磁共振DTI在腦梗死診斷中的應用價值

宋建波,楊曉棠,彭 琨,馮艷林,沈 偉,劉起旺

腦梗死為臨床最常見的一種致殘率和致死率較高的腦血管疾病,腦梗死的早期診斷和治療明顯影響預后,一直是醫(yī)學界一大難題。彌散加權成像(diffusion weighted imaging,DWI)是目前公認的可定性、定位診斷超急性腦梗死的成像方法,但DWI只能反映彌散梯度方向上水分子的彌散強度,不能反映生物組織水分子彌散呈各向異性的特征,難以顯示白質(zhì)纖維受累情況[1]。彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是 DWI技術的延伸,是目前唯一無創(chuàng)性活體研究腦白質(zhì)纖維束形態(tài)結構的方法,近年來已逐步應用于臨床科研[2-7]。本研究側重應用DTI對腦梗死區(qū)彌散程度的改變進行初步研究,探討DTI對腦梗死診斷及評估預后的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集臨床診斷考慮為腦梗死并行常規(guī)磁共振成像(M RI)和DWI檢查證實為單側梗死病變病人行DTI檢查。共48例,其中男28例,女20例,年齡 34歲～88歲(57.8歲±4.2歲)。其中超急性期(＜6 h)5例,急性期(6 h～3 d)14例,亞急性期(3 d～14 d)16例,慢性期(＞14 d)13例。病變部位:基底節(jié)區(qū)25例(左 15例,右 10例),左、右額葉各2例,頂葉 7例(左4例,右3例),枕葉9例(左5例,右4例),顳葉6例(左2例,右4例)。

1.2 圖像數(shù)據(jù)采集 使用GE公司SIGNA1.5T Twin speed with EXCITE超導MR掃描儀掃描,采用頭部8通道相控陣線圈,常規(guī)FLAIR及FSE序列軸位掃描,T1WI(T R 2 175 ms,TE 10.4 ms),T2WI(TR4 700 ms,T E102 ms),T2FLAIR(TR 8 500 ms,TE 120 ms),矩陣384×256,層厚 5 mm,間距 1.5 mm;DWI采用 DW-EPI序列,TR 6 000 ms,TE 60.4 ms,矩陣 128×128,層厚5 mm,間 距1.5 mm 。DTI掃描 采用DW-EPI序列,TR6 000 ms,TE79.9 ms,FOV240 mm×240 mm,b值為1 000 s/mm2,采集矩陣 128×128;橫軸位掃描,層厚5 mm,間距0 mm,共 21層,彌散方向 25個,采集時間 5分 24秒。

1.3 圖像分析 采用GE公司Advantage Windows工作站FunctoolⅡ軟件進行DTI圖像處理,重建平均表觀彌散系數(shù)(average apparent diffusion coefficient,ADCAV)圖、各向異性分數(shù)(fractional anisotropy,FA)圖,測量梗死區(qū)及健側相應正常對照區(qū)ADVAV值、FA值。對累及錐體束病例并大腦腳、腦橋水平測量錐體束走行區(qū)ADCAV值、FA值。應用日本東京大學影像計算和分析實驗室開發(fā)的Volume-One 1.64下的dTV.II.R1軟件對DTI數(shù)據(jù)處理,重建三維彩色編碼彌散張量纖維束成像圖(diffusion tensor tractography,DTT),觀察白質(zhì)纖維束是否受累,及其位置、連續(xù)性及破壞等情況。

1.4 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 11.0統(tǒng)計分析軟件包,對患側與健側 ADVAV值、FA值進行比較,分析方法采用配對t檢驗,P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

5例超急性期病例ADVAV值明顯減低,DWI出現(xiàn)明顯高信號,FA值則變化不明顯;3例輕度減低,2例輕度升高,重建DTT圖無明顯異常。14例急性期病例患側較健側ADCAV值和FA值均明顯減低,DTT圖示4例病人患側白質(zhì)纖維束無明顯受累改變,6例顯示患側白質(zhì)纖維束有變形移位改變,結構基本完整,4例顯示有患側白質(zhì)纖維局部缺損。16例亞急性期病例患側ADVAV值變化不一致,其中 7例ADVAV值減低,但不及急性期病例明顯,5例ADVAV值接近健側對照區(qū),4例ADVAV值增高,其FA值均明顯減低。DT T圖顯示4例患側白質(zhì)纖維束無異常,4例可見患側白質(zhì)纖維受壓移位改變,無中斷缺損表現(xiàn)。8例顯示有患側白質(zhì)纖維局部缺損伴或不伴有移位改變。13例慢性期病例ADVAV值高于健側,而FA值減低。DT T圖顯示3例患側白質(zhì)纖維束無異常,10均有不同程度的白質(zhì)纖維束缺損和/或移位改變。急性期及亞急性期錐體束受累病人雙側大腦腳、腦橋水平錐體束ADVAV值、FA值無統(tǒng)計學意義。慢性期錐體束受累病人在大腦腳、腦橋水平顯示患側ADVAV值無統(tǒng)計學意義,FA值則較健側降低,具有統(tǒng)計學意義。詳見表1、表2。

表1 梗死區(qū)及健側對照區(qū)ADVAV值、FA值(±s)

表1 梗死區(qū)及健側對照區(qū)ADVAV值、FA值(±s)

時期 n ADVAV(10-3mm2/s)病灶 對照 P FA病灶 對照 P超急性期 5 4.35±0.48 7.51±0.87 ＜0.05 0.21±0.03 0.22±0.08 ＞0.05急性期 4 3.54±0.64 7.24±0.38 ＜0.01 0.18±0.06 0.34±0.06 ＜0.01亞急性期 16 5.73±0.99 6.31±0.58 ＞0.05 0.12±0.03 0.29±0.05 ＜0.01慢性期 13 8.74±0.41 6.09±0.91 ＜0.01 0.11±0.05 0.26±0.08 ＜0.01

表2 錐體束受累病人雙側大腦腳、腦橋ADVAV值、FA值(±s)

表2 錐體束受累病人雙側大腦腳、腦橋ADVAV值、FA值(±s)

時期 n ADVAV(10-3mm2/s)患側 健側 P FA患側 健側 P急性期 6 6.49±0.54 6.54±0.46 ＞0.05 0.51±0.07 0.53±0.05 ＞0.05亞急性期 8 6.79±0.79 6.84±0.60 ＞0.05 0.48±0.08 0.50±0.06 ＞0.05慢性期 7 7.21±0.52 7.09±0.81 ＞0.05 0.36±0.06 0.47±0.03 ＜0.05

3 討 論

3.1 彌散張量成像基本原理 DTI是DWI技術的進一步發(fā)展,基本原理是利用水分子在生物組織中彌散具有各向異性特征,從多個方向上施加彌散梯度,分別采集數(shù)據(jù),在三維空間內(nèi)定量分析組織內(nèi)水分子的彌散運動,利用所得多種參數(shù)值成像。其中最常用參數(shù)的是各向異性分數(shù)ADVAV值、FA值。ADVAV值消除了ADC值受方向的影響,較真實地反映了組織內(nèi)水分子的彌散強度,不反映組織內(nèi)彌散的各向異性特征。組織破壞可致各向異性逐漸喪失,水分子自由彌散增強,ADVAV值升高。FA值是最常用來反映組織各向異性特征的指標,是彌散張量的各向異性部分與總彌散張量之比,取值范圍是0～1,1代表最大各向異性[8]。FA值的大小與髓鞘的完整性、纖維的致密性和平行性等有關。重建FA圖可顯示腦白質(zhì)纖維束的分布,清楚區(qū)分白質(zhì)與灰質(zhì)。DTT圖則是利用每個體素的方向信息重建整個白質(zhì)纖維束,直觀顯示腦白質(zhì)纖維的正常解剖及走行。DTI已成為功能磁共振成像的一個重要組成部分。

3.2 DTI在腦梗死中的應用

3.2.1 DTI對評價白質(zhì)纖維束受累程度及梗死灶范圍的價值FA圖和DTT圖可清晰顯示白質(zhì)纖維結構,本組5例超急性期病例未見明顯白質(zhì)纖維結構異常,14例急性期病例中10例白質(zhì)纖維束有受累改變,16例亞急性期病例中12例白質(zhì)纖維受累,13例慢性期病例中10例白質(zhì)纖維束受累。腦梗死后DTI觀察急性期或亞急性期白質(zhì)纖維束結構改變,對超急性期梗死后白質(zhì)纖維束結構改變尚不明顯,DTI檢查存在困難。收集病例中有9例病人因梗死灶體積小或鄰近白質(zhì)纖維,常規(guī)MRI及DWI不能判定纖維束是否受累,重建FA圖和DT T圖則顯示5例纖維束受累。Kunimatsu等[9]利用 DTI對8例急性或亞急性早期的腦梗死病人研究后發(fā)現(xiàn),梗死區(qū)接近但未累及錐體束的病人,治療后運動功能恢復較好,而梗死灶累及錐體束的病人,肢體肌力試驗下降,恢復不理想或持續(xù)時間長。結合常規(guī)MRI及DWI,DTI可在判斷梗死灶范圍、白質(zhì)纖維束損傷程度及評估預后等方面為臨床提供有價值信息。

3.2.2 DTI對腦梗死的臨床分期價值 5例超急性期病例常規(guī)M RI表現(xiàn)基本正常,DWI顯示梗死灶,DTI示梗死區(qū)ADVAV均減低,與健側相應對照區(qū)比較有統(tǒng)計學意義,FA值則變化不明顯,無統(tǒng)計學意義。在腦梗死的超急性期梗死區(qū)腦組織產(chǎn)生細胞毒性腦水腫,此階段組織內(nèi)水含量及T2弛豫時間尚沒有明顯變化,所以常規(guī)M RI顯示正常。因細胞毒性腦水腫,細胞外水分減少,引起組織水分子彌散強度下降,ADVAV值減低。有動物實驗顯示[10,11]顯示FA值在腦梗死發(fā)生后最初1 h～3 h內(nèi)升高,但在隨后即開始下降。但臨床多項研究[12-15]報道超急性期腦梗死組織FA值變化非常不一致,原因尚不清楚,可能主要與各研究者所獲取的觀測時間點不同有關,需進一步研究。

對急性期和亞急性期病例數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,14例急性期病例梗死區(qū)較健側相應對照區(qū)ADVAV值和FA值均減低,具有統(tǒng)計學意義。亞急性期病例16例梗死區(qū)與健側ADVAV值比較變化不一致,7例ADVAV值減低,5例ADVAV值接近健側對照區(qū),4例ADVAV值略增高,總體無統(tǒng)計學意義,而FA值均減低,具有統(tǒng)計學意義。本組急性期和亞急性期病例所觀察結果與同類研究結果相似[4,16]。在腦梗死急性期和亞急性期逐漸形成血管源性腦水腫,梗死區(qū)內(nèi)組織微結構受到破壞,組織中水含量增加,T2弛豫時間延長,常規(guī)M RI可以顯示梗死灶。在急性期ADVAV值仍然低于正常值,但隨著組織中水含量逐漸增加,水分子彌散程度增大,在梗死發(fā)生數(shù)天后ADVAV值逐漸增高可接近正常而出現(xiàn)假陰性。Knight等[17]認為ADVAV值出現(xiàn)假陰性期與梗死區(qū)內(nèi)細胞膜的完整性喪失,繼發(fā)中性粒細胞增多有關。Copen等[18]研究顯示在成人假陰性期大約出現(xiàn)在腦梗死發(fā)生后9 d左右,而新生兒大約出現(xiàn)在腦梗死發(fā)生后7 d左右,在臨床上基本對應腦梗死亞急性期。而此階段內(nèi)FA值呈持續(xù)下降,FA值下降與腦梗死后有序的腦組織微結構破壞,各向異性特征逐漸喪失有關。

對于13例慢性期病例,梗死區(qū)ADVAV值高于健側,FA值低于健側,均具有統(tǒng)計學意義。在腦梗死慢性期隨著限制水彌散的障礙物的進一步降解,使水分子在相同的彌散時間內(nèi)可以有更大的位移空間,水分子彌散強度加大。同時各向異特征進一步喪失,致使ADVAV值持續(xù)增高,FA值持續(xù)減低。

總結本研究所觀察結果并結合文獻分析認為ADVAV值結合FA值可以大致將梗死后腦組織水彌散異常分為以下四個階段。超急性期:ADVAV值減小,FA值正常或增大;急性期:ADVAV減小,FA值減小;亞急性期:ADVAV值由減低逐漸升高,可接近正常而呈現(xiàn)假陰性,FA值減小;慢性期:ADVAV值增大,FA值減小。然而對于超急性期FA值改變,不同學者觀測結果尚不盡一致,有待進一步研究。DWI是診斷超急性腦梗死最重要的手段,聯(lián)合運用DTI腦梗死分期可以更準確[19]。

3.2.3 DTI對腦梗死后錐體束Waller變性的評估 Waller變性是由于其上運動神經(jīng)元或軸突損傷而引起的遠端軸突和髓鞘的順行性變性,腦梗死是引起錐體束Waller變性的最常見原因。本組資料中慢性期錐體束受累病例的可觀察到遠離梗死灶的患側大腦腳、腦橋錐體束走行區(qū)信號降低,與健側比較FA值差異有統(tǒng)計學意義,組織各向異性彌散特征的改變,反映了Waller變性的存在,ADVAV值則無統(tǒng)計學意義。在較慢性期早的病例(距發(fā)病時間小于14 d)中FA值、ADVAV值均無統(tǒng)計意義[20-23]。以往的多項研究也證實,錐體束Waller變性的表現(xiàn)為FA值進行性下降,伴或不伴ADVAV值升高,腦梗死后有無錐體束Waller變性與病人運動功能缺損程度有關。Werring等[21]研究證實發(fā)病后2個月～6個月腦梗死病人,患側大腦腳FA值降低15%,而ADVAV無顯著改變,認為各向異性改變是由于軸突分解產(chǎn)生的細胞碎屑以及神經(jīng)膠質(zhì)增生導致神經(jīng)纖維束的完整性受到了損害。Uswatte等[23]報道,幕上腦梗死同側錐體束FA值進行性降低與持久性偏側肢體中至重度癱瘓相關,FA值降低越顯著,梗死早期和3個月后運動功能受損越嚴重。

DTI是一種嶄新的MR成像技術,反映了腦組織內(nèi)水分子彌散的各向異性特征,可清晰顯示腦內(nèi)白質(zhì)纖維束的走行和分布,為了解腦功能與白質(zhì)通路間關系提供了強有力研究手段。在腦梗死診斷應用中,DTI與常規(guī)MRI及DWI相結合對梗死灶的解剖定位更準確,明確是否累及白質(zhì)纖維束及其損傷范圍。FA值與ADC值聯(lián)合應用有助于對腦梗死進行更精確的臨床分期,評估梗死發(fā)生時間。本研究僅對DTI應用于腦梗死進行了初步研究,時間短,樣本例數(shù)少,存在一定局限性,對梗死后白質(zhì)纖維改變與預后相關性,有待進一步研究。

[1]Sotak CH,Li L.M R imaging of anisotropic and restricted diffusion by simultaneous use of spin and stimulated echoes[J].Magn Reson M ed,1992,26:174-183.

[2]Thomalla G,Glauehe V,Koch M A,et al.Diffusion tensor imaging detects early Wallefian degeneration of the pyramidal tract after ischemic stroke[J].Neuroimage,2004,22:1767-1774.

[3]Le Bihan D,Mangin JF,Poupon C,et al.Diffusion tensor imaging:Concepts and applications[J].Neuroimage,2001,13:1174-1185.

[4]Parmar H,Golay X,Lee KE.Early experiences with diffusion tenso r imaging and magnetic resonance tractography in stroke patients[J].Singapore Med J,2006,47:198-203.

[5]Guo AC,MacFall JR,Provenzale JM,et al.Multiple sclerosis:Diffusion tensor M R Imaging fo revaluation of normal appearing white matter[J].Radiology,2002,222(3):729-736.

[6]Ciccarelli O,Parker GJM,T oosy AT,et al.From diffusion tractography to quantitative white matter:A reproducibility study[J].Neuroimage,2003,18(2):348-359.

[7]Nelles M,Gieseke J,Flacke S,et al.Diffusion tensor pyramidal tractography in patients with anterior choroidal artery infarcts[J].AJNR,2008,29:488-493.

[8]Sundgren PC,Dong Q,Gómez-Hassan D,et al.Diffusion tenso rimaging of the brain:Review of clinical applications[J].Neuroradiology,2004,46:339-350.

[9]Kunimatsu A,Aoki S,Masutani Y,et al.T hree-dimensional white matter tractog raphy by diffusion tensor imaging in ischaemic stroke involving the corticospinal tract[J].Neuroradiology,2003,45(8):532-535.

[10]Carano RA,Li F,Irie K,et al.Multispectral analysis of the temporal evolution of cerebral ischemia in the rat brain[J].J Magn Reson Imag,2000,12:842-858.

[11]楊艷梅,馮曉源,倪建明,等.大鼠急性腦缺血擴散張量成像各參數(shù)變化的實驗研究[J].中國醫(yī)學影像技術,2007,23(2):184-187.

[12]Harris AD,Pereira RS,Mitchell JR,et al.A comparison of images generated from diffusion-weighted and diffusion-tensor imaging data in hyper-acute stroke[J].J Magn Reson Imaging,2004,20(2):193-200.

[13]Bhagat YA,Hussain MS,Stobbe RW,et al.Elevations of diffusion anisotropy are associated with hyper-acute stroke:A serial imaging study[J].Magn Reson Imaging,2008,26(5):683-693.

[14]鐘進,張云亭.MR擴散張量成像在急性腦梗死的臨床應[J].中華放射學雜志,2005,39(7):766-681.

[15]Ozsunar Y,Grant PE,Huisman TA,et al.Evolution of water diffusion and anisotropy in hyperacute stroke:Significant correlation between fractional anisotropy and T2[J].AJNR Am J Neuroradiol,2004,25(5):699-705.

[16]Gillard JH,Papadakis NG,Martin K,et al.M R diffusion tensor imaging of white matter tract disruption in stroke at 3T[J].Br J Radiol,2001,74:642-647.

[17]Knight RA,Dereski MO,Helpern JA,et al.MRIassessment of Evolving focal cerebral ischemia:Comparison with histopathology in rats[J].Stroke,1994,25:1252-1262.

[18]Copen WA,Schwamm LH,Gonzalez RG,et al.Ischemic stroke:Effects of etiology and patient age in the time course of the co re apparent diffusion coefficient[J].Radiology,2001,221:27-34.

[19]Harris AD,Pereira RS,Mitchell JR,et al.A comparison of images generated from diffusion-weighted and diffusion-tensor imaging data in hyper-acute stroke[J].J Magn Reson Imaging,2004,20(2):193-200.

[20]Pierpaoli C,Barnett A,Pajevic S,et al.Water diffusion changes in wallerian degeneration and their dependence on white matter architecture[J].NeuroImage,2001,13(6):1174-1185.

[21]Werring DJ,Toosy AT,Clark CA,et al.Diffusion tensor imaging can detect and quantify corticospinal tract degeneration after stroke[J].J Neurol Neurosurg Psychiatry,2000,69(2):269-272.

[22]Khong P L,Zhou LJ,Ooi GC,et al.The evaluation of wallerian degeneration in chronic paediatric middle cerebral artery infarction using diffusion tensor M R Imaging[J].Cerebrovasc Dis,2004,18(3):240-247.

[23]U swatte G,Taub E,Morris D.The moto r activity Log-28:A ssessing daily use of the hemiparetic arm after stroke[J].Neurology,2006,67:1189-1194.