3.0TMRI功能成像在急性创伤性颈髓损伤中的研究进展

急性颈髓损伤(acute cervical spinal cord injury,ACSCI)是最常见的创伤性中枢神经损伤之一,致残、致死率较高,临床早期发现ACSCI,尽早干预治疗对改善预后尤为重要。T2WI发现颈髓异常信号时,往往提示损伤已到了不可挽回的地步。随着MRI的迅速发展,功能成像技术已经普遍应用于中枢神经系统,对神经系统功能改变及微观结构的显示有较大提高。大量研究证明,在检测创伤性脑损伤方面,功能成像技术较常规MRI显示出较大优势,虽然在颈髓创伤中应用较少,但愈来愈受到重视。因此,笔者就3.0TMRI功能成像应用于ACSCI的研究进展进行综述。

1.SWI

SWI是利用不同组织间对磁性敏感程度不同而成像的一种技术,是一个三维采集、完全流动补偿、高分辨力、薄层重建的梯度回波序列,在对其生成的幅度图像及相位图像进行相应处理后,得到最小强度图像,增强了微小动脉及静脉的显示能力,对显示血液代谢产物、钙化和铁质沉积等也十分敏感。Benson等研究表明,SWI主要用于检测中枢神经系统中不易被CT和MRI常规序列发现的微小出血灶,也可检测微小出血的位置和数量,在小静脉尤其是亚毫米级静脉结构及微小出血灶的显示上有其独到的优势。研究表明,采用不同FOV与不同矩阵参数组合,当FOV为200mm×200mm、矩阵为320×320时,图像质量评分及SNR均较高,此时体素为0.7 cm×0.7 cm×2.0 cm,可清晰显示脊髓表面髓静脉及微小出血灶。

Hunter等研究表明,SWI有助于发现损伤后的微小出血灶,特别是在创伤后的急性和亚急性阶段,还可检测到由于缺血缺氧造成的二次损伤。Fujima等将SWI用于测量不同状态下脊髓静脉血氧饱和度的变化,对5个健康志愿者不同的状态(屏气、呼气、高浓度吸氧及咖啡因作用下)进行SWI扫描,观察脊髓静脉血氧饱和度的变化,证明SWI可用于临床评价脊髓静脉血氧饱和度,是一种可行、无创、有价值的检查方法。

SWI除检出MRI常规序列显示的出血灶之外,还能够准确显示常规MRI序列不能显示的直径小于1mm的微小出血灶,其对微小出血灶的检出率比常规MRI序列高出至少67%。

2.DWI

DWI是利用水分子在人体组织中的扩散程度不同为原理的成像技术,通常可用ADC值来描述水分子在各个方向上扩散的速度和范围。DWI通过ADC的改变而表现出不同的变化,而ADC值随水肿严重程度、类型及演变而变化。Sagiuchi等首次报道1例ACSCI2h后,应用DWI可显示损伤颈髓的异常信号,即DWI呈高信号而ADC值降低。Yin等验证了脊髓损伤(SCI)早期阶段,受伤部位出现细胞毒性水肿、出血及水分子的扩散受限。Endo等研究表明,在SCI后出现异常信号,若表现为DWI高信号、低ADC值,则可预测脊髓功能恢复不良。另外,DWI是收集2个方向上的图像,因此具有成像时间短、易完成检查等优点,若与DTI结合,可间接评估在创伤性SCI中的水肿程度和脊髓纤维束的完整性。

3.DTI

DTI是在DWI的基础上发展起来的一种成像技术,其成像原理是:假设颈髓内水分子扩散符合水分子的正态分布特点,在DWI的基础上利用组织中水分子的各向异性来探测活体组织微观结构和显示白质纤维束,收集6个或以上不同方向的DWI图像,对水分子的三维各向异性弥散进行测量,重建出DTI图。DTI常用的3个主要指标:ADC值、各向异性分数(fractional anisotropy,FA)和平均扩散率(mean diffusivity,MD)。脊髓是由灰白质按照一定的排列顺序组成,水分子通常是沿着神经纤维走行的方向扩散,而很少沿着垂直于神经纤维走行的方向扩散,这种具有方向性的扩散称为各向异性。FA值反映各向异性成分占整个扩散张量的比值,测量范围为0~1,0是完全各向同性,意味着水扩散各向同性,1代表最极端的各向异性的情况,意味着水分子扩散沿着一个轴的方向。

MD值反映分子的平均扩散水平和扩散阻力的整体情况。FA值降低和MD值增加表明髓鞘和轴突的损伤,通过检测FA和MD值的细微变化可反映颈髓微细结构(轴索)损伤的程度,而轴索损伤是创伤性SCI的主要特征。Chen等对新西兰大白鼠研究发现,颈髓受伤0.5、6及24h后,受伤区域的ADC平均值增加、FA平均值降低,通过HE染色切片证实了脊髓白质损伤后的组织学变化。这说明SCI的生理改变是动态、连续的变化过程,随着时间的推移,ADC值、FA值亦可发生变化。苏佳佳等研究表明,在ACSCI中,17例T2WI阴性患者的ADC值降低,20例T2WI阳性患者ADC值明显升高,提示DTI对早期血管源性水肿及晚期细胞毒性水肿的鉴别较敏感,进一步提示ACSCI不同时间的DTI参数存在差异。

另有研究证实,ACSCI越严重,水分子自由扩散运动的幅度增强,其ADC值越高,由于损伤导致脊髓内白质纤维束断裂,水分子扩散运动方向性下降,表现为FA值下降。Facon等在大鼠损伤模型中证实ADC值是SCI最敏感的预测指标,与受伤时间相对应,并发现FA值可判断脊髓功能的预后:SCI急性期FA值>0.6,预后较好,FA值<0.6,预后较差。张超等研究40例慢性SCI患者,发现与正常对照组相比,SCI组FA值明显降低,ADC值有所升高,因此,FA值或可作为预测治疗后效果的评价指标。另外,DTI纤维示踪成像(diffusion tensor tractography,DTT)是DTI的补充,能够直观显示脊髓的纤维束形态、走行、连续性,反映脊髓纤维束的损伤情况。何明颖等利用DTT直观显示了病灶区的纤维束中断现象。马烨等研究发现,DTT所示颈髓髓内病变组中病变区域的白质纤维束稀疏、变细,比常规MRI显示T2WI高信号区域更明显;颈髓髓外病变组中白质纤维束均有不同程度的受压、移位、排列紊乱,但未见纤维束中断。

 

4.扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)

DKI是在DTI技术上的延伸,更能真实地反映人体内水分子的扩散方式,可更好地反映灰白质的微观结构改变,对颈髓病变的早期诊断、神经功能评估和预后判断更加敏感。DKI是基于非正态分布水分子扩散为特点的成像技术,是在DTI理论和实践上的提升、改进,成像速度快,对神经纤维显示清晰。DKI主要评价指标是:平均峰度(mean kurtosis,MK)和径向峰度(radial kurtosis,RK)。ROI组织结构越复杂,水分子非正态分布扩散受限越明显,MK值越大;ROI内水分子扩散受限越明显,RK值越大。目前,DKI技术主要用于中枢神经系统的检查,如颅脑和颈髓检查。

Hori等研究发现,受压颈髓的FA值和平均MK峰值较正常脊髓明显降低,对颈髓病变的早期检出,平均MK值比FA值更加敏感。Hori等研究发现,ACSCI时颈髓白质损伤时,MK值无明显变化,而灰质损伤后MK值较对照组低。Raz等研究19例多发性硬化性SCI患者,在颈髓T2WI高信号的基础上,应用DTI及DKI扫描技术,测量颈髓FA值及MK值低于对照组,MD值高于对照组。在SCI中,MK值对微观结构的变化与灰质损伤比传统的扩散指标(FA、ADC值)能提供更多的病理、生理学信息。

Gao等研究发现,在显示微观结构及灰质病变时,MK值较FA值敏感,DKI可准确地对病变进行分期,对病情变化作出预测,可较DTI提供更加全面的诊断信息。

5.MRS

MRS是利用MRI化学位移现象的原理,形成一系列波峰组成的波谱,然后对波谱进行化合物检测的一种方法,目的是检测活体组织器官的能量代谢、生化改变及化合物含量,通过量化某些代谢物浓度,提供脊髓区域生化及代谢状态。MRS普遍使用1H、31P谱检测颈髓组织内化学成分,从而判断脊髓损伤后代谢情况及其病理变化情况。在颈髓MRS中代谢物含量最多的是N-乙酰天门冬氨酸(NAA),其中以NAA、胆碱(Cho)、肌酸(Cr)的变化最具有代表性。NAA是由成熟神经元的线粒体所产生的,也是神经元内标记物、神经元完整性和活力的标志。在急性神经组织创伤后活体及离体实验中,NAA含量的降低可作为衡量神经元缺失的最佳指标。NAA含量降低是由于SCI后组织氧张力下降,引起细胞水肿、缺血与电解质不平衡,导致脊髓细胞去极化而产生传导功能障碍。

Cr包括肌酸和磷酸肌酸,存在神经元细胞和胶质细胞中,参与体内能量代谢,含量较稳定,常用作参考比较其他代谢物变化的基准值。Cho的升高可反映脊髓中髓鞘、轴索损伤或胶质细胞的增生或修复。Cho主要存在于胶质细胞中,参与细胞膜的合成与降解,是细胞膜磷脂代谢的成分之一,髓鞘崩解时Cho增高。Govind等发现,在创伤性中枢神经损伤早期,NAA/Cr明显下降,Cho/Cr显著上升,其上升及下降的幅度与损伤严重程度相关。Widerstrom-Noga等研究表明,急性SCI后含有肌醇(INS)、肌酸及胆碱成分高于正常组,而NAA/INS和谷氨酸谷氨酰胺(GLX)/INS成分低于正常组。

Vagnozzi等研究认为,在中枢神经损伤的急性和亚急性阶段,NAA/Cr、GLX/INS值下降和Cho/Cr值升高是MRS诊断神经损伤的标志。

6.BOLD-fMRI

BOLD-fMRI以血氧水平依赖技术为主要基础,随着时间的推移,快速和重复获得解剖图像,探测在一定的感官刺激时,相应的神经元活动增强,使局部组织的血氧浓度发生变化,供氧量相对大于耗氧量,导致该功能区局部氧合血红蛋白(HbO2)含量增加,而脱氧血红蛋白(dHb)含量相对减少。血液中的HbO2具有反磁性作用,可延长相应组织的T2弛豫时间;dHb是一种顺磁性物质,使T2弛豫时间缩短,在T2WI像上受激发的神经元功能区域与未激发区域相比,表现为局部高信号的激活区。在发生SCI后,神经组织发生了复杂的病理变化,常出现缺氧、细胞水肿及血管损伤代谢紊乱等改变,利用fMRI能够发现并鉴别SCI患者神经基质的变化,为临床提供有价值的诊断和疗效评估方法。Yang等研究出现7只雄性松尾猴在颈髓热损伤刺激下,神经元活动增加,耗氧量增加,fMRI可检测出在不同颈髓节段的血氧浓度,但损伤颈髓平面含氧量减低。

近年来,利用静息态fMRI分析神经中枢联络成为功能成像研究领域的热点,它无需患者执行特定认知任务即可调查或研究大脑区域之间的联系。Mayer等研究表明,利用DTI和静息态功能成像所测的功能连接的客观指标,可预测患者在神经元损伤的亚急性和慢性恢复期所出现的功能障碍,并且这种指标有很高的敏感性和特异性。fMRI强调的是神经基质的微小演变与认知缺陷的关系,其生物标志物用于测量神经的细微损伤,及记录恢复的进程。Rao等对11只成年雌性猕猴行静息态fMRI,获得了低频幅度波动的信号,确定了SCI后对脑功能的影响,证实静息态fMRI可帮助了解SCI后神经系统的病理生理机制的变化。

7.问题与展望

MRI功能成像在颈髓检查中的不足:由于SCI患者病情较重,扫描时间较长,患者配合欠佳,检查过程中,患者的心跳、呼吸、脑脊液波动及吞咽动作可产生运动伪影,使图像模糊不清;功能成像对磁场均匀度较高,椎体及椎间盘的空间交替导致局部磁场不均匀,可干扰MRI信号,影响图像质量;颈髓形态纤细,横截面小,测量数据时误差大,图像对空间分辨力要求高、易失真。尽管MRI功能成像存在不足之处,但它是唯一无创性评价颈髓微观结构变化及病理生理演变过程的一项新技术,能够为临床早期诊断SCI提供一定的信息,为尽早采取合理的治疗措施及预后评估提供可靠的影像学依据,具有广阔的发展前景。

来源:中国中西医结合影像学杂志2017年1月第15卷第1期
作者:赖丙林,吕国士,中国人民解放军251医院影像科

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