磁共振彌散加權及張量技術在新生兒缺血缺氧性腦病中的應用

穆 靚，楊 健，魚博浪

缺氧缺血性腦病(hypoxic-ischemic encephalopathy,HIE)是新生兒危害最大的常見病之一。新生兒HIE的病死率高、神經后遺癥多見，給家庭和社會造成了極大的危害。所以，對新生兒HIE的影像診斷和預后評定方法研究始終是一項直接關系國民素質和生活質量的重要醫學課題。

近年來的研究發現，磁共振彌散加權成像(diffusion-weighed imaging, DWI)和彌散張量成像(diffusion-tensor imaging, DTI)技術在該疾病的早期診斷、量化評估和預后分析、超微結構與功能變化研究等方面具有明顯的優勢和前景，本文將對其展開系統回顧。

1 HIE的病理生理學機制及損傷特點

由于新生兒神經系統發育的特殊性，其對缺血缺氧更為敏感，損傷的病理生理機制復雜，主要呈級聯反應式表現(見圖1)。

足月新生兒HIE的損傷部位主要集中在髓鞘形成旺盛區、NMDA受體密集區和腦血管分布的分水嶺地帶(矢狀旁區為主，見圖2右側)。輕中度HIE時，腦血流自動調節使得血管分水嶺區處于血流低灌注，該區域皮層以及皮層下白質受損明顯。

圖1 缺血缺氧性腦損傷時病理生理級聯式反應示意圖Fig.1 Diagram illustrates the cascade of events contributing to brain injury in hypoxic-ischemic.

圖2 早產兒與足月兒腦血管及輕中度HIE易損區分布圖。左側為早產兒，易損區位于側腦室周圍；右側為足月兒，易損區位于矢狀旁區。細箭頭：趨腦室動脈；粗箭頭：離腦室動脈Fig.2 Patterns of vascular supply and the vulnerable regions of preterm and term brain in mild to moderate hypoperfusion.Schematic of the preterm infant(left)and that of the term infant(right) illustrates how the vascular supply changes with maturation and affects the pattern of brain injury in HIE.Small arrow(left)means ventriculopetal artery, and big arrow(right)means ventriculofugal artery.

由于早產兒(＜36孕周)與足月新生兒腦血管分布及其模式的不同，對于輕中度HIE，易損區域存在著明顯差異(見圖2左側)。早產兒側腦室周圍白質血流量僅為灰質的1/4，發生損傷時，室周腦白質最易受損，這是早產兒易出現腦室周圍白質軟化癥(periventricular leukomalacia, PVL)的根源。另外，當缺氧缺血后再灌注時，室周生發基質極易出血，這與早產兒生發基質毛細血管單層內皮發育不成熟、富含線粒體且對缺氧敏感有關[1]。所以，早產兒易出現側腦室內出血(intraventricular hemorrhage,IVH)。

足月兒重度HIE以深部灰質(殼核、丘腦腹外側核、海馬、腦干背側、外側膝狀體等)和中央前回皮層(the perirolandic cortex)為主，若損傷持續時間較長，皮層亦可廣泛損傷。早產兒重度HIE主要表現為丘腦、基底節區、海馬、小腦及皮質脊髓束損傷，由于丘腦、蒼白球髓鞘化早于紋狀體與中央前回，所以早產兒丘腦、前蚓部以及腦干背側更常受累。

2 DWI及DTI的原理及其參數

彌散(diffusion)是水分子的隨機運動，即布朗運動。通過施加彌散敏感梯度，DWI可以反映水分子的彌散運動幅度。由于該成像過程并不能區別分子運動的原因：如熱梯度、壓力梯度以及離子間的相互作用，因而DWI所測量的分子運動只能以表觀彌散系數(apparent diffusion coefficient, ADC)來表示，該參數有效地去除了DWI中的“T2效應”。

DTI則可在DWI基礎上，施加大于6個非線性方向的梯度場，獲取能描述水分子運動方向的張量圖像。根據水分子彌散的受限程度，彌散分為各向同性(isotropy)彌散(運動軌跡近似一個圓球體)和各向異性(anisotropy)彌散(運動軌跡近似一個橢球體)。圓球體、橢球體的半徑稱之為本征向量(eigenvector,v)，其數值大小為本征值(eigenvalue, λ)，而橢球體中最大半徑為主本征向量，其數值大小稱為主本征值。目前主要采用3個本征值(λ1、λ2和λ3)來反映單個體素的走行方向，由其演化出的常用DTI參數如下：

⑴平均彌散系數(average diffusion coefficient,Dav)：主要反映彌散運動的快慢而忽略彌散方向，采用彌散張量的痕量(trace)，即三個本征值之和來表示，取其平均值即得到每一像素的Dav，更加全面反映彌散快慢。

⑵部分各向異性(fractional anisotropy, FA)或稱各向異性分數：

FA是彌散各向異性與整個彌散的比值，FA 值從0 (最大各向同性) 到1 (最大各向異性) 。

⑶相對各向異性(relative anisotropy, RA)：

⑷軸位彌散張量λ∥(axial diffusivity, AD)：代表最大彌散張量方向的彌散范圍，是彌散張量的第1個

本征值。可以用來表征平行神經纖維軸索方向的彌散，反應神經軸索的數量、粗細和病理變化情況。

⑸垂直彌散張量λ⊥(radial diffusivity, RD)：代表垂直于最大彌散方向的張量，是第2及第3本征值的平均值。可以用來表征垂直于神經纖維軸索方向的彌散，間接反映髓鞘的發育和完整性，及病理變化情況。隨著模擬軸索數量的增加，阻力改變，彌散張量亦改變(見圖3)。

圖3 隨模擬的軸索數量增加彌散張量變化示意圖AD左＞AD右，RD左＞＞RD右，FA左＜FA右Fig.3 Schematic diagram of anisotropy changes with the increasing axonal simulation.ADleft＞ADright, RDleft＞＞RDright,FAleft＜FAright.

3 DWI及ADC圖在HIE中的應用研究

DWI技術可以及時反映腦缺血早期細胞內水腫所致的彌散受限。大鼠HIE實驗表明，阻斷單側頸內動脈1～2小時甚至20分鐘之內[2,3]，細胞性水腫所致的彌散受限在DWI上有高信號、ADC圖有低信號表現，DWI異常范圍與病理梗死大小相一致，而普通MRI的T2WI在24小時以后才能顯示信號改變。目前，HIE的有效支持療法之一是亞低溫治療，尤其對輕型HIE治療更加有效，其最佳治療窗是損傷后2～6小時[4]，DWI及ADC圖可以早期、及時地發現細胞內水腫，為亞低溫治療提供依據。

ADC值的下降變化過程可以評估HIE的損傷程度，并提示預后。ADC值明顯下降表明腦損傷嚴重，尤其當基底節、丘腦T1WI、T2WI以及DWI均沒有異常信號表現而ADC值明顯降低時，表明神經系統預后不良[5]。根據大鼠頂葉皮層缺血缺氧性的嚴重度，可以將ADC的改變分為三種類型[6]：ADC持續下降型(重度缺血缺氧)、ADC雙期下降型(中度缺血缺氧)及ADC短暫下降型(輕度缺血缺氧)。中重度缺血缺氧最終平均ADC值范圍分別為中度4.08±0.37×10-4mm2/s、重度3.93±0.28×10-4mm2/s，病理改變為腦組織梗死；輕度缺血缺氧最終平均ADC值范圍為4.97±0.40×10-4mm2/s，病理改變為選擇性神經元死亡。輕度缺血缺氧出現短暫性的ADC值下降，隨后會迅速恢復正常，此時并不能代表神經元的完全恢復，而是仍然會有部分神經元凋亡的產生[3]，損傷后及時予以神經保護性治療可以盡量挽救神經組織，具有治療價值。

DWI以及ADC的信號改變可以反映細胞分子水平的信息變化。少突膠質細胞前體細胞是有氧剝奪的易損細胞，線粒體功能的異常協同谷氨酰胺的聚集對其存在毒性損傷[7,8]，最終導致細胞凋亡基因的啟動，活化的caspase-3被認為是caspase基因家族中細胞凋亡內、外通道的最終執行者。HIE損傷后24小時，ADC信號減低趨勢與caspase-3的活化存在明顯的時空相關性[9]，反映了細胞因子、炎性介質導致的凋亡機制發生。

隨著年齡增加，腦組織髓鞘不斷發育，神經元逐漸修飾成熟，腦組織含水量減少，ADC值可隨之降低[10]。對于HIE的診斷，需根據孕周，重點觀察患兒的易損區域，并將ADC圖與常規MRI信號對比觀察。HIE時，DWI、ADC圖及常規MRI信號改變復雜多樣[11-14](見圖4)。

由圖中信號變化也可以發現，雖然DWI以及ADC圖可以及時顯示HIE的發生，但是隨著時間推移，細胞性水腫減輕，血管性水腫加重，當兩者處于平衡期時，大約是新生兒HIE之后1周，DWI呈現假陰性表現，此時需要結合其他影像檢查以防止漏診。

總之，HIE的實驗動物模型和臨床MRI表現紛繁復雜，影像學診斷時需要密切結合腦發育的特點，同時根據發病類型、損傷的嚴重程度和發病時間，合理選擇MRI檢查方法綜合分析。ADC圖可在HIE的早期診斷、損傷判定、預后分析等方面提供有利的支持。

圖4 新生兒重度HIE的DWI、ADC及常規MRI信號改變圖。注：↑↑表示信號明顯升高，↑代表信號輕度升高，－代表陰性發現，↓↓代表信號明顯下降，↓代表信號輕度下降，*代表新生兒缺血缺氧；粗線箭頭為合并出血時信號改變Fig.4 Different signal intensity of newborn severity HIE with DWI, ADC and conventional MRI.↑↑shows significant increase of signal intensity, ↑ shows slight increase of signal intensity, － shows no change,↓↓shows significant decrease of signal intensity,↓ shows slight decrease of signal intensity.Asterisk illustrates neonatal hypoxic ischemic.Big arrow illustrates hemorrhage at the same time.

4 DTI在HIE中的應用研究

HIE時DTI持續性的信號改變，反應細微結構的異常，彌補了DWI出現假正常化期的不足。彌散張量纖維束成像(diffusion tensor fiber tractography, DTIFT)通過顯示HIE所致主要纖維通路的損傷，可以直觀顯示HIE解剖構造的變化與腦功能區域的關聯。

目前研究表明，HIE時FA值常是下降的，這與病理改變相一致。缺血缺氧時，細胞水腫，軸索斷裂，細胞外間隙縮小，細胞外水分子的彌散運動明顯受限，各向異性程度減低。所以，FA值可以量化評估HIE的病情輕重[15,16]，FA值下降越明顯，損傷程度越嚴重。

由于疏水的細胞膜和髓鞘的作用，水分子的彌散運動在與神經纖維走行一致的方向受到的限制最小，表現為水分子在有髓白質纖維中沿著平行于纖維方向的彌散速度快于沿垂直于纖維方向的彌散速度。AD和RD可以用來反映軸索和髓鞘的精細解剖結構變化，但是目前該方面尚鮮有DTI臨床應用的報道。

大量的動物實驗表明：AD以及RD的改變不僅可以提示HIE的損傷程度，更能夠為預后提供參考。當髓鞘形成不良或脫失時，垂直于軸索的水分子的運動障礙明顯減輕，RD明顯升高，隨著少突膠質細胞的增生、髓鞘的修復，RD升高幅度將減低[17,18]。若軸索損傷，平行于軸索方向水分子的運動明顯受限，AD值一般是降低的，隨著軸索的恢復，AD可以有所回升[19]。輕度損傷時，髓鞘變薄脫失(RD增高)。重度損傷時，會出現嚴重的軸索受損、神經元死亡等腦組織結構破壞(AD下降)，其恢復能力將微乎其微，尤其是AD、RD都明顯降低，提示不可逆性神經損傷(見表1)。以上DTI量化參數的變化與組織病理學改變具有良好的一致性[15,20,21]，可以反映軸索和髓鞘的結構改變。

由于HIE易發生于白質纖維走行區域，尤其見于PVL。DTI-FT會顯示相應纖維束的長度縮短、走行偏移及纖維數量、容積縮小等異常，特別是皮質脊髓束、皮質延髓束等主要神經纖維通路，DTI-FT可清晰顯示其變化，結合3D彩色張量圖，可以確定周圍毗鄰的主要的白質纖維束方向的受累程度[22,23]。對于小的纖維環路如小腦-丘腦-皮層環路，因分辨率等原因常顯示欠佳，這有待于磁共振彌散波譜成像(diffusion spectrum imaging, DSI)等更先進技術的臨床應用[24]。另外，DTI-FT與腦功能MRI(fMRI)綜合應用，可以將腦組織的解剖與功能相結合，從神經通路水平解釋HIE的臨床表現。

表1 外囊區實驗大鼠HIE各項DTI參數變化趨勢表

5 展望

目前，隨著圍產期醫療技術的不斷提高，重度HIE的發病率已明顯下降，而輕型HIE的發病率正不斷升高。研究表明：輕型HIE與兒童認知功能障礙、小兒多動癥等疾患密切相關[25,26]。輕型HIE的解剖形態學異常表現細微，在常規MRI上常難以用肉眼來識別。以往多靠常規MRI序列三維采集，腦灰、白質分割和計算容積后[27,28]，采用量化分析得出結果，該技術尚不能對細微損傷進行明確定位。DTI多參數測量和神經纖維束跟蹤技術為輕型HIE的診斷開啟了新的途徑，隨著DTI衍生序列與技術的開發和應用，以及專用分析平臺(如tract-based spatial statistics, TBSS)的完善[29]，尤其是DTI和fMRI的結合，將為HIE的MRI早期診斷、預后評估、療效評價提供新的有益支持和保證，具有明顯的臨床應用優勢。

[1]Huang BY, Castillo M.Hypoxic-ischemic brain injury:imaging findings from birth to adulthood.Radiographics,2008,28(2):417-439; quiz 617.

[2]Wang Y, Cheung PT, Shen GX, et al.Hypoxic-ischemic brain injury in the neonatal rat model: relationship between lesion size at early MR imaging and irreversible infarction.Am J Neuroradiol, 2006,27(1):51-54.

[3]Tomoko H, Naoyuki M, Toshihiko K, et al.Transient ADC change precedes persistent neuronal death in hypoxic-ischemic model in immature rats.Brain Res,2006,1100(1):136-141.

[4]Gluckman PD, Wyatt JS, Azzopardi D, et al.Selective head cooling with mild systemic hypothermia after neonatal encephalopathy: multicentre randomised trial.Lancet, 2005,365(9460):663-670.

[5]Liauw L, van Wezel-Meijler G, Veen S, et al.Do apparent diffusion coefficient measurements predict outcome in children with neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy?Am J Neuroradiol, 2009,30(2):264-270.

[6]Miyasaka N, Nagaoka T, Kuroiwa T, et al.Histopathologic correlates of temporal diffusion changes in a rat model of cerebral hypoxia/ischemia.Am J Neuroradiol,2000,21(1):60-66.

[7]Deng W, Yue Q, Rosenberg PA, et al.Oligodendrocyte excitotoxicity determined by local glutamate accumulation and mitochondrial function.J Neurochem, 2006,98(1):213-222.

[8]Back SA, Han BH, Luo NL, et al.Selective vulnerability of late oligodendrocyte progenitors to hypoxia-ischemia.J Neurosci, 2002, 22 (2) : 455-463

[9]Wendland MF, Faustino J, West T, et al.Early diffusionweighted MRI as a predictor of caspase-3 activation after hypoxic-ischemic insult in neonatal rodents.Stroke,2008,39(6):1862-1868.

[10]Schneider MM, Berman JI, Baumer FM, et al.Normative apparent diffusion coefficient values in the developing fetal brain.AJNR Am J Neuroradiol, 2009,30(9):1799-1803.

[11]Boichot C, Walker PM, Durand C, et al.Term neonate prognoses after perinatal asphyxia: contributions of MR imaging, MR spectroscopy, relaxation times, and apparent diffusion coefficients.Radiology, 2006,239(3):839-848.

[12]Obenaus A, Ashwal S.Magnetic resonance imaging in cerebral ischemia: Focus on neonates. Neuropharmacology,2008,55(3):271-280.

[13]Takeoka M, Soman TB, Yoshii A, et al.Diffusionweighted images in neonatal cerebral hypoxic-ischemic injury.Pediatr Neurol, 2002,26(4):274-281.

[14]Wolf RL, Zimmerman RA, Clancy R, et al.Quantitative apparent diffusion coefficient measurements in term neonates for early detection of hypoxic-ischemic brain injury: Initial experience.Radiology, 2001,218(3):825-833.

[15]Thomas B, Eyssen M, Peeters R, et al.Quantitative diffusion tensor imaging in cerebral palsy due to periventricular white matter injury.Brain,2005,128(11):2562-2577.

[16]Ward P, Counsell S, Allsop J, et al.Reduced fractional anisotropy on diffusion tensor magnetic resonance imaging after hypoxic-ischemic encephalopathy.Pediatrics,2006,117(4):e619-630.

[17]Song SK, Sun SW, Ramsbottom MJ, et al.Dysmyelination revealed through MRI as increased radial (but unchanged axial) diffusion of water.Neuroimage, 2002,17(3):1429-1436.

[18]Song SK, Yoshino J, Le TQ, et al.Demyelination increases radial diffusivity in corpus callosum of mouse brain.Neuroimage, 2005,26(1):132-140.

[19]Song SK, Sun SW, Ju WK, et al.Diffusion tensor imaging detects and differentiates axon and myelin degeneration in mouse optic nerve after retinal ischemia.Neuroimage,2003,20(3):1714-1722.

[20]Budde MD, Kim JH, Liang HF, et al.Toward accurate diagnosis of white matter pathology using diffusion tensor imaging.Magnetic Resonance in Medicine,2007,57(4):688-695.

[21]Wang S, Wu EX, Cai K, et al.Mild hypoxic-ischemic injury in the neonatal rat brain longitudinal evaluation of white matter using diffusion tensor MR imaging.AJNR Am J Neuroradiol, 2009,30(10):1907-1913.

[22]Lee SK, Kim DI, Kim J, et al.Diffusion-tensor MR imaging and fiber tractography: A new method of describing aberrant fiber connections in developmental CNS anomalies.Radiographics, 2005,25(1):53-65.

[23]van Pul C, Buijs J, Vilanova A, et al.Infants with perinatal hypoxic ischemia: Feasibility of fiber tracking at birth and 3 months.Radiology, 2006,240(1):203-214.

[24]Wedeen VJ, Wang RP, Schmahmann JD, et al.Diffusion spectrum magnetic resonance imaging (DSI) tractography of crossing fibers.Neuroimage, 2008,41(4):1267-1277.

[25]Ferriero DM.Neonatal brain injury.N Engl J Med,2004,351(19):1985-1995.

[26]Scafidi J, Gallo V.New concepts in perinatal hypoxia ischemia encephalopathy.Curr Neurol Neurosci Rep,2008,8(2):130-138.

[27]Inder TE, Warfield SK, Wang H, et al.Abnormal cerebral structure is present at term in premature infants.Pediatrics,2005,115(2):286-294.

[28]Woodward LJ, Anderson PJ, Austin NC, et al.Neonatal MRI to predict neurodevelopmental outcomes in preterm infants.N Engl J Med, 2006,355(7):685-694.

[29]Maddah M, Grimson WEL, Warfield SK, et al.A unified framework for clustering and quantitative analysis of white matter fiber tracts.Medical Image Analysis,2008,12(2):191-202.