DTI技术在脑梗死与肌力功能相关性研究中的应用

梁永勤

皮质脊髓束（corticospinal tract，CST）是人体大脑将冲动信息传递至躯体运动效应器的重要传导通路，大脑CST分布区脑梗死主要引起对侧肌力功能障碍。CT及常规MRI序列仅能发现早期脑梗死灶本身，而对其下行神经纤维华勒氏变性（Wallerian degeneration，WD）却无法显示。扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是一种能从生物分子水平层面对其病理变化进行分析的影像技术，不仅可对其平均扩散率 （average diffusion coefficient，ADC）、容积比率（volume ratio，VR）和分数各向异性系数（fractional anisotropy，FA）等进行量化性分析，还可通过扩散张量纤维束示踪成像（diffusion tensor tractography，DTT）对神经纤维进行可视性分析，为患者治疗后肌力所能恢复程度的预判提供依据[1]。DTI作为WD无创性检查技术，在脑卒中等神经系统疾病研究领域有着广阔的应用前景。

1 皮质脊髓束华勒氏变性的病因及病理变化

CST在大脑的分布区域是中央沟周围脑组织，后沿内囊后肢前部及大脑脚底3/5的外侧部下行至椎体交叉，除小部分纤维束沿本侧半脊髓下行外，其余大部分纤维束跨过对侧半脊髓下行，分别止于同侧和对侧脊髓前角运动细胞，主要支配对侧肢体的运动功能。WD属于继发性病变，是由于神经元及近端轴索损伤引起其下行神经纤维束的水肿及变性，最终导致神经纤维束信息传导功能受损。神经元及近端轴索的损伤包括脑梗死、脑出血、脑外伤、脑肿瘤及术后等，其中以脑梗死最为常见，脑梗死引起其远端神经纤维束发生继发性变性已在动物实验和尸体解剖的病理检查上得到证实[2]。神经元及近端轴索损伤后远端轴索出现微管的聚集，神经丝蛋白破坏降解，轴膜损伤，这是早期WD的特征性微观病理改变[3]。Povlishock JT等[4]利用弥漫性轴索损伤（diffuse axonal injury，DAI）动物模型进行的示踪实验也表明，轴索损伤后将发生连锁病理生理反应，先是轴浆运输局部受阻，随后受阻部位近端出现轴索增粗，最后增粗轴索发生断裂。脑皮质及皮质下区为神经元及轴突近端主要集中区，因此该区域发生脑梗死可引起神经元胞体坏死或近端轴突损伤，胞体与轴突间的轴浆运输受到破坏及中断，轴突失去神经元胞体提供的营养来源而发生变性。整个轴索病变早期以水肿为主，而后逐步进入脱髓鞘进程[5]，与此同时轴突突触间信息交换也受到破坏，大脑冲动信息不能很好往下传递而引起躯体运动效应器功能障碍。

2 常规MRI序列及DWI检查对华勒氏变性显示的局限性

常规T1加权成像（T1weighted image，T1WI）、T2加权成像（T2weighted image，T2WI）、T2WI液体衰减反转恢复 （T2WI fluid attenuated inversion recovery，T2WIFLAIR）对早期脑梗死病灶的显示明显优于CT，而扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）技术的出现，使得MRI由传统的解剖成像过渡到功能成像，把MRI对早期脑梗死的检出时间大大向前推进。其在超急性-急性期脑梗死诊断方面的价值已得到公认，检出率及显示明显优于常规MRI序列[6]，DWI配合脑灌注检查对脑梗死半暗带的显示，更能有效地指导临床进行溶栓治疗。但无论是传统常规MRI序列，还是DWI及脑灌注检查，其仅能发现早期脑梗死灶本身或只在脑梗死形成软化灶后才能显示其下行神经纤维传导通路的信号改变，对早期脑梗死引起其下行神经纤维传导通路的病理变化却无法显示。

3 DTI的基本原理及其在华勒氏变性显示的优越性

DTI技术是在DWI技术的基础上发展起来的，两者均是用于描述水分子扩散方向特征的MRI技术。通过改变扩散敏感梯度方向测量体素内水分子在各个方向上的扩散，DWI描述水分子扩散方向为3个，而DTI描述水分子扩散方向达到13个及以上，其对水分子的扩散运动描述更加精确，利用DTI采集的数据选择专用的软件后处理可建立DTT图，用其描述神经纤维束的走行形态更为立体形象。DTI主要参数有FA、ADC及VR值等，以FA值最常用，其主要反映水分子扩散的方向性，是显示神经纤维束是否损伤及损伤程度的敏感指标，FA值越大，图像越亮，神经纤维方向性越好，传导性越佳[7，8]；ADC值代表体素内水分子扩散的大小及程度，其对神经纤维束损伤的灵敏度较FA值稍差；VR值为椭球体的体积与半径为平均扩散球体的体积之比，其对神经纤维束的损伤也较为敏感。DWI技术在全身各系统都得到了广泛应用，而DTI技术主要应用于神经系统，其中就有研究表明DTI对腰脊神经的显示有其独特优势[9]，能客观地评价纤维束受损程度，为临床早期诊断、早期干预和准确评估预后提供可靠的影像信息。

4 DTI对华勒氏变性的相关研究

4.1 皮质脊髓束华勒氏变性与脑梗死相关性研究

CST发生WD的严重程度与脑梗死的面积、部位及病程存在相关性。中国在该方面的研究也比较多，其中杨丽娟等[10]关于脑干WD的DTI研究显示，CST分布区和（或）近皮质区早期脑梗死面积越大，其下行神经纤维束FA值就越低。这充分说明神经纤维束在脑内分布区的脑梗死面积越大，神经元胞体或近端轴突损伤坏死越严重，发生WD的下行神经纤维越多，神经纤维束水肿变性越明显，水分子在髓鞘的扩散运动受限程度越高，最终导致肌力功能障碍越严重。CST的受损程度除了与其在大脑分布区脑梗死的面积有关外，还与脑梗死发生的部位有关。大脑分为不同的功能区，如记忆和情绪功能区、视觉功能区、运动功能区等，不同的脑功能区对机体有不同指挥功能。CST为运动神经纤维，其在大脑的功能分布区位于中央前回及中央旁小叶前部，该区域核心区发生脑梗死往往会引起明显的临床肌力受损症状，即使是病灶非常小，这也就更好解释了为什么有些患者脑梗死面积大而临床肌力受损轻，有些患者脑梗死面积小而临床肌力受损严重，因此认为梗死灶的发病部位与CST受损程度有关[11]，梗死灶越靠近功能核心区，其临床症状越明显。另外，CST的受损程度除了与脑梗死面积和发病部位有关外，还与脑梗死的病程有关，随着病程延迟，DTI也逐步能检测到其远端神经纤维束FA值的变化[12]，表明随着脑梗死时间延长，轴索发生WD的结构逐步降解，后期轴索消失及胶质细胞浸润，这在大脑CST分布区脑梗死并软化灶形成后引起患侧大脑脚缩小及纤维束T2WI-FLAIR信号增高的MRI影像表现中得到印证。

4.2 皮质脊髓束华勒氏变性与肌力功能相关性研究

4.2.1 皮质脊髓束损伤是脑梗死引起肌力障碍因果关系的桥梁

脑梗死引起肌力功能障碍与CST的WD有关，CST大脑分布区发生脑梗死后患者常常会出现对侧肌力功能损害。 深究其原因主要是脑梗死引起人体联系大脑至躯体运动效应器之间的运动传导通路发生异常所致，大脑的神经冲动信息不能顺畅传递到运动效应器，即CST发生了WD，脑梗死患者临床症状的轻重与梗死灶的面积、部位及病程间接相关，而与CST的空间关系及WD直接相关[13]，其在脑梗死引起肌力障碍的病理改变中起着桥梁作用。临床以恢复患者肌力功能为治疗目的，这也是患者及家属最为关心的问题，而目前临床神经内科医师主要是依据患者脑梗死的部位、大小及脑血管情况来判断肌力的预后，判断依据过于笼统。因此，人们设法想找到一种较为直接有效的量化性指标作为判断肌力预后的依据，而这种量化指标依据就是直接支配肢体运动功能的CST发生WD的严重程度。DTI是目前唯一种能无创性检测到WD的医学影像检查技术，其不仅可通过ADC、VR及FA等参数值对神经纤维的多少、排列方向一致性及完整性进行量化性分析，还可通过重建DTT图进行可视性分析，能很好评价神经纤维结构完整程度与功能关系[14]。中国学者根据DTT图将CST完整性分为3级[15]。ADC、VR及FA等参数能反映CST WD的严重程度，又因为CST直接支配肢体运动功能，因此利用ADC、VR及FA等变化来反映肌力功能损害比根据脑梗死灶大小、部位等情况来反映更为直接、有效，并可通过ADC、VR及FA值变化来预判肌力所能恢复的程度。

4.2.2 皮质脊髓束华勒氏变性程度与肌力受损程度的关系

DTI可通过检测WD的严重程度来反映肌力的受损程度，CST WD作为脑梗死引起肌力功能障碍的桥梁，探究CST WD与肌力受损程度的内在关联是业界的努力方向。DTI能够在活体内检测出急性脑梗死下行神经纤维束WD，可直接显示CST投射结构的完整性[16]，其参数值可在一定程度上定量评估CST微细结构变化和临床神经功能改变。脑梗死患侧大脑脚CST投射区的DTI参数值比健侧大脑脚CST投射区的DTI参数值减低。同时，患侧CST FA参数值越高，肌力分级越高，FA值越低，肌力分级越低，CST投射区DTI参数值变化与肢体运动功能存在相关性[17]，CST变性程度越严重，相应肢体肌力受损越严重。

4.2.3 皮质脊髓束华勒氏变性程度与肌力恢复程度的关系

DTI在对脑梗死患者患侧肌力预后的判断方面也有积极作用。脑梗死患者CST WD的严重程度与对侧肌力功能受损程度存在明显正相关性，而CST早期变性越严重，则会对其神经纤维束的后期恢复产生消极影响，最终影响患侧肌力的恢复。它们之间存在密切关联性，神经纤维束损伤治疗后的演变趋势与其早期神经纤维束变性的严重程度有关，这在姚添奇等[18]对恒河猴脑梗死模型脑缺血后不同时期纤维束损伤的DTI研究得出的结论中得以印证。郭龙军等[19]通过对慢性脑梗死患者运动功能康复治疗前后CST的FA数据统计分析，结果认为DTI技术可根据CST受损程度评估肢体运动康复训练效果。对于脑梗死并肌力障碍患者，利用早期CST FA的变化幅度可以预测后期患者的运动功能状态，CST早期FA指标的变化与脑卒中后期运动指数（motricity index，MI）评分呈负相关，与美国国立卫生研究院卒中量表（National Institute of Health Stroke Scale，NIHSS）评分呈正相关[20]，与NIHSS及上肢运动功能评测法（Fugl-Meyer assessment，FMA）预测脑梗死患者疾病评估相比，通过FA参数值评估患者疾病准确度更高，更具临床价值[21]。

5 不足与展望

DTI技术虽然能无创性显示神经纤维束的形态，描述纤维束WD的演变机制。但仍有不足之处有待解决，如①图像信噪比低及容易失真变形，尤其是在躁动患者较为明显，这将在一定程度上影响DTI测量值的准确度；②压水不理想及磁场的不均匀性均可对测量结果产生影响；③测量值的准确度可因不同操作者的人为因素有所差别，比如感兴趣区的位置、大小及对神经纤维束解剖的熟悉程度；④“证实”问题，虽然脑梗死后在梗死灶远端白质纤维发生继发性变性已在动物实验和尸体解剖的病理检查上得到证实，但是在人体内是否存在仍无法证实；⑤患者早期及康复后肌力的评定可能因评定时间、人员、治疗等因素不同而存在一定的差异，从而削弱了ADC、VR及FA值与肌力存在相关性的可信度；⑥目前尚不清楚WD的DTI指标变化与局部细胞构筑特点是否存在相关性[22]。

虽然DTI在脑梗死与肌力功能相关性研究中的应用仍存在诸多不足，但是随着MRI机器场强的提高，特别是3.0 T MRI的普遍应用，7.0 T MRI已在部分医院临床应用，可有效解决信噪比低、容易失真变形及磁场不均匀等问题。通过加强对专业MRI技师及影像诊断医师的培训，实行专人后处理DTI参数测量，降低人为因素对检查结果的影响，严格对研究患者的筛选及分组，统一治疗处理方法，将增强结果的可信度。由于DTI技术不但能通过ADC、VR及FA等进行量化分析，还可通过DTT进行三维立体可视性分析，DTI技术开辟了脑梗死与肌力相关性研究的有效研究途径，使得研究层次更深及范围更广[23，24]，其前景将非常广阔。综上，随着DTI技术的发展与进步，对脑梗死与肌力的相关性研究更加深入，进而为患者肌力的预后及评价轴突保护药物的疗效等方面发挥更大作用。