脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy,CSM)是一种颈椎退变导致脊髓慢性受压所引起的疾病。MRI检查是目前诊断CSM的较佳手段,可显示椎管是否狭窄、脊髓受压的程度及信号的改变。脊髓T₁WI信号减低常预示着损伤严重、临床预后较差,但是这种情况出现较少且敏感性较低^{[ 1 ]}。脊髓T₂WI高信号改变较常出现,反映了脊髓非特异性水肿、炎症反应、缺血等急性改变和脊髓长期受压出现的软化、坏死及胶质增生等多种病理状态^{[ 2 ]},但T₂WI高信号与临床表现及手术预后的相关性目前仍存争议,有研究^{[ 3 ]}认为脊髓T₂WI高信号与CSM的严重程度及手术预后均无相关性,也有观点认为^{[ 4 ]}脊髓T₂WI高信号患者其术前病情较重、手术治疗效果较差。常规MRI对脊髓轻度变性和微观结构的改变敏感性较低,不能精确评估脊髓的功能状态且不能进行定量分析。

弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是在弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)的基础上发展而来的一种新技术,它利用组织中水分子的扩散运动存在各向异性的原理,通过在不同的方向上施加特定的梯度磁场,计算出组织结构在三维空间中至少6个方向上的水分子弥散速度,从而反映出活体组织的细微结构和功能状态^{[ 5,6,7,8 ]}。DTI的纤维束示踪成像(diffusion tensor tractography,DTT)技术可利用水分子的弥散方向和速率重建出脊髓白质纤维的形态和走行^{[ 9 ]},是目前唯一可无创显示活体神经纤维束的方法。DTI可发现常规MRI无法显示的早期病变,具有重要的诊断价值^{[ 5 ]}。本文将对脊髓DTI成像技术的发展及其在CSM中的研究进展做一综述。

1 脊髓DTI成像技术发展

1999年Clark 等^{[ 10 ]}使用梯度自旋回波序列首先将DTI 扫描序列成功应用于脊髓,此后国内外学者尝试运用多种成像序列进行脊髓的DTI成像。但脊髓的解剖结构特点导致了DTI成像存在很多无法完全克服的干扰因素^{[ 11 ]}:首先,由于弥散成像对运动的干扰尤其敏感,脊髓周围的动脉和心脏搏动、呼吸运动等均可导致运动伪影的产生；其次,被检查者的吞咽运动和其他一些微细动作也可影响信号的采集从而产生伪影；另外,脊髓周围的椎体会产生磁敏感伪影导致图像失真,而脊髓中脂肪组织的化学位移也会产生磁敏感伪影从而影响图像质量。由于被检查者无法耐受长时间的绝对静止体位,因此脊髓的DTI成像关键在于如何克服脊髓周围组织运动伪影的干扰并尽可能地缩短扫描成像时间。

目前报道过的用于脊髓DTI成像方法有线性扫描成像、翻转恢复快速自旋回波成像(inverse recover fast spin echo,IRFSE)、单次激发平面回波成像(echo planar imaging,EPI) 、多次激发EPI、梯度脉冲双自旋回波-回波平面成像、敏感编码回波平面成像(sensitivity-encoding echo-planar imaging,SE-EPI)等技术^{[ 5, 9, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 ]}。线性扫描序列的磁敏感伪影、化学位移伪影较少,并且附加q-空间成像技术^{[ 12 ]}可以提供水分子位移的空间、瞬间和定向信息,能显示组织的细微结构并能显示体素的白质纤维,但该技术成像时间较长,同时需要呼吸和心电门控等辅助手段,操作非常复杂,因此在临床应用中受到限制。有报道使用IRFSE序列可降低运动和磁敏感伪影^{[ 9 ]},但扫描时间较长,约11 min,患者常无法耐受如此长时间的静止体位,因此临床上使用也较少。

单次激发EPI 成像速度快、对运动不敏感,但是图像分辨率和信噪比(signal noise ratio,SNR)偏低^{[ 13 ]}。2000年,Ries等^{[ 5 ]}尝试将脉冲梯度多次激发EPI序列应用于颈髓,运动伪影减少；Wheeler-Kingshott等^{[ 14 ]}采用ZOOM-EPI序列,配合心电门控和导航回波技术,有效减少了图像的运动伪影并提高了空间分辨率,但多次激发EPI和ZOOM-EPI技术的信噪比仍较低,且扫描时间较长,难以在临床广泛应用。2006年Hesseltine等^{[ 15 ]}使用梯度脉冲双自旋回波-回波平面成像,该方法使用双自旋回波中的1个回波产生弥散图像,利用另1个回波产生的信号来评估运动造成的位移与编码间的偏差,从而减少运动伪影,但成像时间仍较长,临床应用受限。SE-EPI技术可以缩短TE时间,提高图像信噪比并且采集时间较其他成像方法缩短,这项技术在矢状面和横断面图像上均可降低运动和磁敏感性伪影^{[ 16 ]}。

经过不断尝试和探索,单次激发EPI作为操作最为简便且成像时间较短的一种成像方式,得到了越来越广泛的应用,虽然空间分辨率略低,但已经能够反映颈髓神经纤维扩散各向异性的特点,目前已成为脊髓DTI成像研究中应用最为广泛的扫描序列。Shimony等^{[ 17 ]}报道对单次激发EPI进行参数优化,扫描时间可缩短至2 min,并有研究^{[ 18 ]}报道配合心脏门控技术可避免心血管搏动的影响,获得更好的图像质量。 2 DTI成像在CSM中的应用

2003年Demir等^{[ 19 ]}首先报道了DTI在CSM的诊断上比常规MRI敏感性更高、可更早反映脊髓的微观病理改变。因成像技术的限制,作者仅通过表观弥散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)图像上脊髓信号的变化与常规MRI图像的信号进行对比,而没有进行DTI参数的测量和分析。随着磁共振硬件的更新和DTI成像参数的完善,近年来,DTI在CSM中的研究不断发展。目前的研究主要集中在两个方面；一是通过DTI参数进行量化评估,二是通过DTT重建的脊髓纤维束形态进行病情评估和预后预测。 2.1 颈髓DTI量化评估

DTI参数包括ADC、各向异性分数( fractional anisotropy,FA)和扩散张量3个本征值: λ1、λ2 和λ3。ADC值反映水分子在各个方向上的平均扩散能力,ADC 值越小,说明水分子的扩散能力越弱^{[ 6 ]}。FA 值是指水分子各向异性成分占整个扩散张量的比例,取值范围为0~1,当FA 趋近1 时,各向异性最大,FA 值接近0时,表示各向同性^{[ 7 ]}。扩散张量的3 个本征值λ1、λ2 和λ3,通常借助椭球体进行形象描绘,λ1代表椭球体最长径的扩散能力,λ2、λ3 代表椭球体前后径和左右径2个短轴的扩散能力^{[ 8 ]}。

有多项研究显示,DTI参数能准确反映CSM患者的脊髓功能状态,诊断价值较常规MRI更高。Mamata等^{[ 20 ]}对72例CSM患者DTI成像研究发现:随着患者病情程度加重,FA逐渐减低、ADC值逐渐增高,ADC值与年龄、病情程度均正相关,而FA则负相关。Song等^{[ 21 ]}对53位CSM患者的DTI参数分析,结果也显示脊髓受压时FA值减低、ADC值增高。Kara等^{[ 22 ]}发现,有典型症状而T₂WI无高信号CSM患者,其FA值明显降低而ADC值相应增加,表明在CSM病程中DTI参数值改变较脊髓T₂WI图像出现高信号更早,可反映轴突脱髓鞘病变。Meng等^{[ 23 ]}利用3.0 T磁共振对84例CSM患者进行的DTI研究也证实,随着脊髓压迫程度的加重,FA值减小、ADC值增加,同时发现λ1、λ2、λ3值均增加,因此通过DTI可在疾病早期对脊髓潜在的组织病变进行评估。Budzik等^{[ 24 ]}的研究表明,FA值与CSM患者神经功能之间有明显相关性,FA较常规T₂加权成像对CSM的诊断更加敏感,同时作者认为脊髓T₂高信号与神经功能损害程度、DTI参数之间均无相关性。

也有研究认为,DTI参数对CSM患者手术预后的预测价值更高。Jones等^{[ 25 ]}对DTI参数与神经功能及预后之间关系的研究发现,FA值与神经功能状态有明显相关性,在FA、T₂WI像高信号、椎管狭窄三者中,FA值对预测患者神经功能改善情况的精确性最高。Kerkovsk等^{[ 26 ]}研究认为,与脊髓T₂WI高信号和脊髓横断面积相比,FA、ADC值预测CSM患者手术预后的敏感性和特异性更高,同时也发现DTI相比电生理检查对脊髓损伤的识别能力更强。

上述研究^{[ 20,21,22,23,24,25,26 ]}中DTI的参数是在脊髓轴位图像上手工选择感兴趣区(region of interest,ROI)进行测量的,ROI选择方法各不相同,但多是选择整个或部分脊髓横截面进行测量。Kara等^{[ 22 ]}选择整个脊髓横断面作为ROI,Meng等^{[ 23 ]}选择脊髓轴位的异常信号区作为ROI,而Jones等^{[ 25 ]}的测量方法为:从脊髓左、中、右3个位置各选择一个ROI进行测量,取三者平均值进行统计分析。Song等^{[ 21 ]}选择一个约50像素大小的ROI置放在脊髓中央进行测量。

随着DTI图像质量的改善,在轴位图像上已能清晰分辨出灰质和白质的形态。近年来的研究发现^{[ 27,28 ]}人颈髓白质和灰质之间的ADC、FA值有明显差异,并且DTI参数值在不同脊髓平面、不同年龄间均有差异。Onu等^{[ 27 ]}利用图像融合技术进行DTI测量,选择解剖结构显示清晰的T₂WI图像与DTI图像进行融合,在T₂WI上确定脊髓纤维束的相应位置作为ROI,进而在DTI图像上测量相应的DTI参数。结果表明,脊髓前索和侧索、后索之间的横向弥散速率(λ2、λ3)有显著不同,而纵向弥散速率(λ1)无显著差异。Vedantam等^{[ 28 ]}研究也证实,颈髓灰质的FA、ADC值与白质有明显差异,不同白质纤维束之间的FA、ADC值差异也有统计学意义,后索的ADC值最高,前索的FA值最低；并且发现55岁以上年龄人群中颈髓的FA值与年龄有明显相关性。因此前文提及的报道^{[ 20,21,22,23,24,25,26 ]}测量得到的DTI参数值仅是一个混杂区域的平均参数,并且受到年龄和病变节段等因素的干扰。DTI属功能成像,理论上其诊断价值比常规MRI更高,目前的文献也均支持这种观点。但目前DTI对脊髓量化评估存在的主要问题是缺乏标准、科学的测量方法,以充分避免到这些因素的影响。 2.2 纤维束示踪成像评估

1992年,Basser等^{[ 29 ]}首次报道DTI可测定水分子的扩散和显示神经白质纤维束的形态。1999年,Clark等^{[ 10 ]}首先尝试将DTI技术用于脊髓以来,DTI在脊髓的应用逐渐引起学者的关注,由于技术条件限制和脊髓DTI成像的干扰,一直未见DTT在脊髓中的报道。2005年,Facon等^{[ 30 ]}使用1.5 T磁共振仪尝试对颈髓进行纤维束示踪,由于硬件条件限制,扩散方向只能取6个,重建的纤维束质量较差,有空洞伪影。Jones等^{[ 31 ]}研究发现,增加扩散方向可以减少空洞伪影的产生,提高纤维束成像质量。另外,由于DTT是基于FA的大小和方向进行的计算机重建技术,当FA值小于设定最小阈值时示踪终止,因此FA最小阈值的设定也将影响成像质量。阈值太小,则重建出的纤维边缘毛糙不清；阈值设置太大,则重建的纤维束稀少,均不能准确反映纤维束正常形态。

Meng等^{[ 23 ]}的研究使用3.0 T磁共振仪,选择15个扩散方向,重建的颈髓神经纤维质量较高,进一步对不同程度的CSM患者进行DTT成像研究发现,随着脊髓受压程度的加重,DTT纤维束逐渐出现扭曲、紊乱甚至是中断,纤维束破坏程度与患者的临床表现严重程度相一致。Lee等^{[ 32 ]}按DTT显示的脊髓形态分成完整、脊髓受压(束腰征)、部分中断、完全中断4个等级,通过其与患者的手术预后对比发现,纤维束完整性与患者预后正相关,DTT纤维束越完整的患者神经功能改善越好,纤维束中断的患者预后较差。另外类似的研究^{[ 25,33 ]}证实,DTT显示的纤维束与患者临床表现相一致,其对CSM的诊断和预后价值均明显优于常规MRI。

3 展 望

随着弥散技术的开发和对参数的不断优化,脊髓DTI成像质量已经得到了不断改善,作为一种可定量分析并无创性观察纤维束形态的检查方法,DTI在对脊髓慢性损伤的诊断上较常规MRI有明显的优势。然而目前DTI未能在脊髓病变中广泛使用,除了前文所述的成像干扰因素以外,主要有以下两个原因:首先,脊髓DTI参数测量无标准化方法,并且DTI参数值在不同年龄之间、颈椎不同节段之间也有差异,如何对这些参数进行客观地测量和科学地评估有待进一步研究。其次,DTT是一种基于设定的FA值进行的结构重建技术,重建的纤维束并不能完全反映脊髓真实结构,并且示踪技术无法显示损伤脊髓周围的微循环改变和胶质细胞增生等现象,它能在多大程度上反映脊髓真实病理状态以及与神经功能、预后之间的相关性有待进一步研究。

另外,DTI成像理论是基于水分子弥散符合自由水分子的高斯分布特征,然而人体组织结构复杂,水分弥散运动因细胞间结构、细胞膜渗透性及不同的物理化学特性而表现复杂,呈非高斯分布状态,因此DTI技术存在固有的理论缺陷^{[ 34 ]}。弥散峰值成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)是新近出现的探测非高斯分布的水分子弥散特征的成像理论,是基于DTI理论的改善和提高,对各向同性和交叉纤维的显示较好,成像速度较快并且对混杂效应的干扰较小,可更加准确、真实地反映水分子的弥散运动。目前已有DKI应用于脊髓的报道^{[ 35 ]},有理由相信,随着磁共振弥散技术的不断进展,其在脊髓病变中将会得到更广泛的研究和应用。

4 利益冲突

所有作者声明本文不涉及任何利益冲突。