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(zhì)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(jīng)內(nèi)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?qū)е碌木植磕X組織血液循環(huán)障礙，并由此產(chǎn)生缺血缺氧性壞死，進而出現(xiàn)相應神經(jīng)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(chuàng)性顯示和分析大腦白質(zhì)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(fā)展史

1827年，Robert Brown首次發(fā)現(xiàn)擴散現(xiàn)象，即液體中的懸浮顆粒存在不規(guī)則的運動，后來這種現(xiàn)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(xiàn)了對活體內(nèi)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(jīng)系統(tǒng)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(chuàng)地、清晰地重建出腦白質(zhì)纖維束的走行及空間分布，并通過顯示腦白質(zhì)纖維束與腦內(nèi)病灶的空間關系，進一步了解病灶對腦白質(zhì)纖維束形態(tài)、結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)過近幾十年的發(fā)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(fā)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(tǒng)病變等方向[8～10]。

2 DTI的基本原理

擴散是指分子無規(guī)則的熱運動，人體內(nèi)的水分子總是處于擴散狀態(tài)。水分子在組織內(nèi)的自由擴散，既是生物體中重要的生理活動，也是體內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運的重要形式。在完全均質(zhì)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(nèi)，由于細胞膜、細胞器、細胞間隙、大分子蛋白及其他組織結(jié)構(gòu)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(zhì)中，由于受到髓鞘、軸突等組織結(jié)構(gòu)的限制，水分子主要沿腦白質(zhì)纖維束走行的方向擴散，而向垂直于腦白質(zhì)纖維束走行方向的擴散較少。DTI就是根據(jù)水分子在不均勻介質(zhì)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(xiàn)對每個體素內(nèi)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(nèi)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(nèi)的各向異性數(shù)據(jù)，即可分析出人體組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。

3 DTI的常用參數(shù)

3.1 平均擴散度（mean diffusivity，MD）

MD反映某一區(qū)域內(nèi)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(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）和平均擴散系數(shù)（average diffusion coefficient，DCavg）來表示。以ADC值為成像參數(shù)可以擬合出ADC圖，其反映組織內(nèi)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(nèi)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，F(xiàn)A）

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(shù)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(shù)（exponential attenuation，Exat）

Exat也稱指數(shù)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(fā)展起來的一項新技術，它通過對DTI掃描數(shù)據(jù)進行后處理，即可立體、清晰地呈現(xiàn)出腦白質(zhì)纖維束的走行，通常用于定位白質(zhì)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(nèi)一般采用Osborn分類方法，將腦梗死按照發(fā)病時間分為4期，即超急性期（發(fā)病時間<6小時）、急性期（發(fā)病時間6～72小時）、亞急性期（發(fā)病時間4天～8周）和慢性期（發(fā)病時間>8周）[12]。由于腦梗死的治療方案與患者的發(fā)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(fā)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(fā)病時間小于4.5 h的腦梗死患者和35例發(fā)病時間大于4.5 h的腦梗死患者行DTI檢查，通過測量雙側(cè)大腦深部白質(zhì)皮質(zhì)脊髓束的FA值發(fā)現(xiàn)，rFA在兩組患者中存在顯著差異，提示FA值能夠識別發(fā)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(tǒng)一或感興趣區(qū)部位不同，對于FA值在超急性期腦梗死病灶區(qū)的變化特點，國內(nèi)外報道尚未完全統(tǒng)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(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在超急性期，病灶區(qū)FA值不變，在急性期至亞急性期，F(xiàn)A值則逐漸下降。而張娣等人[15]研究發(fā)現(xiàn)，腦梗死區(qū)FA值在超急性期略增高，之后隨著發(fā)病時間的增加，F(xiàn)A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(fā)病時間的腦梗死患者行DTI成像，并依據(jù)測得的FA值及橫向擴散率的特點分為3型，Ⅰ型：病灶區(qū)FA值增加且橫向擴散率降低;Ⅱ型：病灶區(qū)FA值低于對側(cè)鏡像區(qū)且橫向擴散率增加;Ⅲ型：病灶區(qū)FA值明顯下降且橫向擴散率超過對側(cè)鏡像區(qū)。結(jié)果顯示，當發(fā)病時間小于24小時，I型和Ⅱ型為優(yōu)勢型，當發(fā)病時間大于2天，Ⅲ型開始明顯增多。譚湘萍等[17]依據(jù)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(jié)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(fā)病時間越長，DTI的分型越高。因此，通過聯(lián)合應用DTI技術的多個參數(shù)特點不但可以更好地反映腦梗死病灶區(qū)的病理生理變化，也能更準確地評估腦梗死的發(fā)病時間。

雖然常規(guī)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(fā)展起來的新技術，可以通過定量分析各參數(shù)值的演變規(guī)律，協(xié)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(yī)學家Astrup通過動物實驗發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)、形態(tài)仍正常的腦組織。當血液供應能夠及時恢復時，該區(qū)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(qū)域?qū)⑥D(zhuǎn)化為不可逆損傷區(qū)[18]。但是，由于多種條件的限制，大多數(shù)腦梗死患者很難在發(fā)病6 h內(nèi)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(qū)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(shù)與PET定量結(jié)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(lián)合應用DTI和DWI在診斷急性腦梗死IP的應用中發(fā)現(xiàn)，IP區(qū)的FA值、Dcavg值及ADC值均低于對側(cè)鏡像區(qū)，但較梗死病灶中心區(qū)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(qū)和IP區(qū)。Kuo等[21]通過設計動物模型，并利用DTI技術分析4.5小時內(nèi)腦梗死核心區(qū)（infarct core，IC）與IP兩個區(qū)域的相對總擴散張量值的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(qū)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(nèi)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(fā)病率逐年上升，致殘率居高不下，嚴重影響患者生活質(zhì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)腦梗死病灶區(qū)FA、DCavg和VRA值均低于對側(cè)，且從肌力功能預后良好組到預后差組腦梗死病灶區(qū)與對側(cè)區(qū)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(jù)。但是，一些研究者認為，肢體運動功能主要由皮質(zhì)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(cè)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(fā)病后第1～4天、第30天、第90天CST的FA指數(shù)和運動功能預后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A指數(shù)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(shù)均大于0.85。也有研究者[24]得出了相似的結(jié)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(cè)CST的FA值來判斷運動功能轉(zhuǎn)歸，但是目前仍缺乏腦梗死后患側(cè)皮質(zhì)脊髓束上不同感興趣區(qū)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(zhì)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(jù)其受累程度分為4級，結(jié)果顯示1級患者CST僅輕度受壓、形態(tài)完整，發(fā)病后運動功能障礙較輕，經(jīng)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(fā)病后運動功能障礙較重，但經(jīng)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(xiàn)嚴重的運動功能障礙，經(jīng)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(fā)病后5～30天內(nèi)行DTI檢查，并在6個月后評估患者的運動功能，結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)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(qū)域有關[27]。

7 DTI在腦梗死后皮質(zhì)脊髓束沃勒變性中的應用

沃勒變性（Wallerian degeneration，WD）是指神經(jīng)元近端損傷后引起遠端軸突和髓鞘的繼發(fā)性變性，它最早由英國科學家Waller于1850提出。中樞神經(jīng)系統(tǒng)WD多發(fā)生于皮質(zhì)脊髓束，主要原因包括腦出血、腦梗死、腦腫瘤、多發(fā)性硬化、阿爾茨海默病等疾病[28]。陳明等人[29]應用常規(guī)MRI和DTI動態(tài)觀察腦梗死后皮質(zhì)脊髓束WD，通過軟件測量雙側(cè)大腦腳區(qū)的FA和ADC值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)常規(guī)MRI及DWI在發(fā)病后第10天、第30天均未出現(xiàn)異常，僅在發(fā)病后第90天有5例患者出現(xiàn)患側(cè)大腦腳區(qū)異常高信號，而患側(cè)大腦腳區(qū)平均FA值在發(fā)病后（5.3±2.6）天即較健側(cè)降低9.9%，且在發(fā)病后第30天及第90天，患側(cè)大腦腳底FA值仍低于健側(cè)。由此可見，常規(guī)磁共振雖然可以在腦梗死后檢出皮質(zhì)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(shù)文獻[30～31]證實，通過測量腦梗死病灶同側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA值可以在發(fā)病后一周內(nèi)檢測出WD，但是關于DTI檢測皮質(zhì)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(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA值在發(fā)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(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值發(fā)現(xiàn)，3例大面積梗死患者在發(fā)病后第3天即可發(fā)現(xiàn)患側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值明顯降低，而其余20例小面積腦梗死患者在發(fā)病后第7天才出現(xiàn)患側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值明顯降低，推測其原因可能是皮質(zhì)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(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化的敏感方法，能夠為早期評估腦梗死后皮質(zhì)脊髓束WD提供新的影像學手段。

8 小結(jié)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(fā)展，常規(guī)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(guī)磁共振相比，DTI在腦梗死應用方面擁有更多的優(yōu)點。首先，它可以診斷常規(guī)MRI難以顯示的超急性腦梗死病灶;其次，它可以反映病灶區(qū)水分子的運動規(guī)律，并提供定量信息;最后，它可以無創(chuàng)、直觀地顯示出腦白質(zhì)纖維束的結(jié)構(gòu)，同時還可以生動地顯示病灶和腦白質(zhì)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）