磁共振扩散张量成像在脑梗死中的研究进展
【关键词】 磁共振扩散张量成像;脑梗死;缺血半暗带;皮质脊髓束
中图分类号：R743.32 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2020.02.014
脑梗死是神经内科最常见的急重症[1]，占全部脑卒中的60%～80%[2]，其主要病理生理过程为各种原因导致的局部脑组织血液循环障碍，并由此产生缺血缺氧性坏死，进而出现相应神经功能缺损和肢体活动障碍。脑梗死一般起病急骤，病死率和致残率较高[3]，因此，早期诊断并及时进行临床干预显得尤为重要。随着功能磁共振成像技术的日新月异，磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)作为目前唯一可无创性显示和分析大脑白质纤维束的磁共振成像技术[4]，其在脑梗死方面的研究正逐步应用于临床及科研中。本文将对DTI在脑梗死中的研究进行综述。
1 DTI的发展史
1827年，Robert Brown首次发现扩散现象，即液体中的悬浮颗粒存在不规则的运动，后来这种现象被命名为布朗运动。1965年，Stejskal等[5]首次提出了磁共振扩散成像技术(diffusion weighted imaging，DWI)，并通过该技术实现了对活体内水分子扩散运动的测定。1986年Le Bihan等[6]首次将DWI引入临床，并应用于神经系统疾病中。1992年Basser等[7]在柏林磁共振年会上提出一种新的磁共振功能成像技术，即DTI，该技术可以从分子水平及三维角度来描述病灶，可以无创地、清晰地重建出脑白质纤维束的走行及空间分布，并通过显示脑白质纤维束与脑内病灶的空间关系，进一步了解病灶对脑白质纤维束形态、结构的影响。经过近几十年的发展，目前DTI技术在临床上已广泛应用于脑梗死、脑出血、脑肿瘤、阿尔兹海默病、癫痫、多发性硬化症、精神分裂症等疾病中，并逐步扩展应用于椎间盘和肌肉系统病变等方向[8～10]。
2 DTI的基本原理
扩散是指分子无规则的热运动，人体内的水分子总是处于扩散状态。水分子在组织内的自由扩散，既是生物体中重要的生理活动，也是体内物质转运的重要形式。在完全均质的溶剂中，水分子的扩散是完全随机、不受限制的，其在各个方向上的移动距离是相等的，此种扩散方式称为各向同性扩散[11]。例如在纯水溶液、脑脊液中，水分子的扩散方式即为各向同性扩散。但在人体内，由于细胞膜、细胞器、细胞间隙、大分子蛋白及其他组织结构的屏障作用，水分子向各个方向上的移动距离不相等，该种扩散方式称为各向异性扩散[11]。例如在脑白质中，由于受到髓鞘、轴突等组织结构的限制，水分子主要沿脑白质纤维束走行的方向扩散，而向垂直于脑白质纤维束走行方向的扩散较少。DTI就是根据水分子在不均匀介质中的各向异性扩散的特点，通过在多个非线性方向上(至少6个以上)施加扩散敏感梯度场，从而实现对每个体素内水分子在各个方向上扩散情况的定量检测。由于人体组织内水分子的运动主要是各向异性扩散，所以只要測定出单位体积内的各向异性数据，即可分析出人体组织内部微观结构的变化。
3 DTI的常用参数
3.1 平均扩散度(mean diffusivity，MD)
MD反映某一区域内水分子扩散的整体情况，其不依赖于扩散的方向，只与扩散的速度有关。通常用表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)和平均扩散系数(average diffusion coefficient，DCavg)来表示。以ADC值为成像参数可以拟合出ADC图，其反映组织内水分子扩散的快慢，当ADC值越大时，水分子扩散能力越强，ADC图信号越亮。DCavg值是成像体素内各方向扩散幅度的平均值，主要反映扩散运动的快慢，当DCavg值越小时，水分子的扩散能力越受限制。
3.2 部分各向异性(fractional anisotropy，FA)
FA指水分子各向异性部分与总扩散张量的比值，是各向异性的常用指标。其取值范围为0～1，当FA接近于1时，各项异性最大，当FA接近于0时，表示各项同性。以FA值为成像参数可以拟合出FA图，其表示各向异性的比例。
3.3 容积比各向异性(volume ratio anisotropy，VRA)
VRA是指扩散椭圆体的扩散体积与相等的各向同性张量的球体体积的比率，它和FA一样都是反映组织各项异性的常用指标，其取值范围为0～1，当VRA趋近于1时，代表组织更具有各向同性的特征。
3.4 衰减指数(exponential attenuation，Exat)
Exat也称指数ADC，反映组织的扩散特征，但与ADC的变化方向相反。
3.5 扩散张量纤维束成像(diffusion tensor tractography，DTT)
DTT是在DTI基础上发展起来的一项新技术，它通过对DTI扫描数据进行后处理，即可立体、清晰地呈现出脑白质纤维束的走行，通常用于定位白质纤维束与病变之间的空间关系。
4 DTI在脑梗死诊断及临床分期中的应用
脑梗死的临床分期各家报道不一，国内一般采用Osborn分类方法，将脑梗死按照发病时间分为4期，即超急性期(发病时间<6小时)、急性期(发病时间6～72小时)、亚急性期(发病时间4天～8周)和慢性期(发病时间>8周)[12]。由于脑梗死的治疗方案与患者的发病时间密切相关，故早期诊断脑梗死并准确判断临床分期具有重要意义。目前临床上确定急性脑梗死的发病时间主要通过患者及家属的主诉，这在一定程度上缺乏准确性及客观性。Puig等[13]对25例发病时间小于4.5 h的脑梗死患者和35例发病时间大于4.5 h的脑梗死患者行DTI检查，通过测量双侧大脑深部白质皮质脊髓束的FA值发现，rFA在两组患者中存在显著差异，提示FA值能够识别发病时间小于4.5 h的脑梗死病人。但是，由于不同研究人员所设置的脑梗死分期标准不统一或感兴趣区部位不同，对于FA值在超急性期脑梗死病灶区的变化特点，国内外报道尚未完全统一。Pitkonen等[14]通过缝合成年大鼠大脑中动脉建立缺血性脑梗死模型，并在超急性期、急性期、亚急性期和慢性期重复进行DTI扫描，收集相关参数，结果发现在超急性期，病灶区FA值不变，在急性期至亚急性期，FA值则逐渐下降。而张娣等人[15]研究发现，脑梗死区FA值在超急性期略增高，之后随着发病时间的增加，FA值逐渐降低。由此看出，单独应用FA值遴选超急性期脑梗死仍有一定的局限性。Sakai等[16]对44例不同发病时间的脑梗死患者行DTI成像，并依据测得的FA值及横向扩散率的特点分为3型，Ⅰ型：病灶区FA值增加且横向扩散率降低;Ⅱ型：病灶区FA值低于对侧镜像区且横向扩散率增加;Ⅲ型：病灶区FA值明显下降且横向扩散率超过对侧镜像区。结果显示，当发病时间小于24小时，I型和Ⅱ型为优势型，当发病时间大于2天，Ⅲ型开始明显增多。谭湘萍等[17]依据脑梗死患者的FA图和DCavg图信号特点，将脑梗死患者的DTI征象分为4型，即：Ⅰ型FA图呈高信号，ADC图呈低信号;Ⅱ型FA图中心呈低信号、周围呈高信号，ADC图呈低信号;Ⅲ型FA图、ADC图均呈低或等信号;Ⅳ型FA图呈低信号，ADC图呈高信号。结果显示急性期DTI征象以Ⅰ型和Ⅱ型为主，亚急性期DTI征象以Ⅱ型为主，慢性期DTI征象以Ⅳ型为主，直线相关分析表明脑梗死的临床分期与 DTI征象的分型呈正相关，即脑梗死发病时间越长，DTI的分型越高。因此，通过联合应用DTI技术的多个参数特点不但可以更好地反映脑梗死病灶区的病理生理变化，也能更准确地评估脑梗死的发病时间。, http://www.100md.com(汤亚云 李瑞雄)
中图分类号：R743.32 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2020.02.014
脑梗死是神经内科最常见的急重症[1]，占全部脑卒中的60%～80%[2]，其主要病理生理过程为各种原因导致的局部脑组织血液循环障碍，并由此产生缺血缺氧性坏死，进而出现相应神经功能缺损和肢体活动障碍。脑梗死一般起病急骤，病死率和致残率较高[3]，因此，早期诊断并及时进行临床干预显得尤为重要。随着功能磁共振成像技术的日新月异，磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)作为目前唯一可无创性显示和分析大脑白质纤维束的磁共振成像技术[4]，其在脑梗死方面的研究正逐步应用于临床及科研中。本文将对DTI在脑梗死中的研究进行综述。
1 DTI的发展史
1827年，Robert Brown首次发现扩散现象，即液体中的悬浮颗粒存在不规则的运动，后来这种现象被命名为布朗运动。1965年，Stejskal等[5]首次提出了磁共振扩散成像技术(diffusion weighted imaging，DWI)，并通过该技术实现了对活体内水分子扩散运动的测定。1986年Le Bihan等[6]首次将DWI引入临床，并应用于神经系统疾病中。1992年Basser等[7]在柏林磁共振年会上提出一种新的磁共振功能成像技术，即DTI，该技术可以从分子水平及三维角度来描述病灶，可以无创地、清晰地重建出脑白质纤维束的走行及空间分布，并通过显示脑白质纤维束与脑内病灶的空间关系，进一步了解病灶对脑白质纤维束形态、结构的影响。经过近几十年的发展，目前DTI技术在临床上已广泛应用于脑梗死、脑出血、脑肿瘤、阿尔兹海默病、癫痫、多发性硬化症、精神分裂症等疾病中，并逐步扩展应用于椎间盘和肌肉系统病变等方向[8～10]。
2 DTI的基本原理
扩散是指分子无规则的热运动，人体内的水分子总是处于扩散状态。水分子在组织内的自由扩散，既是生物体中重要的生理活动，也是体内物质转运的重要形式。在完全均质的溶剂中，水分子的扩散是完全随机、不受限制的，其在各个方向上的移动距离是相等的，此种扩散方式称为各向同性扩散[11]。例如在纯水溶液、脑脊液中，水分子的扩散方式即为各向同性扩散。但在人体内，由于细胞膜、细胞器、细胞间隙、大分子蛋白及其他组织结构的屏障作用，水分子向各个方向上的移动距离不相等，该种扩散方式称为各向异性扩散[11]。例如在脑白质中，由于受到髓鞘、轴突等组织结构的限制，水分子主要沿脑白质纤维束走行的方向扩散，而向垂直于脑白质纤维束走行方向的扩散较少。DTI就是根据水分子在不均匀介质中的各向异性扩散的特点，通过在多个非线性方向上(至少6个以上)施加扩散敏感梯度场，从而实现对每个体素内水分子在各个方向上扩散情况的定量检测。由于人体组织内水分子的运动主要是各向异性扩散，所以只要測定出单位体积内的各向异性数据，即可分析出人体组织内部微观结构的变化。
3 DTI的常用参数
3.1 平均扩散度(mean diffusivity，MD)
MD反映某一区域内水分子扩散的整体情况，其不依赖于扩散的方向，只与扩散的速度有关。通常用表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)和平均扩散系数(average diffusion coefficient，DCavg)来表示。以ADC值为成像参数可以拟合出ADC图，其反映组织内水分子扩散的快慢，当ADC值越大时，水分子扩散能力越强，ADC图信号越亮。DCavg值是成像体素内各方向扩散幅度的平均值，主要反映扩散运动的快慢，当DCavg值越小时，水分子的扩散能力越受限制。
3.2 部分各向异性(fractional anisotropy，FA)
FA指水分子各向异性部分与总扩散张量的比值，是各向异性的常用指标。其取值范围为0～1，当FA接近于1时，各项异性最大，当FA接近于0时，表示各项同性。以FA值为成像参数可以拟合出FA图，其表示各向异性的比例。
3.3 容积比各向异性(volume ratio anisotropy，VRA)
VRA是指扩散椭圆体的扩散体积与相等的各向同性张量的球体体积的比率，它和FA一样都是反映组织各项异性的常用指标，其取值范围为0～1，当VRA趋近于1时，代表组织更具有各向同性的特征。
3.4 衰减指数(exponential attenuation，Exat)
Exat也称指数ADC，反映组织的扩散特征，但与ADC的变化方向相反。
3.5 扩散张量纤维束成像(diffusion tensor tractography，DTT)
DTT是在DTI基础上发展起来的一项新技术，它通过对DTI扫描数据进行后处理，即可立体、清晰地呈现出脑白质纤维束的走行，通常用于定位白质纤维束与病变之间的空间关系。
4 DTI在脑梗死诊断及临床分期中的应用
脑梗死的临床分期各家报道不一，国内一般采用Osborn分类方法，将脑梗死按照发病时间分为4期，即超急性期(发病时间<6小时)、急性期(发病时间6～72小时)、亚急性期(发病时间4天～8周)和慢性期(发病时间>8周)[12]。由于脑梗死的治疗方案与患者的发病时间密切相关，故早期诊断脑梗死并准确判断临床分期具有重要意义。目前临床上确定急性脑梗死的发病时间主要通过患者及家属的主诉，这在一定程度上缺乏准确性及客观性。Puig等[13]对25例发病时间小于4.5 h的脑梗死患者和35例发病时间大于4.5 h的脑梗死患者行DTI检查，通过测量双侧大脑深部白质皮质脊髓束的FA值发现，rFA在两组患者中存在显著差异，提示FA值能够识别发病时间小于4.5 h的脑梗死病人。但是，由于不同研究人员所设置的脑梗死分期标准不统一或感兴趣区部位不同，对于FA值在超急性期脑梗死病灶区的变化特点，国内外报道尚未完全统一。Pitkonen等[14]通过缝合成年大鼠大脑中动脉建立缺血性脑梗死模型，并在超急性期、急性期、亚急性期和慢性期重复进行DTI扫描，收集相关参数，结果发现在超急性期，病灶区FA值不变，在急性期至亚急性期，FA值则逐渐下降。而张娣等人[15]研究发现，脑梗死区FA值在超急性期略增高，之后随着发病时间的增加，FA值逐渐降低。由此看出，单独应用FA值遴选超急性期脑梗死仍有一定的局限性。Sakai等[16]对44例不同发病时间的脑梗死患者行DTI成像，并依据测得的FA值及横向扩散率的特点分为3型，Ⅰ型：病灶区FA值增加且横向扩散率降低;Ⅱ型：病灶区FA值低于对侧镜像区且横向扩散率增加;Ⅲ型：病灶区FA值明显下降且横向扩散率超过对侧镜像区。结果显示，当发病时间小于24小时，I型和Ⅱ型为优势型，当发病时间大于2天，Ⅲ型开始明显增多。谭湘萍等[17]依据脑梗死患者的FA图和DCavg图信号特点，将脑梗死患者的DTI征象分为4型，即：Ⅰ型FA图呈高信号，ADC图呈低信号;Ⅱ型FA图中心呈低信号、周围呈高信号，ADC图呈低信号;Ⅲ型FA图、ADC图均呈低或等信号;Ⅳ型FA图呈低信号，ADC图呈高信号。结果显示急性期DTI征象以Ⅰ型和Ⅱ型为主，亚急性期DTI征象以Ⅱ型为主，慢性期DTI征象以Ⅳ型为主，直线相关分析表明脑梗死的临床分期与 DTI征象的分型呈正相关，即脑梗死发病时间越长，DTI的分型越高。因此，通过联合应用DTI技术的多个参数特点不但可以更好地反映脑梗死病灶区的病理生理变化，也能更准确地评估脑梗死的发病时间。, http://www.100md.com(汤亚云 李瑞雄)