扩散张量成像在急性脊髓损伤中的研究进展

雷蕊艳，李文方

当今社会生活水平不断提高，交通事故发生率逐年增高，造成的急性脊髓损伤患者也逐渐增多。脊髓损伤是指由于多种因素最终导致损伤平面以下各系统功能变化的一种临床综合征。急性脊髓损伤发生迅速，且会造成不同程度的四肢瘫、截瘫等，导致患者的生活质量下降。由于其诊断标准不同，所以治疗方法、效果及预后也有所不同[1]。因此早期对急性脊髓损伤做出精确的评价，对于临床早期制订正确的治疗方案及对患者的预后评估至关重要。对于脊髓损伤首选磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)检查，但常规MRI对于脊髓本身解剖结构观察较多，常在严重的脊髓损伤中才表现出异常，而急性脊髓损伤要求早诊断、早治疗，对于早期损伤较轻者，常规MRI出现异常信号时，病情常常比较严重且多不可逆[2]，且其MRI检查结果常与临床中的严重程度不完全相关[3-5]。有研究表明，扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)能更敏感地检测出急性脊髓损伤[6-8]，且能定量评估其严重性[9]。

1 DTI的原理及参数

1.1 DTI的基本原理

扩散是指分子的布朗运动，它是一个矢量，不仅有大小还有方向。扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)能检测出水的扩散程度，但是对于方向它具有不确定性。DTI是在DWI基础上发展的新技术，通过对多参数的数据处理，在量和方向两个方面反映扩散变化，可以定量、定向地评价白质纤维束，并提供有关细胞的完整性及相关组织各向异性等病理信息[4，10]。DTI是在自旋回波序列的基础上，将敏感梯度场施加在互相垂直的X、Y、Z轴3个方向上，其至少要在6个不同非共线方向上施加敏感梯度场，继而得到每个体素的有效张量，以提供组织微观结构的连通性及完整性。

1.2 DTI的常用参数

DTI的常用参数包括：本征向量及本征值λ1、λ2、λ3；平均扩散度(λ1+λ2+λ3)/3；部分各向异性指数(fractional anisotropy，FA)值和表观扩散系数(apparent diffusion coef fi cient，ADC)值，其数值大小与临床具有一定的相关性。FA值表示扩散的方向性，自然条件下，水分子在每个方向运动的几率是相等的，称为各向同性；但是，生物体中水分子受到各种屏障作用，在各个方向的扩散有所不同，称为各向异性。FA值常在0～1之间，0表示最大各向同向，1表示最大各向异向。ADC值代表扩散程度，ADC值越大则表示扩散越受限。

1.3 磁共振白质纤维束示踪技术

磁共振白质纤维束示踪技术(diffusion tensor tractography，DTT)是DTI的补充[11]，是将DTI所获得的数据经过软件处理后进行白质纤维束成像，使相邻轴索的体素之间进行连接，能直观地显示白质纤维束解剖结构及其完整性，三维立体地反映损伤纤维束的走形、受压程度及断裂情况[12]，为神经外科在术中对病灶周围纤维束分布及预后评估提供重要的信息。Fujiyoshi等[13]通过研究猴子脊髓损伤后的DTT图像，得出DTT图能清楚地显示脊髓纤维束的断裂及走形情况，并且提示此项技术可应用于活体生物及临床实践中。近年来一些研究也论证了这一点，急性脊髓损伤后，DTT图像能清晰地显示出受损部位脊髓白质纤维束的受压、断裂情况，为临床治疗及术后评估提供重要的信息。

2 DTI在急性脊髓损伤中的病理生理

为了充分了解DTI在急性脊髓损伤中的优势，首先对其病理生理过程要有一定的认识。脊髓损伤48 h内，神经细胞及周围组织会出现水肿、出血、炎症等一系列病理改变。有研究表明，DTI的参数ADC值能较敏感地显示炎症、出血等病理改变。其原因是急性脊髓损伤后组织间发生水肿，导致水分子扩散受限，ADC值随之会发生变化。Sagiuchi等[14]通过对大量急性脊髓损伤患者的DTI图像进行分析，研究表明脊髓损伤2 h内DWI图像上就可表现出髓内高信号，且ADC值减低[15]。另一方面，急性脊髓损伤后神经细胞会发生变性、受压及断裂等，沿神经纤维方向扩散的水分子方向发生改变，则FA值也会随之变化。赵细辉等[16]通过对动物模型兔急性脊髓损伤的研究表明，兔急性脊髓损伤后其ADC值明显升高，FA值明显降低。查阅大量文献，结合Sagiuchi、张劲松、赵细辉等的研究结果，可以得出急性脊髓损伤后ADC值和FA值会发生相应的变化，并为急性脊髓损伤的早期诊断及治疗提供一定价值的有用信息。

3 DTI在急性脊髓损伤中的应用

对于急性脊髓损伤，早期判断及对病情严重程度的准确诊断对于临床至关重要，DTI之所以较常规MRI能敏感地检测出急性脊髓损伤的原因是早期ADC值和FA值会发生变化。

DTI早期在颅脑疾病中应用较广泛[17]，对于急性脑梗死、脑轴索损伤及脑肿瘤的诊断具有一定的价值。近年来随着磁共振设备及技术的不断发展，DTI技术在急性脊髓损伤的应用中逐渐发展起来，从最初的动物模型逐渐转向临床实践研究。

1999年Clark等[18]最先将DTI应用于脊髓疾病的研究。近年来，越来越多的国内外学者也都在关注DTI在急性脊髓损伤中的研究。王霄英等[19]通过对8只犬急性脊髓损伤的DTI进行分析，实验表明急性脊髓损伤早期其ADC值和FA值会发生相应的改变，这说明ADC值和FA值可能为急性脊髓损伤的敏感指标。与此同时，许多学者在临床实践中也证实了这一点。Vedantan等[20]将FA值联合美国脊髓损伤协会(American Spinal Injury Association，ASIA)标准进行分析研究发现，FA值能最早地反映急性脊髓损伤，较常规MRI敏感。通过对上述学者的研究结果进行分析可以发现，对于急性脊髓损伤，能够通过DTI参数做出早期诊断，但文中未具体分析临床不同功能分级的脊髓损伤，其DTI各参数是否也存在一定的规律性。因此Chang等[21]通过对10例急性脊髓损伤患者行DTI扫描并进行分析，得出相应的FA值和ADC值，并用脊髓损伤神经学分类国际标准(International Standards for Neurological Classification of Spinal Cord Injury，ISNCSCI)将这些患者的临床功能分级，最终得出常规MRI与临床表现无相关性，而FA值与临床功能分级密切相关，并且DTT图能直观地评估脊髓损伤的程度。杨蔚等[22]也进行了相关研究，研究表明急性颈髓损伤程度越重，FA值降低越明显，ADC值升高愈显著；损伤程度越大，数值变化幅度越大，常规MRI未见明显异常也不能完全排除脊髓没有损伤。以上研究表明急性脊髓损伤后其ADC值、FA值会发生相应的变化，这两个指标对早期判断脊髓损伤有一定的价值，且与脊髓损伤临床分级具有一定相关性。

孔子所讲的“己所不欲，勿施于人”，意思是不把自己想要的东西强加给别人，这是恕道，也是夫子大力倡导的仁。相比之下，把自己喜欢的东西强加给别人，就显得冠冕堂皇，不好拒绝。上可以欺骗领导，下可以愚弄百姓，把自己的多欲与机心巧妙遮蔽，其危害远大于把自己不喜欢的东西强加于人。

4 DTI在急性脊髓损伤研究中的主要问题及突破进展

由于DTI扫描时间较长，急性脊髓损伤的患者由于病情的缘故有时配合欠佳，难以坚持完成，所以提升扫描速度、缩短扫描时间对于本课题至关重要。另一方面，脊髓体积较小且易受大血管、脑脊液及正常呼吸的影响，再加上局部骨结构磁场伪影的干扰，得到的图像质量仍不够满意，如何减少脑脊液等搏动的影响，减少磁敏感性伪影，仍是需要解决的问题[23]。

DTI在急性脊髓损伤中质量控制的方法：通过调整序列来缩短扫描时间和提高图像质量。参考国内外许多学者[24-27]对DTI在脊髓损伤中的应用，研究发现通过自旋回波-回波平面成像技术能够减少扫描时间并且减少伪影，提高图像质量。

5 结语

对于急性脊髓的损伤，其早期诊断很重要，DTI的参数ADC值和FA值较常规MRI更敏感，为临床的早期诊断、治疗提供帮助，而DTT图像更是能客观地反映出脊髓损伤的部位及程度。以上综述简要介绍了DTI的原理及在急性脊髓损伤中的应用，并分析了研究中的技术难题及相关解决方案，但仍存在很多不足。目前有研究表明，其在脊髓疾病的研究中存在一定的发展空间[28]。随着MRI设备的进一步发展，可以通过一些可行性的方法来提高图像质量，加之 后处理软件的不断发展，使DTI能够普遍应用于临床中，为脊髓疾病开辟新的天地。

参考文献 [References]

[1] Acharya R, Bhalla S, Sehgal AD. Malignant peripheral nerve sheath tumor of the cauda equina. Neurosci, 2001, 22(3): 267-270.

[2] Facon D, Ozanne A, Fillard P, et al. MR diffusion tensor imaging and fi ber tracking in spinal cord compression. AJNR Am J Neuroradiol,2005, 26(6): 1587-1594.

[3] Boldin C, Raith J, Fankhauser F, et al. Predicting neurologic recovery in cervical spinal cord injury with postoperative MR imaging. Spine,2006, 31(5): 554-559.

[4] Kara B, Celik A, Karadereler S, et al. The role of DTI in early detection of cervical spondylotic myelopathy: a preliminary study with 3.0 T MRI. Neuroradiology, 2011, 53(8): 609-616.

[5] Mueller-Mang C, Law M, Mang T, et al. Diffusion tensor MR imaging (DTI) metrics in the cervical spinal cord in asymptomatic HIV-positive patients. Neuroradiology, 2011, 53(8): 585-592.

[6] Philippens ME, Gambarota G, Van AJ, et al. Radiation effects in the rat spinal cord: evaluation with apparent diffusion coef fi cient versus T2 at serial MR imaging. Radiology, 2009, 250(2): 387-397.

[7] Rajasekaran S, Kanna RM, Shetty AP, et al. Efficacy of diffusion tensor anisotropy indices and tractography in assessing the extent of severity of spinal cord injury: an in vitro analytical study in calf spinal cords. Spine, 2012, 12(12): 1147-1153.

[8] Konomi T, Fujiyoshi K, Hikishima K, et al. Conditions for quantitative evaluation of injured spinal cord by in vivo diffusion tensor imaging and tractography: Preclinical longitudinal study in common marmosets. Neuroimage, 2012, 63(4): 1841-1853.

[9] Loy DN, Kim JH, Xie M, et al. Diffusion tensor imaging predicts hyperacute spinal cord injury severity. J Neurotrauma, 2007, 24(6):979-990.

[10] Uda T, Takami T, Tsuyuguchi N, et al. Assessment of cervical spondylotic myelopathy using diffusion tensor magnetic resonance imaging parameter at 3.0 tesla. Spine, 2013, 38(5): 407-414.

[11] Fujiyoshi K, Konomi T, Yamada M, et al. Diffusion tensor imaging and tractography of the spinal cord: from experimental studies to clinical application. Exp Neurol, 2013, 242(1): 74-82.

[12] Rajasekaran S, Kanna RM, Karunanithi R, et al. Diffusion tensor tractography demonstration of partially injured spinal cord tracts in a patient with posttraumatic brown Sequard syndrome. J Magn Reson Imaging, 2010, 32(4): 978-981.

[13] Fujiyoshi K, Yamada M, Nakamura M, et al. In vivo tracing of neural tracts in the intact and injured spinal cord of marmosets by diffusion tensor tractography. J Neurosci, 2007, 27(44): 11991-11998．

[14] Sagiuchi T, Tachibana S, Endo M, et al. Diffusion-weighted MRI of the cervical cord in acute spine cord injury with type Ⅱ odontoid fracture. J Comput Assist Tomogr, 2002, 26(4): 654-656.

[15] Zhang JS, Huan Y, Sun LJ, et al. Diffusion weighted imaging in acute spinal cord injury. Chin J Radiol, 2005, 39(5): 464-468.张劲松, 宦怡, 孙立军, 等. 扩散加权成像在脊髓急性外伤中的应用. 中华放射学杂志, 2005, 39(5): 464-468.

[16] Zhao XH. Application of magnetic resonance diffusion imaging and magnetic susceptibility weighted imaging in spinal cord injury. Int J Med Radiol, 2015, 38(5): 423-426.赵细辉. 磁共振扩散成像及磁敏感加权成像在脊髓损伤中的应用.国际医学放射学杂志, 2015, 38(5): 423-426.

[17] Ramu J, Herrera JR, Grill R, et al. Brain fiber tract plasticity in experimental spinal cord injury: Diffusion tensor imaging. Exp Neurol, 2008, 212(1): 100-107.

[18] Clark CA, Barker GJ, Tofts PS. Magnetic resonance diffusion imaging of the human cervieal spinal cord in vivo. Magn Reson Med,1999, 41(6): 1269-1273.

[19] Wang XY, Tan K, Ni SL, et al. Evaluation of neural precursor cell transplantation in dogs with acute spinal cord injury by MR diffusion tensor imaging. Chin J Radiol, 2006, 40(1): l7-21.王霄英, 谭可, 倪石磊, 等. 用MR扩散张量成像评价犬急性脊髓损伤后神经前体细胞移植的作用. 中华放射学杂志, 2006, 40(1):l7-21.

[20] Vedantam A, Eckardt G, Wang MC, et al. Clinical correlates of high cervical fractional anisotropy in acute cervical spinal cord injury.World Neurosurgery, 2015, 83(5): 824-827.

[21] Chang Y, Jung TD, Yoo DS, et al. Diffusion tensor imaging and fiber tractography of patients with cervical spinal cord injury. J Neurotrauma, 2010, 27(11): 2033-2040.

[22] Yang W, Jin GH, Li DG, et al. Correlation between diffusion tensor imaging and neurological function in acute cervical spinal cord injury. Chin J Med Imaging Technol, 2010, 26(12): 2263-2266.杨蔚, 金国宏, 李德刚, 等. 急性颈髓损伤的扩散张量成像表现与神经功能改变的相关性. 中国医学影像技术, 2010, 26(12):2263-2266.

[23] Clark CA, Werring DJ. Diffusion tensor imaging in spinal cord:met hods and applicationsa review. NMR Biomed, 2002, 15(728):578-586.

[24] Wu LB, Zhu XY, Wang GB, et al. Diffusion tensor MR imaging of cervical spinal cord:cervical spondylosis-related changes. Magn Reson Imaging, 2010, 1(3): 188-193.

[25] Tsuchiya K, Katase S, Fujikawa A, et al. Diffusion-weighted MRI of the cervical spinal cord using a single-shot fast spin-echo technique:finding in normal subjects and in myelomalacia. Neuroradiology,2003, 45(2): 90-94.

[26] Thurnher MM, Law M. Diffusion-weighted imaging, diffusion-tensor imaging, and fiber tractography of the spinal cord. Magn Reson Imaging Clin N Am, 2009, 17(2): 225-244.

[27] Mukherjee P, Berman JI, Chung SW, et al. Diffusion tensor MR imaging and fi ber tractography: technical considerations. AINR Am Neuroradiol, 2008, 29(4): 632-641.

[28] Xu D, Henry RG, Mukherjee P, et al. Single shot fast spin echo diffusion tensor imaging of the brain and spine with head and phased array coils at 1.5 T and 3.0 T. Magn Reson Imaging, 2004, 22(6):751-759.