医药学论文：脑的弥散张量成像技术在中枢神经系统疾病中的应用

弥散现象反映水分子的随机运动，即布朗运动。在体外无限均匀的流体中或排列自由的微结构组织中，水分子的弥散是一种随机现象，在各个方向上的弥散能力相同，这种现象称弥散各向同性。而在人体生理条件下，水分子的弥散受组织内的细胞膜和大分子的影响，随方向改变而变化，这种现象称弥散各向异性，具有很强的方向依赖性。弥散各向异性在脑白质纤维束中表现最为明显，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限最小，运动最快，而在与神经纤维垂直的方向受限最大，运动最慢［1］。弥散张量成像（diffusion tensor imagination，DTI）利用脑实质中水弥散的各向异性，是一种真正意义的定量成像方法，为中枢神经系统疾病的研究提供了可能。

 

1 DTI相关概念

 

弥散张量是指水分子扩散的各向异性，或者不均匀组织的扩散特征。常用的定量分析组织扩散特征的参数有：（1）平均扩散度（mean diffusivity，MD）：表示单位时间内分子自由扩散的范围；MD越大，组织内自由水含量越多；（2）表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）：用来描述磁共振扩散加权成像中不同水分子扩散运动的速度和范围；（3）部分各向异性（fractional anisotropy，FA）：表示组织纤维的各向异性，是扩散各向异性与整个扩散的比值，数值为0～1，1为最大各向异性，0为最大各向同性。（4）相对各向异性（relative anisotropy，RA）：即扩散各向异性与扩散各向同性的比值，数值为0～1，1为最大各向异性，0为最大各向同性。

 

2 正常脑白质纤维

 

Mamataa等［2］研究证实DTI可获得一系列完整的正常脑白质纤维图像。可显示的纤维束包括：弓状束、上下纵行束、钩回束、视听辐射、前连合、胼胝体、锥体束、薄形束、楔形束、内侧束、红核脊髓束、顶盖脊髓束、中盖束、三叉神经丘脑背侧束、上中下大脑脚、动眼和三叉神经根部纤维等。脑白质纤维各向异性受多种因素的影响，如纤维及神经胶质细胞的密度、髓鞘化的程度、纤维的直径、轴层流、细胞外主体运动、毛细血管血流以及细胞内涌流等［3］。

 

3 中枢神经系统疾病

 

3.1 癫痫 癫痫是一组由大脑神经元异常放电所引起的短暂中枢神经系统功能失常为特征的慢性脑部疾病，脑内形态学异常的癫痫病理灶是其发作的基础。长期以来，常规MRI检查对原发癫痫的诊断能力较低，DTI应用临床使磁共振在该领域的研究实现了质的飞跃。Arfanakis等［4］研究颞叶癫痫(TLE)发现，颞叶白质纤维的扩散各向异性明显低于健康组，在垂直于神经轴突方向弥散各向异性增加，但是弥散值并无明显差异，提示癫痫发生对白质纤维中水分子弥散的影响。Rugg等［5］对1例难治性癫痫的病人进行了DTI检查，其传统MR影像中未见异常，而DTI显示右额叶的异常弥散，之后对异常区域进行手术切除，切除标本显示神经胶质增生，而这例病人术后效果良好。由此可见，DTI可以发现常规MRI难以明确的脑白质病变，且有可能反映癫痫的部分病理变化，其结果可以指导外科手术的准确进行，从而影响癫痫病人的预后。

 

3.2 多发性硬化 多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是以中枢神经系统白质脱髓鞘病变为特点的自身免疫病，病变可累及大脑半球、视神经、脊髓、脑干和小脑，以白质受累为主，也可累及灰质。病灶位于脑室周围，其纵轴多与脑室壁垂直。DTI可以充分显示神经纤维脱髓鞘后扩散各向异性的异常，为临床诊断提供更加充足的影像学信息。多数研究发现，T2加权成像所显示的病灶在DTI上表现为平均弥散率增高，且增高的程度与该病的临床阶段有关，同时，常规MR无信号异常的白质，其DTI的弥散率亦增高（4%～13％），这表明MS是一种弥漫性、多灶性的白质病变［6］。DTI还能发现脑灰质及正常表观灰质的病理改变，脑灰质的改变以基底节为著，可能是由于铁的堆积，且脑灰质改变的程度在MS进展期更大，提示MS病变的弥漫性质。Mara等［7］对78例MS研究发现，DTI对于复发－缓解型和继发－进展型的分期和评价病情进展有一定意义。由此可见，DTI将有助于MS的诊断，同时还可对MS进行更准确的临床分期，对病情进展及转归进行预测及随访。

 

3.3 阿尔茨海默病 阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是老年人最常见的神经变性疾病，皮层区Ⅲ和Ⅴ层大椎体细胞神经元的丢失是AD进行性痴呆过程的病理学基础，这与MRI中所见的全脑萎缩或特殊脑结构的萎缩相一致。Bozzali等［8］对比10例AD患者和10例健康者发现，患者额叶、颞叶、顶叶白质FA值低于对照组，而内囊周围和枕叶白质的FA值差异无显著性，提示AD病白质纤维的扩散性质异常可能是枕叶皮层区神经元丢失而致纤维束发生华勒变性所致。其他因素如缺血性血管损害也可能导致DTI改变。DTI的研究还发现，轻度认知障碍病人的左侧半卵圆中心、双侧颞叶及海马的平均弥散率增加，这一累及模式与AD早期改变类似，尤其是海马结构的受累，而且利用DTI鉴别轻度认知障碍与正常人的敏感度为71.4％，特异度80％［9］。因此，DTI具有通过量化脑白质束的损害改进监控AD进展的潜力。

 

3.4 肌萎缩侧索硬化症 肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一种同时累及上下运动神经元的运动神经元病，其主要病理改变为皮层灰质运动神经元细胞的减少和皮质脊髓束走行区的白质纤维束变性，星形胶质细胞增生。常规MR成像虽可显示ALS患者脑部较为特征性的异常信号，但有一定的局限性，李小圳等［10］对36例ALS患者进行常规MRI检查，仅有6例T2WI和FLAIR上皮质脊髓束信号增高。Kaufmann等［11］报道DTI对于ALS患者上运动神经元受累有很高的敏感性，达到0.86。Miriam等［12］对15例ALS患者及12例健康人进行DTI检查，结果表明与健康人相比较，ALS患者双侧内囊后肢、运动区和运动前区皮层下白质、脑干的FA值明显降低，同时，他们还对无明显上运动神经元损害体征的ALS患者的DTI进行了分析，亦发现了相同的FA值改变。因此，DTI可发现ALS患者皮质脊髓束的早期损害，有助于该病的早期诊断。