脑组织磁共振扩散张量成像避开手术危险区-脑外科专家顾建文教授-搜狐博客

目前除常规MRI以外，还有很多功能成像Structure and Function of Brain的研究，用于手术就可以避免扩大范围损害脑组织。如扩散张量成像（DTI Diffusion Tensor Imaging）分析，皮质组织异常的3D T1WI薄层扫描及曲面重建、2D-MRSI、DTI的表现。DTI技术显示正常人脑白质纤维,与解剖学描述有一致性。

具体原理为弥散运动即布朗运动（Brown motion）是指分子在温度驱使下无规则随机的、相互碰撞、相互超越的运动过程。磁共振弥散成像技术是目前在活体上测量水分子弥散运动与成像的唯一方法。水分子弥散运动的速率与状态反映微米数量级的运动变化，与人体的细胞处于同一数量级。因此弥散成像技术使MRI对人体的研究深入到了更微观的水平。目前最常使用的MRI弥散成像技术主要包括弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）和弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）。

常规MRI序列中水分子弥散运动对信号的影响非常微小。DWI是在常规MRI序列的基础上，在X、Y、Z轴三个互相垂直的方向上施加弥散敏感梯度，从而获得反映体内水分子弥散运动状况的MR图像。其计算公式为： A=exp（-bD）。A代表弥散运动引起的MR信号衰减，D为弥散系数（diffusion coefficient），反映弥散运动的快慢，单位为mm2/s，b为弥散因子，单位为s/mm2，低b值（＜1000 s/mm2）对快速弥散运动敏感，b值与弥散敏感梯度持续的时间、幅度、形状等有关。在DWI中通常以表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）描述组织中水分子弥散的快慢，而不直接采用弥散系数，其原因是DWI所观察到的弥散效应除反映水分子自身弥散运动之外，还与使用的b值、病人呼吸、脉搏等运动的影响有关。ADC的计算公式为： ADC＝（lnS1/lnS2）/（b1-b2）S1、S2分别代表两个弥散加权的信号强度，b1、b2为两个不同的弥散因子，通常b2值为0，b1值多为1000s/mm2，b值为0时相当于T2WI，具有较大b值的序列是较强弥散加权，因而引起较大的信号衰减。将每一像素的表观弥散系数值进行自然对数运算后即可得到DWI图，因此同一像素在表观弥散系数图和DWI图中的信号强度通常相反，即弥散运动快的像素，其表观弥散系数值高，在DWI上呈低信号，反之亦然。但是DWI的信号强度除反映表观弥散系数值的大小外，还受组织的T2弛豫时间和质子密度的影响，这种现象称为透过效应（shine through）。在体外无限均匀的液体中，水分子在各个方向上弥散运动的快慢相同，称之为各向同性（isotropy），其运动轨迹近似一个圆球体。但是在人体生理条件下，水分子的自由运动受细胞本身特征及结构的影响，如组织的粘滞度、温度、分子的大小以及细胞膜、细胞器等生理性屏障，使其在三维空间内各个方向上弥散运动的快慢不同，以至一个方向上弥散比另一个方向受更多的限制，具有很强方向依赖性，称之为各向异性（anisotropy），其运动轨迹近似一个椭球体。圆球体、椭球体的半径称为本征向量（eigenvector），其数值大小为本征值，而椭球体中最大半径为主本征向量（principal eigenvector），其数值大小称为主本征值。弥散各向异性在脑白质纤维束表现最明显，由于疏水的细胞膜和髓鞘的作用，水分子的弥散运动在与神经纤维走行一致的方向受到的限制最小，运动最快，而在与神经纤维垂直的方向上受到的限制最大，运动最慢。

DWI和表观弥散系数只反映了三个施加弥散敏感梯度方向上弥散运动的快慢，不能反映弥散各向异性。为全面反映体内水分子的弥散各向异性就需要引入张量（tensor）这一物理概念。向量是不仅具有大小又具有方向的物理量。通常使用的矢量是具有x、y、z的3个方向向量，而张量是高阶的向量矩阵，具有9个方向（xx,xy,xz,yx,yy,yz,zx,zy,zz），可以被排列成为一个矩阵：
xx,xy,xz
yx,yy,yz
zx,zy,zz

其中xx被视为在x方向的运动，xy则被视为x方向相对于y方向的运动，其它成分均以此类推。张量可以被想象成一个九维的向量，用于描述更为复杂的运动，即对水分子的运动可更精确的描述。事实上，矢量即为xy，xz，yx，yz，zx，zy 6个成分均为0的张量。

DTI是在弥散加权成像的基础上在6?55个线性方向上施加弥散敏感梯度而获取的图像，应用单次激励弥散加权SE-EPI，在180脉冲前后于Gx、Gy、Gz3个梯度通道上施加2个对称的斜方形梯度脉冲，至少于6个方向序贯施加弥散敏感梯度，并对基础T2WI-EPI像及DWI-EPI像进行5次采集，将其信号平均，获得较高信噪比的弥散张量图像。每一方向上均使用相同的较大b值（通常为1000s/mm2），计算出各个方向上的弥散张量。其主要参数如下：
1、平均弥散率（mean diffusivity），主要反映弥散运动的快慢而忽略弥散各向异性，因此采用弥散张量的痕量（trace），即三个本征值之和来表示，将各个方向的弥散张量的痕量汇总后取其平均值，即得到每一像素的平均弥散系数（average diffusion coefficient，DCavg），与表观弥散系数相比，平均弥散系数能够更加全面地反映弥散运动的快慢。
2、各向异性，目前常采用的指标包括：各向异性分数（fractional anisotropy，FA）或称为部分各向异性、相对各向异性（relative anisotropy，RA）、容积比（volume rate，VR），均代表水分子弥散运动各向异性大小的参数，分别可建立FA、RA、VR图，既可对每个体素水分子弥散运动进行量化，又可描述弥散方向。FA即弥散各向异性与整个弥散的比值，其数值在0?1之间，1表示整个弥散运动均为各向异性，即最大各向异性，0代表最小各向异性即最大各向同性。RA即弥散各向异性与弥散各向同性的比值，数值在0? 之间，表示最大各向异性，0表示最大各向同性。VR为代表弥散各向异性椭球体的容积与代表弥散各向同性球体的容积之比，其数值在1?0之间，1表示最大各向同性，0表示最大各向异性，一般采用1-VR表示各向异性的情况，以便在数值上与FA保持一致。弥散运动主要方向就是椭球体主本征向量的方向。通常情况下主本征向量与纤维走行方向一致，因此根据主本征向量能在体外显示肌肉、心肌、脑和脊髓的白质纤维束的走行。目前最常用于显示脑白质纤维束，最初只能采用伪彩编码图以不同的颜色表示神经纤维的走行方向，如今已能用示踪技术三维显示白质纤维束的走行，即弥散示踪图，通过第一个体素主本征向量的方向寻找下一个与其最接近的体素，将这些体素连接起来而获得弥散张量纤维束成像（diffusion tensor tractography,DTT）。

临床应用

1、大脑半球白质纤维束

大脑半球的白质纤维主要分为三类：连合系、联络系、投射系。连合系是连接两侧大脑半球皮质的纤维，包括胼胝体、前连合和穹隆连合。胼胝体是最大的连合纤维，向两侧放射到半卵圆中心，分布于新皮质各部，分为前钳和后钳，分别进入双侧额叶和枕叶。前连合位于穹隆柱前方终板内，大部分纤维联系两侧新皮质，分为前束和后束，前束进入前穿质和嗅束，后束散布于颞叶前部。穹隆连合位于两侧穹隆脚之间，联系两侧海马。穹隆是海马主要传出纤维，由海马神经元发出，自内侧缘至海马伞，再向前至海马回钩，后沿下角底向后上到压部下向前至穹隆脚，再向前至穹隆体，至左、右穹隆柱，最终至连合前、后穹隆。联络系是联系同侧半球各部分皮质的纤维，分为皮质内和皮质下联络纤维，后者又分为短纤维（大脑弓状纤维）和长纤维（钩束，上、下纵束，枕额上、下束，扣带），因纤维细小，且卷曲明显，联络系DTT显示效果不佳。投射系是联系大脑皮质和皮层下结构的上、下行纤维，绝大部分经过内囊。其中，锥体束为最大的投射纤维，司运动，其由中央前回和中央旁小叶前部的巨型锥体细胞等的轴突组成，下行内囊后肢前部、脚底、脑桥、延髓锥体，大部分交叉到对侧，至脊髓的纤维束称皮质脊髓束，止于脑干脑神经运动核的称皮质核束。脑白质纤维各向异性受多种因素的影响，包括：①神经纤维排列的紧密程度；②髓鞘、微管、微丝的完整性；③神经纤维的走行方向；④神经轴索的直径；⑤神经纤维中阻碍弥散的结构，如星形细胞增生；⑥血管周围胶原纤维翅，为胼胝体穿支小动脉纤维外膜翅状延伸，厚10?15um，长5mm，形成不完全、摇摆的屏障。因此根据DTI可以监测脑白质的发育、成熟以及生理性老化的过程。新生儿因神经纤维髓鞘尚未发育完好，故弥散运动快，与成人相比，平均弥散系数值高，FA低，以后FA值逐渐升高，至生后6个月时，其FA值接近成人水平，以后随年龄增长FA值升高的速度逐渐变慢，反映髓鞘形成过程。正常成人大脑白质FA比较如下：连合纤维＞投射纤维＞皮层下联络纤维；胼胝体＞半卵圆中心、胼旁区，两侧胼旁区FA值相近；胼胝体压部＞体部＞膝部；胼胝体压部＞膝部＞顶叶胼旁区＞半卵圆中心＞额叶胼旁区。40岁以后，脑组织的平均弥散系数每10年增加3%，各项异性逐渐下，FA与年龄呈负相关，随年龄增长而逐渐下降，以胼胝体膝部、半卵圆中心最明显。额叶脑白质老化的过程较顶叶脑白质快，两侧大脑半球脑白质老化的进程一致，男女两性的老化进程无明显差异。成人脑白质平均弥散系数和FA值随年龄的变化反映了神经纤维数量减少、髓鞘脱失、有髓轴突的消失、神经纤维长度变短、神经纤维排列紧密程度下降，细胞外间隙扩大等生理性老化过程。了解了脑白质的生理性老化过程，可以将病理性老化和白质病变相鉴别，目前已有将DTI用于多发性硬化、脑白质稀疏、Wallerian变性、Alzheimer病等的报道，部分作者提出DTI在发现脑白质病变方面敏感性高于T2WI。根据DTI还可判断脑白质纤维的走行方向。成人因不同部位的白质纤维走行不同，其FA值也各不相同，胼胝体膝部、压部白质纤维排列紧密且走行一致，因此FA值最高，而两侧额顶叶胼胝体周围脑白质和半卵圆中心区以交叉纤维为主，沿三个轴方向均有纤维走行，故FA值最低。FA值越大，任务执行越好；随年龄增长DCavg增加，FA下降，执行能力减弱，与白质微结构即白质束完整性明显相关。目前已有将DTI用于研究脑白质纤维联系通路方面的报道。

2、脑白质疏松

脑白质疏松（leukoaraiosis，LA）是临床常见的脑白质病变，多见于60岁以上的老年人，常伴有痴呆和脑血管病，也见于部分无临床症状的老年人。病理改变为髓鞘纤维减少伴随细胞外间隙增加，局灶白质的改变是由于轴索缺失、胶质增生所致，在MRI SE序列上表现为脑室周围和深部白质内斑片、斑点状等或长T1、T2信号影。将LA分为无临床症状的健康老年人伴有LA（normal subjects with LA，NLA）和缺血性脑白质疏松（ischamic LA，ILA）。DTI研究结果表明：LA“正常”脑白质与正常脑白质Dcavg、FA值均数比较差别有显著性；ILA与NLA正常脑白质DCavg、FA值均数比较差别无显著性；ILA与NLA病灶在半卵圆中心的脑白质DCavg值均数比较差别有显著性；ILA与NLA“正常”与病灶脑白质DCavg、FA值均数比较差别有显著性。LA程度越重，DCavg值越高，而FA值越低，说明DTI与LA的严重程度密切相关。因此，DTI能发现LA常规MRI检查正常的脑白质微结构改变，其与认知功能相关。

3、脑缺血性病变

缺血的超急性期（＜12小时）处于细胞毒性水肿期，由于水分子运动突然停止，纤维肿胀，纤维束间隙变小、迂曲，DCavg明显减低，FA、RA、1-VR值较对侧升高。急性期（12?24小时）处于细胞毒性水肿期或血管源性水肿早期，DCavg明显减低，代表脑组织不可恢复损伤、坏死，FA、RA、1-VR表现为不可恢复的降低。亚急性早期（＞1?3天）、亚急性晚期（＞3?7天）处于血管源性水肿期，DCavg由下降转为“正常”，而后升高，反映了细胞膜完整性破坏、血管源性水肿及组织含水量增加，而FA、RA、1-VR持续下降，反映细胞结构破坏导致组织微观正常结构顺序丧失，进而发展为组织坏死，从而造成各向异性的显著降低。脑缺血性病变灰白质的DCavg均显著下降，但FA的变化则不同，灰质区的FA值无明显变化，而白质区的FA值则显著下降。说明灰白质的各向异性改变程度不同，灰质各向异性改变轻于白质。解剖上，由于正常白质组织排列紧密，各向异性较灰质高，且白质对缺血又较灰质敏感，水分子沿白质纤维束走行方向弥散最快，一旦白质发生缺血，水分子弥散障碍也就表现得更加显著，所以其各向异性的改变也最显著。超急性期、急性期梗死病灶的中心区与边缘区DCavg、FA等值存在明显差异，说明中心与边缘弥散受限的程度不同，细胞微观结构的破坏程度不同，也就是说，缺血的程度明显不同，在边缘区存在半暗带。病程发展到亚急性早期、亚急性晚期，中心区与边缘区DCavg、FA等值无明显差异，提示病灶边缘区缺血性损伤进一步加重，可能存在的半暗带组织已逐渐发展为同中心区一样的不可逆缺血坏死组织。因此，通过DTI也有助于确定缺血半暗带及其治疗时间窗。目前DTT也被应用于脑缺血性病变的研究中，可显示纤维束的迂曲、受压、变形，也可显示梗死区与纤维束的关系，如接近、穿行（部分、完全）、中断，对区分灰、白质病变的具体解剖部位、显示与纤维束的关系以及判断临床预后具有较大的意义。

具体方法是颅脑MRI与颅脑单次激发回波平面扩散张量成像扫描(b值=0,500s/mm2),在SiemensLeonardo工作站应用纤维束跟踪软件(SiemensStandar12dirs)进行后处理重建出白质纤维束。主要白质纤维如皮质脊髓束、皮质核束、胼胝体、扣带、上纵束、下纵束、上枕额束、下枕额束、钩束模拟显示,与解剖学描述具有较好的一致性。利用扩散张量成像技术可模拟显示正常人脑白质纤维,与解剖学描述人脑白质纤维一致。磁共振扩散张量成像是利用水分子的扩散运动各向异性进行成像,反映活体组织空间组成信息及病理状态下各组织成分之间水分子交换功能状况的检查方法。目前没有其他形态学方法能够提供活体白质纤维特性,因此DTI技术对研究脑解剖与诊断白质病变具有重要意义。FA彩色编码图(orientationbased color coding)可以反映脑白质纤维走行,对观察白质有一定意义,已经证明在某些颅脑疾病诊断中有意义但观察FA彩色编码图需要对脑白质三维结构知识的充分掌握。由DTI原始数据可以进行三维白质纤维束重建。

4、颅内肿瘤

DTI及DTT可更精确的反映肿瘤与白质的位置关系，指导术前方案的制定，避免术中移位纤维的损伤，降低手术并发症，提高患者生活质量，并可观察术后纤维变化，为评价疗效提供依据。

4.1不同级别星形细胞瘤的鉴别
胶质母细胞瘤各区域的Dcavg有所不同，肿瘤中心坏死区＞病周水肿＞肿瘤强化中心＞肿瘤强化周边，其中病周水肿与肿瘤强化周边的DCavg有统计学差异，可鉴别二者结构。在显示肿瘤的范围上，DTI＞T2WI，说明DTI显示病变更准确。低级别星形细胞瘤DTI和T2WI异常信号范围基本一致，据此可与胶质母细胞瘤鉴别。

4.2脑膜瘤与间变性脑膜瘤的鉴别
脑膜瘤与间变性脑膜瘤的鉴别可通过DTI观察肿瘤周围白质的FA图变化来区分二者。脑膜瘤周围白质若轻度受压，则FA正常；若明显受压，则FA升高；若瘤周出现水肿，则FA略下降。间变性脑膜瘤肿瘤周围白质若被浸润，则FA明显下降；若被浸润、水肿、受压、推挤，则FA轻度下降；若仅为受压，则FA无变化和轻度升高。

4.3高级别星形细胞瘤与转移瘤鉴别
测定瘤周水肿DCavg可以对转移瘤和高级别星形细胞肿瘤进行鉴别诊断。转移瘤的瘤周水肿DCavg显著高于后者, 主要原因可能是转移瘤致血管源性水肿更明显，因此细胞外间隙游离水更多。水肿周围正常脑白质DCavg、FA相比较，高级别肿瘤DCavg高于转移瘤，而FA低于转移瘤，DTI显示肿瘤浸润范围大于T2WI高信号区，提示可能是由于恶性肿瘤细胞浸润引起。而将高级别星形细胞瘤与转移瘤的实体和囊性部分Dcavg分别进行比较，二者之间均无统计学差异。

利用弥散示踪技术显示肿瘤与白质纤维束的关系，浸润性生长的脑内肿瘤与白质纤维束的关系存在三种不同方式：①DTI显示白质纤维未受累及，仅表现为推移，FA值不变或略有升高；②肿瘤组织部分浸润白质纤维束且有移位，其FA值部分下降；③肿瘤邻近白质纤维束受破坏，其FA值明显下降，各向异性消失。据此有助于更精确的确定肿瘤的浸润范围和邻近白质纤维束受累情况。

总之，DTI可了解正常人白质纤维束随年龄变化的特点以及病变造成的白质纤维束受压、移位、变形、浸润与破坏，为病变的诊断与鉴别诊断提供更多信息，为手术方案的制定、术后随访提供依据，创造新疗法。但DTI也有其局限与不足之处，主要表现为以下几方面：①弥散梯度引起涡流，使纤维束方向确定不可靠；②磁场不均匀性使图像扭曲变形，影响DTI定量分析；③较小纤维束显示不佳或不能显示；④受水肿等因素影响受压与破坏判断不确切；⑤只能作为病变诊断与鉴别诊断补充信息。因此，有待于进一步研究。