彌散張量成像技術在評估腦卒中患者白質纖維束損傷及預后方面的研究進展

張曉鈺

腦卒中是嚴重危害人類健康的常見病之一,具有高發(fā)病率、高死亡率、高致殘率及高復發(fā)率的特點,早期評價腦卒中的損傷程度和準確預測患者預后一直是醫(yī)學界的難題[1]。常規(guī)CT和MRI很難準確顯示病灶與神經纖維束的空間位置關系以及白質束受損的范圍。彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DWI)技術是近年來在常規(guī)磁共振和彌散加權成像(diffusion weighted imaging,DTI)基礎上發(fā)展起來的成像及后處理技術,是一種新的無創(chuàng)性成像方法。其利用組織中水分子的自由熱運動的各向異性原理,并通過特殊的軟件處理成像,對大腦白質纖維束的三維幾何結構進行研究,重建腦部白質神經連接,是唯一可在活體顯示腦白質纖維束的無創(chuàng)性成像技術[2],其主要方法為DTI纖維追蹤成像[3],可直觀地顯示腦內病變對白質纖維形態(tài)結構直接或間接的影響[4]。

1 DTI腦白質纖維束成像的原理及分析方法

腦白質主要由神經纖維構成,其神經束的機制目前尚未完全清楚,但有證據顯示在神經束的根部平行走行的髓化纖維是一個重要的因素,水分子可以平行擴散,但是在髓化纖維束的垂直方向擴散受到限制。腦白質纖維束的各向異性是一個重要的特征,DTI可利用彌散敏感梯度從多個方向對水分子的彌散各向異性[5]進行量化,在三維空間內定量分析組織內水分子的彌散運動,從微觀角度反映組織的病理學改變,從而觀察腦白質結構特性,追蹤纖維走行,并評估其結構完整性與方向性。李貽卓等在正常志愿者的研究中得到腦白質中神經纖維和功能束的走行方向和立體形態(tài),其中較好顯示的白質纖維有:連合系、鉤束、上下縱束、下額枕束、內囊等,上述纖維束與已知的解剖學上的正常的同名纖維束的描述具有較好的一致性[6]。

目前,DTI一般采用基于體素的分析法(voxel-based analysis,VBA)和感興趣區(qū)測量的方法兩者相結合進行研究,并使用部分各向異性(fractional anistrophy,FA)值來反映水分子的彌散各向異性。FA是指水分子彌散的各向異性成分在整個彌散張量的中所占的比例。FA值的范圍為0～1,0代表最大各向同性的彌散,1代表假想下最大各向異性的彌散。在白質中,彌散表現為各向異性,且FA值大小與髓鞘的完整性、神經纖維的致密性及平行性呈正相關,能夠反映白質纖維是否完整[7],即也從一定程度上反映皮質脊髓束(cortical spinal tract,CST)的受損情況。組織的生化特性(黏滯性和溫度)、組織的結構(大分子、細胞膜和細胞器等)改變能夠從根本上影響水的彌散能力,所以研究水分子彌散各向異性的變化(FA值的變化)就可評價纖維組織結構的病理改變。

2 DTI對腦卒中患者白質纖維束損傷及療效的評估

DTI主要用于評估影響腦白質纖維束完整性的疾病,可定量分析病變組織和正常組織的彌散特征,直觀顯示顱內病變與白質纖維之間的關系,為解釋臨床表現和判斷預后提供更多、更可靠的依據。

2.1 DTI對出血性卒中患者的評估 2006年Jang等應用首先DTI對1例高血壓腦出血患者進行個案研究,認為DTI可以更精確的觀察腦卒中患者CST的受損情況[8]。Haris等利用DTI探討腦出血不同階段FA值增大的生物學基礎,認為出血性腦疾病中的FA值增大可能與完整的紅細胞和纖維蛋白網的存在有關[9]。Cho等對40例嚴重偏癱的腦出血患者在發(fā)病早期行彌散張量纖維束成像(diffusion tensor tractography,DTT)檢查,研究發(fā)現發(fā)病早期各組患者之間運動功能評分無明顯差異,發(fā)病后6個月各組之間運動功能評分有顯著性差異,因此推論腦出血患者早期DTT所示CST的改變可用來預測患者的運動功能轉歸[10]。Jang等對1例61歲腦出血患者及 6名正常對照者行DTI檢查,結果顯示發(fā)病后3周出血區(qū)FA值減小,表現彌散系數(apparent diffusion coefficient,ADC)值增大,與對照組有顯著性差異,但患者在發(fā)病后5個月患側的FA及ADC值與對照組無明顯差異,推斷DTI可以通過對病灶中感興趣區(qū)的各向異性的分析來研究腦出血后CST的修復情況[11]。最近國外學者對一例左側放射冠、基底節(jié)區(qū)腦出血患者進行運動功能恢復機制的研究。在患者發(fā)病后1個月、4個月、16個月行DTT、磁共振功能成像(functional MRI,fM RI)、經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)檢查及患肢運動功能評估,并同12例正常人對比研究,發(fā)現DTT顯示CST的起點發(fā)生改變,TMS、fM RI也證實皮質脊髓側束的修復過程,推測皮質脊髓側束的修復是腦出血患者運動功能恢復機制之一[12]。國內王紅[13]、任鈺[14]等利用DTT重建2例腦出血患者的CST的三維圖像,觀察纖維束的形態(tài)結構及走行位置。并于患者入院時、發(fā)病后2周、發(fā)病后1個月及發(fā)病后2個月分別進行肌力判定和神經功能評分。發(fā)現CST完整的腦出血患者同CST中斷的患者相比,肌力恢復較快、預后好,在各個時期的NIHSS評分均較低。該研究提示DTT可在腦出血的初期對神經功能損傷情況及臨床預后進行判定,但是樣本例數較少。

2.2 DTI對缺血性卒中患者的評估 國外學者Thomall等對發(fā)病2～16 d內的亞急性期輕、中度幕上缺血性卒中患者行DTI檢查,發(fā)現患側大腦腳的FA值下降,且患側大腦腳FA與對側FA的比值與美國國立衛(wèi)生院神經功能缺損評分(NIHSS)之間存在負相關,FA越低,變性程度越重,神經運動功能恢復越差[4]。Kunimatsu等對8例內囊后肢或放射冠區(qū)梗死灶進行研究也有類似的發(fā)現[15]。Werring等對5例急性期腦梗死患者的研究發(fā)現,患者腦梗死區(qū)ADC、FA值顯著降低,同側大腦腳和腦橋處CST ADC、FA值顯著降低。FA值降低,推測主要是因為細胞結構破壞,導致組織微觀結構正常順序喪失,從而使各向異性顯著降低。而隨著腦梗死的進一步發(fā)展,血管內皮細胞損傷,細胞通透性增加,細胞間隙水分聚積導致水分子彌散能力進一步下降,ADC值進一步降低[16]。國內鐘進等應用MR擴散張量成像(DTI)技術對急性腦梗死行動態(tài)觀察,研究其擴散變化規(guī)律,推斷缺血半暗帶的治療時間窗,并通過擴散張量纖維束成像(DTT)技術論證CST與肌力的相關關系。結論是梗死灶的平均擴散系數(DCavg)、FA、相對各向異性系數(RA)及容積比(1-VR)值具有特征性演變規(guī)律;超急性期、急性期病灶邊緣區(qū)可能為缺血半暗帶組織,其治療時間窗可擴展為24 h[17]。鮑莎莎等研究45例急性腦梗死患者,入院及治療后分別行 NIHSS評分,記為 NIHSS1、NIHSS2,常規(guī)行 MRI、DWI、DTI/DT T檢查,分析病灶FA值的變化及與CST的關系。結果顯示梗死灶FA值降低百分比和NIHSS1相關,CST的損傷程度與NIHSS2相關,結論認為病灶FA值下降越明顯,患者病情越重;CST破壞越嚴重,患者運動功能受損越重,預后越差[18]。這些結果均表明DTI技術可為臨床醫(yī)生分析患者臨床癥狀和判斷預后提供一些依據[19],同時纖維成像還可在活體上顯示出雙側腦組織橫向聯(lián)系的胼胝體纖維,對判斷可能的代償恢復提供一定的依據[20]。

3 DTI對腦卒中患者白質纖維束評估的局限性

DTI雖然能夠活體顯示白質纖維束的形態(tài)、走行,并在分子水平研究腦病理機制。但仍有不可忽視的局限性,主要表現在:①部分容積效應的影響;②圖像的信噪比,即噪聲及偽影問題;③操作者選擇興趣區(qū)的大小及位置、FA閾值、軌跡投影角度、采用的算法以及神經解剖學知識的熟悉程度均影響示蹤成像結果的準確性;④目前尚無驗證其結果是否準確的金標準,僅是與已知的解剖學知識相對照。

綜上所述,DTI是目前唯一的能夠在活體研究大腦白質纖維的方法。DTI與DT T相結合,可以從影像學角度對神經纖維的損害程度進行定量分析,為判斷白質纖維束的損傷程度及早期預測患者預后提供重要信息,有利于我們認識神經解剖、神經功能缺損癥狀以及神經病理學改變之間的相互聯(lián)系。DTI對腦卒中患者白質纖維束的評估仍具有一定的局限性,需要我們進行更加深入的研究。

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