作者：王国杰，邢台市第三医院 放射科
目前中枢神经系统疾病的诊断主要靠CT和MRI，CT的密度分辨率高，对颅骨骨折及急性
常规MRI平扫+增强扫描长期以来一直是评估中枢神经系统肿瘤形态和侵袭性的主要手段，但是对病变的定性诊断价值有限；而
扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）技术是无创显示脑白质纤维结构的方法，能很好地判断组织结构的完整性及功能特性，国外研究主要集中于颅脑创伤方面，而国内研究主要集中于颅脑肿瘤方面，本文旨在综述国内外DTI技术在中枢神经系统疾病中的应用现状及进展，以期为DTI技术在临床的应用提供一定参考。
1. DTI技术简介
DTI是在扩散加权成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）基础上发展而来的，同样是利用组织中水分子的扩散速率来生成图像，Ranzenberger等认为DTI是DWI的变体，主要用于定量测量中枢神经系统疾病导致脑白质受损的完整性。1986年，磁共振DWI技术首次应用于颅脑成像，从此成为急性脑梗死检查的“金标准”，1994年，Basser等首先报道了利用磁共振DTI技术获得脑白质纤维的走行方向，自此DTI技术成为临床诊治脑白质病变的“金标准”。
DTI技术的基本原理和概念已经在文献中被广泛描述。DTI技术常用的定量参数包括表观弥散系数（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）、表观扩散张量、平均扩散系数（Mean Diffusion Coefficient，MD）、各向异性分数（Fractional Anisotropy，FA）值、本征值（λ1、λ2、λ3）、轴向扩散系数（Axial Diffusion Coefficient，AD）和径向扩散系数（Radial Diffusion Coefficient，RD），其中AD=λ1，RD=（λ2+λ3）/2。DTI FA图使用颜色来显示不同轴的各向异性，左右轴为红色，上下轴为蓝色，前后轴为绿色，亮度与FA值的大小成正比。
1.1 DTI技术的优势
DTI技术是目前唯一一种可提供活体白质微结构、无创定性和定量信息的MRI技术，通过可视化和量化白质纤维束来评估脑组织的微细结构，主要机制是利用水分子在组织中的自由扩散特性。DTI不需要任何额外设备、对比剂及化学标记物，就可以显示白质纤维的走向及完整性，且扫描速度较快。DTI作为一种定量方法，反映了组织的特性，同时可以在患者之间进行比较，并在不需要标准化的情况下进行长期比较。
DTI除了显示脱髓鞘外，还可以显示弥漫性轴索损伤的微观结构及其边界。DTI技术从产生到现在已在临床应用了大约30年，技术比较成熟，特别适用于脑白质纤维出现异常的疾病，已经成功应用于急性中风、颅脑肿瘤、神经退行性疾病、神经精神疾病（
1.2 DTI技术的局限性
DTI技术主要存在以下局限性：DTI成像扫描时间较CT长；DTI技术虽然对组织结构内水分子运动的敏感度高，但特异性较低，需要将患者的临床病史和其他影像学检查相结合才可以提高其诊断特异性；信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）较低，会增加扫描时间和扫描次数，提高SNR的两种方法是增加扫描时间或降低图像分辨率，但扫描时间过长也会导致运动伪影。伪影也是DTI技术的应用限制，伪影包括人为的和机器设备自身的，如头部运动、涡流畸变和振动伪影，临床上改变数据采集方式有助于减少这些伪影。
2. DTI技术在中枢神经系统疾病中的应用现状及进展
2.1 DTI技术在颅脑创伤疾病诊治中的应用
弥漫性轴索损伤（Diffuse Axonal Injury，DAI）是一种由钝性脑损伤引起的创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury，TBI），根据格拉斯哥昏迷分级（Glasgow Coma Scale，GCS），将颅脑损伤分为轻、中和重3个程度。轻度：GCS为13～15；中度：GCS为9～12；重度：GCS≤8。在TBI后的死亡率和发病率中起重要作用，而传统的成像技术无法准确识别DAI，早在2005年Ducreux等应用DTI技术诊断了两例DAI患者，其中一例DTI直接显示了白质纤维的断裂，另一例虽未显示白质纤维断裂，但显示了外伤性细胞毒性
Mao等报道了一例以语言障碍为表现的DAI患者的DTI研究，通过测量兴趣区FA值和DTI白质纤维束造影显示左侧额叶和内侧颞叶区域的白质完整性降低，并发现DTI识别的白质损伤与患者的
CastañoLeon等在重型TBI患者的亚急性早期应用DTI技术，发现胼胝体、扣带回及大脑脚的FA值均显著降低，且与TBI后6个月、12个月的测量结果高度相关，提出了在TBI后亚急性期检测FA值的减少与长期的预后不良有关。在DAI后功能恢复方面，Han等利用DTI技术研究皮质脊髓束DAI的恢复过程，发现了患者在DAI发病24个月后两侧脑干的FA值显著增加，与运动功能同时恢复，很好地说明了皮质脊髓束DAI的恢复。陈苗苗等利用DTI参数（FA、MD、AD、RD）对轻、中、重度创伤性脑损伤患者脑白质损伤进行量化分析，得出了脑白质损伤程度与患者认知障碍的关系。
2.2 DTI在中风临床预后预测中的应用
中风是指血管原因导致的中枢神经系统（脑、脊髓或视网膜）急性局灶性损伤引起的神经功能缺损，包括脑梗死、脑出血和
中风分两种，即出血性中风和缺血性中风。出血性中风的脑白质损伤最常见机制之一是邻近或远离血肿部位的皮质脊髓束的华勒氏变性，DTI是一种可以预测神经功能预后的无创指标，FA值表示水扩散的方向性，并反映了白质微结构的完整性；ADC值代表水扩散的大小。
一项研究表明，DTI参数（FA值、ADC值）的早期（<72 h）变化是预后的独立预测因素，另一项研究支持蛛网膜下腔出血后不良的临床结果与特定脑区的DTI参数独立相关，FA值降低和ADC值升高反映了蛛网膜下腔出血亚急性发生的不同机制，影响了患者临床预后。Jang等利用DTI技术研究了动脉瘤性蛛网膜下腔出血时视辐射的状态，发现动脉瘤性蛛网膜下腔出血时FA值下降，ADC值升高提示视辐射损伤，其研究结果表明FA和ADC参数值与视辐射损伤程度一致，因此强烈建议动脉瘤性蛛网膜下腔出血患者进行DTI检查以评估视辐射的损伤。
Min等利用DTI技术预测基底节出血的运动功能预后，选取了12例壳核出血患者，利用DTI测量在治疗前基线与治疗后3周、3月及6月的临床结果，发现FA值可以预测脑出血后6个月的运动结局，得出了DTI可作为预后不良的出血性卒中患者预后的良好预测参数。肖国辉等利用DTI技术及其重建技术评估小量（血肿<30 m L）高血压基底节出血患者的运动功能预后，得出在出血的急性期，DTI技术参数相对FA值越高提示患者的运动功能预后越好。
2.3 DTI技术在脑胶质瘤术前分级诊断中的应用
目前，术前神经胶质瘤的分级诊断主要依靠影像手段，但常规MRI对肿瘤的分级诊断能力有限。DTI参数值常用于神经胶质瘤评估。DTI参数FA图可显示脑白质纤维受压推移情况，彩色FA图可显示脑白质受侵、破坏情况。
Duy等认为单纯运用瘤体MD值和瘤周FA值鉴别胶质瘤的病理分级存在一定不准确性，遂用瘤体相对MD值及瘤周相对FA值鉴别低级别和高级别胶质瘤，发现高级别组的瘤体相对MD值和瘤周相对FA值显著低于低级别组，临界值分别为2.289和0.537，敏感度分别为72.41%和75.86%，特异性分别为84.62%和69.23%，其研究表明瘤体部分相对MD值和瘤周部分相对FA值可作为鉴别低级别和高级别胶质瘤的无创指标。蔡志超等利用DTI定量参数ADC值和FA值对脑胶质瘤进行了分级，发现高、低级别胶质瘤的瘤体与瘤周ADC值有显著差异，可用于胶质瘤的分级。
2.4 DTI技术在神经退行性疾病诊治中的应用
人口老龄化是神经退行性疾病的主要风险因素，最常见的两种神经退行性疾病是
Falgàs等指出，在轻度认知障碍（Mild Cognitive Impairment，MCI）甚至认知障碍老年人开始出现皮质萎缩和显性痴呆之前，就可以检测到白质损伤。在阿尔茨海默病中，β淀粉样蛋白（Aβ42）和Tau蛋白可直接影响白质，并在大脑网络中传播。海马萎缩在疾病早期很常见，因此可以合理地预期海马体积也可能与白质完整性有关，而阿尔茨海默病生物标志物与全脑白质完整性之间的关系尚不清楚。
Magalhães等研究通过DTI参数（AD、RD和MD）评价AD所致轻度阿尔茨海默病和
帕金森病是一种进展缓慢的神经退行性疾病，影响运动功能和认知。帕金森病主要靠临床（英国帕金森病脑库标准）诊断，并通过黑质中
Bledsoe等应用DTI及基于ROI方法在正中矢状面建立5个胼胝体节段的DTI测量值，评价帕金森病患者胼胝体微结构特征及其与认知功能障碍的关系，发现了DTI指标与认知表现的最强关联发生在最前部和最后部的胼胝体节段，也分别反映了额纹状体和后皮质型认知缺陷。
Surkont等应用DTI成像评估基底节区、丘脑和中脑运动中心微细结构扩散变化与帕金森病步态障碍患者的关系，发现丘脑和尾状核的区域微观结构完整性变化与步态的速度和节奏域有关。DTI为评估神经元连接和微观结构的变化提供了一个独特的窗口，并提供了大脑完整性的定量测量方式。
Stewart等采用DTI分析检测前嗅结构（Anterior Olfactory Structures，AOS）中白质完整性，帕金森病轻度认知障碍患者表现出较差的嗅觉功能和基于AOS中所有DTI参数的异常。帕金森病患者AOS的嗅觉缺陷和微结构变化可作为帕金森病轻度认知障碍患者的附加生物学标志物。
2.5 DTI技术在其他发育和精神障碍疾病诊治中的应用
在慢性肾脏病（Chronic Kidney Disease，CKD）中，Zhang等研究发现，大脑白质微结构损伤的DTI参数与CKD患者的认知功能相关，FA、MD、RD值与认知功能量表评分相关。
虽然TSC相关神经精神障碍（TSC-Associated Neuropsychiatric Disorders，TAND）会影响TSC患者的生活质量，但大脑中与TAND相关的特定区域尚不清楚。早期的研究已经证实了DTI技术在评估皮质结节中的实用性，TSC患者白质结节和白质病变的RD值的增加大于AD值的增加。
Sato等进行了一项前瞻性研究（n=19），其中14例患者伴有癫痫，利用DTI检查和分析白质微结构异常与TAND之间的关系，发现TSC组右半球FA值明显减少，表明包括边缘系统在内的白质连接异常与TAND有关，TAND不是大脑特定区域异常的结果，而是由连接功能障碍作为一种网络障碍引起的。这些神经系统症状与非综合征性ASD没有区别。
ASD和注意力缺陷/多动障碍（Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder，ADHD）的共发生率很高，并且具有非典型的行为特征，包括感觉症状。目前DTI研究旨在检查是否以及如何在患有发育障碍的成年人群中观察到白质改变，并确定ASD和ADHD之间的脑-感觉关系是如何关联或存在不同的，Ohta等对诊断为ASD或ADHD的成年人展开研究，发现发育障碍对胼胝体后部的FA值和RD值及其在右半球的延伸有显著影响，ASD和ADHD患者的脑白色结构与感觉敏感性之间存在不同的相关性。
这些发现显示了ASD和ADHD这两种发育障碍在DTI参数以及与感觉症状的关系方面的相似性和差异性。在儿童自闭症患者中，Temur等研究评估ASD儿童患者的胼胝体膝部和压部的体积、面积与DTI参数特征的关系，发现在ASD儿童患者胼胝体膝部和压部获得的FA值显著降低，而RD值显著较高。膝部和压部的FA值与胼胝体的面积和体积呈正相关，结果表明FA值的减少提示神经通路中髓鞘形成减少、完整性受损、轴突密度和组织减少，胼胝体的体积和微观结构的变化有助于评估自闭症儿童的潜在病理生理学改变。
2.6 DTI技术在脊髓病变中的应用
脊髓是中枢神经系统的低级部分，位于椎管内，脊髓的结构也分为白质和灰质。前文已报告了DTI在大脑中的成功应用案例，但DTI技术在脊髓中的应用相对较少，原因归结于脊髓与大脑相比体积较小，通过DTI成像的脊髓束主要局限于颈脊髓水平，在轴位图像上，颈脊髓宽度约为1 cm，且由于灰质嵌入周围的白质中，有限的纤维束体积自然导致对高空间分辨率的要求。先前的研究表明，采用ROI的内容积成像有助于实现高空间分辨率DTI，从而有效地实现脊髓DTI。
脊柱退行性椎间盘疾病通常被认为是脊髓病最常见的原因，尤其是颈脊髓，脊髓病患者的症状和传统MRI成像结果之间的差异在15%～65%，文献报道DTI提供的定量信息可以评价脊髓病的严重程度，有助于患者选择早期减压手术。压迫性脊髓病最常见的表现是MD值的增加和FA值的降低，脊髓中的FA值已被证明可以一定程度上预测慢性压迫性脊髓炎患者的手术结果。
在
对于髓内肿瘤，手术治疗的目标是在保持脊髓功能的同时实现最大程度的肿瘤切除。早期的研究已经证明了DTI在预测髓内肿瘤可切除性方面的价值。Ducreux等利用DTI纤维束成像分析了5例脊髓星形细胞瘤的特征，证实了DTI可用于显示实体星形细胞瘤中扭曲和破坏的纤维。
Granata等利用DTI和3D纤维追踪重建成功预测了一例27岁女性患者的广泛性颈胸髓内脊髓室管膜瘤的完整切除，证明了DTI技术可用于区分脊髓室管膜瘤和其他更具侵袭性的病变。创伤性脊髓损伤患者进行影像检查的主要目的是避免可预防的神经功能恶化，并帮助其进行适当的治疗，Alizadeh等利用DTI和扩散张量束成像（Diffusion Tensor Tractography，DTT）评估儿童颈脊髓和胸脊髓损伤的影像学生物标志物，发现颈脊髓损伤患者的FA值和束密度在胸部显著降低，进一步证实了DTI和DTT作为异常脊髓状况指标的有效性。
3.总结与展望
DTI作为一种非侵入性、新兴的神经成像技术，已成功用于评价中枢神经系统白质纤维的结构和功能变化。DTI使用各向异性扩散来可视化和评估神经元组织中白质的超微结构的定性和定量信息，可用于研究各种白质病变的病理学，包括肿瘤性疾病、退行性疾病、脱髓鞘疾病等。近些年来，随着技术进步已将DTI技术应用扩展到了脊髓病变及周围神经损伤等方面。
但DTI技术在一些疾病的早期诊断中仍具有挑战性，如帕金森病，因为在帕金森病诊断之前就已经证明存在中度至重度神经退行性病变。此外，帕金森病运动功能障碍的典型表现与非运动症状同时出现，如情绪与行为变化、认知障碍、
需要通过DTI神经成像生物标志物来检测最初的神经病理学变化，这对于准确的诊断和治疗及优化患者护理至关重要。基于帕金森病的DTI参数来看，早期的帕金森病在运动皮层、前运动皮层和辅助运动皮层、胼胝体和黑质等部位发生了异常的微妙变化。而帕金森病的非运动特征如嗅觉功能障碍、快速眼动睡眠行为障碍、认知障碍、白天过度嗜睡和抑郁等可能出现在帕金森病的早期阶段，为帕金森病样病理的筛查提供了依据，但DTI的检测结果是有争议的。
未来研究的关键是，胼胝体异常如何适应帕金森病认知障碍中白质改变的更广泛背景，包括与其他白质结构的改变相比，胼胝体的变化是相对更早还是更晚发生，以及胼胝体是否优先受到影响、追踪胼胝体DTI变化的纵向研究，以及重度抑郁症患者胼胝体下扣带皮层和内侧前额皮层之间的结构连接的差异是否是帕金森病治疗反应的生物标志物。
在未来研究的另一个关键是DTI技术将广泛应用于白质损伤与认知功能的关联方面，在脑白质及神经轴突病变的早期发现、早期诊断和治疗随访等方面发挥越来越大的作用，以及将来运用肌腱束造影进一步分析DTI参数与帕金森患者的步态障碍是否存在相关性。
在阿尔茨海默病方面，DTI研究可能会提高临床追踪阿尔茨海默病进展变化的能力，并可能在未来用于评估治疗反应的变化。亦或是继续探索DTI参数与认知功能之间的关系，以确定DTI是否有潜力衡量阿尔茨海默病的临床进展和/或治疗效果，也可能会受益于在多个时间点包括更多的参与者，以更好地描述白质完整性和认知功能之间的关系。未来的研究还可能希望探索纵向灰质和白质的组合变化，包括旨在评估皮质下灰质DTI参数的工具，以帮助评估白质是否可以独立变化，并在灰质变化之前发生变化。
综上所述，鉴于DTI技术在评估脑白质病变方面的敏感度，未来将有更大的研究样本量，更高分辨率的MRI图像，以及使用3D深度学习框架的卷积神经网络的新计算模型，并通过结合基于成像生物标志物的序列标记数据和结构域转移学习方法，将此技术更好地应用于临床。
来源：王国杰.磁共振DTI技术在中枢神经系统疾病中的应用现状及进展[J].中国医疗设备,2024,39(02):171-178.
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