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弥散张量成像技术在脊髓损伤中的应用与进展

脊髓损伤(spinal cord injuries,SCI)是由外伤、脊柱退行性变等多种原因引起的脊髓结构与功能损害,导致损伤水平以下完全或不完全性脊髓运动、感觉、括约肌功能障碍,给社会与家庭带来巨大的负担和经济损失。脊髓损伤可分为急性和慢性两种,前者主要包括脊髓水肿、髓内出血、脊髓受压和脊髓横断,后者主要有脊髓软化、继发空洞形成、陈旧性血肿、瘢痕纤维化、粘连、脊髓萎缩等。

慢性脊髓损伤常取决于急性期损伤的程度及治疗情况。因此,如何早期准确地诊断脊髓损伤及其程度,对脊髓损伤后的治疗及预后具有重要意义。MRI是目前检测脊髓损伤的重要影像学手段,然而,常规MRI尚不能够及时、准确地评估脊髓的功能状态及其预后趋势。磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术利用多个不同方向的敏感梯度对水分子的扩散方向进行量化,可以清楚显示脊髓的细微病理生理变化及白质纤维束的空间走行和完整性,已成为脊髓疾病应用的研究热点。

1.DTI的原理及其参数

1.1原理

DTI是一种凭借水分子的布朗运动反映组织微观结构信息的技术手段。磁共振弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)能够探测、衡量组织中水分子的移动。水分子发生位移现象后会对磁共振弥散加权扫描时的信号产生衰减效应。由于其特性所致,中枢神经系统中白质轴突结构会促使水分子主要以平行于轴突纤维的方向扩散。垂直于纤维方向扩散受限的原因除了髓鞘的因素,更多是源于细胞膜。DTI利用这种与方向有关的扩散特性,可以推断轴突纤维定位和划定解剖界限。总体而言,组织微观结构上的变化会影响到其内部水分子的弥散运动,随之带来DTI指标值的改变,由此奠定了DTI指标能够被用于确定脊髓病理改变的基础。

1.2定量指标

DTI采用了张量的框架来表征三维空间内的分子运动。通过计算沿3个主轴方向的扩散系数,便可产生DTI指标。目前应用于研究和临床的常用指标有各向异性分数(fractional anisotropy, FA)、表观弥散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)、纵向表观弥散系数(LADC)和横向ADC。通过MRI设备自带的软件工具,在受检者矢状位或轴位的张量图像上确定出感兴趣区后,便可计算出DTI指标。其中,FA值为各向异性所占的比重,随着组织各向异性程度的增高而升高,在0~1范围内取值。脊髓损伤后,由于纵向排列的轴突的中断,导致各向异性的降低,最终表现出FA值的下降。ADC或平均弥散系数(MD)是3个主轴方向上的扩散系数的平均值,其值可随病变组织病理学的改变而升高或降低。LADC指的是白质纤维束从头部到尾部方向上发生的弥散系数,发生轴突损伤时其值往往降低。当要测量径向弥散系数时要用到横向ADC;组织发生脱髓鞘病变时其值会发生特征性的升高。

1.3弥散张量纤维束示踪成像(diffusion tensor tract graphy,DTT)

DTT是目前唯一能在活体三维显示神经纤维束形态的无创性影像学方法。它利用弥散张量所含的信息运用各种示踪技术重建出三维的白质纤维束,以直观清晰地显示脊髓纤维束的形态、走行轨迹、连续性及断裂情况,进而能够较直接地反映白质纤维束的损伤情况。目前,DTT大致分为线形扩展技术和能量最小技术两种,后者又可分为快速行进法和模拟退火法两种。大多数研究采用的是线性扩展技术,FA阈值设为0.18,轨道角35°。示踪时沿着具有最大本征值的本征向量方向扩展,当FA值小于所设阈值,两个夹角>35°时终止进程。

2.正常脊髓DTI

最初的大鼠脊髓DTI体外或体内研究采用可置入线圈在4.7T至7.0T场强下进行。随着技术提高,DTI体内测量可在更高场强、无需可置入线圈下进行。动物研究表明,DTI可清晰分辨脊髓白质和灰质结构。其原因是弥散优先发生于沿轴突束方向,使得白质具有显著高于灰质的各向异性,即实际得到更高的FA值。由于灰质和白质在整条脊髓的不同水平存在着微观结构差别,大鼠的DTI指标在脊髓不同水平(颈、胸和尾部)存在显著差异。只要扫描参数选择适当,可得到人体脊髓灰质和白质区域间优良的对比度。FA值、ADC值在各颈髓水平间的分布呈从头侧向尾侧FA值逐渐下降,ADC值逐渐上升,该分布特点的可能原因是颈膨大使低位颈髓中灰质成分的增多,或臂丛神经根进出低位颈髓造成此处的FA值降低。脊髓神经的功能在很大程度上取决于白质纤维束结构的完整性,因而对纤维束形态精确评估是进行预后判断的关键。而DTT图像在后处理工作站呈现3D效果,可以通过任意角度进行旋转观察,且不会出现图像的扭曲和失真现象。

值得注意的是,DTI指标与年龄因素有相关性,反映出脊髓内微观结构随着年龄增长而发生变化。在做脊髓DTI研究时,要注意受试组与对照组年龄上的匹配问题,否则会影响结果的可靠性。

3.DTI在脊髓损伤诊治中的应用

3.1急性脊髓损伤

对于脊髓损伤的诊断,早期准确地判断损伤范围和损伤程度十分重要。常规MRI虽然能够清晰反映脊髓受压、出血、水肿范围,但是这些典型的表现多出现在重症或亚急性期患者,加上出血信号表现多样,无法在损伤早期客观反映出损伤程度和真实损伤范围。而DTI能在脊髓损伤超急性期(0~6h),T2WI尚无异常信号出现时便检测出脊髓损伤水平各向异性和弥散系数的变化。此变化主要表现为FA、ADC值的显著降低和径向弥散系数(横向ADC值)的升高。其原因是急性外伤引起脊髓神经细胞的变性、水肿及脊髓神经纤维束损伤造成沿神经纤维方向水分子弥散运动紊乱,从而使FA值降低。

由此可见,将DTI应用于临床常见的无骨折脱位型颈脊髓损伤的检测,可以更早得到确诊。动物与人体脊髓损伤的研究表明,DTI的优越性还体现在能够通过参数测定检测出损伤区头侧端或尾侧端上脊髓微观结构发生的变化。Vedantam等应用DTI对急性高位颈髓损伤患者进行研究,发现损伤区头侧端的FA值与伤后上肢功能保留显著相关。远隔部位DTI指标值的改变可能与细胞毒性水肿、轴突损失或慢性萎缩有关,并与损伤程度相关。这意味着远隔部位DTI指标,尤其是损伤区头侧端FA值有望成为神经损伤的替代标记物。同时,当要更深入了解脊髓损伤的病理生理学时,就可利用DTI技术来示踪远隔部位所发生的变化。对于急性不对称性脊髓损伤,轴位FA图及DTT能够很好地发挥其特有的用途。在对脊髓损伤后治疗和实施康复措施过程中,临床和基础研究都迫切需要无创、客观、准确的影像学检查方法来验证治疗方法与疗效之间的相关性,DTI在此方面展现出良好的前景。其特征性参数值FA和ADC值的一系列变化能间接反映脊髓损伤程度和修复期轴突再髓鞘化过程。

通过FA、ADC值可以定量判断脊髓传导功能障碍的程度和评价脊髓传导功能的恢复,对上述参数值的检测已被应用于脊髓损伤后的临床观察和相关的实验研究中。高连军等通过测定大鼠脊髓损伤区域及正常区域的FA均值变化,观察治疗后不同时间DTT所示纤维束形态变化,以评价电针刺激对大鼠脊髓损伤后脊髓功能恢复的影响,发现实验组纤维束修复程度明显好于对照组,说明电针干预对脊髓损伤治疗有效。相比较临床广泛采用的脊髓功能量表评价,DTI可以更加真实准确地为临床治疗方案的制定以及疗效的随访观察提供可量化的影像学依据。

3.2慢性脊髓损伤

涉及许多神经微观结构的变化,包括脱髓鞘、髓鞘再生、轴突丧失和萎缩。脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy,CSM)是最常见的脊髓慢性损伤原因。其病理生理学机制复杂,包括由颈椎间盘突出、骨赘和后纵韧带钙化所致的机械性脊髓受压以及继发性脊髓缺血。水分子的弥散运动将随着这些病理改变而变化。伴有颈椎管狭窄的患者,尽管常规MRI的T1WI和T2WI显示正常,但是弥散成像却能够检测出颈髓内部发生的变化。相较于正常对照组,CSM患者的FA值在病变颈髓水平发生了明显的下降,而ADC值升高。而且,DTI指标与脊髓损伤程度有关;症状性CSM比起无症状性患者,受压颈髓节段的FA值更低,ADC值更高。与急性脊髓损伤相同的是,在慢性颈髓损伤部位头侧端弥散系数会发生显著变化;更重要的是,此处DTI参数值的改变与患者神经功能测定结果有很好的对应关系,从而表明可将其作为慢性脊髓损伤无创性影像学标志。

此外,由于脊柱手术后金属固定器材的存在,磁共振扫描(包括常规MRI和DTI)时会在脊髓损伤部位(即手术部位)产生强烈的伪影,导致神经影像医生和外科医生对目标区域观测的困难。而此时,通过测定损伤部位头侧端的DTI指标便可间接地对脊髓损伤情况进行评估。将来,这种技术势必成为研究脊髓恢复期纵向弥散系数变化的有力手段。

4.DTI对脊髓损伤预后的评估作用

魏梁锋等研究探讨了颈椎管内肿瘤患者DTI参数值的变化特点及其与脊髓功能和预后的关系后认为,颈椎管内肿瘤患者的颈髓DTI指标可在全颈髓范围内发生明显变化,手术治疗后这些变化在颈髓不同区域呈现出不同程度的恢复,并与颈髓功能的改善相关,术后肿瘤头区FA值的变化为敏感度较高的脊髓功能和预后的预测指标。而急性脊髓损伤后,DTI参数对预后能起什么样的作用尚无定论。Endo等通过ADC值预测不完全性脊髓损伤神经功能恢复情况,发现脊髓损伤部位ADC值越高,术后神经外科颈髓评分越高;但若采用Frankel评分,结果则不然。Cheran等的研究提示,DTI参数值与非出血性脊髓挫伤患者的美国脊髓损伤协会(ASIA)运动评分之间存在相关性。其他功能评分,如独立性功能测定、脊髓损伤行走指数及脊髓损伤测定等,与DTI参数间的关联性尚未见报道。因此,目前很有必要在全世界范围内统一使用一套标准化的功能评分量表来判定DTI参数值对预后的预测价值。

此外,也有必要将参数值分别与量表中感觉和运动功能相对应。DTT在脊髓损伤预后评估方面具有重要作用。通过DTT发现的纤维束异常与其相应的神经功能缺损程度密切相关。将DTT技术运用于腰椎间盘突出患者,可根据脊神经根纤维束的面积及其形态来定量评价神经根的功能状态。颈椎管内肿瘤患者术前DTT显示的纤维束形态与预后有相关性,纤维束形态完整的患者术前脊髓功能状态及术后1个月的预后均要好于中断型。Nakamura等对20例经椎管扩大成形术治疗的CSM病例进行术前DTT重建,通过以下公式计算纤维束比率:颈髓压迫水平纤维束数量/C2水平纤维束数量×100%,以JOA评分评定脊髓功能状态。最后发现,CSM患者术前纤维束比率与术后脊髓功能恢复率显著相关,术前纤维束比率高的患者脊髓功能预后好于纤维束比率低的。这预示纤维束比率可能成为CSM患者术后神经功能恢复的一个新的预后指标。

综上所述,DTI能够检测出脊髓疾病所引起的脊髓病理生理和微观结构的改变,尤其在急性脊髓损伤和脊髓型颈椎病及脊髓肿瘤等引起的慢性脊髓损伤方面展示出不凡的检测实力。尽管脊髓DTI在动物模型和人体中的研究和应用已取得一定成果,但影像采集和后处理方面需要进一步提升和标准化,且需要大量的研究资料来提高DTI指标确定脊髓病理时的精确性和可靠性。同时,DTI扫描时因涡流引起的配准不良、被检查者运动引起的伪影和磁敏感性所致的信号丢失等均可影响计算结果。一旦这些难题得到解决,DTI将有望成为监测脊髓疾病和预测预后的主流检查手段。

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