第二章　MRI 脑神经束成像原理

1827年,布朗观察显微镜下花粉微粒在静止的水面上呈无规则运动,称为布朗运动(Brownian motion),是粒子本身的运动。布朗运动是最基本的自然物理现象之一,反映了微观的分子会进行移动、相互撞击,据此产生“扩散(弥散)”现象。扩散是由于分子热运动而产生的质量迁移现象,是一种无规则的运动。

(一)宏观的扩散(弥散)

扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的现象。宏观扩散的典型实例为滴落在水中的墨水散开的情况、气体散开的情况。

扩散速率可以用菲克第一定律描述,它是1855年由德国的生理学家Fick导出的定律。

F=D·ΔC/Δx

宏观扩散的速率(F)与物质的浓度梯度“ΔC/Δx”成正比。比例系数称为扩散系数(diffusion coefficient)“D”,表示扩散的容易度。

(斯托克斯·爱因斯坦的关系公式)

扩散系数“D”与温度“T”成正比,与黏性系数“η”成反比。即温度越高越容易扩散,黏度越高越难以扩散(k=1.380 650 3×10-23 J/K,即玻尔兹曼常数;a代表分子的半径)。

(二)微观的扩散

物质不存在浓度差时,不能观察到宏观的扩散,但是实际上一个一个的分子在以“布朗运动”进行微观扩散。微观的扩散是随机运动,因此不能查明特定分子的位置,但是,可以预测分子的平均运动。

通常在MRI中的扩散是指观察到的被称为“自身扩散”的这种微观的扩散。

(三)扩散的影响因素

影响扩散的因素包括组织结构、组织的生化特性、温度以及可以影响局部组织运动的外加因素。

(四)扩散的测量

测量扩散的方法包括生物、物理方法,放射活性或荧光标记法,磁共振成像法。其中磁共振成像是目前在人体上进行水分子扩散测量与成像的唯一方法。

(五)磁共振扩散加权成像

磁共振扩散加权成像(diffusiong weighted imaging,DWI)是用图像的方式来反映分子的微观运动,目前是通过在常规的MRI序列上施加一对扩散敏感梯度脉冲来获得的,可将此梯度脉冲视为水分子扩散的标记物。分子的扩散运动受到分子结构和温度的影响,分子结构越松散、温度越高,扩散运动就越强。在人体内结合水的扩散就比自由水弱。用扩散系数D值来描述物质的扩散特性,即一个水分子在单位时间内自由随机扩散的范围,其单位是mm2/s,DWI就是根据D值的差异来成像的。目前使用表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)来描述生物体内水分子的扩散量,它是所有影响水分子运动的因素作用下的一个观察值。

b值为施加的扩散敏感梯度场参数,也称扩散敏感系数。b值越高,对水分子扩散越敏感,但得到的DWI信噪比较低。

常用的磁共振扩散成像脉冲序列包括:①SE EPI扩散加权像,信号的衰减与扩散系数有很好的相关性,是目前最常用的扩散成像技术;②GRE EPI扩散加权像,扫描很快,不能加载幅度大、时间过长的梯度。信号的衰减与扩散系数、组织的T1和T2时间、翻转角有关,故很难测出扩散系数的精确值。

扩散加权成像中的扩散运动影响因素包括:①体内各种因素的变化影响扩散运动,例如呼吸、心跳、毛细血管灌注、组织结构等;②T2透过效应(T2 shine through),由于 DWI图像以SE EPI序列扫描,含有不同程度的质子加权和T2成分,主要是T2成分;T2及质子的对比度在扩散图像上反映的现象称为透过效应(shine through);③T2弛豫时间、质子和扩散程度。

组织内影响水分子扩散的因素包括:①细胞内外水的体积变化;②水分子通过细胞膜的渗透作用;③细胞外间隙形态的改变。

表观扩散系数(ADC)图是一种通过计算获得的影像,其中T1和T2作用已被除去。限制扩散的损伤,如急性梗死,在DWI中呈高信号,在ADC图中呈黑影,后者反映了低扩散系数(ADC值减低)。ADC值的正常范围:自由水的ADC值大约为2.5×10-3mm2/s,正常脑组织的ADC值为(0.7～0.9)×10-3mm2/s;脑组织急性病变的ADC值多降低,脑组织亚急性或慢性病变的ADC值多升高。ADC异常变化的上下限为(0.4～2.5)×10-3mm2/s。

MR扩散加权成像(DWI)能够比常规的MRI技术或CT更加灵敏地探测急性脑缺血。在正常脑组织中,由于相位的不协调性,随机的水分子扩散(布朗运动)降低了DWI信号的幅度。在缺血性脑损伤发作后的几分钟内,损伤的脑组织发生细胞毒性水肿,水的总含量变化不大,细胞内的水量增加了。这里保持了相位相干且在扩散观察期更多的信号得以恢复,产生了高信号。注意虽然这一点作为DWI对急性脑卒中检测的理论被广泛接受,但是其仍未被目前科学研究证实。

(六)磁共振扩散张量成像技术

磁共振扩散张量成像技术(diffusion tensor imaging,DTI)是在DWI基础上,在≥6个方向上施加扩散敏感梯度而获得的图像,可以利用水分子的扩散各向异性进行成像,是目前唯一无创性反映活体组织水分子扩散各向异性的检查方法。最初只能采用伪彩编码图以不同的颜色表示神经纤维束的走行方向,如今已能用示踪技术进行三维显示,即扩散示踪图,通过第一个体素主本征向量的方向寻找下一个与其最接近的体素,将这些体素连接起来即为扩散张量纤维束示踪(diffusion tensor tractography,DTT)。

扩散张量(diffusion tensor)即水分子在神经组织中的扩散运动有向量、长度等数量变化。本征向量(eigenvector,ν)和本征值(eighenvalue,λ)表示体素在三维方向上的扩散张量,在DTI中沿用了不依赖坐标系的扩散椭球形的概念,描述水分子在三维方向上的扩散轨迹。应用多变量线性拟合法和对角线法将每个体素在所有施加MPG方向上的表观扩散系数(ADC)或扩散率简化为一个椭球形,椭球形相互垂直的X、Y、Z三个主轴方向的扩散系数按降序依次表示为λ1、λ2、λ3,代表扩散张量的三个本征值,λ1为最大本征值(主本征向量),等于椭球形最长轴的半径,即最大扩散系数,λ2、λ3代表与λ1垂直方向的扩散系数,相应的本征向量表示为ν1、ν2、ν3。如果扩散程度在X、Y、Z三个方向上完全相同即各向同性(isotropy);如果移动长度在三个方向上各不相同,即各向异性(anisotropy)。

各向异性比率(fractional anisotropy,FA)是水分子扩散各向异性成分占整个扩散张量的比率,水分子扩散的各向异性比率越高其扩散张量效应越强。FA的范围在0到1之间。

通过图示符(glyph)将各种微模块组装在一起以显示微结构,例如用椭圆模块显示神经束及其走向等。

扩散张量、各向异性比率及图示符这三项重要因素在磁共振成像时发挥效应形成FA图像,再通过彩色编码显出带有方向性的DTI,大量DTI图像经三维重组形成神经束图,在神经束图形成过程中图示符发挥了重要作用。

DTT是新近应用的一种白质纤维的显示方法,目前尚存在一定的缺陷。由于纤维通道的重叠和计算机算法的限制,三维显示全脑的白质纤维尚有一定的困难,尤其在纤维交叉部位,这是由于在纤维交叉部位的白质纤维的FA值较低,因而使得该部位的本征向量不能与相互交叉的两个白质纤维束相对应。其次由于DTI成像使用EPI序列扫描,虽然缩短了成像时间,但图像易变形,尤以颅底部位明显,这将严重影响接近颅底部位的白质纤维的观察,现在已有作者应用新的扫描技术,如线性扫描(line scan)或螺旋桨序列(PROPELLER)等来减少图像变形。再者,活体人脑白质纤维成像没有金标准来进行评价。尽管如此,由于DTT是目前唯一的能够在活体研究大脑白质纤维的方法,其应用价值前景是可以预见的,相信随着计算机硬件和软件的不断开发和利用,DTT技术将会得到更大的发展和应用。通过大量正常大脑白质纤维束的研究,可以绘制3D大脑白质纤维束图谱,从而更加有利于病灶的3D定位和指导手术。

在那些具有随意微结构的组织中,水分子的扩散通常是随机的,即向各个方向运动的概率相同,表现为扩散的各向同性(isotropic);而在那些具有固定排列顺序的结构中,水分子通常更倾向于向某一特定的方向进行扩散,表现为扩散的各向异性(anisotropic)。

在人脑中,水分子在脑脊液和灰质中的扩散运动基本可认为是各向同性的,即在各方向的扩散强度大小一致,扩散张量D可描述为球形,其本征值λ1=λ2=λ3。在脑白质中,由于髓鞘的阻挡,水分子的扩散被限制在与纤维走行一致的方向上,具有较高的各向异性,此时扩散张量可描述为椭球形,椭球形的最长轴代表最大扩散值及扩散方向,相反最短轴代表最小扩散值及扩散方向,其本征值λ1>λ2>λ3。与最大本征值对应的本征向量方向与经过该体素的纤维束走向平行。

脑白质纤维扩散运动的各向异性:神经元轴突的髓鞘和轴突的细胞内结构影响扩散运动的方向;垂直于神经纤维走行方向的扩散受髓鞘和神经束膜的限制;平行于神经纤维走行方向的扩散受轴突内、线粒体内质网、神经丝等细胞内结构的影响。

脑内存在大量复杂而精细的纤维环路,其中一些是以往解剖学和生理学并不了解甚至认识上有误差的,认识这些环路对了解人类神经认知功能有重要意义。

随着技术的发展,神经纤维束成像越来越精确,通过选择恰当的感兴趣区、各向异性阈值、角度阈值、步长和体素内采样数目等参数,利用弥散张量纤维跟踪技术清楚地模拟显示两大脑半球的扣带、上枕额束、下枕额束、钩束、上纵束、下纵束等联络纤维的走行及起止,与经典解剖学比较有高度一致性。