扩散成像技术在新生儿缺氧缺血性脑病中的研究进展

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查看773 | 回复0 | 2020-2-24 15:51:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
1.新生儿缺氧缺血性脑病
       新生儿缺氧缺血性脑病(hypoxic-ischemic encephalopathy,HIE)的发病机理主要有血流动力学改变、乳酸堆积、氧自由基堆积、钙离子内流、兴奋性氨基酸的毒性作用,这一系列生化连锁反应造成神经细胞的坏死和凋亡。当缺血缺氧损伤发生后,由于能量缺乏,三磷酸腺苷减少,细胞膜上Na-K泵失活,不能维持细胞内高外低的渗透压,水从细胞外转运至细胞内,使细胞内水过度积聚,引起细胞毒性水肿,其中构成血脑屏障的星形胶质细胞和毛细血管内皮细胞亦水肿,血脑屏障被破坏,进而发展为血管源性水肿。
2.扩散加权成像
2.1 扩散加权成像概要
       扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)通过测量施加扩散敏感梯度场前后组织发生的信号强度变化,来检测组织中水分子的扩散状态,间接反映组织微观结构特点及其变化。与常规MRI相比,DWI更容易检测到HIE病灶的发生与发展。它的主要参数表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)反映水分子扩散的速率,ADC值量化地评估了HIE造成的脑损伤程度。当细胞毒性水肿时,细胞内水分子在细胞膜、细胞器等结构的束缚以及细胞外间隙由于细胞肿胀而变窄的共同作用下,扩散明显受到限制。
2.2 DWI在HIE诊断中的应用
       常规MRI在HIE患儿出生后第1到第2周之后可检测到异常信号改变。DWI反映细胞内外水分子扩散的微观结构特性,检测细胞毒性水肿,患儿出生后24 h内进行DWI检查,即可看到病变区明显异常高信号。DWI的异常表现在3~5 d达到高峰,随着血脑屏障及细胞膜的破坏导致血管源性水肿,水分子扩散加快,ADC值升高,在6~8 d将出现假正常化。DWI的假正常化可能导致HIE脑损伤的低估,成为一个重大问题,所以在诊断时应当将DWI图像与常规MRI图像结合。
2.3 DWI改变与临床预后的关系
       研究人员在HIE患儿出生7 d内测量了内囊后肢、基底节和丘脑区的ADC值,发现ADC值与预后密切相关,当基底节区ADC值低于936×10-6 mm2/s,丘脑区ADC值低于876×10-6 mm2/s时,提示预后不良。7 d后再次测量基底节和丘脑区ADC值,其与预后差异无统计学意义。Lee等也证明了无低温治疗HIE的ADC在假正常化发生前,ADC值与HIE的严重程度呈负相关。以往认为脑干ADC值明显降低是代表严重预后不良的最佳方式,而最近有些学者则认为小脑蚓部的ADC值对预后不良的敏感性更高。
       一些HIE患儿在DWI上表现出假正常化阴性,将其与远期预后联系起来发现,假正常化阴性预示严重脑损伤和重大残疾的敏感性和特异性极高,所以出生后第二周的DWI表现对HIE预后的预测至关重要。HIE患儿低体温治疗后,测量ADC的最佳时间窗为发病后的3~10 d,在11~12d时ADC值将达到最低。
       在此时间窗内,重度HIE的ADC值明显低于轻-中度HIE。之后ADC与HIE严重程度的线性关系差异无显著统计学意义。Arca-Díaz等认为ADC值与温度可能呈弱相关(每1°C变化2.4%),在低温治疗期间ADC值将低于非治疗期间,因此低温治疗期间测得的ADC值可能导致对预后的误判。Bednarek等的研究也说明了脑损伤的严重程度与假正常化前的ADC值呈负相关。
3.扩散张量成像
3.1 扩散张量成像概要
       脑组织中水分子的自由运动受细胞本身特征及结构的影响,通常其更倾向于沿着白质纤维束走行的方向进行扩散,这种具有方向依赖性的扩散即称为扩散的各向异性。DWI主要反映理想化条件下同向异性扩散的情况,不能反映各向异性。扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是在多个方向上施加扩散敏感梯度场,反映组织在各方向上的水分子扩散情况。它的特征性参数各向异性分数(fractional anisotropy,FA)量化了各向异性。FA的范围是0~1,0代表最大各向同性的扩散,1代表最大各向异性的扩散。当缺血缺氧时,白质纤维束肿胀,纤维间隙迂曲、减小,平行于纤维束走行的水分子运动受限,FA减低。
3.2 DTI在HIE诊断中的应用
       正常白质组织排列紧密,各向异性较灰质高。早产儿从大脑表面流向脑室周围白质的血管体积只有流向灰质的血管体积的1/4;足月患儿因病情发展,血流重新分布时最易损伤分水岭区的皮层及皮层下白质,所以在轻中度HIE中,白质对缺血最敏感。由于疏水的细胞膜和髓鞘的作用,水分子扩散在与神经纤维走行一致的方向受限最小,运动最快,而在与神经纤维垂直的方向受限最大,运动最慢。水分子沿白质纤维束走行方向扩散最快,一旦白质缺血,扩散的各向异性在脑白质纤维束表现最明显。DTI可直接观察缺氧缺血引起的脑白质纤维束异常,如稀疏、断裂、损伤等。除此之外,FA还可以弥补ADC假正常化而低估病变的缺陷。
3.3 DTI改变与临床预后的关系
       FA量化评估了HIE的严重程度,HIE损伤越严重,FA值越低。Tusor等发现壳核中的FA值和临床预后无关,而大脑脚和内囊后肢的FA值越低,临床预后越差,低FA反映了纤维束结构完整性的丧失。研究者根据病灶大小和数量将白质损伤程度分为轻、中、重。FA值在重度和中度白质、基底节、丘脑损伤时均下降,而ADC值仅在重度和部分中度白质、基底节、丘脑损伤时下降,由此当FA和ADC均降低时预示着预后极差,ADC正常或升高、FA下降预示预后不良。在一些严重和所有中度灰质病变中伴有低FA,也有助于诊断ADC值正常的HIE病变。因此可以得出在检测中度损伤的情况下,FA更加敏感;当ADC值假正常化时,FA参数仍然异常。
      有研究表明围产期基底节和丘脑损伤与随后的小脑发育受损之间具有相关性,中、重度基底节区和丘脑损伤患者的小脑半球FA值降低,但是其ADC值没有明显降低,也进一步证实了FA较ADC更加敏感。
4.扩散峰度成像
4.1 扩散峰度成像概要
       虽然DWI和DTI对疾病诊断都取得了令人振奋的进展,HIE的发生与发展的过程也被更好地检测,但这些成像方式都是基于脑组织中水分子扩散服从高斯分布的前提。事实上,人体内复杂的细胞内、外环境使原本服从正态分布的水分子扩散发生了相当大的偏离。扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)是一种可以反映脑组织中水分子扩散呈非高斯分布的磁共振成像技术,它引入了概率与统计学中定义的四阶峰度(kurtosis,K),弥补了二阶张量无法解决的纤维交叉处纤维走向问题,并以此来量化组织中水分子扩散偏离高斯分布的程度。
      利用该参数可以生成平均峰度(mean kurtosis,MK)。MK 的大小取决于感兴趣区内组织的结构复杂程度,结构越复杂,非正态分布水分子扩散受限越显著,MK越大。
4.2 DKI在诊断HIE中的优势
       在脑发育过程中,当白质区域髓鞘化达到峰值时,FA也相应到达平台期。而在此时MK仍继续上升,可能反映了白质中交叉、扇形纤维的持续成熟。在灰质中也同样存在着对MK敏感的各向同性扩散行为的细胞结构改变。在髓鞘化后,随着各向同性扩散屏障和更复杂的纤维模式在脑组织中的持续出现,相比FA,MK可以更精确地检测脑组织微结构。Cheung等发现对于单纯T2WI高信号的新生儿,白质未髓鞘化区轴突外扩散率增加,轴突内扩散率不变,提示髓鞘形成延迟;而当T2WI高信号伴HIE时,轴突外扩散率增加,但是轴突内扩散率降低,可能与轴突损伤有关,这是判断严重白质损伤的关键因素。DTI难以区分轴突内外微观结构变化,而DKI能更好地识别出HIE造成的轴突内损伤。
4.3 DKI改变与临床预后的关系
       研究人员测量了HIE患儿额叶、顶叶、颞叶、基底节区的MK值发现较正常新生儿明显增高,且幅度大于ADC值、FA值降低的程度,这与Jensen等的研究结果一致,反映了损伤区域水分子扩散受限的高度不均值性,其机制可能与轴突静脉曲张导致扩散显著降低、缺氧缺血时神经元细胞内质网结构改变密切相关。目前DKI在诊断HIE的研究较为少见,但是其在缺血性脑卒中的研究中取得了初步进展。
       已有研究表明,使用DWI和临床标准,根据梗死核心体积进行前瞻性分类,更能获得好的血栓再通效果。虽然DWI对缺血性损伤高度敏感,但其在描述梗死核心的特异性一直受到质疑。研究表明,ADC降低的区域存在分级代谢紊乱,不仅包括缺血核心,还包括潜在的可恢复半暗带。多项研究证实了DWI在再通后的可逆性,ADC改变的严重程度不能将DWI潜在的可修复病变与不可逆转的梗死核心区区分开来,而MK捕获了DWI病变中损伤最严重的部分,即识别了早期再灌注后病变可以恢复的部分。
5.总结与展望
       HIE的许多治疗方法包括低温和兴奋性拮抗剂均要求在发病6 h内使用方有效,这使得早期诊断非常重要,同时HIE较高致残率也使得对其预后的评估愈加重要。随着磁共振成像技术的发展,扩散成像技术在诊断HIE取得了巨大进展,其中DKI凭借其对微观结构变化最为敏感的优势,使其在对缺血性脑病的诊断中取得了一定成果。同时具有时间效率的快速DKI的出现也将更加高效地发现可挽救性脑组织。
       在快速DKI中,正常区域和缺血区域的信号对比增强,这意味着快速MK在省时的同时还具有更高的对比度噪声比。快速DKI对梗死核心的早期识别用于诊断HIE是否同样具有较高的临床价值,仍值得更加深入地分析和探索,从而更加精准地对HIE进行早期诊断及预后评估,更好地指导HIE的治疗。
      来源:韩雨璇,吴鹏,何晓宁,肖娟,杨超.扩散成像技术在新生儿缺氧缺血性脑病中的研究进展[J].磁共振成像,2019,10(10):783-786.

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