彌散張量成像對中樞神經系統疾病腦白質各向異性的研究進展

劉 澍，趙 寧

彌散張量成像對中樞神經系統疾病腦白質各向異性的研究進展

劉 澍，趙 寧

磁共振彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是在彌散加權成像的基礎上發展而來，是磁共振成像的一種特殊形式。磁共振彌散張量成像利用組織水分子擴散運動存在各向異性(fractional anisotropy，FA)相關參數，可以檢查到神經系統病理腦白質改變的信號及變化，從而可以更好地協助臨床判斷疾病的嚴重程度及預后。目前已逐漸運用于神經科、康復科、老年科等多種科室。現就DTI對神經系統疾病多個疾病病變部位腦白質結構的研究來闡述DTI中FA值的運用現狀及其發揮的作用。

中樞神經系統疾病；彌散張量成像；各向異性

彌散張量成像是由Basser等在1994年首次提出[1]，它是彌散加權成像的發展和深化，并且成為目前神經系統功能研究的一大熱點。所謂彌散，是指分子隨機不規則運動，是人體重要的生理功能，是體內物質轉運方式之一，又稱之為布朗運動，其過程是一個三維過程，根據分子空間某一方向彌散的距離相同或不同，可以將運動方式分為兩種，如同純水中水分子的彌散即為各向同性彌散，在人腦組織中，腦脊液及大腦灰質中水分子的彌散近似各向同性彌散。另一種彌散具有方向依賴性，在按一定方向排列的組織中，分子向各個方向彌散的距離不相等，則稱為各向異性(anisotropic)彌散，通過布朗運動傳遞的信號來進行追蹤，從在MR中測量的物理過程[2]。因此，磁共振彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)在此基礎上發展，可以通過腦部水分子運動來顯示大腦組織結構的不同條件下的動態變化，協助臨床判斷疾病嚴重程度及預后。 關于DTI的研究有很多影像學參數，其中包括各項同性的平均彌散率(mean diffusivity，MD)和各向異性程度的部分各向異性(fractional anisotropy，FA)、相對各向異性(relative anisotropic，RA)及表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient ，ADC)、纖維束追蹤技術(fiber tractography，FT)[3-4]。雖然各個參數都可以在一定程度方面顯示腦部組織結構，但國內外眾多研究均將FA作為主要參數來反映腦白質纖維束成像的指標[5-7]。 FA是水分子各向異性成分占整個彌散張量的比例，范圍為0～1。在腦白質中，其值越接近1，表明纖維束細胞膜、髓鞘以及軸索完整性良好，如果接近于0，則表明纖維束被破壞或者發育不成熟，細胞膜、髓鞘以及軸索方向一致性不完整[8]。除了其測量值較準確外，不隨坐標系統旋轉方向的改變而改變，且 FA 值是組織的物理特性，在同一對象不同時間、不同成像設備及不同對象間獲得的數值具有可比性。目前，已有運用DTI研究正常人腦白質發育變化，不僅發現嬰幼兒時期FA值較低，隨著年齡的增長，其值逐漸升高，反映了腦白質纖維組織逐漸發育完善[9-10]。而且發現除去各種因素差別，語言表達和動手操作能力等一些行為能力與相關腦白質FA值有較大聯系，FA越高，能力越高[11-12]。這為運用DTI研究神經系統疾病受損程度及進展提供了預后判斷的依據。

DTI中FA值目前在中樞神經系統疾病中診斷及療效評價中，主要運用于腦癱、阿爾茨海默病、癲癇、肌萎縮側索硬化、腦卒中等方面的疾病，并取得了一定的研究成果，現綜述如下。

1 腦 癱

腦癱為嬰兒出生前到出生后1個月內，由于各種原因導致的非進行性腦損害綜合征，其發病率高，由于患兒身體出于發育起始階段，其語言、動作、視覺、聽覺的表現都缺乏特異性，在早期很難與其他疾病鑒別。因此磁共振對于診斷腦癱具有非常重要的意義，常規的MRI雖然對腦癱病人有很高的特異性，但對于腦白質的異常改變在成像上仍有不足，而DTI可以很好地反映出腦白質改變程度。目前研究表明DTI發現腦癱患兒纖維異常及FA變化范圍要大于常規MRI掃描，不僅異常區域，正常區域也顯示出異常，且FA對輕度隱蔽性損傷更為敏感[13-15]。如圖1所示[13]。

常規MRI未見異常 左側FA值降低 DT1圖像

除此之外，還發現在進行物理、作業等康復治療后，研究所選擇的感興趣區域FA值有不同程度的增高[15-16]，提示外界的刺激可促進大腦白質再生和修復。腦白質損害早期為細胞毒性水腫，影響水分子擴散，其有髓纖維束間間隙縮小，限制水分子沿神經纖維方向運動，從而各向異性減低，所以FA值降低表明白質損傷部位纖維可能被破壞，影響大腦信息的傳遞，導致各種功能缺失。嬰幼兒大腦功能仍在不斷地完善，其自我修復能力比較強大，因此運用DTI的FA值進行檢測，可以早期診斷及早期干預和治療，Chaturvedi等[17]就曾用DTI中FA值用來比較物理療法聯合或不聯合肉毒素治療腦癱患兒的差別，發現兩種方法都促進了FA值的改變，但兩種方式差異不大，可以避免過度治療。

2 阿爾茨海默病

阿爾茨海默(Alzheimer’s disease，AD)包括AD癡呆、前驅性AD和潛伏性AD[18-20]，其臨床表現主要為記憶障礙、認知障礙(語言功能障礙、視空間功能受損、失認及失用、計算力障礙)、精神障礙(抑郁或焦慮等)。其特征性病理表現為老年斑、神經元纖維纏結、神經氈細絲和基底前腦膽堿能神經元丟失[21]。然而由于其臨床表現復雜，通過癥狀及神經心理學檢測的判斷，往往錯過最佳治療時期，導致疾病預后較差，死亡率也高[22]。影像學上已經有很多文獻證明AD病人腦灰白質和結構功能的改變[23-24]，但卻在研究腦白質纖維是否對AD有關方面一直存在欠缺。現如今，國內外越來越多引用DTI研究AD，并且取得了一定成果。Mielke等[25]研究中表明利用DTI成像發現實驗組中AD病人中腦白質出現異常，且感興趣區大多數在雙側扣帶束前、后部，胼胝體膝部、體部、壓部，內囊前后部等，其FA水平比對照組降低[26-27]。AD在雙側扣帶束前、后部、連合系(胼胝體膝部、體部及壓部)、投射系(內囊前、后肢)的感興趣區FA值較對照組均減低胼胝體壓部FA值降低[28-29]，FA值降低意味著白質纖維破壞，進而破壞大腦特定區域，與AD的發生是有關聯的，為提高AD診斷率提供更加可靠的理論依據。

3 癲 癇

關于癲癇最常見的病理是海馬硬化，它既可能是癲癇反復發作的結果，也可能是導致癲癇反復發作的病因。研究發現通過DTI可以檢測到癲癇病人海馬區FA的異常，提示其值的降低。除此之外，還發現其他腦區域的改變。有文獻表明在雙側丘腦、島葉、枕葉、扣帶回等部位有FA值改變[30-32]，Focke等[33-34]證實在腦干、小腦存在著FA值減少的區域。同時Liang[35]、Whelan[36]和Widjaja等[37]還發現在胼胝體膝部FA值的下降，這些區域的改變，可能是由于長期癲癇發作，引起神經元變性，髓鞘缺失和軸突膜退化導致的腦白質纖維束變性，導致各向異性降低[38]。在康復治療上不能只局限在海馬區，DTI可以提供其他區域的病變，擴大治療范圍，減少病人痛苦的時間和提高療效。

4 肌萎縮側索硬化(ALS)

肌萎縮側索硬化是一個累積上、下運動神經元的神經系統進行性變性病。目前依靠肌電圖、神經等相關檢查可以查出下運動神經元(LMN)的損害，但由于上運動神經元(UMN)改變臨床表現診斷誤差較大，易給ALS的診斷造成一定的困擾。DTI可檢測到MRI無法顯示的微觀病變，各種組織結構完整性，有助于ALS的早期UMN損害的辨識和完善診斷。徐艷煒等[39]和唐梅麗等[40]發現處在無UMN癥狀或早期擬診后期確診的病人中DTI報告顯示，內囊后肢、大腦腳、延髓錐體處FA值降低，反映了這些區域限制水分子自由運動的屏障被破壞[39]。除了中樞運動傳導系統外，Senda等[41-42]發現ALS病人腦部非運動區及錐體束以外的白質已有變化，有研究也顯示病人中央后回皮質下白質和胼胝體的FA值均明顯減低[43-44]，Liu等[45]發現ALS病人皮質脊髓束FA值顯著降低，這說明DTI不僅可以幫助檢測UMN病變，而且還可以檢測到更廣泛的標志損害，提示ALS不單純損害運動系統，而是損傷范圍更廣泛的系統性疾病，給疾病的治療提供了更為廣闊的思路。

5 腦卒中

腦卒中發病后大腦存在自我修復能力，包括軸突生長、突觸形成等神經重建，或者原有白質恢復。卒中后因白質重塑具體方式不明確，從而使得病情評估、預后療效的判斷產生一定局限性。DTI的使用提供了一個很好的方法去評估腦卒中病人的大腦狀況。王凱等[47]曾收集過17例中重度急性腦卒中病人康復前后梗死灶FA值變化，發現發病1周梗死灶區平均FA值較健側明顯降低，其他文獻也證實了這一點。康復治療后病灶部位的FA升高，且在一定范圍內，病灶區健患側FA差值越大，治療效果越明顯，提示發病早期的FA值可在一定程度上預測其康復治療療效。關于腦卒中引起的運動功能障礙，與皮質脊髓束(CST)完整性有很大關系，FA可以很好地反應CST是否完整，是軸突完整性較敏感指標[48-49]。

有研究得出DTI顯示CST較完整，則腦卒中病人肢體肌力恢復預后較好[49-52]，在測量FA值前，都會選擇感興趣區域(regions of interest，ROI)，以求提高對CST的FA取值準確性，最常見的有大腦腳、內囊后肢區和放射冠。Koyama等[53-55]發現大腦腳區域FA值對評估腦出血病人運動功能恢復情況的準確性更高。因此，可以根據FA值的改變來評價疾病的嚴重程度及康復治療的效果。

隨著科技的進步，各種各樣運用于幫助病人康復的儀器誕生，其中重復經顱磁刺激(rTMS)可用于腦卒中，改善病人癥狀。通過Demirtas-Tatlidede等[56-58]研究體現了不同頻率的rTMS，對于腦卒中病人促進其相應大腦區域(額葉、胼胝體等)FA值增高，且FA值的提高與運動改善有著正線性關系，恢復腦白質的完整性，改善病人功能障礙。

通過DTI的觀察發現，中國傳統治療針灸在對腦梗死也能促進腦白質纖維束的形成。運用“醒腦開竅”刺法針刺上星、百會、印堂及雙側內關，患側三陰交，并加以輔穴患肢極泉、尺澤和委中，每日1次，2周1個療程，進行為期3個療程的治療后FA值得到改善。為針灸在康復治療中提高了一個有力的證據。除此之外，陸建霞等[59]通過操作性肌電生物反饋療法幫助腦卒中病人恢復運動功能，其DTI結果顯示病灶周圍的FA值上升。

6 結 語

因DTI非侵入性大腦內部結構的優點，除了以上介紹的幾種運用DTI測定神經系統疾病FA值得改變外，在腦腫瘤、脊髓型頸椎病等其他方面有著廣泛的應用和認可，通過FA值得改變，不僅可以得出常見病灶腦白質的改變情況，發現其他區域腦白質的改變情況，從而對疾病可進行更為精確的認識、診斷及對預后的評估，也可以成為對診療手段的有效性進行評估，為選擇最佳治療方法提供一個客觀的數據，為病人病情恢復爭取時間。常規的核磁檢查只能客觀表達解剖結構的改變，而DTI既保留了原有的解剖成像特點，又可同時獲得生理學信息，且能更加精準的判斷不同治療方法的療效，比如可以通過DTI的FA值檢測多種物理因子聯用治療腦卒中運動功能受損病人，其效果是否比單一治療有效，從而縮短治療周期，幫助病人改善運動功能。雖然對于數據的采集和處理仍有不理想之處，但隨著DTI在臨床研究進入系統化和微觀化，其運用的前景將更為廣闊。

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(本文編輯王雅潔)

深圳市第六人民醫院(廣東深圳 518052)

趙寧，E-mail：298360561@qq.com

信息：劉澍，趙寧.彌散張量成像對中樞神經系統疾病腦白質各向異性的研究進展[J].中西醫結合心腦血管病雜志，2017，15(15)：1850-1853.

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A

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2016-03-17)