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【摘要】 功能磁共振和扩散张量成像均是非侵入性的神经系统成像技术。功能磁共振能定位人脑功能相关皮质区（如运动、感觉、认知等），但无法显示白质信息。扩散张量成像是目前唯一能显示大脑白质联系走行的方法。联合两者，我们可以生动地显示人脑正常与异常状态，发现白质纤维的完整性及方向性。近几年来许多动物实验及临床实验均报道了针灸治疗缺血性脑卒中的可行性及有效性，研究者们从生理、临床方面评价了针灸的疗效，但这些方法存在不可视性及主观性。联合功能磁共振及扩散张量成像研究针灸治疗缺血性脑卒中，可使疗效可视化。本文就这一问题做一综述，从成像原理、病理机制等方面探讨联合功能磁共振及扩散张量成像在针灸治疗脑梗死中的疗效研究。
【关键词】 功能磁共振；扩散张量成像；脑梗死；针刺
Study of fMRI and DTI on ischemic stroke
SHEN Yun-xia,LOU Ming-wu,YANG Guang-fu.Department of Interventional Imaging,Longgang Center Hospital,Shenzhen 518116,China
［Abstract］ Functional magnetic resonance imaging （fMRI） and diffusion tensor imaging （DTI），two innovative neuroimaging techniques，emerged in recent years and have shown their own features.fMRI can localize the human cortical area that correlate with some specific perception，motor，sensory or cognitive task and characterize the magnetic resonance signal change，but it can not provide the information of white matter.DTI is the unique tool that demonstrate the anatomical connectivity of the human brain in vivo at present.With them，we can investigate the diffusion properties of the human brain tissue quantitatively，including grey matter and white matter，and demonstrate the integration and orientation of the fiber tract vividly in the physiological or pathological condition.In recent years，there are many experimental and clinical reports available about acupuncture treatment of acute ischemic cerebral stroke，highlighting the efficacy of acupuncture therapy in the treatment of stroke.But they are short of visilable.The combination of fMRI and DTI can make a visible map which show the efficacy of acupuncture therapy in the treatment of stroke.In this paper，we reviewed their principles，features，the way of combination and their clinical and reseach applications on ischemic stroke.［Key words］ functional magnetic resonance imaging （fMRI）;diffusion tensor imaging （DTI）;stroke;acupuncture
近年来以功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）为主的脑功能研究取得了巨大发展，血氧水平依赖磁共振功能成像（blood oxygen level dependent functional MRI，fMRI）［1～6］技术已广泛应用于人脑对相关事件反应的无创性研究中，被认为是最有前景的脑功能研究手段。扩散张量成像［1，7］（diffusion tensor imaging，DTI）是在弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）技术的基础上发展起来的，唯一可无创用于活体脑微细结构研究的方法，可用于观察和评价白质纤维束走行、完整性以及属性状态，可准确定位病灶与纤维束的空间关系，在神经解剖及神经功能之间架起了一座桥梁。
脑梗死是威胁人类健康的三大疾病之一，具有高发病率、高致残率、高复发率的特点。在急性脑梗死生存下来的病人中，均遗留有不同程度的运动、感觉、语言及智能等功能障碍。如何早期诊断脑梗死及早期治疗改善患者功能状态、增进神经功能恢复、提高生活质量是目前临床面临的主要问题［8］。联合应用fMRI和DTI将有助于这一问题的解决。
1 成像原理
1.1 fMRI成像原理 1991年Belliveau等［9］的发现，是功能磁共振这一新领域开始的里程碑，由此开创了功能磁共振成像的宽广研究。
fMRI成像是应用血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）的增强效应成像，其基本原理为：当人体执行特定任务时，其相应脑功能中枢的神经元被激活，氧耗量增加，进而引起邻近血管床的血流量和血容量增加，从而使神经元活动区氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白减少。由于脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其存在产生磁场不均匀性，能引起氢核质子的去相位，使脑组织的T1和T2值均缩短；而氧合血红蛋白是逆磁性物质，当脑组织兴奋时，局部流入大量含氧量丰富的新鲜血液，超过细胞代谢所需的氧供应量，使功能活动区血管中氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白含量相对减少，顺磁性物质减少，导致去相位减慢，T2*延长，在T2*加权像上表现为信号增强［2，10，11］。
1.2 DTI原理 DTI是通过测量水分子的扩散过程来评价生物组织结构和生理状态的一种方法。在人体生理条件下，扩散是体内重要的物质转运方式。水分子的自由运动受细胞本身特征及结构的影响，如组织液黏滞度、温度、分子的大小以及细胞膜的通透性等，使其在三维空间内各个方向上扩散运动的快慢不同，具有很强的方向依赖性，其运动轨迹近似一个椭球体，即为水分子扩散的各向异性。脑白质的各向异性是由于平行走行的髓鞘轴索纤维所致，在平行于白质纤维束的方向上，水分子扩散受的阻力比垂直于纤维束的方向上小，扩散距离长，所以脑白质的弥散在平行于神经纤维束方向上要比垂直于神经纤维束方向上更快一些［12，13］。部分各向异性（FA）［14］是描述脑白质纤维各向异性特征的只要参数之一，其大小与髓鞘的完整性、纤维致密性及平行性有密切关系，能够反映白质纤维是否完整。FA值表示各向异性与整个扩散的比值，其范围在0～1之间，FA值越大，神经传导功能越强。这是扩散张量成像的基本依据。DTI图是在彩色编码扩散张量成像的基础上，根据神经解剖学描述，用种子法标记纤维束的一种成像方法，可以反映脑白质的空间方向性，并可观察白质纤维束的走形、完整性和方向性。自1994年DTI这一方法公布于众后，就被用于研究白质的结构和正常脑与病脑（多发性硬化、脑卒中、老年性痴呆等）白质的完整性［12］。
1.3 fMRI与DTI的互补 fMRI 无创性显示任务或刺激状态下脑皮质功能区的激活状态，可对激活区皮质进行定位；但对于神经元之间潜在的纤维连接则无法显示，因此不能观察到皮质激活区与皮质下神经通路之间的关系。而DTI 打开了无创性在体观察脑白质纤维束的窗口，弥补了fMRI的不足。
fMRI与DTI的结合能提供关于人类在体神经系统的大量功能和结构信息，可广泛应用于神经系统疾患、神经外科术前准备和术后评价以及神经发育等领域［15］。
2 fMRI与DTI在诊断缺血性脑梗死中的应用
脑梗死使水分子扩散能力下降，脑缺血后病变区水分子扩散发生显著异常，运动突然停止，加之水肿的压迫，可使纤维肿胀，纤维束间隙变小、受压迂曲，各向异性减低。DTI在脑梗死的早期表现为FA值的减低，它提示了早期神经细胞膜的崩解［16］。DWI对急性脑缺血的诊断价值已得到公认，表现为表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）的下降，而这些早期的改变在普通影像上未能显示。如新生儿缺氧缺血性脑病：出生1d内的新生患儿常规CT和MRI不能显示其急性缺血病灶，而DWI却能显示，并有助于准确预测病灶的范围，增加对新生患儿缺血病理改变的认识，从全脑广泛的低氧缺血性改变中鉴别局灶性梗死，为早期更准确的评价远期预后提供依据。
Baird等［17］研究发现尽管在缺血发作后几分钟，一些病人在DWI图中就可以显示高信号。无论梗死灶的大小和位置，DWI几乎可以100％发现。
3 fMRI与DTI在缺血性脑梗死治疗及预后中的应用
3.1 评价预后 西医学研究认为，脑梗死部位存在中心坏死区和缺血周边半暗带（又称缺血性半暗区）。在中心坏死区，局部脑血流非常低下，基本处于脑血流的“膜泵衰竭阈”水平或阈值以下，因而脑组织在缺血发生后很快就出现缺血性坏死；而在缺血周边半暗带，从缺血周边到缺血中心区，局部脑血流是逐渐下降的，由于局部脑血流仍处在“膜泵衰竭阈”值之上，因而半暗带区神经功能缺损或基本丧失，但神经细胞仍然存活。此时如果及时恢复供血，缺血半暗带区的大部分脑细胞是可以避免缺血性坏死。缺血性半暗带和中心坏死区是一个动态的病理生理过程，随着缺血的程度加重和缺血时间的延长，中心坏死区逐渐扩大，缺血性半暗带区逐渐缩小。对脑梗死患者的动态PE中研究发现，缺血性半暗带区足够维持脑细胞生存的氧摄取和局部脑血流，持续存在于脑卒中发病后7～8 h，有些甚至长达48 h。由于中枢神经元坏死后的不可再生性，脑梗死中心坏死区一旦形成，其功能便丧失。因此，除外超早期溶栓治疗以期避免中心性坏死外，其余的治疗措施与其说是避免了中心坏死区的出现，不如说是防止或减轻缺血性半暗带的坏死［16～18］。
皮质脊髓束司肢体运动功能，梗死后大多数患者出现肢体活动障碍，主要原因是病变累及皮质脊髓束所致［16，17］。DTI图可显示皮质脊髓束与梗死灶的关系，显示脑梗死灶对皮质脊髓束的压迫使其扭曲或破坏中断等改变，对临床分析运动功能丧失与皮质脊髓束的关系及指导康复治疗具有一定帮助。DTI与fMRI联合应用，可帮助确定重要功能区，有助于显示神经纤维通路，判断患者的预后，为临床治疗提供更有利的影像学诊断依据。脑梗死灶旁区（即缺血半暗带）在早期恢复中占有重要的地位。通过多种影像手段确定这一区域将在脑梗死病人恢复中提供很好的帮助。
在梗死发生后，同侧大脑皮层的低代谢将在接下来的几个月内逐渐改善，同时语言功能的恢复说明在皮质中断区发生了神经突触的重组。Guadagno等［16］认为一些非交叉的皮质脊髓束被用于补偿同侧损伤的皮质脊髓束。梗死后尽管一个简单的动作也需要双侧皮层运动网的工作。在恢复期，损伤侧大脑半球与非损伤侧大脑半球将形成一个新的平衡。如Heller等［19］联合应用fMRI与DTI对围产期中风后皮层重构情况进行了观测。他们对一例44岁患有左侧围产期中风和再发性抑制期癫痫患者进行了运动和语言的fMRI成像，以确定能否进一步行癫痫手术而保留语言功能，发现语言刺激能明显激活右侧半球功能区而左侧半球只见微弱激活。这表明该患者皮层进行了重构，继发于围产期中风而获得了双侧语言优势。同时，将功能图像叠加于三维纤维束图像上清晰地显示了右侧半球语言功能区纤维连接情况。
3.2 评价治疗 针灸是中国传统医学（traditional chinese meidcine，TCM）的重要组成部分，针刺用于缺血性脑卒中在中国已有两千年的历史，但是它的机制并未完全了解，对于它的临床疗效也仍存在争议［2，7］。近年来对其机制研究颇多，从不同的方面阐释了针刺的治疗效果：针刺可改善脑组织电生理活动，扩张脑血管，促进脑血管侧支循环建立，增加脑血流量，改善微循环，改善血液浓、黏、聚、凝状态，调节生化指标异常，抗氧化等。但以上是从微观的角度，具有不可视性，临床疗效评价也具有主观性。而由于fMRI、DWI、DTI等现代影像技术安全无创的显示人脑活动，从而可以显示针灸相关的神经生理变化图，得到客观的证明与评价［20～22］。已有多个研究小组利用fMRI来评价针灸对脑的神经生理作用，标出银针刺激后BOLD信号改变较强烈的区域，其所观察到的信号明显高于平常用的刺激方法得到的信号。他们有的利用fMRI来对针灸治疗卒中后下肢瘫痪的康复患者组进行检查，发现刺激相关穴位（足三里、阳陵泉等）时，多个与相关的大脑皮质功能区被激活，反映了局部血流量及血氧饱和浓度增加。这种血液循环的改变有利于局部组织的血氧和营养的供应、神经细胞的神经合成功能、能量代谢变化及代谢产物的清除，从而影响未受损伤神经元的代偿、未坏死神经元的恢复及功能区的重塑［23～26］。由于fMRI技术可以直接显示针灸效应在中枢的定位和疗效，故对临床针灸过程中的病理变化及疗效大小进行实时、直观的研究和评价。所以联合利用fMRI与DTI研究针灸治疗缺血性脑梗死的机制和疗效是一种方便、安全、可行的方法［27～30］。
4 问题和展望
fMRI与DTI技术的联合应用提供了在生理和病理状态下关于人脑结构与功能的大量信息，但同时我们也应注意到在目前两种成像方法尚存在一定的局限性。fMRI与DTI均采用EPI序列成像，由于EPI序列存在对磁场不均匀性和运动敏感等问题，故取得的图像存在一定的几何变形。这些有望于MR硬件的进一步提高和新的图像处理算法的出现而得到解决。另外，目前的DTI技术对于纤维束显示的分辨率也有待进一步提高。
联合应用fMRI与DTI技术评价针灸疗效，提供疗效评价的可视性和客观性，相信随着广大针灸学者及影像科医生的不断努力，使研究不断深入，最终会形成规范化、系统化的治疗模式，为弘扬我国的传统医学贡献一份力量。fMRI与DTI的联合应用为研究针灸疗效开辟了一条崭新的途径，相信其将来无论在神经科学的基础还是临床研究中都会做出巨大的贡献。
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（本文编辑：陆 华）
作者单位：518116 广东，深圳龙岗中心医院介入影像科