DTI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷與治療中的價值

 

【關鍵詞】  DTI在神經(jīng)系統(tǒng)

    本課題由上海市科委登山計劃資助（項目編號：064119516）

    從上世紀七十年代后期獲得了幅人體頭部MR影像以來，MRI技術隨著硬件設備的改進及軟件技術的開發(fā)得到了日新月異的發(fā)展，特別是功能性磁共振成像技術近年來在醫(yī)學研究和臨床診斷中得到了越來越廣泛的應用。

    磁共振彌散成像技術是目前在活體上測量水分子彌散運動與成像的方法，常用的主要包括彌散加權成橡(diffusion weighted imaging，DWI)和彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)。DTI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)尤其對白質(zhì)和灰質(zhì)的區(qū)別以及白質(zhì)纖維的走行有很好的成像效果，可了解病變造成的白質(zhì)纖維束受壓移位、浸潤與破壞[1]，為病變的診斷與鑒別診斷提供更多信息，為手術方案的制定，術后隨訪提供依據(jù)。DTI對于神經(jīng)科學是一個新的突破，使得研究者得以了解活體的神經(jīng)纖維走行，這不僅有助于深入了解人腦纖維的結構，而且在臨床上有很大的價值，成為近期腦功能成像技術研究的新熱點之一。

    一、概念

    1.Diffusion：是指分子的隨機移動，即布朗運動。

    2.DWI：利用組織中水分子彌散運動的特性進行成像[2]。通過對成像脈沖序列的設計，將彌散對MRI信號的作用放大化的一種新型功能性磁共振成像序列。DWI使MRI對人體的研究深入到細胞水平的微觀世界。特點：是一種對急性組織變化比較敏感的磁成像模式；圖像的信號強度隨著組織的病理變化而變化；但它只是一種用來觀察組織情況的定性工具。

    3.DTI：利用組織中水分子彌散的各向異性(anisotropy)來探測組織微觀結構的成像方法。腦白質(zhì)的各向異性是由于平行走行的髓鞘軸索纖維所致，腦白質(zhì)的彌散在平行神經(jīng)纖維方向大，即彌散各向異性FA大，接近于1。這一特性用彩色標記可反映出腦白質(zhì)的空間方向性，即彌散快的方向指示纖維走行的方向。DTI是一種用于研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖神經(jīng)束彌散各向異性和顯示白質(zhì)纖維解剖的磁共振技術。

    表觀彌散系數(shù)(Apparent Diffusion Coefficient，ADC)：反映體內(nèi)水分子向各個方向彌散的平均值，水分子彌散運動越明顯，ADC值增高。 相對各向異性(Relative Anisotropy，RA)，各向異性比值(Fractional Anisotropy，F(xiàn)A)：均為目前常用的描述彌散各向異性指數(shù)，其值具有一致性，代表了水分子在彌散主向量軸上的運動強度。RA、FA在0和1的范圍內(nèi)變化。如果結果為0，意味著各向同性存在；如果結果為1，代表各向異性的大值。

    二、DTI優(yōu)缺點

    1.優(yōu)點:

    彌散是一個矢量，不僅有大小也有方向。在DTI中，組織內(nèi)水分子的位移情況至少在6個方向被測量[3]，而diffusion只在一個或三個方向被測定，可能會造成關于組織結構的錯誤結論。DTI是一種更的彌散加權成像形式，是DWI基礎上的新的MR成像技術，它利用多種參數(shù)和數(shù)據(jù)處理，從量和方向上反映成像體素內(nèi)擴散的變化，可以定向定量地評價腦白質(zhì)的各向異性。

    另外，DTI圖像可以經(jīng)過特定的后處理軟件用主要特征矢量圖來顯示，從而在圖像中顯示腦白質(zhì)的方向和完整性，這就為研究腦白質(zhì)的走行，揭示腦內(nèi)各種腦病變包括腦梗死，腦腫瘤等病灶與腦白質(zhì)纖維走行的關系提供了可能性，在顯示腦白質(zhì)纖維病變方面具有更大的優(yōu)越性和潛力。纖維示蹤圖(fiber tractography)：是目前能在活體、無創(chuàng)和個體化地提供人腦白質(zhì)纖維結構位置和走行特點的影像學技術?？梢灾庇^地顯示腫瘤與其周圍的大腦白質(zhì)纖維之間的關系，從而可以更好的指導手術，以求能夠大限度的切除腫瘤組織和保護正常腦組織。

    2.缺點:

    DTI也有其局限與不足，表現(xiàn)在：彌散梯度引起渦流，使纖維束方向確定不可靠，磁場不均勻性使圖像扭曲變形，影響DTI定量分析；較小纖維束顯示不佳或不能顯示；受水腫等因素影響受壓與破壞判斷不確切。DTI 的精度不僅依賴于成像中脈沖序列的設置、成像方法的設計，還依賴于圖像后處理算法，改進DTI 的精度和數(shù)據(jù)可靠性應該從這兩方面入手。

    三、DTI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷與治療中的價值：

    1.DTI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷方面的作用：

    （1）膠質(zhì)瘤：Stanley[4-5]等對于別膠質(zhì)瘤和轉移瘤的DTI研究表明：別膠質(zhì)瘤水腫周邊正常白質(zhì)的的ADC值明顯高于轉移瘤組，而FA值要低于后者。因此可以通過對水腫周邊正常白質(zhì)的ADC值和FA值的測量來區(qū)分別膠質(zhì)瘤和轉移瘤，尤其在單發(fā)轉移瘤與別膠質(zhì)瘤的鑒別診斷中可發(fā)揮作用。

    （2）腦膜瘤：也是常見顱腦腫瘤之一，約占顱內(nèi)腫瘤的15－20％，是一附著于硬腦膜緩慢生長的良性腫瘤，是由腫瘤性腦膜上皮（蛛網(wǎng)膜）細胞所構成，其中少數(shù)可為惡性。良惡性腦膜瘤的影像表現(xiàn)又是十分相似難以鑒別。有研究報道ADC值和FA值有助于腦膜瘤良惡性的鑒別，惡性腦膜瘤腫瘤實質(zhì)區(qū)ACD值明顯低于良性腦膜瘤實質(zhì)區(qū)；惡性腦膜瘤瘤周白質(zhì)FA值低于或輕度低于良性腦膜瘤瘤周白質(zhì)。良性腦膜瘤瘤周白質(zhì)表現(xiàn)為纖維束受壓移位或無明顯變化；惡性腦膜瘤瘤周水腫區(qū)、瘤周白質(zhì)均出現(xiàn)較明顯的纖維束缺失。

    （3）肌萎縮性側索硬化癥（ALS）：是一種慢性漸發(fā)的疾病，是由各種神經(jīng)元的損害及脊髓側索硬化引起的肌肉萎縮疾病。病理和常規(guī)的影像學檢查并不一定能觀察到神經(jīng)元的萎縮和丟失。有研究發(fā)現(xiàn)：在內(nèi)囊后肢和大腦腳平面，ALS患者的FA 值下降，提示存在皮質(zhì)脊髓束變性，DTI可以在活體無創(chuàng)性地對錐體束及其潛在病變進行檢測和評價，對確定ALS的診斷及加深對該病的認識可提供有用的信息[6-8]。

    2.DTI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病(尤其是膠質(zhì)瘤)治療方面的作用：

    膠質(zhì)瘤是常見的顱腦腫瘤，約占顱內(nèi)腫瘤的40％，是難以治愈的一種腦部腫瘤，起源于星形神經(jīng)膠質(zhì)，在白質(zhì)中浸潤性生長是其特點，目前常用的影像學檢查方法主要是CT和MR檢查，治療上一般是在外科手術后輔以化療或放療。由于浸潤性生長，外科手術不能完全切除腫瘤組織，放射治療也難以殺死所有的浸潤生長的腫瘤細胞，而CT和MRI等一些常規(guī)的影像學方法也不能準確的確定腫瘤的邊界和范圍，給其治療帶來了很大的困難，因此需要尋找新的途徑來治療膠質(zhì)瘤。

    DTI較常規(guī)MRI大的優(yōu)勢是可以清楚的顯示腦白質(zhì)纖維結構，并可以通過彩色張量圖、纖維示蹤圖顯示白質(zhì)纖維的走行方向，在顱內(nèi)發(fā)生病變時即可以顯示白質(zhì)纖維與病變的關系。有研究報道[9]顱內(nèi)腫瘤所致白質(zhì)纖維結構的異常主要有以下三種基本改變形式：I.推移型：是指與對側相應部位的正常白質(zhì)纖維比較，病側白質(zhì)纖維位置和形態(tài)發(fā)生改變，輕度受壓時FA值變化不明顯，明顯受壓時由于纖維排列更加緊密使得FA值有所上升，腦內(nèi)腫瘤由于占位效應白質(zhì)可出現(xiàn)受壓推移表現(xiàn)。II.浸潤型：是指與對側相應部位的正常白質(zhì)纖維比較，病側白質(zhì)纖維位置和形態(tài)異常，表現(xiàn)為FA值輕度下降。III.破壞型：是指腫瘤所在部位白質(zhì)纖維消失，為腫瘤組織所占據(jù)，表現(xiàn)為FA值明顯下降，在瘤周水腫與腦內(nèi)腫瘤生長部位可以見到，但界定纖維破壞的FA值目前難以精確提出。

    外科手術的原則是大程度切除腫瘤，小限度損傷腦功能，減少手術并發(fā)癥，延長病人的生存時間，提高生存質(zhì)量[10]。DTI技術應用之前，醫(yī)生主要是用fMRI或皮層電刺激進行灰質(zhì)成像來達到手術定位的目的[9]，不僅不能進行白質(zhì)成像，準確性較差，而且手術時間長，術野暴露過大。DTI技術的應用，使外科醫(yī)生可以在術前準確地辨認腦功能區(qū)，對腫瘤切除的范圍進行評估，使手術定位更為準確，避免重要腦功能區(qū)和神經(jīng)纖維束受損，減小手術的風險。

    (1)術前評估：DTI可以清晰地界定腦腫瘤(尤其是膠質(zhì)瘤)與正常腦組織、瘤周水腫的界限，對于術前確定手術切除范圍具有重要的指導意義。常規(guī)的SE序列一般是通過腫瘤增強部分的邊界來界定腫瘤邊界，但是對于沒有強化的腫瘤(如低級別膠質(zhì)瘤等)以及對瘤周有浸潤的惡性腫瘤就很難準確判斷其界限。Sinha[11]等對9例別腦膠質(zhì)瘤DTI研究表明：平均彌散率對于區(qū)分正常腦白質(zhì)、瘤周水腫以及腦腫瘤是有價值的，可以對腦腫瘤范圍進行較準確的確定，但是擴散各向異性對于各種組織間的區(qū)分缺乏特異性。DTI區(qū)分腫瘤與周圍的血管源性水腫對于決定放療的區(qū)域、手術的邊緣以及穿刺活檢的部位等均具有非常重要的價值。Mori等研究表明：DTI能夠準確評價腦腫瘤生長與臨近白質(zhì)纖維束間的空間解剖關系，對于白質(zhì)纖維束受侵情況的評價將為手術計劃的制定，以及對患者預后提供重要的指導作用。

    (2)術中導航：亦有報道稱通過對手術臺和MR操作設備的聯(lián)合設計實現(xiàn)在術中進行DTI,做到精確切除神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤殘留組織，在術中起到了導航的作用[12]。

    (3)術后隨訪：腦腫瘤(尤其是膠質(zhì)瘤)手術以及放化療后狀況的準確評估一直以來是個難題。腦腫瘤的術后復發(fā)或殘留因具有較高的細胞密度和細胞外間隙小等原因，其ADC值低于術后殘腔，而DWI信號增高。但是，DWI信號和ADC值對腦腫瘤放療后損傷與腫瘤復發(fā)的鑒別價值并不像想象的那么明確。DTI可以清楚顯示腦白質(zhì)纖維的走向情況，因此術后患者可以通過3D DTI來進一步判斷腫瘤切除術后腦組織的逐步恢復情況，對于腫瘤患者術后的生活質(zhì)量能提供一種準確的評價手段。同時DTI研究也有助于腦腫瘤治療過程中一些藥物作用的監(jiān)測與理解。

    總之，DTI通過對腦功能區(qū)范圍以及神經(jīng)纖維束的精確描繪對于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和對于腦腫瘤患者實施手術及術后神經(jīng)功能康復有指導性幫助，特別是對于腫瘤邊界及水腫范圍的劃定較常規(guī)MRI檢查具有明顯優(yōu)勢，為臨床治療提供更多的信息。

    四.DTI前景

    隨著設備的普及以及性能的不斷提高，今后大腦功能研究預計會朝著多波譜多對比度的方向發(fā)展，將BOLD、DTI、MRS 以及常規(guī)的T1、T2和質(zhì)子密度結合起來，根據(jù)大腦認知活動時的各種改變綜合評價大腦功能，從而獲得神經(jīng)系統(tǒng)疾病的正確診斷和實施合適的治療，并在腫瘤治療過程中進行監(jiān)督。

    DTI的發(fā)展非常迅速，雖然在成像方法和圖像分析上還有許多需要改進和完善的地方，但在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床診斷和病理研究上具有廣闊的應用前景，隨著DTI 腦功能的研究逐步進入實用化，預示著人類對腦功能的認識將達到一個更高的水平。

 

【參考文獻】
  1. Field AS, Alexander AL. Diffusion tensor imaging in cerebral tumor diagnosis and therapy. Top Magn Reson Imaging, 2004, 15(5): 315-324

2. Le Bihan D, Mangin JF, Poupon C, et al. Diffusion tensor imaging: concepts and applications. J Magn Reson Imaging, 2001, 13(4): 534-546

3. Inoue T, Ogasawara K, Beppu T, et al. Diffusion tensor imaging for preoperative evaluation of tumor grade in gliomas. Clin Neurol Neurosurg, 2005, 107(3): 174-180

4. Lu S, Ahn D, Johnson G, et a1. Peritumoral diffusion tensor imaging of high-grade gliomas and me[x]tastatic brain tumors. AJNR, 2003, 24(5): 937-941

5. Lu S, Ahn D, Johnson G, et a1. Diffusion-tensor MR imaging of intracranial neoplasia and associated peritumoral edema: introduction of the tumor infiltration index. Radiology, 2004, 232(1): 221-228

6. Schimriqk SK, Bellenberq B, Schluter M, et al. Diffusion tensor imaging-ba[x]sed fractional anisotropy quantification in the corticospinal tract of patients with amyotrophic lateral sclerosis using a probabilistic mixture model. AJNR, 2007, 28(4): 724-730

7. Saqe CA, Peeters RR, Gorner A, et al. Quantitative diffusion tensor imaging in amyotrophic lateral sclerosis. Neuroimage, 2007, 15; 34(2): 486-499

8. Wang S, Melhem ER. Amyotrophic lateral sclerosis and primary lateral sclerosis: The role of diffusion tensor imaging and other advanced MR-ba[x]sed techniques as ob[x]jective upper motor neuron markers. Ann N Y Acad Sci, 2005, 1064: 61-77

9. Jellison BJ, Field AS, Medow J, et al. Diffusion tensor imaging of cerebral white matter: a pictorial review of physics, fiber tract anatomy, and tumor imaging patterns. AJNR, 2004, 25(3): 356-369

10. Laundre BJ, Jellison BJ, Badie B, et al. Diffusion tensor imaging of the corticospinal tract before and after mass resection as correlated with clinical motor findings: preliminary data. AJNR, 2005, 26(4): 791-796

11. Sinha S, Bastin ME, Whittle IR, et a1. Diffusion tensor MR imaging of high-grade cerebral gliomas. AJNR, 2002, 23(4): 520-527

12. Nimsky C, Ganslandt O, Hastreiter P, et al. Intraoperative diffusion-tensor MR imaging: shifting of white matter tracts during neurosurgical procedures initial experience. Radiology, 2005, 234(1): 218-225

作者：謝嬋來

作者單位：上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院放射科 200025