DTI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷與治療中的價值

 

【關(guān)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(jì)七十年代后期獲得了幅人體頭部MR影像以來，MRI技術(shù)隨著硬件設(shè)備的改進(jìn)及軟件技術(shù)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(shù)近年來在醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

    磁共振彌散成像技術(shù)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(quán)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(shù)方案的制定，術(shù)后隨訪提供依據(jù)。DTI對于神經(jīng)科學(xué)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(jié)構(gòu)，而且在臨床上有很大的價值，成為近期腦功能成像技術(shù)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(jìn)行成像[2]。通過對成像脈沖序列的設(shè)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(xì)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(jié)構(gòu)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(biāo)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(shù)。

    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(jié)果為0，意味著各向同性存在；如果結(jié)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(guān)于組織結(jié)構(gòu)的錯誤結(jié)論。DTI是一種更的彌散加權(quán)成像形式，是DWI基礎(chǔ)上的新的MR成像技術(shù)，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(guān)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(jié)構(gòu)位置和走行特點的影像學(xué)技術(shù)?？梢灾庇^地顯示腫瘤與其周圍的大腦白質(zhì)纖維之間的關(guān)系，從而可以更好的指導(dǎo)手術(shù)，以求能夠大限度的切除腫瘤組織和保護(hù)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(shè)置、成像方法的設(shè)計，還依賴于圖像后處理算法，改進(jìn)DTI 的精度和數(shù)據(jù)可靠性應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移瘤，尤其在單發(fā)轉(zhuǎn)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(xì)胞所構(gòu)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(cè)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(cè)索硬化引起的肌肉萎縮疾病。病理和常規(guī)的影像學(xué)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(jìn)行檢測和評價，對確定ALS的診斷及加深對該病的認(rèn)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(xué)檢查方法主要是CT和MR檢查，治療上一般是在外科手術(shù)后輔以化療或放療。由于浸潤性生長，外科手術(shù)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(xì)胞，而CT和MRI等一些常規(guī)的影像學(xué)方法也不能準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，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(guān)系。有研究報道[9]顱內(nèi)腫瘤所致白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)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(cè)相應(yīng)部位的正常白質(zhì)纖維比較，病側(cè)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(yīng)白質(zhì)可出現(xiàn)受壓推移表現(xiàn)。II.浸潤型：是指與對側(cè)相應(yīng)部位的正常白質(zhì)纖維比較，病側(cè)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(shù)的原則是大程度切除腫瘤，小限度損傷腦功能，減少手術(shù)并發(fā)癥，延長病人的生存時間，提高生存質(zhì)量[10]。DTI技術(shù)應(yīng)用之前，醫(yī)生主要是用fMRI或皮層電刺激進(jìn)行灰質(zhì)成像來達(dá)到手術(shù)定位的目的[9]，不僅不能進(jìn)行白質(zhì)成像，準(zhǔn)確性較差，而且手術(shù)時間長，術(shù)野暴露過大。DTI技術(shù)的應(yīng)用，使外科醫(yī)生可以在術(shù)前準(zhǔn)確地辨認(rèn)腦功能區(qū)，對腫瘤切除的范圍進(jìn)行評估，使手術(shù)定位更為準(zhǔn)確，避免重要腦功能區(qū)和神經(jīng)纖維束受損，減小手術(shù)的風(fēng)險。

    (1)術(shù)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(shù)前確定手術(shù)切除范圍具有重要的指導(dǎo)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(zhǔn)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(jìn)行較準(zhǔn)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(shù)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(zhǔn)確評價腦腫瘤生長與臨近白質(zhì)纖維束間的空間解剖關(guān)系，對于白質(zhì)纖維束受侵情況的評價將為手術(shù)計劃的制定，以及對患者預(yù)后提供重要的指導(dǎo)作用。

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

    (3)術(shù)后隨訪：腦腫瘤(尤其是膠質(zhì)瘤)手術(shù)以及放化療后狀況的準(zhǔn)確評估一直以來是個難題。腦腫瘤的術(shù)后復(fù)發(fā)或殘留因具有較高的細(xì)胞密度和細(xì)胞外間隙小等原因，其ADC值低于術(shù)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(fù)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(shù)后患者可以通過3D DTI來進(jìn)一步判斷腫瘤切除術(shù)后腦組織的逐步恢復(fù)情況，對于腫瘤患者術(shù)后的生活質(zhì)量能提供一種準(zhǔn)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(shù)及術(shù)后神經(jīng)功能康復(fù)有指導(dǎo)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(shè)備的普及以及性能的不斷提高，今后大腦功能研究預(yù)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(jié)合起來，根據(jù)大腦認(rèn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)用前景，隨著DTI 腦功能的研究逐步進(jìn)入實用化，預(yù)示著人類對腦功能的認(rèn)識將達(dá)到一個更高的水平。

 

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作者：謝嬋來

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