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弥散张量成像 弥散张量成像在认识妨碍中的使用(总述)

来源:网络 2020年08月29日 18:06   作者:fashion 弥散张量成像 患者 胼胝

神经印象学的开展产生了许多新的临床成像技能,提高了神经体系疾病的确诊和猜测才能。现在,知道妨碍(DOC)患者的确诊首要选用临床行为学点评(如改善的昏倒恢复量表,CRS-R),其具有主观性,误诊率高达40%。

为此,来自比利时的Cavaliere教授总述了相关文献,评论怎么运用弥散张量成像(DTI)丈量DOC患者的反常脑白质,并论述了最常见的弥散成像收集程序和弥散成像相关问题,指出DTI成像现在存在的问题、现有的常识缺点以及神经印象学技能在了解DOC病理和临床特征中的重要人物。该论文宣布于近期出书的frontiers in human neuroscience。

在DOC患者无清晰脑结构损害时,传统的神经印象技能很难解说其临床和行为学反常,这也促成了非传统磁共振(MRI)技能的开展,以此来研讨近似正常的脑结构安排,进一步探究神经科学范畴的不知道奥妙。

DTI是一种非侵袭性的MRI技能,可以辨认传统CT和MRI难以发现的脑微观结构改动,特别是神经纤维束改动和方向(图1),现在DTI已老练的运用于根底试验和临床研讨中,能为严峻脑损害患者发现疾病生物标志物而且猜测预后供给参阅。DTI也可运用于脑发育、勘探正常人群年纪相关的脑退行性变、脑缺血、弥漫性轴索损害(DAI)等相关脑损害范畴。


图1.DTI神经纤维束成像。

DTI相关原理

DTI的物理学原理是根据水分子弥散。弥散是水分子的随机不规则的自在运动-布朗运动(Brownian Motion),是最基本的天然物理现象之一,如水分子的运动不受任何约束,那么这个三维运动在各方向的运动是持平的,这种弥散称为各项同性。

DTI 是近年来运用于临床的一种结构磁共振成像办法,它是在弥散加权成像(DWI)根底上开展起来的是一种无创的磁共振成像办法,运用水分子弥散的各向异性来追寻神经纤维的走行以点评安排结构的完好性。可运用各向异性分数(FA),相对各向异性(RA)和容积比(VR)来对其量化。

FA是指水分子张量各向异性成分占整个分散量的份额,为最常用的参数;RA 是张量的各向异性与各向同性的份额;VR 是分散构成的椭圆体与球体的容积比。FA、VA 和RA均在0-1之间改动,其差异在于:FA对较低的各向异性灵敏,其巨细与髓鞘的完好性、纤维密度及走向一致性有密切联系,可以反映脑白质纤维束是否完好;VA 对较高的各向异性灵敏;RA与各向性呈线性相关。

DTI在DOC研讨中的运用

DTI算是一种相对较新的MRI技能,到现在为止,许多的相关论文已宣布,首要聚集于DOC患者的伤口病因与机制。部分研讨者正企图经过DTI技能来差异TBI或非TBI所形成的DOC患者的不同知道状况(如VS、MCS等),并剖析损害程度与临床预后联系。

关于缺氧/缺氧损害的患者(AHI),很少有研讨企图经过DTI成像来检测和描绘脑白质微观结构的改动。最近宣布的一篇关于1例76岁男性植物状况患者个案研讨报导,别离于患者心脏骤停后第41天、75天、173天、284天行DTI扫描,发现脑白质的11个感兴趣区前期FA下降,且先于微观MRI改动,这也在尸检神经病理成果中得到证明(图2)。


图2.对照组(a)和76岁男性VS患者(b)五颜六色编码FA图和FLAIR MRI,跟着时刻的推迟,FA值继续下降。

另一项研讨发现,49例心脏骤停患者其19个预先界说的脑白质区(图3)神经纤维轴向和径向弥散率显着下降。


图3. 49例心脏骤停患者19个预先界说的ROI.

Wu教授(2011)和 Luyt教授(2014)运用相同的ROIs办法,别离剖析57例和49例心脏骤停后昏倒生计患者的FA值与ADC值改动,成果示:FA值在损害后呈高度动态改动,其改动可猜测DOC患者的不良预后,灵敏度和特异度别离为94%、100%(图4)。


图4. FA值猜测DOC患者不良预后,灵敏度和特异度别离为94%、100%。

进一步对5例缺氧性VS患者的研讨标明,损害3月后,预先选择的幕上(如丘脑和胼胝体)区域FA值遍及下降,而幕下(如桥脑和中脑区)区域无显着差异(图5),这些改动已被证明与CRS-R评分和听觉使命下功用磁共振成像(fMRI)激活相关。


图5.预先选择的幕上(如丘脑和胼胝体)区域FA值遍及下降,而幕下(如桥脑和中脑区)区域无显着差异。

关于TBI患者,第一篇关于DTI运用于弥漫性轴索损害(DAI)的论文宣布于2002年,作者对10例健康对照组和5例轻度TBI患者损害24小时内的DTI成像进行剖析,发现TBI患者微观结构正常处脑安排FA值下降,特别是内囊和胼胝体处(图6),这些发现也被后续许多研讨所证明(图7)。其指出,胼胝体膝部、压部FA值显着下降,且严峻TBI患者胼胝体压部重建纤维数量显着下降。

此外,胼胝体膝部、压部FA值的改动与CRS-R评分及患者预后显着相关,其他关于严峻TBI的研讨显现许多ROI的弥散参数发作改动,首要是FA值,这些区域包含前后放射冠、皮质脊髓束、扣带束纤维、外囊、胼胝体、下额枕束和上纵束等。报导的重症TBI患者FA值(非ADC值)与1年预后相关的4条纤维束包含下纵束、内囊后肢、大脑脚、胼胝体后部。


图6. 轻度脑损害患者ROIs(膝部、体部、压部)重建纤维束,体部与压部纤维束密度下降。 


图7. 1例年纪匹配的全脑纤维束成像对照组及1例26岁男性DOC患者(外伤后15月).纤维束以标量形式代表(0.4-0):高FA值区域以赤色标明(0.4),低FA值区域以蓝色标明(0)。可见TBI患者FA值弥散性较低,且以右侧为主。

其他试验已论述了TBI患者脑白质反常,其间一些探讨了上行网络体系(ARAS)的效果,此体系包含网状结构内、外侧区的感觉传入,自内侧区向间脑(背侧丘脑板内核)的上行投射,以及自丘脑核团至大脑皮质广泛区域的投射。

投至网状结构的感觉纤维简直带着各种感觉信息:脊髓网状纤维传导躯体和内脏感觉;脑神经感觉核和上丘传导躯体感觉(三叉);味觉(孤束核)、平衡觉(前庭核)、听觉(听觉传导通路侧支)和视觉(上丘)。有报导发现衔接脑干唤醒核与前脑基底核、丘脑核的脑白质通路彻底中断后,丘脑-皮质通路部分保存(图8,图9)。


图8. TBI患者与正常对照组楔形核与楔形下核(中脑网状结构,赤色)、桥脑嘴核(蓝色)构成的纤维束矢状位和冠状位,显现丘脑衔接全无,但下丘脑衔接部分保存(黄色部位为血肿灶)。 


图9.昏倒患者与正常对照组丘脑皮质衔接和经胼胝体衔接,可见丘脑皮质纤维打断,特别是血肿部位(白色箭头处),别的,经胼胝体纤维束削减。

最近一项运用概率纤维束成像办法对14例AHI患者和10例健康对照的研讨确认了FA值与ARAS下部纤维束体积下降相关,而MD值改动无显着差异(图10)。另一相似研讨标明不同DOC状况(VS、MCS、exit-MCS)患者默许网络(DMN)区FA值下降不同(图11),且其结构衔接与临床确诊和CRS-R评分相关。


图10. AHI患者ARAS下部纤维束体积缩小,FA值下降。subgroup B(觉悟缺点)组vs正常组,FA值和TV(tract volume)显着下降。


图11.与健康对照组比较,DOC患者多个DMN区FA值下降。

DTI的优势及其缺点

DTI现已广泛运用于TBI以辨认脑结构反常,但关于AHI的研讨较少,可凭借DTI技能研讨AHI的病理生理学,加深对其解剖和功用知道,以及在功用衔接或微观结构改动方面与TBI的差异。运用DTI研讨DOC的一个优势是可在静息状况下点评患者的脑白质微观结构(水分子分散特性理论上不受冷静或安息药物的影响),这一点非常重要,避免了数据收集时DOC患者不自主运动形成的伪影,正是这点约束了fMRI对DOC患者脑部功用的精确反映。

此外,杰出的DTI数据质量使其或许替代GCS评分然后猜测患者预后。事实上,DOC患者常呈现脑萎缩和继发性脑积水,TBI和缺血性/出血病变也会改动脑结构,一方面,这些要素会约束标准化根据体素的 ROI剖析,另一面也促进更精密、更杂乱技能的运用。生理效应搅扰或许是另一个需求面临的问题,DTI技能可很好地处理这些问题,但DTI无法逃避神经纤维交叉处显现不良或过错等缺点。

总的来说,DTI技能加深了咱们对昏倒患者的知道,特别是外伤性要素所形成的的昏倒。现在,运用DTI点评DOC的严峻性、辅佐确诊DOC及判别预后的相关研讨仍有限,尽管如此,DTI仍是一个强壮的东西,协助洞悉脑白质反常的发病机制,更好地了解DOC患者知道的神经根底及临床特色。

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