国际医学放射学杂志Int J Med Radiol 2015 Jnl;38f4):322"325 — 扩散张量成像在周围神经变性及再生中的研究进展 张九龙汤光宇 【摘要】周围神经损伤后,其远端轴突和髓鞘发生沃勒变性,如何评估轴索再生、残端修复和神经支配区功能 重建是临床研究的难题。目前,临床上主要通过神经电生理检查判断神经损伤程度,但对评估神经完全损伤及近端 病变缺乏敏感性及特异性。MR扩散张量成像(DTI)能够无创性定量评估周围神经变性及再生过程,联合扩散张量 纤维示踪技术(DTr)可追踪神经纤维束的方向、排列、髓鞘脱失等信息。就DTI技术评估周围神经损伤变性及再生 的研究进展予以综述。 【关键词】 扩散张量成像;扩散张量纤维示踪成像;周围神经;沃勒变性;再生 DOI:10.3874 ̄.issn.1674—1897.2015.04.Z0402 Research progress of difusion tensor imaging in evaluation of peripheral nerve degeneration and regeneration ZHANG Jiulong,TANG Guangyu.Department of Radiology,Shanghai Tenth People’S Hospital,Tongji University School of Medicine,Shanghai 200072,China 【Abstract】After peripheral nerve injury,Wallerian degeneration of the distal axon and myelin sheath OCCU ̄.How to evaluate axon regeneration,residual control area repair and nerve function reconstruction has always been a challenge for clinical research.At present,it is clinically mainly through nerve electrophysiological examination to evaluate nerve damage degree,but it lacks sensitivity and speciifcity in evaluation of complete axonl injury and proximal lesion.Magnetic resonance diffusion tensor imaging(DTI)can noninvasively and quantitatively assess the process of peripheral nerve degeneration and regeneration.When combining with diffusion tensor tractography(DYr),the directionand arrangement of nerve ifber bundles, which indicating demyelination,can be tracked.In this paper,the researeh progress of DTI technology in the evaluation of peripherla nerve injury degeneration and regeneration were reviewed. 【Key words】Diffusion tensor imaging;Diffusion tensor tractography;Peripheral nerve;Wallerian degeneration; Regeneration /nt JMed RadioZ,2015,38(4):322-325 周围神经损伤可由创伤、牵拉、电击、糖尿病周 神经远端。对于近端神经丛病变及严重创伤造成轴 围神经病变以及外周神经源性肿瘤等多种因素引 索完全损伤.神经电生理检查受限[41。近年MR扩散 起,可导致神经纤维受损中断,发生沃勒变性,远端 张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)作为一种新 轴索及髓鞘崩解成碎片被巨噬细胞吞噬而形成吞 的技术应用于周围神经系统受到广泛关注,它能客 噬体.此时施万细胞被诱导获得增殖能力,聚 观、定量评估外周神经的变性、轴索再生及组织微 集在基底膜管内形成Bunger带,并分泌多种神经营 观结构的变化。与病理改变有很强的相关性[5.“】。 养因子,诱导轴突再生.最终形成新的髓鞘.髓鞘也 1 DTI成像基本原理和量化参数 不断增多、成熟:由于施万细胞分泌多种神经生长 MRI对软组织具有良好的分辨力,随着高分辨 因子且细胞外基质又能提供适宜的神经微环境,可 力MR神经成像(MR neurography,MRN)技术的发 促进外周神经损伤修复【l-31。目前形态学及神经电生 展.常规MRI对外周神经病变的敏感性有一定提 理学是评估神经再生的重要方法.但仅应用于外周 高,但不能定量评估神经再生修复f12J。新型MR对比 剂(如Gadoflouride M)可选择性聚集在变性神经纤 作者单位:同济大学附属第十人民医院放射科,上海200072 通讯作者:汤光宇,E—mail;tgy17@126.com 维和新生的轴索中,对评估外周神经脱髓鞘变性和 审校者 基金项目:国家自然科学基金面上项目(81371517) 髓鞘再生有一定优势,但残留对比剂可能会对损伤 322 国际医学放射学杂志Intenatrional Journal of Medical Radiology 2015 Jul;38(4、 的神经产生毒副作用【 ]。 DTI是功能MR成像的重要组成部分.在扩散 加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)基础上可 定量评估三维空间里水分子在组织中的扩散运动 (即布朗运动)。在生理条件下,由于受组织微观结 构及细胞本身的,水分子在各个方向的扩散运 动并不相同。例如,水分子扩散速度在平行于神经 纤维长轴方向时明显大于垂直于该方向时。如果在 三维空间至少6个方向定量测量水分子扩散强度. 可获得x、Y、z 3个方向本征值( 、 、入,),通过本征 向量可以获得DTI参数.即部分各向异性(fractional anisotropy,FA)、相对各向异性(relative anisotropy, RA)、容积比(volume ratio,VR)、平均ADC以及轴向 扩散系数h//(X//=X1)、径向扩散系数 =( 2+ 3)/21。 其中,最常用的是FA值,其范围为0~1.0代表最 大各向同性的扩散,l代表假想状态下最大各向异 性的扩散。入∥指沿纤维柬长轴扩散的本征值,入 指 沿纤维束长轴横向扩散的本征值。扩散张量纤维示 踪成像(diffusion tensor tractography。D 丌)能可视化 追踪神经纤维束走行并可直观显示神经损伤部位。 在ADC图中,水分子扩散强度与ADC值呈正相 关[14-151。目前DTI主要应用于中枢神经系统疾病及 脊髓疾病,如颅脑损伤、弥漫性轴索损伤、肿瘤术前 导航及脊髓型颈椎病等[16】,在外周神经病变中的应 用还有待进一步研究。 2 DTI用于动物外周神经的研究 2.1离体动物坐骨神经 坐骨神经是机体最粗的 一根外周神经,被许多研究者选作研究对象。 Lehmann等『51应用l1.7 T MRI对离体大鼠坐骨神经 损伤模型进行DTI检查,结果显示挤压伤组FA值 先减低后又逐渐回升,病理证实FA值及入∥与轴索 再生的数量有显著相关性:损伤离断节段FA值和 ∥均明显降低,可能由于离体神经轴浆停止流动,分 子轴向扩散减弱,而活体神经纤维中双向轴流均很 丰富,则水分子沿神经长轴方向的扩散比较活跃旧。 该研究结果为DTI在动物周围神经应用奠定了基础。 2.2活体动物坐骨神经Takagi等嘲对120只急性 坐骨神经损伤大鼠模型进行DTI研究。在损伤24 h 内,损伤处神经纤维连续性中断,发生脱髓鞘变性, 水分子扩散各向异性降低,FA值及入∥明显下降,而 远端轴索肿胀但仍保持连续性,水分子扩散轻度受 限,故FA值、 ∥下降不明显。损伤后第4天,电镜下 显示远端轴突及髓鞘开始崩解,神经发生沃勒变 性,FA值、 ∥出现大幅度下降,基于神经外膜和周 围结缔组织的存在,FA值并未降至零。由于水 分子横向扩散的轴索消失,水分子突破其横向 扩散增加,因此代表横向扩散的 .升高。此后,随着 远端轴索密度、直径及新生轴索增加,FA值、 ∥及 神经功能也同步回升。Morisaki等【7]尝试应用DTI技 术定量评估在体大鼠坐骨神经损伤与再生.发现FA 值及入 可预测神经损伤后的退变及再生,且与组织 学改变有很强的相关性。一些研究者对兔坐骨神经 挤压伤模型研究发现 ∥值并未发生显著变化,认为 可能由于外周神经纤维束的多层膜结构了水 分子的扩散方向,损伤程度不足,不能引起神经束 膜变性、中断,水分子纵向扩散受影响程度有限[9-“l。 3 DTI在临床上的应用研究 3.1 腰骶丛及坐骨神经 腰椎间盘退行性变 (1umbar disc degeneration。LDD)是影响人类健康的 常见病,腰椎间盘压迫相应神经根可诱发腰腿痛、 肌无力及感觉障碍等一系列临床症状。Wu等[1s]首次 在外科领域应用基因相关性研究联合DTI技术分 析LDD,结果证实ADAMTS一5(即蛋白聚糖酶2)在 LDD中起重要作用,rs162502可能与L 一S 各椎间 盘平均扩散率变化有关。Eguchi等㈣对有症状的腰 椎间盘突出病人的腰骶神经根行DTI扫描,发现受 压神经根FA值明显低于未受压神经根。其差异有 统计学意义:而Sakai等【删对1例无症状的腰椎间盘 突出病人行DWI和DTI扫描,结果发现受压神经根 FA值升高而ADC值降低,此结果与有症状病人的 结果相反。可能是由于神经根仅受压而无水肿、脱 髓鞘变性及慢性轴索损伤。故认为DTI参数可以作 为评价神经根受压程度的量化指标。Merlini等『21]对 1例7岁女孩单侧坐骨神经瘤行DTY检查,能够清 晰显示患侧坐骨神经明显增大及与邻近血管的关 系,对指导外科治疗有相当大的价值。 3.2臂丛神经病变 近年来,国外一些研究者应用 DTI技术研究周围神经肿瘤性病变及肿瘤样病变发 现,如多发神经纤维瘤、腓骨肌萎缩症(又称Charcot— Marie—Tooth病)、格林・巴利综合征(Guillain—Barre syndrome)以及恶性外周神经源性肿瘤等病变均可 造成神经萎缩变性、破坏或中断。Vargas等[221发现 D,rI’可显示肿瘤与邻近臂丛神经关系,良性肿瘤及 肿瘤样病变仅对邻近神经包绕或推移改变,而恶性 肿瘤可破坏臂丛神经使其变性、水肿或中断,但未 阐明与FA值、ADC值变化关系。Chhabra等 发现 323 国际医学放射学杂志Int J Med Radio1 2015 Jul;38(4) 恶性肿瘤受累的臂丛神经ADC值明显低于良性肿 瘤。FA值也低于未受累神经。因此可见DTT能直观 显示臂丛神经走行.依据ADC值、FA值可评估外周 神经是否受累。 4 DTI在其他神经病变的应用 Meek等【24】对1例正中神经受伤病人进行影像 随访,损伤1个月时DrfT只能显示损伤的正中神经 近端,2个月后可显示损伤远端新生的轴索,由此表 明DTI'能够无创评估神经的再生过程。Naraghi等 发现腕管综合征病人解压后正中神经FA值明显升 高。ADC值明显降低。Wang等[261对视网膜缺血小鼠 模型的视神经行DTI研究,结果发现缺血后3 d,入∥ 降低25%,入,无明显改变,病理显示轴索变性而未 检测出髓鞘脱失改变;缺血后7 d,入 明显升高 5O%,而 ∥无明显变化,提示脱髓鞘变性是由持续 轴索损伤所致:另外,视网膜缺血过程中RA值逐渐 减低。由此得知DTI能够检测、区分轴索变性和髓鞘 脱失,RA是评估小鼠视神经视网膜缺血最优参数。 5 DTI技术局限性和前景 DTI联合DTY虽能准确定位和定量评估外周 神经损伤变性及再生过程,但由于外周神经水分少、 分布复杂、高b值,由此可导致影像伪影明显。为了 提高信噪比,需要采用较长TR(8 000~10 000 s),增 加扫描时间,这样又使呼吸运动伪影明显;另外,外 周神经走行迂曲、交叉重叠,DTY纤维示踪困难,后 处理时间长。易出现技术原因所致的神经示踪缺失 假象;加之DTI技术存在固有理论缺陷,其理论主 要基于理想状态下水分子的高斯分布特征,然而水 分子在不同组织间及细胞内外呈非高斯分布状态。 近来在DTI基础上推出的扩散峰度成像以及Q— Ball成像等技术可探测非高斯分布的水分子扩散运 动及交叉扩散问题[271。相信随着MRI技术的不断发 展及扫描序列的优化.DTI技术对外周神经病变早 期诊断、再生评估、治疗方案选择及预后随访将具 有更大的临床价值[281。 参考文献: Ma Z,Wang J,Song F,et a1.Critical period of axoglial signaling between neuregulin-1 and brain-derived neurotrophic factor erquimd for early Schwann cell survival and diferentiation[J].J Neurosci, 2011,31:9630—9640. [2】 Piirsoo M,Kaljas A,Tamm K,et a1.Expression of NGF and GDNF family members and their receptors during peripheral nerve development and differentiation of Schwann cells in vitro『J]. Neurosci Lett。2010。469:135—140. 324 【3】Shin YH,Lee SJ,Jung J.Extraeellular ATP inhibits Schwann cell dedifferentiation and proliferation in an ex vivo model of Wallerian degeneration[J].Biochem Biophys Res Commun,2013,430:852—857. [4]Sta M,Cappa.ert NL,Ramekers D,et a1.1’he functional and morphological characteristics of sciatic nerve degeneration and regeneration after cmsh injury in rats[J].J Neumsei Methods,2014, 222:189-198. [5]Lehmann HC,Zhang J,Mori S,et a1.Diffusion tensor imaging to assess axonal regeneration in peripheral nerves[J].Exp Neurol,2010, 223:238—244. 【6]Takagi T,Nakamura M,Yamada M,et a1.Visualization of peripheral nerve degeneration and regeneration:monitoring with diffusion tensor traetography[J].Neuroimage,2009,44:884—892. [7]Morisaki S,Kawai Y,Umeda M,et a1.In vivo assessment of peripheral nerve regeneration by diffusion tensor ima ̄ng[J].J Magn Reson,201 1,33:535-542. [8】Fujiyoshi K,Konomi T,Yamada M,et a1.Diffusion tensor imaging and traetography of the spinal cord:from experimental studies to clinical application[J].Exp Neurol,2013,242:74—82. [9】Li X,Chen J,Hong G,et a1.In vivo DTI longitudinal measurements of acute sciatic nerve traction injury and the association with pathological and functional changes[J].Eur J Radiol,2013,82:e707- 7l4. 【10】Sun C,Hou Z,Hang G,et a1.In vivo evaluation of sciatic nerve crush injury using diffusion tensor imaging:correlation with nerve function and histology[J].J Comput Assist Tomogr,2014,38:790—796. [11】Yamasaki T,Fujiwara H,Oda R,et a1.In vivo evaluation of rabbit sciatic nerve regeneration with diffusion tensor imaging(DTI): correlations with histology and behavior[J].Magn Reson Imaging, 2015,33:95—101. [12】Thawait SK,Chaudhry V,Thawait GK,et a1.Hish—resolution MR neurography of diffuse peripheral nerve lesions[J].AJNR,201 1,32: l365一l372. 【13】Liao CD,Zhang F,Guo RM,et a1.Peripheral nerve repair: monitoring by using gadofluorine M—enhanced MR imaging with chitosan nerve conduits with cultured mesenchymal stem cells in rat model ofneurotmesis[J].Radiology,2012,262:161—171. [14】Mukherjee P,Chung SW,Berman JI,et a1.Diffusion tensor MR imaging and fiber tractography:technical considerations[J】_AJNR, 20o8.29:843-852. [15】Song SK,Sun SW,Ramsbottom MJ,et a1.Dysmyelination revealed throush MRI as increased radial(but Unchanged Axi1a)difusion of wate4J].Neuroimage,2002,17:1429—1436. 【16】Wang LL,Leach JL,Breneman JC,et a1.Critical role of imaging in the neurosurgical and radiotherapeutic management of brain tumors [J】.Radiographies,2014,34:702—721. [17】Cox I2,Hengst U,Gurskaya NG,et a1.Intra—axonal translation and retrograde trafficking of CREB promotes neuronal survival[J].Nat Cell Biol,2008,10:149—159. [18]Wu N,Chen J,Liu H,et a1.The involvement of ADAMTS一5 genetic polymorphisms in predisposition and diffusion tensor imaging 国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2015 Jul;38(41 alterations of lumbar disc degeneration[J].J Orthop Res,2014,32: 686—694. and tumorlike conditions[J].AJNR,201 3,34:802—807. [24]Meek MF,Stenekes MW,Hoogduin HM,et a1.In vivo three— dimensional reconstruction of human median nerves by diffusion [1 9】Eguchi Y,Ohtori S,Orita S,et a1.Quantitative evaluation and visualization of lumbar ̄raminal ner e root entrapment'by using tensor imaging[J].Exp Neurol,2006,198:479-482. diffusion tensor ima ng:preliminary resuhs【J】.AJNR,201 1,32: l824-1829. [25】Naraghi A,da Gama Lobo L,Menezes R,et a1.Diffusion tensor imaging of the median nerve before and after carpal tunnel release in patients with carpal tunnel syndrome:feasibility study[J].Skeletal Radiol,2013,42:1403—1412. [2Ol Sakai T,Miyagi R,Yamabe E,et a1.Diffusion—weighted imaging and diffusion tensor imaging of asymptomatic lumbar disc herniation[J].J Med Invest.2014.61:197—203. [26]Wang Q,Vlkolinsky R,Xie M,et a1.Diffusion tensor imaging detected optic nerve injury correlates with decreased compound action potentials after murine retinal ischemia[J].Invest Ophthalmol Vis.Sci,2012,53:136—142. [21]Merlini L,Viallon M,De Coulon G,et a1.MRI neurography and diffusion tensor imaging of a sciatic perineuroma in a child[J1. Pediatr Radiol,2008,38:1009—1012. [22]Vargas MI,Viallon M,Nguyen D,et a1.Diffusion tensor imaging (DTI)and tractography of the brachial plexus:feasibility and initial [27]Landman BA,Bogovic JA,Wan H,et a1.Resolution of crossing fibers with constrained compressed sensing using diffusion tensor MRI叨. Neuroimage,2012,59:2175—2186. experience in neoplastic conditions[J1.Neuroradiology,2010,52: 237—245. [28]Chhabra A,Andreisek G,Soldatos T,et a1.MR neurography:past, [23】Chhabra A,Thakkar RS,Andreisek G,et a1.Anatomic MR ima ̄ng and functional difusion tensor imaong of peripheral nerve tumors present,and future[J].AJR,201 1,197:583-591. (收稿2014—12—11) 本刊常用的专业名词缩略语(一) 医学论文中正确、合理使用专业名词缩略语可以精简文字,节省篇幅。现将放射学专业领域为大家所 熟知的部分专业名词缩略语总结如下(按照英文首字母顺序排列)。 ADC(apparent diffusion coefficient):表观扩散 系数 BMI(body mass index):体质量指数 BOLD(blood oxygenation level dependent):血氧 CR(computed radiography):计算机X线摄影 DICOM(digital imaging and communication medicine):医学数字成像与传输(标准) DR(digital radiography):数字x线摄影 DSA(digital subtraction angiography):数字减影 水平依赖 CAD(computer-aided detection):计算机辅助检测 CAG(coronary angiography):冠状动脉造影 CBF(cerebral blood flow):脑血流量 血管造影 DTI(diffusion tensor imaging):扩散张量成像 DTr(diffusion tensor tractography):扩散张量示 CBV(cerebral blood volume):脑血容量 CNR(contrast to noise ratio):对比噪声比 CPP(cerebral perfusion pressure):脑灌注压 CPR(curved planar reformation):曲面重组 踪成像 DWI(diffusion weighted imaging):扩散加权成像 ECG(electrocardiography):心电图 ECT(emission computed tomography):发射型计 CT(computed tomography):计算机体层摄影 CTA(computed tomography angiography):CT血管 成像 算机体层摄影 ERCP (endoscopic retrograde cholangi0pancreat0g— raphy):内镜逆行胰胆管造影 ETL(echo train length):回波链长,又称加速因子 EPI(echo planar imaging):回波平面成像 FA(fractional anisotropy):各向异性分数 FDG(fluorodeoxyglucose):氟脱氧葡萄糖 FFE(fast field echo):快速场回波 CTDI(CT dose index):CT剂量指数 CTE(CT endoscopy):CT内镜 CTP(CT perfusion):CT灌注(成像) CTv(CT venography):CT静脉成像 CTU(CT urography):CT尿路成像 325