磁共振擴散張量成像在腦梗死中的研究進展

湯亞云 李瑞雄

【關鍵詞】 磁共振擴散張量成像;腦梗死;缺血半暗帶;皮質脊髓束

中圖分類號：R743.32 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2020.02.014

腦梗死是神經內科最常見的急重癥[1]，占全部腦卒中的60%～80%[2]，其主要病理生理過程為各種原因導致的局部腦組織血液循環障礙，并由此產生缺血缺氧性壞死，進而出現相應神經功能缺損和肢體活動障礙。腦梗死一般起病急驟，病死率和致殘率較高[3]，因此，早期診斷并及時進行臨床干預顯得尤為重要。隨著功能磁共振成像技術的日新月異，磁共振擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）作為目前唯一可無創性顯示和分析大腦白質纖維束的磁共振成像技術[4]，其在腦梗死方面的研究正逐步應用于臨床及科研中。本文將對DTI在腦梗死中的研究進行綜述。

1 DTI的發展史

1827年，Robert Brown首次發現擴散現象，即液體中的懸浮顆粒存在不規則的運動，后來這種現象被命名為布朗運動。1965年，Stejskal等[5]首次提出了磁共振擴散成像技術（diffusion weighted imaging，DWI），并通過該技術實現了對活體內水分子擴散運動的測定。1986年Le Bihan等[6]首次將DWI引入臨床，并應用于神經系統疾病中。1992年Basser等[7]在柏林磁共振年會上提出一種新的磁共振功能成像技術，即DTI，該技術可以從分子水平及三維角度來描述病灶，可以無創地、清晰地重建出腦白質纖維束的走行及空間分布，并通過顯示腦白質纖維束與腦內病灶的空間關系，進一步了解病灶對腦白質纖維束形態、結構的影響。經過近幾十年的發展，目前DTI技術在臨床上已廣泛應用于腦梗死、腦出血、腦腫瘤、阿爾茲海默病、癲癇、多發性硬化癥、精神分裂癥等疾病中，并逐步擴展應用于椎間盤和肌肉系統病變等方向[8～10]。

2 DTI的基本原理

擴散是指分子無規則的熱運動，人體內的水分子總是處于擴散狀態。水分子在組織內的自由擴散，既是生物體中重要的生理活動，也是體內物質轉運的重要形式。在完全均質的溶劑中，水分子的擴散是完全隨機、不受限制的，其在各個方向上的移動距離是相等的，此種擴散方式稱為各向同性擴散[11]。例如在純水溶液、腦脊液中，水分子的擴散方式即為各向同性擴散。但在人體內，由于細胞膜、細胞器、細胞間隙、大分子蛋白及其他組織結構的屏障作用，水分子向各個方向上的移動距離不相等，該種擴散方式稱為各向異性擴散[11]。例如在腦白質中，由于受到髓鞘、軸突等組織結構的限制，水分子主要沿腦白質纖維束走行的方向擴散，而向垂直于腦白質纖維束走行方向的擴散較少。DTI就是根據水分子在不均勻介質中的各向異性擴散的特點，通過在多個非線性方向上（至少6個以上）施加擴散敏感梯度場，從而實現對每個體素內水分子在各個方向上擴散情況的定量檢測。由于人體組織內水分子的運動主要是各向異性擴散，所以只要測定出單位體積內的各向異性數據，即可分析出人體組織內部微觀結構的變化。

3 DTI的常用參數

3.1 平均擴散度（mean diffusivity，MD）

MD反映某一區域內水分子擴散的整體情況，其不依賴于擴散的方向，只與擴散的速度有關。通常用表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）和平均擴散系數（average diffusion coefficient，DCavg）來表示。以ADC值為成像參數可以擬合出ADC圖，其反映組織內水分子擴散的快慢，當ADC值越大時，水分子擴散能力越強，ADC圖信號越亮。DCavg值是成像體素內各方向擴散幅度的平均值，主要反映擴散運動的快慢，當DCavg值越小時，水分子的擴散能力越受限制。

3.2 部分各向異性（fractional anisotropy，FA）

FA指水分子各向異性部分與總擴散張量的比值，是各向異性的常用指標。其取值范圍為0～1，當FA接近于1時，各項異性最大，當FA接近于0時，表示各項同性。以FA值為成像參數可以擬合出FA圖，其表示各向異性的比例。

3.3 容積比各向異性（volume ratio anisotropy，VRA）

VRA是指擴散橢圓體的擴散體積與相等的各向同性張量的球體體積的比率，它和FA一樣都是反映組織各項異性的常用指標，其取值范圍為0～1，當VRA趨近于1時，代表組織更具有各向同性的特征。

3.4 衰減指數（exponential attenuation，Exat）

Exat也稱指數ADC，反映組織的擴散特征，但與ADC的變化方向相反。

3.5 擴散張量纖維束成像（diffusion tensor tractography，DTT）

DTT是在DTI基礎上發展起來的一項新技術，它通過對DTI掃描數據進行后處理，即可立體、清晰地呈現出腦白質纖維束的走行，通常用于定位白質纖維束與病變之間的空間關系。

4 DTI在腦梗死診斷及臨床分期中的應用

腦梗死的臨床分期各家報道不一，國內一般采用Osborn分類方法，將腦梗死按照發病時間分為4期，即超急性期（發病時間<6小時）、急性期（發病時間6～72小時）、亞急性期（發病時間4天～8周）和慢性期（發病時間>8周）[12]。由于腦梗死的治療方案與患者的發病時間密切相關，故早期診斷腦梗死并準確判斷臨床分期具有重要意義。目前臨床上確定急性腦梗死的發病時間主要通過患者及家屬的主訴，這在一定程度上缺乏準確性及客觀性。Puig等[13]對25例發病時間小于4.5 h的腦梗死患者和35例發病時間大于4.5 h的腦梗死患者行DTI檢查，通過測量雙側大腦深部白質皮質脊髓束的FA值發現，rFA在兩組患者中存在顯著差異，提示FA值能夠識別發病時間小于4.5 h的腦梗死病人。但是，由于不同研究人員所設置的腦梗死分期標準不統一或感興趣區部位不同，對于FA值在超急性期腦梗死病灶區的變化特點，國內外報道尚未完全統一。Pitkonen等[14]通過縫合成年大鼠大腦中動脈建立缺血性腦梗死模型，并在超急性期、急性期、亞急性期和慢性期重復進行DTI掃描，收集相關參數，結果發現在超急性期，病灶區FA值不變，在急性期至亞急性期，FA值則逐漸下降。而張娣等人[15]研究發現，腦梗死區FA值在超急性期略增高，之后隨著發病時間的增加，FA值逐漸降低。由此看出，單獨應用FA值遴選超急性期腦梗死仍有一定的局限性。Sakai等[16]對44例不同發病時間的腦梗死患者行DTI成像，并依據測得的FA值及橫向擴散率的特點分為3型，Ⅰ型：病灶區FA值增加且橫向擴散率降低;Ⅱ型：病灶區FA值低于對側鏡像區且橫向擴散率增加;Ⅲ型：病灶區FA值明顯下降且橫向擴散率超過對側鏡像區。結果顯示，當發病時間小于24小時，I型和Ⅱ型為優勢型，當發病時間大于2天，Ⅲ型開始明顯增多。譚湘萍等[17]依據腦梗死患者的FA圖和DCavg圖信號特點，將腦梗死患者的DTI征象分為4型，即：Ⅰ型FA圖呈高信號，ADC圖呈低信號;Ⅱ型FA圖中心呈低信號、周圍呈高信號，ADC圖呈低信號;Ⅲ型FA圖、ADC圖均呈低或等信號;Ⅳ型FA圖呈低信號，ADC圖呈高信號。結果顯示急性期DTI征象以Ⅰ型和Ⅱ型為主，亞急性期DTI征象以Ⅱ型為主，慢性期DTI征象以Ⅳ型為主，直線相關分析表明腦梗死的臨床分期與 DTI征象的分型呈正相關，即腦梗死發病時間越長，DTI的分型越高。因此，通過聯合應用DTI技術的多個參數特點不但可以更好地反映腦梗死病灶區的病理生理變化，也能更準確地評估腦梗死的發病時間。

雖然常規MRI檢查可以較清晰地顯示急性腦梗死病灶，但是不能對腦梗死的臨床分期作出判斷，更不能診斷超急性期腦梗死。DTI作為近幾年發展起來的新技術，可以通過定量分析各參數值的演變規律，協助臨床對腦梗死的早期診斷和分期，值得大力推廣并應用。

5 DTI在缺血半暗帶中的應用

20世紀70年代末，英國醫學家Astrup通過動物實驗發現缺血半暗帶（ischemic penumbra，IP）。IP是指急性缺血后組織喪失電生理活動，但尚能維持電位和跨膜離子電位，結構、形態仍正常的腦組織。當血液供應能夠及時恢復時，該區域的電生理活性可以恢復到正常水平，若再灌注不及時，該區域將轉化為不可逆損傷區[18]。但是，由于多種條件的限制，大多數腦梗死患者很難在發病6 h內及時接受介入或者溶栓治療，因此，早期確定腦梗死后IP的存在有助于臨床診治。既往影像學上主要通過PWI-DWI不匹配來判斷IP區的存在，但是這種成像技術在緊急情況下常受到各種條件的限制。首先，注射釓造影劑可能導致腎源性全身纖維化，這就要求患者腎功能正常;其次，雖然DSC-MRI得出的灌注參數與PET定量結果有很好的相關性，但DSC-MRI可能高估了CBF并低估了MTT[19]。故而尋找簡單、有效的方法判斷IP的存在已成為臨床科研的熱點之一。張迷等人[20]聯合應用DTI和DWI在診斷急性腦梗死IP的應用中發現，IP區的FA值、Dcavg值及ADC值均低于對側鏡像區，但較梗死病灶中心區的FA值、Dcavg值及ADC值明顯升高，這說明應用DTI技術可以有效地鑒別梗死病灶中心區和IP區。Kuo等[21]通過設計動物模型，并利用DTI技術分析4.5小時內腦梗死核心區（infarct core，IC）與IP兩個區域的相對總擴散張量值的差異，結果發現相對總擴散張量值在鑒別IC與IP方面具有極高的診斷效能，同時該研究還表明DTI技術在區分IC和IP方面的敏感度與PWI-DWI不匹配相當。可見，DTI技術有助于急性腦梗死后IP的判斷，但是目前國內外關于單獨應用DTI在判斷急性腦梗死后IP方面的大樣本研究仍然較少，還需要進一步深入探討其有效性和可靠性。

6 DTI在腦梗死預后中的應用

缺血性腦梗死發病率逐年上升，致殘率居高不下，嚴重影響患者生活質量，早期判斷臨床預后可以有效地降低致殘率。目前臨床上主要通過應用卒中量表對腦梗死的預后進行評估，然而這種評價方式具有很大的局限性。DTI作為一項全新的影像技術，不少研究證實，其在評價腦梗死患者臨床預后中有重要的參考價值。胡建斌等[22]的研究結果發現腦梗死病灶區FA、DCavg和VRA值均低于對側，且從肌力功能預后良好組到預后差組腦梗死病灶區與對側區的FA、DCavg和VRA比值逐漸降低，提示FA、DCavg和VRA值可以為缺血性腦梗死患者的運動功能預后判斷提供有力的依據。但是，一些研究者認為，肢體運動功能主要由皮質脊髓束（corticospinal tract，CST）支配，腦梗死后運動功能缺損多與CST的受累有關，故定量分析腦梗死后同側CST的FA值也許可以更好地預測運動功能預后。Moller等[23]通過分析腦梗死患者在發病后第1～4天、第30天、第90天CST的FA指數和運動功能預后發現，FA指數下降越明顯，運動功能恢復越差，且運動功能恢復良好的患者FA指數均大于0.85。也有研究者[24]得出了相似的結果，即在早期腦梗死患者中，梗死病灶近端CST的FA值下降越明顯，其3個月的運動功能預后也越差。因此，DTI可以通過計算腦梗死后患側CST的FA值來判斷運動功能轉歸，但是目前仍缺乏腦梗死后患側皮質脊髓束上不同感興趣區FA值對運動功能預后價值的相關性研究。

由于DTI技術可以三維顯示白質纖維束，故也有不少學者通過觀察CST與病灶的關系來判斷腦梗死后運動功能的預后情況。路文革等[25]在應用DTT評價68例腦梗死患者運動功能預后研究中，通過重建患者的CST，并依據其受累程度分為4級，結果顯示1級患者CST僅輕度受壓、形態完整，發病后運動功能障礙較輕，經治療后患者運動功能恢復良好。2～3級患者CST部分纖維束中斷，此組患者發病后運動功能障礙較重，但經積極治療后，患者運動功能障礙大部分較前有明顯改善，3個月后運動功能恢復良好。4級患者CST全部或大部分從病灶中穿過，纖維束大部分中斷或破壞，患者早期即出現嚴重的運動功能障礙，經積極治療后，患者運動功能障礙恢復緩慢，3個月后運動功能預后也差。由此可見，CST受累程度越嚴重，患者運動功能預后越差。Kim等[26]對37例腦梗死患者在發病后5～30天內行DTI檢查，并在6個月后評估患者的運動功能，結果顯示CST完全中斷組6個月后運動功能恢復差，CST部分中斷組6個月后運動功能恢復較好，而CST完整組6個月后運動功能恢復良好，提示CST越完整，腦梗死患者的運動功能預后越好。而有研究進一步發現，腦梗死后運動功能預后不但與CST受累的程度相關，還與梗死病灶累及的部位相關，當病變累及內囊后肢時，患者運動功能恢復也較差，這可能與CST密集走行于該區域有關[27]。

7 DTI在腦梗死后皮質脊髓束沃勒變性中的應用

沃勒變性（Wallerian degeneration，WD）是指神經元近端損傷后引起遠端軸突和髓鞘的繼發性變性，它最早由英國科學家Waller于1850提出。中樞神經系統WD多發生于皮質脊髓束，主要原因包括腦出血、腦梗死、腦腫瘤、多發性硬化、阿爾茨海默病等疾病[28]。陳明等人[29]應用常規MRI和DTI動態觀察腦梗死后皮質脊髓束WD，通過軟件測量雙側大腦腳區的FA和ADC值，結果發現常規MRI及DWI在發病后第10天、第30天均未出現異常，僅在發病后第90天有5例患者出現患側大腦腳區異常高信號，而患側大腦腳區平均FA值在發病后（5.3±2.6）天即較健側降低9.9%，且在發病后第30天及第90天，患側大腦腳底FA值仍低于健側。由此可見，常規磁共振雖然可以在腦梗死后檢出皮質脊髓束WD，但是檢出時間較DTI明顯滯后，更難以定量評估WD的嚴重程度。雖然多數文獻[30～31]證實，通過測量腦梗死病灶同側皮質脊髓束的FA值可以在發病后一周內檢測出WD，但是關于DTI檢測皮質脊髓束WD的時間窗仍然參差不齊。Thomalla等[30]報道，腦梗死后同側皮質脊髓束的FA值在發病后第5天開始下降。Xie等[31]收集23例大腦中動脈腦梗死患者，運用DTI技術分析患側皮質脊髓束FA值發現，3例大面積梗死患者在發病后第3天即可發現患側皮質脊髓束FA值明顯降低，而其余20例小面積腦梗死患者在發病后第7天才出現患側皮質脊髓束FA值明顯降低，推測其原因可能是皮質脊髓束WD的時間與腦梗死的嚴重程度有關。綜上研究，DTI作為定量檢測腦白質微觀結構變化的敏感方法，能夠為早期評估腦梗死后皮質脊髓束WD提供新的影像學手段。

8 小結與展望

近年來，隨著磁共振的普及及功能磁共振成像技術的發展，常規磁共振在腦梗死診斷及預后評估方面的不足逐漸凸顯。與常規磁共振相比，DTI在腦梗死應用方面擁有更多的優點。首先，它可以診斷常規MRI難以顯示的超急性腦梗死病灶;其次，它可以反映病灶區水分子的運動規律，并提供定量信息;最后，它可以無創、直觀地顯示出腦白質纖維束的結構，同時還可以生動地顯示病灶和腦白質纖維束的空間關系。故在臨床上積極開展DTI檢查，對早期診斷腦梗死及評估缺血半暗帶具有重要的臨床意義，同時也為評價急性腦梗死患者的預后提供一種全新的影像學方法，具有廣闊的臨床應用前景。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2019-12-17 修回日期：2020-01-07）

（編輯：王琳葵 潘明志）