弥散张量成像在脑肿瘤诊断及手术切除中的应用

作者：左常阳 综述 *罗毅男 审校    作者单位：吉林大学第一医院神经外科， 吉林 长春 130021

【摘要】  近年来，磁共振弥散张量成像 （DTI） 技术在神经外科领域已得到越来越多的应用，尤其是在脑肿瘤术前诊断，术前评估肿瘤特征，术中指导术者最大限度切除肿瘤并保护周围重要神经纤维束，以及术后评测肿瘤切除效果等方面更是目前研究的热点问题。本文即对近年来DTI在脑肿瘤诊断及手术切除中的应用情况进行综述。

【关键词】  显微外科手术 磁共振成像 弥散 脑肿瘤

　　颅脑肿瘤 （尤其是恶性脑肿瘤，如胶质瘤） 更易发生在邻近或累及脑功能区，如何做到最大限度地切除肿瘤并保护周围正常脑组织，已成为神经外科领域研究的热门话题。对脑功能的保护主要强调运动皮质功能区，但部分学者已逐渐意识到对皮质下功能区-传导束的保护与皮质功能区同样重要。随着磁共振技术的发展，尤其是血氧水平依赖性功能磁共振成像 （BOLD-fMRI） 在临床中的应用以及基于弥散张量成像 （DTI） 的纤维束示踪成像 （fiber tractography，FT） 新技术的出现和应用，脑肿瘤手术功能区保护的理念已开始从保护皮质功能区向同时保护白质功能纤维束转变。DTI是近年来在常规MRI技术和弥散加权成像 （DWI） 技术基础上发展起来的一种新的无创成像技术，能在活体显示脑白质纤维束走向。

　　1    DTI的基本原理

　　1.1    弥散各向异性 （anisotropy） 　  弥散是指自然界中的物质分子不停地进行着一种随机的、相互碰撞又相互超越的运动，即布朗运动。自由分子在纯净液体中的弥散是各向同性 （isotropy） 的，弥散的平均距离只与液体分子的性质及平均温度有关，采用弥散系数来度量。脑组织中的水分子也在不断地进行着弥散运动，它不仅受组织细胞本身特征的影响，还与细胞内部结构等因素有关。在具有固定排列顺序的组织结构 （如神经纤维束） 中，水分子在各个方向的弥散是不同的，通常更倾向于沿着神经纤维束走行的方向，而很少沿着垂直于神经纤维束走行的方向进行弥散，这种具有方向依赖性的弥散即称为弥散的各向异性 （anisotropy）[1]。

　　1.2    DWI 　  DWI是一种对水分子布朗运动敏感的MRI技术，其能够提供更多常规MRI不能提供的信息，如组织结构、方向、膜渗透性及温度等。用水分子单位时间内自由随机扩散运动的范围采用扩散系数值 （D值） 来表示，D值反映了水分子的扩散运动能力，D值越大，水分子的扩散能力越强，信号下降越多。在活体中，由于扩散是多种因素的综合作用，因此，D值不能完全代表扩散，需进一步用表观扩散系数 （apparent diffusion coefficient，ADC） 来表示。用ADC来描述每个体素内分子的综合微观运动，代表了人体内所有影响水分子运动的因素叠加成的一个观察值。

　　1.3    DTI 　  DTI是弥散成像的较高级形式，可以定量评价脑白质的各向异性，全面描述水分子在各个方向上的运动，并显示了不同方向之间的相关性。其中最常用的参数是部分各向异性 （fractional anisotropy，FA），FA值是指水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例，各向异性系数越大，表示组织的各向异性越强，组织结构排列越规律、越紧密。FA值能更稳定地反映扩散的各向异性，因而在临床已被广泛采用。弥散张量纤维束成像 （diffusion tensor tractography，DTT） 纤维跟踪技术是近年来MR技术的一项重大进展，它是利用弥散张量数据，在活体上三维显示脑白质纤维束的一种无创性的成像方法。该技术能够形象直观地显示神经纤维束的走行方向及其与周围组织的解剖位置关系，其对切除累及重要纤维束的颅脑肿瘤意义重大。

　　2    DTI在颅脑肿瘤诊断中的应用

　　常规MRI虽能提供部分脑肿瘤的诊断信息，但难以辨别肿瘤的类型和级别，难以准确显示浸润性肿瘤的边界，无法很好地评价肿瘤治疗后的改变 （肿瘤进展、复发与放射性脑实质损害等）。而DTI能在一定程度上弥补常规MRI的不足。

　　2.1    不同脑肿瘤的鉴别诊断    Lu等[2]利用DTI研究了12例高度恶性胶质瘤和12例转移性脑肿瘤的瘤周水肿D值和FA值情况，发现D值的变化在鉴别胶质瘤与转移瘤时有意义，后者明显高于前者。Toh等[3]研究发现：原发性大脑恶性淋巴瘤实质强化部分的FA值和ADC值明显低于多形性成胶质细胞瘤，因此，DTI能够鉴别两者。

　　2.2    良、恶性脑膜瘤的鉴别诊断    ADC值和FA值有助于良、恶性脑膜瘤的鉴别。张辉等[4]通过对23例良性脑膜瘤、4例恶性脑膜瘤行DTI，测量肿瘤实质区、瘤周水肿区和瘤周白质区的ADC值和FA值，发现良、恶性脑膜瘤肿瘤实质区ADC值之间统计学差异明显，而瘤周白质FA值之间亦有统计学差异。

　　2.3    胶质瘤恶性程度的分级    在弥散成像上测量肿瘤组织的ADC值以获得间接的细胞构成信息，可提高肿瘤分级的准确性。Le Bihan等[5]发现密集的肿瘤细胞能抑制水分子的有效运动，肿瘤ADC值与病理分级有相关性，以胶质母细胞瘤等高度恶性肿瘤的ADC值最低，间变性星形细胞瘤的ADC值居中，Ⅰ～Ⅱ级星形细胞瘤的ADC值最高。洪汛宁等[6]研究发现：结合常规MRI、ADC值及张量D值 （trace D值），有助于鉴别低度恶性与高度恶性星形细胞瘤。

　　3    DTI在颅内肿瘤切除中的应用

　　3.1    术前评估肿瘤特征    对神经外科医师而言，如果能在术前充分了解肿瘤组织的相关构成及血液供应情况，便可在手术过程中更加得心应手。Sinha等[7]研究了9例胶质瘤病人，发现ADC值能用来区分正常白质、脑水肿区和强化的肿瘤边缘，反映胶质瘤细胞的增殖状况，并可作为胶质瘤恶性程度和侵袭性的指标。Beppu等[8]通过活检对FA值进行统计来评价肿瘤组织的细胞构成和血管分布，发现尽管不同类型肿瘤的平均FA值不同，但均低于正常脑组织，且肿瘤组织的FA值与细胞构成和血管分布呈正相关。Gauvain等[9]的研究则进一步发现：随着肿瘤细胞数密度增加或肿瘤细胞核总面积增加，肿瘤实质的ADC下降；随着肿瘤细胞恶性程度升高，肿瘤实质的ADC值逐渐下降。上述研究表明：术前应用FA值、ADC值等参数对瘤组织进行评价，可更好地了解肿瘤性质、分级及其与周边组织的关系，提供常规MRI序列不能提供的诸多组织结构、方向等方面的信息，因此，术前将常规MRI序列与DTI序列进行有效结合更有利于对肿瘤性质及特征的评估。

　　3.2    术中了解肿瘤与周边组织的解剖位置关系    切除脑肿瘤前，还需详细了解肿瘤周围组织以及邻近重要神经纤维束的功能和解剖。由于肿瘤引起解剖结构的移位、变形，术中很难保证在最大程度切除病灶的同时减少对功能纤维的永久性损伤。近年来，DTI技术的出现扩大了MRI以往在临床中的应用，Witwer等[10]对9例胶质瘤病人术前行DTI检查，采用后处理图像指导手术计划的制定与修正，结果术中肿瘤切除均顺利，术后症状均得到改善，没有新的神经功能丧失。而最近应用于临床的FA彩色编码图和纤维跟踪技术，更是可以形象直观地显示大脑白质纤维走形及其与周边组织的解剖位置关系。Wu等[11] 通过对涉及锥体束的脑肿瘤 （并特别研究了胶质瘤） 应用DTI重建以锥体束为主的脑白质纤维束，将DTI与传统导航影像融合，应用于脑肿瘤切除手术，发现DTI影像可提供病灶与邻近锥体束之间的三维可视化解剖信息，指导最大范围切除肿瘤并有效保护锥体束，显著提高肿瘤的全切除率，降低病人术后致残率，甚至改善术前已存在的运动功能障碍，并缩短住院时间。Nimsky等[12]报告将DTI所得纤维束相关数据与神经导航系统相结合，可在术中形象地观察肿瘤累及的纤维束并予以准确定位，并进一步观察了术中切除肿瘤后脑白质束较术前的解剖位置改变情况，最终得出结论：纤维束跟踪成像技术不仅能在术前直观地观察到颅内肿瘤与周边白质束的解剖关系，更可在术中根据纤维束改变情况进一步调整和完善手术方案，以尽可能保护重要功能区及白质纤维束。近来有学者研究发现：将DTI技术与传统MRI技术相结合，互为取长补短，共同应用于脑肿瘤的切除，可取得更好的手术效果。如李子孝等[13]在脑胶质瘤行直接皮质电刺激手术中，采用功能磁共振成像 （fMRI） 定位脑运动功能区和弥散张量纤维束示踪成像 （DTT） 显示锥体束与肿瘤位置关系，发现两者可相互补充，在显示锥体束与肿瘤位置关系的同时，也能清晰描绘脑运动功能区位置及其与肿瘤的解剖关系，使得锥体束与脑重要功能区均得到保护，更好地改善了病人术后的生活质量。何黎民等[14]也在其研究中指出：应用DTI-FT导航、神经电生理或唤醒麻醉技术可确保锥体束功能不出现手术损伤，同时为明确胶质瘤与脑白质内功能区的边界提供有效方法。近年来，随着微侵袭理念的发展和建立，脑肿瘤手术切除的理想目标在于以最小的损伤实现最好的手术效果，DTI技术的出现恰为这种理念的实现提供了良好的工具。邹元杰等[15]通过对78例脑肿瘤病人采用DTI成像技术，术前获得脑白质纤维束图像，并制定手术计划，评估DTI在脑肿瘤微侵袭手术治疗中的应用价值，最终获得理想的手术效果。

　　3.3    术后肿瘤切除效果的评价和监测    DWI可获得间接的细胞构成信息，对评价胶质瘤放疗后肿瘤的复发、进展与放射性脑实质损害有重要价值。ADC值对治疗引起的肿瘤细胞构成改变很敏感，肿瘤细胞构成的减少反映了细胞的死亡。Hein等[16]对18例胶质瘤放疗后的病人进行回顾性分析，其1个月的MRI上出现异常强化区，并常规行DWI检查，结果表明：复发组的ADC比值、平均ADC值均显著性低于非复发组；说明ADC比值对评价高级别胶质瘤放疗后的异常强化区有重要价值，能鉴别放射损害与肿瘤的进展或复发。

　　4    前景与展望

　　DTI是一种显示大脑白质结构的影像学技术。近年来，关于该技术的相关基础及临床应用的研究越来越多，这显示了DTI技术在研究脑白质方面的巨大潜力。以DTI为基础的大脑白质纤维束成像技术能够直观地显示白质纤维束的解剖结构、走行及完整性。人脑重要白质纤维束如胼胝体、白质前联合、皮质脊髓束、边缘系统、联络纤维、小脑脚及视神经束等，均可运用纤维束成像技术得到良好显示[17]。但DTI技术也存在着不足，虽然有研究证实DTI技术显示的白质纤维束与已知的解剖学知识具有良好的一致性，但DTI示踪的仍非人体中物理存在的纤维束，这也决定了DTI虽然提供了相关白质纤维束信息，但仍只是一种虚拟脑神经纤维束的磁共振影像技术。Gharabaghi等[18]也在其研究中指出：应用方法的缺陷及一些外部的因素 （术中脑组织位置改变、脑水肿等） 制约了DTI技术的进一步应用。Assaf等[19]经过大量的研究进一步指出：DTI以高斯 （Gaussian） 弥散作为假想前提，这限制了其进一步应用；但作者同时也指出：因其与以非高斯 （non-Gaussian） 弥散作为假想前提的成像技术进行比较，具有成像快、硬件设施要求低的优势，目前仍是国内外学者研究的重点。另外，DTI提供的信息由多个部分组成 （扫描层内除脑白质外，还包含灰质及脑脊液等组织），且选择感兴趣区的过程中受到人为因素的影响，从而降低了纤维束成像的准确性。这些缺陷均有待进一步改进。

【参考文献】[1] BEAULIEU C. The basis of anisotropic water diffusion in the nervous system—a technical review [J]. NMR Biomed, 2002, 15(7-8): 435-455.

[2] LU S, AHN D, JOHNSON G, et al. Peritumoral diffusion tensor imaging of high-grade gliomas and metastatic brain tumors [J]. Am J Neuroradiol, 2003, 24(5): 937-941.

[3] TOH C H, CASTILLO M, WONG A M, et al. Primary cerebral lymphoma and glioblastoma multiforme: differences in diffusion characteristics evaluated with diffusion tensor imaging [J]. Am J Neuroradiol, 2008, 29(3): 471-475.

[4] 张辉, 贺业新, 苏晋生, 等. 磁共振弥散张量成像对良恶性脑膜瘤诊断的初探 [J]. 中国药物与临床, 2006, 6(7): 492- 495.

[5] LE-BIHAN D, BRETON E, LALLEMAND D, et al. MR imaging of intravoxel incoherent motions: application to diffusion and perfusion in neurologic disorders [J]. Radiology, 1986, 161(2): 401-407.

[6] 洪汛宁, 陈宁, 王德杭, 等. 磁共振弥散成像技术在星形细胞肿瘤诊断中的应用 [J]. 江苏医药, 2006, 32(6): 531-533.

[7] SINHA S, BASTIN M E, WHITTLE I R, et al. Diffusion tensor MR imaging of high-grade cerebral gliomas [J]. Am J Neuroradiol, 2002, 23(4): 520-527.

[8] BEPPU T, INOUE T, SHIBATA Y, et al. Measurement of fractional anisotropy using diffusion tensor MRI in supraten- torial astrocytic tumors [J]. J Neurooncol, 2003, 63(2): 109- 116.

[9] GAUVAIN K M, MCKINSTRY R C, MUKHERJEE P, et al. Evaluating pediatric brain tumor cellularity with diffusion- tensor imaging [J]. Am J Rooentgenol, 2001, 177(2): 449-454.

[10] WITWER B P, MOFTAKHAR R, HASAN K M, et al.Di- ffusion-tensor imaging of white matter tracts in patients with cerebral neoplasm [J]. J Neurosurg, 2002, 97(3): 568-575.

[11] WU J S, MAO Y, ZHOU L F, et al. Clinical evaluation and follow-up outcome of diffusion tensor imaging-based func- tional neuronavigation: a prospective, controlled study in patients with gliomas involving pyramidal tracts [J]. Neuro- surgery, 2007, 61(5): 935-949.

[12] NIMSKY C, GANSLANDT O, HASTREITER P, et al. Preo- perative and intraoperative diffusion tensor imaging-based fiber tracking in glioma surgery [J]. Neurosurgery, 2007, 61(Suppl 1): 178-186.

[13] 李子孝, 戴建平, 江涛, 等. 功能和纤维成像在脑功能区胶质瘤中的应用 [J]. 中华外科杂志, 2006, 44(18): 1275-1279.

[14] 何黎民, 李天栋, 白红民, 等. 功能区胶质瘤术中应用DTI-FT导航定位和保护锥体束 [J]. 中国微侵袭神经外科杂志, 2007, 12(1): 9-12.

[15] 邹元杰, 刘宏毅, 常义, 等. 弥散张量成像技术在脑肿瘤手术中的应用 [J]. 中国微侵袭神经外科杂志, 2008, 13(5): 200- 203.

[16] HEIN P A, ESKEY C J, DUNN J F, et al. Diffusion- weighted imaging in the follow-up of treated high-grade gliomas: tumor recurrence versus radiation injury [J]. Am J Neuroradiol, 2004, 25(2): 201-209.

[17] DUQUE A, ROA E, CASTEDO J. White matter anatomy using tensor diffusion tractography [J]. Radiologia, 2008, 50(2): 99-111.

[18] GHARABAGHI A, SAUR R, KUNATH F, et al. Imple- mentation and electrophysiological validation of combined fMRI and DTI imaging for visualization of cortico-subcor- tical connectivity [J]. Z Med Phys, 2007, 17(4): 266-272.

[19] ASSAF Y, PASTEMAK O. Diffusion tensor imaging (DTI)- based white matter mapping in brain research: a review [J]. J Mol Neurosci, 2008, 34(1): 51-61.