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功能磁共振在创伤性脑损伤中的应用研究进展

2018-09-29 09:30 | 来源:未知 | 责任编辑:本站编辑

作者:宋仁杰,宋赣军,谢鹏,段海真,张天喜,傅小云,贵州省遵义医学院附属医院附属医院

 

创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是神经外科最常见的疾病,同时也是导致创伤患者伤残及死亡的主要原因。目前临床上用以创伤性脑损伤诊断及治疗的常规检测手段主要包括断层扫描(Computed Tomography,CT)和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI),该两种影像学检测手段虽能在一定程度上反映TBI的病理生理状态和病变的解剖学信息,但不能描述脑组织代谢异常以及血流灌注变化,极大地限制了临床治疗方案的制定。

 

而功能磁共振(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)是在数字技术和影像学技术快速发展下应运而生的一种利用磁振造影对神经元活动所引发之血液动力的改变进行测量的新兴神经影像学检测手段,其以血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent,Bold)效应为基础原理,通过测定MR信号来反映脑血氧饱和度及血流量达到功能成像的目的。

 

目前,从广义角度来,功能磁共振成像包括磁敏感加权成像(Susceptibility weighted imaging,SWI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)、弥散加权成像(Diffusion weighted imaging,DWI)、动态磁敏感增强灌注成像(dynamic contrast-enhanced magnetic resonance,DSCPWI)、血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)、磁共振波普成像(magnetic resonance spectroscopy imaging,MRSI)等多种成像序列,在TBI的诊断中这些成像技术通过优势互补能够清晰描述各个脑区的功能映射图,为疾病诊断提供丰富的信息和可靠的依据。本文对近年fMRI在创伤性脑损伤临床诊断中的应用进行综述。

 

1.fMRI评估TBI病情

 

临床上,通过对TBI患者病情严重程度的评估是制定临床治疗方案的基础依据。

 

1.1DTI序列评估脑损程度

 

fMRI中DTI序列是在DWI基础上发展而来的磁共振(Magnetic Resonance,MR)技术,它可以显示脑组织的各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)等指标,而其中的FA值是描述纤维细微结构完整性的指标,该指标值降低提示脑白质纤维束局部结构的完整性被破坏,且其在不同脑区的降低程度与TBI病情的严重程度呈明显的正相关性,能够为临床患者病情的评估提供量化指标。

 

Nowak等以17例中重度TBI患者和20例轻度TBI患者进行了对比研究,通过对13个感兴趣区FA的测量,结果显示中重度TBI患者FA的下降幅度要大于轻度患者(P<0.05)。而另一指标ADC则是对水分子扩散自由度进行描述的指标,该指标值降低则提示水分子扩张被限制,警惕发生细胞毒性水肿;而该指标值升高则表明水分子扩张加快,警惕发生血管源性水肿。因此,ADC是定性评估TBI严重的可靠指标。

 

1.2BOLD-fMRI序列评估认知功能损伤程度

 

认知功能障碍是TBI后最常见的并发症之一,同时也是影响患者生存质量的重要因素,因此临床治疗中采取针对性的干预措施以降低或恢复认知功能损伤是治疗体系的重要组成部分。相较于传统CT和MRI影像学技术,fMRI最大的突破即不仅能从生理学、病理学角度开展对TBI状态的评估,且能从记忆、语言和认知等领域探索患者的病情进展情况、病情严重程度和临床治疗干预方案。而fMRI中BOLD-fMRI是目前为止唯一的非侵袭性、无创的对无运动神经输出(包括语言能力、无运动)脑外伤残留意识进行检测的成像技术,对患者的植物生存状态、最低残留意识及认知功能的评估价值具有独特性。

 

Arenth等采用fMRI对TBI患者进行检测,结果发现当予以患者听觉、触觉及视觉等刺激时,BOLD-fMRI显示相应皮层出现明显的激活;Aslaksen等研究发现fMRI检查下发现的TBI患者脑白质微细结构病灶与患者认知障碍有相关性,而常规CT、MRI检查下则显示微细病灶与其无关;Bardin等通过动物实验证实,BOLD-fMRI序列成像下脑外伤大鼠脑损伤区域功能的改变与其运动行为及感觉的恢复相关。因此,临床上通过fMRI检查能够评估患者认知功能损伤,为疾病的临床治疗提供指导。

 

2.fMRI诊断TBI脑组织病变

 

TBI后机体对创伤的应激性反应可引起脑组织发生一系列病理生理性变化,及时而恰当的诊断,可以有助于将脑损伤造成的后果降到最低程度。

 

2.1MRSI序列诊断脑组织代谢及生化变化

 

临床上以往对TBI的诊断一直侧重于伤后脑组织形态的变化,而忽略了对伤后脑组织代谢生化变化异常连锁反应所导致的神经元延迟性或继发性损伤的诊断。fMRI中MRSI序列是目前为止唯一一种能够对活体组织代谢和生化变化进行检测的成像技术,其序列下氢质子磁共振波谱(Hydrogen proton magnetic resonance,H-MRS)能够定量检测脑部不同区域的生化物质含量,包括胆碱化合物(Cho)、肌酸/磷酸肌酸(Cr)、N-乙酰天冬氨酸(NAA)、谷氨酸类化合物等等,而这些生化物质是反映TBI病情发生、发展的重要指标。

 

其中,Cho提示神经胶质细胞变化,Cr提示脑组织缺血、缺氧,NAA主要评价神经元和轴索生存质量,谷氨酸类化合物的过量释放是导致TBI病情进展的重要因素,临床上通过予以TBI患者MRSI检查了解患者脑代谢物质变化,进而间接评估患者病生理过程,为康复治疗提供指导。

 

Sumrall等研究结果显示,fMRI检查下,TBI患者较正常对照者Cho/Cr值升高明显,NAA/Cr值、NAA/Cho值降低明显,且患者病情越重,这种变化幅度越明显;Kalpakidou等通过对轻型TBI患者fMRI检查显示,患者NAA/Cr值仍出现较为明显的下降,且其下降幅度与患者预后密切相关;Stiles等研究表明Cho值升高、NAA值降低提示患者脑组织物质代谢改变,而这些变化是影响患者记忆力及认知功能的重要因素,对判断患者预后具有重要的意义。

 

2.2DSCPWI序列诊断脑组织微循环改变

 

随着临床医学对TBI病理生理机制研究的不断深入,越来越多的研究报道证实无论是局灶性脑损伤还是广泛性脑损伤,均会发生不同程度的脑微循环障碍,并引起TBI后继发性脑缺血,且脑缺血引发的脑血管反应性变化与TBI病情程度及预后密切相关。因此,加强TBI患者脑微循环的诊断是临床诊断关键环节。

 

传统CT和MRI对脑组织微循环的分布及血流灌注情况的描述有限,而fMRI则能够从神经影像学对脑微循环进行客观、敏感的反映,其中能够敏感的反映TBI后脑缺血及微血管血容量的变化,提供最直接、最早的局部血容量(Reginal cerebral blood volume,rCBV)下降信息。动态磁敏感增强灌注成像(dynamic susceptibility contrast enhanced perfusion weighted imaging,DSCPWI)分外源性和内源性示踪法,其中外源性示踪法主要是将MR对比剂予以静脉快速团注,通过对比剂在毛细血管网通过时引起的磁场反映所导致的MR信号变化来予以相关指标的测量,包括脑血容量(rCBV)、平均通过时间(mean time,MTT)、相对脑血流量(relative Cerebral Blood Flow,rCBF)等,临床上借助这些指标来对TBI患者的脑微循环状况进行诊断。

 

内源性示踪法主要是通过血管内向组织间隙示踪剂的扩散来检测图像信号变化,并得到rCBF值,而该指标值是反映脑组织缺血的关键指标。Herzmann等指出,当rCBF<20ml/100g/min时,提示脑细胞有氧代谢下降,而当其<10ml/100g/min时,提示泵功能衰竭。

 

3.fMRI判断TBI预后

 

目前,TBI后继发性脑损伤是世界性难题,是对神经系统的二次打击,同时也是威胁TBI患者预后的重要因素,而引起TBI继发性脑损伤的主要包括脑出血和脑水肿。

 

3.1SWI序列诊断微量出血灶

 

TBI引发的脑出血是导致患者预后不良的重要危险因素,临床上,常规MRI对针尖小出血灶难以显示,而fMRI中的SWI序列是一种较长的TE全新序列,与常规CT、MRI相比具有高分辨率、三维成像、高信躁比等显著特点,具有更小的部分容积效应、更强的周围组织对比度,能够通过流动补偿技术对病灶成像进行薄层采集,有效提高空间分辨率,更加清晰的反映组织间磁敏感差异,突出显示微量出血灶。Tang等指出,相较于常规MRI,fMRI对出血灶数量和体积的显示要高出2~6.2倍,而相较于常规CT,则要高出2~3.5倍;Sharova等报道强调SWI能对约1mm2大小的微小出血灶进行敏感显示;Thompson等研究结果显示,对比于T2·WI序列,SWI对脑出血灶与周围组织的对比度的显示更强,且同一患者在T2·WI序列上不能显示的出血灶在SWI序列上均能得以显示。但是也有研究表明,fMRI对非出血性轴索损伤的检出具有一定的限制,且对脑水肿的分辨率有限。

 

3.2DWI序列诊断脑水肿

 

临床上,TBI后因脑水肿不影响X射线的衰减或诱导组织肿胀,早期CT和MRI的T1WI、T2WI变化不明显,因此CT扫描难以检测出单纯的细胞毒性脑水肿,而fMRI上的DWI像易于对细胞毒性脑水肿进行检测,呈现出易于识别的高信号。Mayer报道指出,fMRI是目前一种能在活体研究脑结构和代谢、机能变化的技术,而DWI序列能够早期发现脑损伤病灶,判断脑水肿的性质。Rao报道指出,62岁男性,TBI后87分钟后完成了CT扫描,但CT上并未检测出患者的细胞毒性脑水肿。症状发作后3小时10分钟,患者完成了fMRI扫描,DWI显示患者大脑和小脑半球呈现出多发栓塞形式的小病灶,大脑半球右侧为著。因此,DWI序列对TBI后脑水肿的诊断有着显著的优势。

 

4.fMRI在TBI诊断中的应用限制

 

尽管相较于传统CT和MRI,fMRI有着其独特的优势,但临床实践应用中,因各种主客观因素的影响,其对TBI的诊断和治疗也具有一定的限制。如SWI虽能敏感检测出微量出血灶,但其对患者有着较高的配合度,在重症TBI患者中的应用受限;DTI虽能评估患者病情严重程度,但涡流、运动、磁敏感效应等易对图像质量造成影响,且种子点的选取与检测医师的经验水平密切相关;BOLD-fMRI能实现实施动态成像,但后期的数据处理难度大,且过程繁琐;MRSI波普基线稳定,但采集数据需花费较长的时间,且易受容积效应的影响。因此,在实践应用中应根据各序列的优点和弊端进行合理权衡,最大限度的发挥fMRI的应用价值。

 

综上,fMRI作为新兴神经影像学检测手段,突破了传统影像学技术仅从病生理状态为创伤性脑损伤提供有限的诊疗信息,能深入到脑神经、脑代谢、微循环、功能重组、认知损伤等各个领域,为创伤性脑损伤的诊断和治疗提供多方位、多层次、全面的信息依据,对提高疾病的诊断水平及改善患者预后具有重要的作用。同时,fMRI和CT一样属影像诊断,不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断,在TBI中的应用存在一定的局限性,同时其检查费用高,耗力费时,并不能作为临床常规检查方法。目前,fMRI诊断的主要内容还是停留在常规图像、弥散和增强这三个手段,在未来发展上随着临床需要的提高尤其是创伤性脑损伤诊疗方面的需求,fMRI还需要做技术的革新和突破,为临床提供更丰富的信息依据。

 


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