仍需大样本多中心试验进行更深入研究。DTI 作为一种非侵入性评估手段，有望成为早期识别神经损伤严重程度和神经再生的测量工具。