張振顯 王生海 宋延峰 李帥 楊彥玲

脊髓作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，損傷后對(duì)肢體的運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)產(chǎn)生十分重要影響，因此，脊髓損傷（spinal cord injuries，SCI）后系列改變現(xiàn)已成為神經(jīng)生物學(xué)研究的主要課題之一。近年來(lái)隨著影像技術(shù)的快速發(fā)展，在脊髓的解剖形態(tài)和功能諸多影像無(wú)創(chuàng)研究方法中，磁共振（MRI）脊髓成像成為目前最為先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的方法。磁共振成像可以對(duì)脊髓微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，是唯一的能對(duì)人體脊髓的結(jié)構(gòu)和功能提供有效信息的檢查方法[1-3]，在臨床診斷脊髓損傷及預(yù)后評(píng)估具有不可替代的價(jià)值。目前，磁共振除可進(jìn)行常規(guī)脊髓形態(tài)成像外，研究性技術(shù)也層出不窮，主要有成像技術(shù)有擴(kuò)散張量成像（DTI），磁化傳遞（MT），髓鞘水分?jǐn)?shù)（MWF），磁共振波譜（MRS）和功能性磁共振成像（fMRI），尤其MRI擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）及彌散張量成像（DTI）為近年來(lái)最成熟的技術(shù)，為極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯繜狳c(diǎn)。文章將對(duì)磁共振彌散張量成像技術(shù)對(duì)脊髓損傷的基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行概述。

1 DTI技術(shù)的發(fā)展歷程及基本原理

20世紀(jì)80年代中期，磁共振成像（MRI）的出現(xiàn)改變了脊髓成像領(lǐng)域，為臨床醫(yī)生提供了實(shí)時(shí)的高分辨率解剖圖像，成為脊髓疾病檢查的首選，然而，隨著傳統(tǒng)的MRI技術(shù)（自旋回波、梯度回波和反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列）應(yīng)用廣泛及成熟，在30余年的使用中，學(xué)者們逐漸發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的MRI對(duì)脊髓損傷的早期損傷及脊髓的細(xì)微病理生理結(jié)構(gòu)、脊髓內(nèi)部白質(zhì)纖維束的聯(lián)系變化，卻不能準(zhǔn)確及時(shí)的得以反映。由此，Basser等[4]1994年首次提出了磁共振彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI），是基于擴(kuò)散成像（diffusion weighted imaging，DWI）的進(jìn)一步拓展的一項(xiàng)功能成像檢查方法。它除了能測(cè)量水分子的彌散速度，還能探測(cè)水分子彌散的方向性，即各向異性的特性，推測(cè)組織內(nèi)部微結(jié)構(gòu)狀態(tài)及白質(zhì)纖維束軸突方向的解剖走行及其細(xì)微變化。其首先應(yīng)用于腦白質(zhì)成像，從而實(shí)現(xiàn)觀察腦白質(zhì)纖維束的完整性和方向性，隨后又應(yīng)用到脊髓，而成為全新的研究領(lǐng)域。

DTI基本原理是利用多個(gè)不同方向的擴(kuò)散敏感梯度和量級(jí)（b值）擴(kuò)散加權(quán)對(duì)水分子的擴(kuò)散方向性進(jìn)行量化，將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)后處理后衍生出量化指標(biāo)參數(shù)，包括平均彌散系數(shù)（ADC）、部分各向異性（FA）、相對(duì)各向異性（RA）、容積比（VR），應(yīng)用FA、RA、VR值和FA、AR、VR圖可以對(duì)每個(gè)體素水分子的彌散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行量化，DTI 的參數(shù)ADC值、FA值代表水分子在擴(kuò)散主項(xiàng)兩軸上的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，是用來(lái)描述擴(kuò)散各向異性的重要指標(biāo)之。ADC值和FA值可量化反應(yīng)脊髓損傷程度和恢復(fù)情況，能夠定量對(duì)脊髓損傷進(jìn)行分期。通過(guò)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)觀察，ADC值和FA值能夠作為脊髓損傷分期的一個(gè)指標(biāo)。另外一些臨床研究[5-7]證實(shí)，ADC值和FA值也可以作為一項(xiàng)神經(jīng)保護(hù)治療效果評(píng)價(jià)的參數(shù)，其中FA 值的敏感性更高，尤其是對(duì)急性壓迫性損傷臨床預(yù)后的評(píng)估。嚴(yán)重SCI和中度SCI后，各時(shí)間點(diǎn)FA值均顯著降低，損傷震中FA值與未發(fā)生損傷的白質(zhì)、灰質(zhì)體積及病灶體積均顯著相關(guān)。嚴(yán)格地說(shuō)，亞急性（24小時(shí)）和隨后所有時(shí)間點(diǎn)的FA值的量化對(duì)終點(diǎn)行為具有高度的預(yù)測(cè)作用，這反映在與每周BBB評(píng)分和終點(diǎn)步態(tài)參數(shù)的顯著相關(guān)性上。對(duì)于脊髓慢性損傷，ADC值升高和FA值降低的幅度與病變的嚴(yán)重程度具有相關(guān)性。因此，一般認(rèn)為，脊髓壓迫早期FA值顯著降低者臨床效果較差，而早期FA值正常者，則行減壓手術(shù)后臨床效果良好。但是應(yīng)當(dāng)指出，DTI在提高對(duì)脊髓損傷診斷敏感性的同時(shí)，特異性卻有所下降[8-10]。

2 DTI技術(shù)在脊髓損傷的研究中的受限因素及相關(guān)新技術(shù)

隨著彌散張量成像作為MRI新技術(shù)的出現(xiàn)激發(fā)了大量關(guān)于脊髓病理狀態(tài)的早期臨床研究，研究涉及到大鼠 狗、兔、羊等動(dòng)物，但是獲取精確的脊髓的DTI數(shù)據(jù)卻有諸多受限因素影響其應(yīng)用及功能發(fā)揮。

首先，標(biāo)準(zhǔn)的DTI成像序列基于回聲平面成像（EPI），對(duì)脊髓內(nèi)弱磁場(chǎng)均勻性非常敏感，而脊髓位于脊柱內(nèi)骨性椎管內(nèi)且脊髓的斷面較小，以及脊髓自身及周圍環(huán)境磁場(chǎng)的不均勻性，有諸多論述認(rèn)為脊髓是獲取MRI數(shù)據(jù)時(shí)最差的環(huán)境之一。周圍環(huán)繞流動(dòng)的腦脊液在椎管內(nèi)以頭-足方向來(lái)回流動(dòng)，脊髓周圍動(dòng)脈血管搏動(dòng)，臨近運(yùn)動(dòng)器官如心臟和肺的生理運(yùn)動(dòng)，骨、軟組織和空氣磁化率的差異，均可導(dǎo)致圖像失真和信號(hào)強(qiáng)度的損失。生理運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生重影偽影脊髓的小體積造成了部分體積效應(yīng)，由于白質(zhì)束與周圍腦脊液（CSF）的接近，在脊髓中增強(qiáng)了部分容積效應(yīng)[11-12]。

其次，目前磁共振設(shè)備硬件和開(kāi)發(fā)的軟件技術(shù)仍有一定限度，需要不斷開(kāi)發(fā)如磁場(chǎng)補(bǔ)償勻場(chǎng)，采用自旋回波序列，脊柱前方空間飽和，呼吸及心電門(mén)控，相位編碼方向改變，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償梯度等用來(lái)減少運(yùn)動(dòng)偽影及改善成像質(zhì)量[13-14]。使用較低的擴(kuò)散加權(quán)及較短的回波時(shí)間（TE）的優(yōu)勢(shì)，因此增加信噪比，較高的b值（＞1 000 s/mm2）為區(qū)分受限擴(kuò)散的程度提供了更高的靈敏度，但仍需要在擴(kuò)散敏感度和信噪比之間找到平衡。

3 DTI技術(shù)在脊髓損傷中臨床應(yīng)用及研究意義

提高評(píng)估脊髓組織活力和檢測(cè)脊髓殘余神經(jīng)功能的能力，以識(shí)別和區(qū)分形態(tài)學(xué)和功能變化，是提高臨床預(yù)后和脊髓損傷患者管理能力的關(guān)鍵。研究的目的是確定所有應(yīng)用了一種或多種MRI技術(shù)的研究，以評(píng)估以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)的臨床效用：（1）診斷效用：MRI技術(shù)是否提供了在脊柱病理診斷中顯示群體差異或提高診斷準(zhǔn)確性（靈敏度/特異性）的指標(biāo)? （2）生物標(biāo)志物效用：先進(jìn)的MRI技術(shù)是否能產(chǎn)生量化損傷數(shù)量的指標(biāo)，從而與神經(jīng)/功能損害和/或顯示隨時(shí)間的縱向變化與脊髓病變的殘疾變化相關(guān)?（3）預(yù)測(cè)效用：先進(jìn)的核磁共振成像技術(shù)是否產(chǎn)生了能夠預(yù)測(cè)神經(jīng)系統(tǒng)、功能或脊柱病理狀態(tài)下生活質(zhì)量的指標(biāo)。

有報(bào)道[15-16]，通過(guò)彌散張量成像（DTI）展示了MRI在脊髓損傷大鼠模型上的應(yīng)用，可作為研究微結(jié)構(gòu)損傷的潛在生物標(biāo)志物，影像學(xué)生物標(biāo)志物的潛在發(fā)現(xiàn)將有助于脊髓損傷患者的診斷和治療。這些標(biāo)志物可能在臨床前模型的治療發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮作用，并使觀察或預(yù)后轉(zhuǎn)化為臨床環(huán)境。目前，世界上只有相對(duì)少數(shù)的研究實(shí)驗(yàn)室在積極研究脊髓成像方法，雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展但許多技術(shù)還沒(méi)有進(jìn)入臨床實(shí)踐及應(yīng)用。因此，如通過(guò)不斷改進(jìn)檢查方法，提高有效性以及創(chuàng)建必要的科學(xué)和臨床網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高研究的進(jìn)展速度，則對(duì)脊髓損傷的準(zhǔn)確診斷、治療指導(dǎo)、預(yù)后、科學(xué)研究有十分重要意義。這些方法作為脊髓損傷的臨床診斷和治療的生物標(biāo)志物具有很高的應(yīng)用價(jià)值，已被廣泛應(yīng)用于描述健康和疾病中神經(jīng)系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)[17]。

4 面臨的挑戰(zhàn)與研究展望

脊髓成像方法常見(jiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)已經(jīng)很明顯確定為：（1）磁化率差異；（2）生理運(yùn)動(dòng)；（3）脊髓橫截面尺寸較小。成像的這些性質(zhì)中，人類脊髓條件不會(huì)改變，因此未來(lái)的發(fā)展需要開(kāi)發(fā)更好的方法來(lái)克服這些挑戰(zhàn)，改善成像[18-19]。

展望未來(lái)，脊髓成像界將繼續(xù)推動(dòng)強(qiáng)有力的技術(shù)向前發(fā)展，同時(shí)還將采取幾個(gè)關(guān)鍵步驟：（1）設(shè)計(jì)和實(shí)施更大規(guī)模的臨床研究，以評(píng)估其臨床效用；（2）采集技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展和完善，以最大化信噪比（SNR）和分辨率，同時(shí)最小化失真、人為因素和采集時(shí)間；（3）開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析工具，能夠自動(dòng)從特定域提取定量數(shù)據(jù)。新技術(shù)和創(chuàng)新也正在出現(xiàn)，這些技術(shù)和創(chuàng)新可能顯著改變這一領(lǐng)域的研究進(jìn)程[20-21]。

未來(lái)脊髓成像方法的發(fā)展需要MRI設(shè)備制造商和軟件開(kāi)發(fā)工程師進(jìn)行不間斷的更深層次溝通，以使方法和技術(shù)共享。未來(lái)發(fā)展的方向?yàn)榇龠M(jìn)方法和數(shù)據(jù)的廣泛共享，如可以為脊髓成像軟件和方法建立一個(gè)自由訪問(wèn)的方法庫(kù)，可以用于共享脊髓成像數(shù)據(jù)。專門(mén)討論脊髓成像方面的成果和新進(jìn)展，使更多研究人員能參與，彌補(bǔ)相互不足而促進(jìn)更快的發(fā)展。因此，在我們對(duì)脊髓損傷的病理生理學(xué)的詳細(xì)了解和脊髓功能磁共振成像所利用的信號(hào)變化的生物物理機(jī)制之間架起橋梁是很重要的。放射科醫(yī)生、神經(jīng)學(xué)家和脊柱外科醫(yī)生由于工作繁忙，無(wú)法親自進(jìn)行后期手動(dòng)生成量化指標(biāo)，所以數(shù)據(jù)分析需要完全自動(dòng)化，方法耗時(shí)、不可靠或不準(zhǔn)確都是不可接受的。

5 小結(jié)

新的核磁共振技術(shù)，無(wú)一例外地面臨著諸多挑戰(zhàn)，而要成功地將這些技術(shù)應(yīng)用于臨床，仍有大量工作要做。DTI的研究已經(jīng)產(chǎn)生了最實(shí)質(zhì)性的成果，但在這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床之前，仍然需要進(jìn)一步的改進(jìn)，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。目前，國(guó)內(nèi)外各學(xué)者對(duì) DTI相關(guān)參數(shù)在病理基礎(chǔ)表現(xiàn)上持有不同的觀點(diǎn)，在預(yù)后判定方面還未做系統(tǒng)的研究。有關(guān)ADC值、FA值變化的病理機(jī)制、臨床意義及與臨床預(yù)后的研判方面的研究將是在未來(lái)的幾年里研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。脊髓成像界無(wú)疑會(huì)取得許多偉大的成就，未來(lái)的研究轉(zhuǎn)化將使臨床從中受益。