汤亚云 李瑞雄

【关键词】 磁共振扩散张量成像;脑梗死;缺血半暗带;皮质脊髓束

中图分类号：R743.32 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2020.02.014

脑梗死是神经内科最常见的急重症[1]，占全部脑卒中的60%～80%[2]，其主要病理生理过程为各种原因导致的局部脑组织血液循环障碍，并由此产生缺血缺氧性坏死，进而出现相应神经功能缺损和肢体活动障碍。脑梗死一般起病急骤，病死率和致残率较高[3]，因此，早期诊断并及时进行临床干预显得尤为重要。随着功能磁共振成像技术的日新月异，磁共振扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）作为目前唯一可无创性显示和分析大脑白质纤维束的磁共振成像技术[4]，其在脑梗死方面的研究正逐步应用于临床及科研中。本文将对DTI在脑梗死中的研究进行综述。

1 DTI的发展史

1827年，Robert Brown首次发现扩散现象，即液体中的悬浮颗粒存在不规则的运动，后来这种现象被命名为布朗运动。1965年，Stejskal等[5]首次提出了磁共振扩散成像技术（diffusion weighted imaging，DWI），并通过该技术实现了对活体内水分子扩散运动的测定。1986年Le Bihan等[6]首次将DWI引入临床，并应用于神经系统疾病中。1992年Basser等[7]在柏林磁共振年会上提出一种新的磁共振功能成像技术，即DTI，该技术可以从分子水平及三维角度来描述病灶，可以无创地、清晰地重建出脑白质纤维束的走行及空间分布，并通过显示脑白质纤维束与脑内病灶的空间关系，进一步了解病灶对脑白质纤维束形态、结构的影响。经过近几十年的发展，目前DTI技术在临床上已广泛应用于脑梗死、脑出血、脑肿瘤、阿尔兹海默病、癫痫、多发性硬化症、精神分裂症等疾病中，并逐步扩展应用于椎间盘和肌肉系统病变等方向[8～10]。

2 DTI的基本原理

扩散是指分子无规则的热运动，人体内的水分子总是处于扩散状态。水分子在组织内的自由扩散，既是生物体中重要的生理活动，也是体内物质转运的重要形式。在完全均质的溶剂中，水分子的扩散是完全随机、不受限制的，其在各个方向上的移动距离是相等的，此种扩散方式称为各向同性扩散[11]。例如在纯水溶液、脑脊液中，水分子的扩散方式即为各向同性扩散。但在人体内，由于细胞膜、细胞器、细胞间隙、大分子蛋白及其他组织结构的屏障作用，水分子向各个方向上的移动距离不相等，该种扩散方式称为各向异性扩散[11]。例如在脑白质中，由于受到髓鞘、轴突等组织结构的限制，水分子主要沿脑白质纤维束走行的方向扩散，而向垂直于脑白质纤维束走行方向的扩散较少。DTI就是根据水分子在不均匀介质中的各向异性扩散的特点，通过在多个非线性方向上（至少6个以上）施加扩散敏感梯度场，从而实现对每个体素内水分子在各个方向上扩散情况的定量检测。由于人体组织内水分子的运动主要是各向异性扩散，所以只要測定出单位体积内的各向异性数据，即可分析出人体组织内部微观结构的变化。

3 DTI的常用参数

3.1 平均扩散度（mean diffusivity，MD）

MD反映某一区域内水分子扩散的整体情况，其不依赖于扩散的方向，只与扩散的速度有关。通常用表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）和平均扩散系数（average diffusion coefficient，DCavg）来表示。以ADC值为成像参数可以拟合出ADC图，其反映组织内水分子扩散的快慢，当ADC值越大时，水分子扩散能力越强，ADC图信号越亮。DCavg值是成像体素内各方向扩散幅度的平均值，主要反映扩散运动的快慢，当DCavg值越小时，水分子的扩散能力越受限制。

3.2 部分各向异性（fractional anisotropy，FA）

FA指水分子各向异性部分与总扩散张量的比值，是各向异性的常用指标。其取值范围为0～1，当FA接近于1时，各项异性最大，当FA接近于0时，表示各项同性。以FA值为成像参数可以拟合出FA图，其表示各向异性的比例。

3.3 容积比各向异性（volume ratio anisotropy，VRA）

VRA是指扩散椭圆体的扩散体积与相等的各向同性张量的球体体积的比率，它和FA一样都是反映组织各项异性的常用指标，其取值范围为0～1，当VRA趋近于1时，代表组织更具有各向同性的特征。

3.4 衰减指数（exponential attenuation，Exat）

Exat也称指数ADC，反映组织的扩散特征，但与ADC的变化方向相反。

3.5 扩散张量纤维束成像（diffusion tensor tractography，DTT）

DTT是在DTI基础上发展起来的一项新技术，它通过对DTI扫描数据进行后处理，即可立体、清晰地呈现出脑白质纤维束的走行，通常用于定位白质纤维束与病变之间的空间关系。

4 DTI在脑梗死诊断及临床分期中的应用

脑梗死的临床分期各家报道不一，国内一般采用Osborn分类方法，将脑梗死按照发病时间分为4期，即超急性期（发病时间<6小时）、急性期（发病时间6～72小时）、亚急性期（发病时间4天～8周）和慢性期（发病时间>8周）[12]。由于脑梗死的治疗方案与患者的发病时间密切相关，故早期诊断脑梗死并准确判断临床分期具有重要意义。目前临床上确定急性脑梗死的发病时间主要通过患者及家属的主诉，这在一定程度上缺乏准确性及客观性。Puig等[13]对25例发病时间小于4.5 h的脑梗死患者和35例发病时间大于4.5 h的脑梗死患者行DTI检查，通过测量双侧大脑深部白质皮质脊髓束的FA值发现，rFA在两组患者中存在显著差异，提示FA值能够识别发病时间小于4.5 h的脑梗死病人。但是，由于不同研究人员所设置的脑梗死分期标准不统一或感兴趣区部位不同，对于FA值在超急性期脑梗死病灶区的变化特点，国内外报道尚未完全统一。Pitkonen等[14]通过缝合成年大鼠大脑中动脉建立缺血性脑梗死模型，并在超急性期、急性期、亚急性期和慢性期重复进行DTI扫描，收集相关参数，结果发现在超急性期，病灶区FA值不变，在急性期至亚急性期，FA值则逐渐下降。而张娣等人[15]研究发现，脑梗死区FA值在超急性期略增高，之后随着发病时间的增加，FA值逐渐降低。由此看出，单独应用FA值遴选超急性期脑梗死仍有一定的局限性。Sakai等[16]对44例不同发病时间的脑梗死患者行DTI成像，并依据测得的FA值及横向扩散率的特点分为3型，Ⅰ型：病灶区FA值增加且横向扩散率降低;Ⅱ型：病灶区FA值低于对侧镜像区且横向扩散率增加;Ⅲ型：病灶区FA值明显下降且横向扩散率超过对侧镜像区。结果显示，当发病时间小于24小时，I型和Ⅱ型为优势型，当发病时间大于2天，Ⅲ型开始明显增多。谭湘萍等[17]依据脑梗死患者的FA图和DCavg图信号特点，将脑梗死患者的DTI征象分为4型，即：Ⅰ型FA图呈高信号，ADC图呈低信号;Ⅱ型FA图中心呈低信号、周围呈高信号，ADC图呈低信号;Ⅲ型FA图、ADC图均呈低或等信号;Ⅳ型FA图呈低信号，ADC图呈高信号。结果显示急性期DTI征象以Ⅰ型和Ⅱ型为主，亚急性期DTI征象以Ⅱ型为主，慢性期DTI征象以Ⅳ型为主，直线相关分析表明脑梗死的临床分期与 DTI征象的分型呈正相关，即脑梗死发病时间越长，DTI的分型越高。因此，通过联合应用DTI技术的多个参数特点不但可以更好地反映脑梗死病灶区的病理生理变化，也能更准确地评估脑梗死的发病时间。

虽然常规MRI检查可以较清晰地显示急性脑梗死病灶，但是不能对脑梗死的临床分期作出判断，更不能诊断超急性期脑梗死。DTI作为近几年发展起来的新技术，可以通过定量分析各参数值的演变规律，协助临床对脑梗死的早期诊断和分期，值得大力推广并应用。

5 DTI在缺血半暗带中的应用

20世纪70年代末，英国医学家Astrup通过动物实验发现缺血半暗带（ischemic penumbra，IP）。IP是指急性缺血后组织丧失电生理活动，但尚能维持电位和跨膜离子电位，结构、形态仍正常的脑组织。当血液供应能够及时恢复时，该区域的电生理活性可以恢复到正常水平，若再灌注不及时，该区域将转化为不可逆损伤区[18]。但是，由于多种条件的限制，大多数脑梗死患者很难在发病6 h内及时接受介入或者溶栓治疗，因此，早期确定脑梗死后IP的存在有助于临床诊治。既往影像学上主要通过PWI-DWI不匹配来判断IP区的存在，但是这种成像技术在紧急情况下常受到各种条件的限制。首先，注射钆造影剂可能导致肾源性全身纤维化，这就要求患者肾功能正常;其次，虽然DSC-MRI得出的灌注参数与PET定量结果有很好的相关性，但DSC-MRI可能高估了CBF并低估了MTT[19]。故而寻找简单、有效的方法判断IP的存在已成为临床科研的热点之一。张迷等人[20]联合应用DTI和DWI在诊断急性脑梗死IP的应用中发现，IP区的FA值、Dcavg值及ADC值均低于对侧镜像区，但较梗死病灶中心区的FA值、Dcavg值及ADC值明显升高，这说明应用DTI技术可以有效地鉴别梗死病灶中心区和IP区。Kuo等[21]通过设计动物模型，并利用DTI技术分析4.5小时内脑梗死核心区（infarct core，IC）与IP两个区域的相对总扩散张量值的差异，结果发现相对总扩散张量值在鉴别IC与IP方面具有极高的诊断效能，同时该研究还表明DTI技术在区分IC和IP方面的敏感度与PWI-DWI不匹配相当。可见，DTI技术有助于急性脑梗死后IP的判断，但是目前国内外关于单独应用DTI在判断急性脑梗死后IP方面的大样本研究仍然较少，还需要进一步深入探讨其有效性和可靠性。

6 DTI在脑梗死预后中的应用

缺血性脑梗死发病率逐年上升，致残率居高不下，严重影响患者生活质量，早期判断临床预后可以有效地降低致残率。目前临床上主要通过应用卒中量表对脑梗死的预后进行评估，然而这种评价方式具有很大的局限性。DTI作为一项全新的影像技术，不少研究证实，其在评价脑梗死患者临床预后中有重要的参考价值。胡建斌等[22]的研究结果发现脑梗死病灶区FA、DCavg和VRA值均低于对侧，且从肌力功能預后良好组到预后差组脑梗死病灶区与对侧区的FA、DCavg和VRA比值逐渐降低，提示FA、DCavg和VRA值可以为缺血性脑梗死患者的运动功能预后判断提供有力的依据。但是，一些研究者认为，肢体运动功能主要由皮质脊髓束（corticospinal tract，CST）支配，脑梗死后运动功能缺损多与CST的受累有关，故定量分析脑梗死后同侧CST的FA值也许可以更好地预测运动功能预后。Moller等[23]通过分析脑梗死患者在发病后第1～4天、第30天、第90天CST的FA指数和运动功能预后发现，FA指数下降越明显，运动功能恢复越差，且运动功能恢复良好的患者FA指数均大于0.85。也有研究者[24]得出了相似的结果，即在早期脑梗死患者中，梗死病灶近端CST的FA值下降越明显，其3个月的运动功能预后也越差。因此，DTI可以通过计算脑梗死后患侧CST的FA值来判断运动功能转归，但是目前仍缺乏脑梗死后患侧皮质脊髓束上不同感兴趣区FA值对运动功能预后价值的相关性研究。

由于DTI技术可以三维显示白质纤维束，故也有不少学者通过观察CST与病灶的关系来判断脑梗死后运动功能的预后情况。路文革等[25]在应用DTT评价68例脑梗死患者运动功能预后研究中，通过重建患者的CST，并依据其受累程度分为4级，结果显示1级患者CST仅轻度受压、形态完整，发病后运动功能障碍较轻，经治疗后患者运动功能恢复良好。2～3级患者CST部分纤维束中断，此组患者发病后运动功能障碍较重，但经积极治疗后，患者运动功能障碍大部分较前有明显改善，3个月后运动功能恢复良好。4级患者CST全部或大部分从病灶中穿过，纤维束大部分中断或破坏，患者早期即出现严重的运动功能障碍，经积极治疗后，患者运动功能障碍恢复缓慢，3个月后运动功能预后也差。由此可见，CST受累程度越严重，患者运动功能预后越差。Kim等[26]对37例脑梗死患者在发病后5～30天内行DTI检查，并在6个月后评估患者的运动功能，结果显示CST完全中断组6个月后运动功能恢复差，CST部分中断组6个月后运动功能恢复较好，而CST完整组6个月后运动功能恢复良好，提示CST越完整，脑梗死患者的运动功能预后越好。而有研究进一步发现，脑梗死后运动功能预后不但与CST受累的程度相关，还与梗死病灶累及的部位相关，当病变累及内囊后肢时，患者运动功能恢复也较差，这可能与CST密集走行于该区域有关[27]。

7 DTI在脑梗死后皮质脊髓束沃勒变性中的应用

沃勒变性（Wallerian degeneration，WD）是指神经元近端损伤后引起远端轴突和髓鞘的继发性变性，它最早由英国科学家Waller于1850提出。中枢神经系统WD多发生于皮质脊髓束，主要原因包括脑出血、脑梗死、脑肿瘤、多发性硬化、阿尔茨海默病等疾病[28]。陈明等人[29]应用常规MRI和DTI动态观察脑梗死后皮质脊髓束WD，通过软件测量双侧大脑脚区的FA和ADC值，结果发现常规MRI及DWI在发病后第10天、第30天均未出现异常，仅在发病后第90天有5例患者出现患侧大脑脚区异常高信号，而患侧大脑脚区平均FA值在发病后（5.3±2.6）天即较健侧降低9.9%，且在发病后第30天及第90天，患侧大脑脚底FA值仍低于健侧。由此可见，常规磁共振虽然可以在脑梗死后检出皮质脊髓束WD，但是检出时间较DTI明显滞后，更难以定量评估WD的严重程度。虽然多数文献[30～31]证实，通过测量脑梗死病灶同侧皮质脊髓束的FA值可以在发病后一周内检测出WD，但是关于DTI检测皮质脊髓束WD的时间窗仍然参差不齐。Thomalla等[30]报道，脑梗死后同侧皮质脊髓束的FA值在发病后第5天开始下降。Xie等[31]收集23例大脑中动脉脑梗死患者，运用DTI技术分析患侧皮质脊髓束FA值发现，3例大面积梗死患者在发病后第3天即可发现患侧皮质脊髓束FA值明显降低，而其余20例小面积脑梗死患者在发病后第7天才出现患侧皮质脊髓束FA值明显降低，推测其原因可能是皮质脊髓束WD的时间与脑梗死的严重程度有关。综上研究，DTI作为定量检测脑白质微观结构变化的敏感方法，能够为早期评估脑梗死后皮质脊髓束WD提供新的影像学手段。

8 小结与展望

近年来，随着磁共振的普及及功能磁共振成像技术的发展，常规磁共振在脑梗死诊断及预后评估方面的不足逐渐凸显。与常规磁共振相比，DTI在脑梗死应用方面拥有更多的优点。首先，它可以诊断常规MRI难以显示的超急性脑梗死病灶;其次，它可以反映病灶区水分子的运动规律，并提供定量信息;最后，它可以无创、直观地显示出脑白质纤维束的结构，同时还可以生动地显示病灶和脑白质纤维束的空间关系。故在临床上积极开展DTI检查，对早期诊断脑梗死及评估缺血半暗带具有重要的临床意义，同时也为评价急性脑梗死患者的预后提供一种全新的影像学方法，具有广阔的临床应用前景。

参 考 文 献

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（收稿日期：2019-12-17 修回日期：2020-01-07）

（编辑：王琳葵 潘明志）