第二章　MRI 腦神經(jīng)束成像原理

1827年,布朗觀察顯微鏡下花粉微粒在靜止的水面上呈無規(guī)則運(yùn)動(dòng),稱為布朗運(yùn)動(dòng)(Brownian motion),是粒子本身的運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)是最基本的自然物理現(xiàn)象之一,反映了微觀的分子會(huì)進(jìn)行移動(dòng)、相互撞擊,據(jù)此產(chǎn)生“擴(kuò)散(彌散)”現(xiàn)象。擴(kuò)散是由于分子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的質(zhì)量遷移現(xiàn)象,是一種無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。

(一)宏觀的擴(kuò)散(彌散)

擴(kuò)散現(xiàn)象是指物質(zhì)分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移直到均勻分布的現(xiàn)象。宏觀擴(kuò)散的典型實(shí)例為滴落在水中的墨水散開的情況、氣體散開的情況。

擴(kuò)散速率可以用菲克第一定律描述,它是1855年由德國的生理學(xué)家Fick導(dǎo)出的定律。

F=D·ΔC/Δx

宏觀擴(kuò)散的速率(F)與物質(zhì)的濃度梯度“ΔC/Δx”成正比。比例系數(shù)稱為擴(kuò)散系數(shù)(diffusion coefficient)“D”,表示擴(kuò)散的容易度。

(斯托克斯·愛因斯坦的關(guān)系公式)

擴(kuò)散系數(shù)“D”與溫度“T”成正比,與黏性系數(shù)“η”成反比。即溫度越高越容易擴(kuò)散,黏度越高越難以擴(kuò)散(k=1.380 650 3×10-23 J/K,即玻爾茲曼常數(shù);a代表分子的半徑)。

(二)微觀的擴(kuò)散

物質(zhì)不存在濃度差時(shí),不能觀察到宏觀的擴(kuò)散,但是實(shí)際上一個(gè)一個(gè)的分子在以“布朗運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行微觀擴(kuò)散。微觀的擴(kuò)散是隨機(jī)運(yùn)動(dòng),因此不能查明特定分子的位置,但是,可以預(yù)測(cè)分子的平均運(yùn)動(dòng)。

通常在MRI中的擴(kuò)散是指觀察到的被稱為“自身擴(kuò)散”的這種微觀的擴(kuò)散。

(三)擴(kuò)散的影響因素

影響擴(kuò)散的因素包括組織結(jié)構(gòu)、組織的生化特性、溫度以及可以影響局部組織運(yùn)動(dòng)的外加因素。

(四)擴(kuò)散的測(cè)量

測(cè)量擴(kuò)散的方法包括生物、物理方法,放射活性或熒光標(biāo)記法,磁共振成像法。其中磁共振成像是目前在人體上進(jìn)行水分子擴(kuò)散測(cè)量與成像的唯一方法。

(五)磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像

磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusiong weighted imaging,DWI)是用圖像的方式來反映分子的微觀運(yùn)動(dòng),目前是通過在常規(guī)的MRI序列上施加一對(duì)擴(kuò)散敏感梯度脈沖來獲得的,可將此梯度脈沖視為水分子擴(kuò)散的標(biāo)記物。分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到分子結(jié)構(gòu)和溫度的影響,分子結(jié)構(gòu)越松散、溫度越高,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)就越強(qiáng)。在人體內(nèi)結(jié)合水的擴(kuò)散就比自由水弱。用擴(kuò)散系數(shù)D值來描述物質(zhì)的擴(kuò)散特性,即一個(gè)水分子在單位時(shí)間內(nèi)自由隨機(jī)擴(kuò)散的范圍,其單位是mm2/s,DWI就是根據(jù)D值的差異來成像的。目前使用表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)來描述生物體內(nèi)水分子的擴(kuò)散量,它是所有影響水分子運(yùn)動(dòng)的因素作用下的一個(gè)觀察值。

b值為施加的擴(kuò)散敏感梯度場參數(shù),也稱擴(kuò)散敏感系數(shù)。b值越高,對(duì)水分子擴(kuò)散越敏感,但得到的DWI信噪比較低。

常用的磁共振擴(kuò)散成像脈沖序列包括:①SE EPI擴(kuò)散加權(quán)像,信號(hào)的衰減與擴(kuò)散系數(shù)有很好的相關(guān)性,是目前最常用的擴(kuò)散成像技術(shù);②GRE EPI擴(kuò)散加權(quán)像,掃描很快,不能加載幅度大、時(shí)間過長的梯度。信號(hào)的衰減與擴(kuò)散系數(shù)、組織的T1和T2時(shí)間、翻轉(zhuǎn)角有關(guān),故很難測(cè)出擴(kuò)散系數(shù)的精確值。

擴(kuò)散加權(quán)成像中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)影響因素包括:①體內(nèi)各種因素的變化影響擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),例如呼吸、心跳、毛細(xì)血管灌注、組織結(jié)構(gòu)等;②T2透過效應(yīng)(T2 shine through),由于 DWI圖像以SE EPI序列掃描,含有不同程度的質(zhì)子加權(quán)和T2成分,主要是T2成分;T2及質(zhì)子的對(duì)比度在擴(kuò)散圖像上反映的現(xiàn)象稱為透過效應(yīng)(shine through);③T2弛豫時(shí)間、質(zhì)子和擴(kuò)散程度。

組織內(nèi)影響水分子擴(kuò)散的因素包括:①細(xì)胞內(nèi)外水的體積變化;②水分子通過細(xì)胞膜的滲透作用;③細(xì)胞外間隙形態(tài)的改變。

表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)圖是一種通過計(jì)算獲得的影像,其中T1和T2作用已被除去。限制擴(kuò)散的損傷,如急性梗死,在DWI中呈高信號(hào),在ADC圖中呈黑影,后者反映了低擴(kuò)散系數(shù)(ADC值減低)。ADC值的正常范圍:自由水的ADC值大約為2.5×10-3mm2/s,正常腦組織的ADC值為(0.7～0.9)×10-3mm2/s;腦組織急性病變的ADC值多降低,腦組織亞急性或慢性病變的ADC值多升高。ADC異常變化的上下限為(0.4～2.5)×10-3mm2/s。

MR擴(kuò)散加權(quán)成像(DWI)能夠比常規(guī)的MRI技術(shù)或CT更加靈敏地探測(cè)急性腦缺血。在正常腦組織中,由于相位的不協(xié)調(diào)性,隨機(jī)的水分子擴(kuò)散(布朗運(yùn)動(dòng))降低了DWI信號(hào)的幅度。在缺血性腦損傷發(fā)作后的幾分鐘內(nèi),損傷的腦組織發(fā)生細(xì)胞毒性水腫,水的總含量變化不大,細(xì)胞內(nèi)的水量增加了。這里保持了相位相干且在擴(kuò)散觀察期更多的信號(hào)得以恢復(fù),產(chǎn)生了高信號(hào)。注意雖然這一點(diǎn)作為DWI對(duì)急性腦卒中檢測(cè)的理論被廣泛接受,但是其仍未被目前科學(xué)研究證實(shí)。

(六)磁共振擴(kuò)散張量成像技術(shù)

磁共振擴(kuò)散張量成像技術(shù)(diffusion tensor imaging,DTI)是在DWI基礎(chǔ)上,在≥6個(gè)方向上施加擴(kuò)散敏感梯度而獲得的圖像,可以利用水分子的擴(kuò)散各向異性進(jìn)行成像,是目前唯一無創(chuàng)性反映活體組織水分子擴(kuò)散各向異性的檢查方法。最初只能采用偽彩編碼圖以不同的顏色表示神經(jīng)纖維束的走行方向,如今已能用示蹤技術(shù)進(jìn)行三維顯示,即擴(kuò)散示蹤圖,通過第一個(gè)體素主本征向量的方向?qū)ふ蚁乱粋€(gè)與其最接近的體素,將這些體素連接起來即為擴(kuò)散張量纖維束示蹤(diffusion tensor tractography,DTT)。

擴(kuò)散張量(diffusion tensor)即水分子在神經(jīng)組織中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)有向量、長度等數(shù)量變化。本征向量(eigenvector,ν)和本征值(eighenvalue,λ)表示體素在三維方向上的擴(kuò)散張量,在DTI中沿用了不依賴坐標(biāo)系的擴(kuò)散橢球形的概念,描述水分子在三維方向上的擴(kuò)散軌跡。應(yīng)用多變量線性擬合法和對(duì)角線法將每個(gè)體素在所有施加MPG方向上的表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)或擴(kuò)散率簡化為一個(gè)橢球形,橢球形相互垂直的X、Y、Z三個(gè)主軸方向的擴(kuò)散系數(shù)按降序依次表示為λ1、λ2、λ3,代表擴(kuò)散張量的三個(gè)本征值,λ1為最大本征值(主本征向量),等于橢球形最長軸的半徑,即最大擴(kuò)散系數(shù),λ2、λ3代表與λ1垂直方向的擴(kuò)散系數(shù),相應(yīng)的本征向量表示為ν1、ν2、ν3。如果擴(kuò)散程度在X、Y、Z三個(gè)方向上完全相同即各向同性(isotropy);如果移動(dòng)長度在三個(gè)方向上各不相同,即各向異性(anisotropy)。

各向異性比率(fractional anisotropy,FA)是水分子擴(kuò)散各向異性成分占整個(gè)擴(kuò)散張量的比率,水分子擴(kuò)散的各向異性比率越高其擴(kuò)散張量效應(yīng)越強(qiáng)。FA的范圍在0到1之間。

通過圖示符(glyph)將各種微模塊組裝在一起以顯示微結(jié)構(gòu),例如用橢圓模塊顯示神經(jīng)束及其走向等。

擴(kuò)散張量、各向異性比率及圖示符這三項(xiàng)重要因素在磁共振成像時(shí)發(fā)揮效應(yīng)形成FA圖像,再通過彩色編碼顯出帶有方向性的DTI,大量DTI圖像經(jīng)三維重組形成神經(jīng)束圖,在神經(jīng)束圖形成過程中圖示符發(fā)揮了重要作用。

DTT是新近應(yīng)用的一種白質(zhì)纖維的顯示方法,目前尚存在一定的缺陷。由于纖維通道的重疊和計(jì)算機(jī)算法的限制,三維顯示全腦的白質(zhì)纖維尚有一定的困難,尤其在纖維交叉部位,這是由于在纖維交叉部位的白質(zhì)纖維的FA值較低,因而使得該部位的本征向量不能與相互交叉的兩個(gè)白質(zhì)纖維束相對(duì)應(yīng)。其次由于DTI成像使用EPI序列掃描,雖然縮短了成像時(shí)間,但圖像易變形,尤以顱底部位明顯,這將嚴(yán)重影響接近顱底部位的白質(zhì)纖維的觀察,現(xiàn)在已有作者應(yīng)用新的掃描技術(shù),如線性掃描(line scan)或螺旋槳序列(PROPELLER)等來減少圖像變形。再者,活體人腦白質(zhì)纖維成像沒有金標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。盡管如此,由于DTT是目前唯一的能夠在活體研究大腦白質(zhì)纖維的方法,其應(yīng)用價(jià)值前景是可以預(yù)見的,相信隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的不斷開發(fā)和利用,DTT技術(shù)將會(huì)得到更大的發(fā)展和應(yīng)用。通過大量正常大腦白質(zhì)纖維束的研究,可以繪制3D大腦白質(zhì)纖維束圖譜,從而更加有利于病灶的3D定位和指導(dǎo)手術(shù)。

在那些具有隨意微結(jié)構(gòu)的組織中,水分子的擴(kuò)散通常是隨機(jī)的,即向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率相同,表現(xiàn)為擴(kuò)散的各向同性(isotropic);而在那些具有固定排列順序的結(jié)構(gòu)中,水分子通常更傾向于向某一特定的方向進(jìn)行擴(kuò)散,表現(xiàn)為擴(kuò)散的各向異性(anisotropic)。

在人腦中,水分子在腦脊液和灰質(zhì)中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)基本可認(rèn)為是各向同性的,即在各方向的擴(kuò)散強(qiáng)度大小一致,擴(kuò)散張量D可描述為球形,其本征值λ1=λ2=λ3。在腦白質(zhì)中,由于髓鞘的阻擋,水分子的擴(kuò)散被限制在與纖維走行一致的方向上,具有較高的各向異性,此時(shí)擴(kuò)散張量可描述為橢球形,橢球形的最長軸代表最大擴(kuò)散值及擴(kuò)散方向,相反最短軸代表最小擴(kuò)散值及擴(kuò)散方向,其本征值λ1>λ2>λ3。與最大本征值對(duì)應(yīng)的本征向量方向與經(jīng)過該體素的纖維束走向平行。

腦白質(zhì)纖維擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的各向異性:神經(jīng)元軸突的髓鞘和軸突的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)影響擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向;垂直于神經(jīng)纖維走行方向的擴(kuò)散受髓鞘和神經(jīng)束膜的限制;平行于神經(jīng)纖維走行方向的擴(kuò)散受軸突內(nèi)、線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、神經(jīng)絲等細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的影響。

腦內(nèi)存在大量復(fù)雜而精細(xì)的纖維環(huán)路,其中一些是以往解剖學(xué)和生理學(xué)并不了解甚至認(rèn)識(shí)上有誤差的,認(rèn)識(shí)這些環(huán)路對(duì)了解人類神經(jīng)認(rèn)知功能有重要意義。

隨著技術(shù)的發(fā)展,神經(jīng)纖維束成像越來越精確,通過選擇恰當(dāng)?shù)母信d趣區(qū)、各向異性閾值、角度閾值、步長和體素內(nèi)采樣數(shù)目等參數(shù),利用彌散張量纖維跟蹤技術(shù)清楚地模擬顯示兩大腦半球的扣帶、上枕額束、下枕額束、鉤束、上縱束、下縱束等聯(lián)絡(luò)纖維的走行及起止,與經(jīng)典解剖學(xué)比較有高度一致性。