神经影像学的发展产生了许多新的临床成像技术，提高了神经系统疾病的诊断和预测能力。目前，意识障碍（DOC）患者的诊断主要采用临床行为学评估（如改进的昏迷康复量表，CRS-R），其具有主观性，误诊率高达40%。
为此，来自比利时的Cavaliere教授综述了相关文献，讨论如何利用弥散张量成像（DTI）测量DOC患者的异常脑白质，并阐述了最常见的弥散成像采集程序和弥散成像相关问题，指出DTI成像目前存在的问题、现有的知识缺陷以及神经影像学技术在理解DOC病理和临床特征中的重要角色。该论文发表于近期出版的frontiers in human neuroscience。
在DOC患者无明确脑结构损伤时，传统的神经影像技术很难解释其临床和行为学异常，这也促成了非传统磁共振（MRI）技术的发展，以此来研究近似正常的脑结构组织，进一步探索神经科学领域的未知奥秘。
DTI是一种非侵袭性的MRI技术，能够识别传统CT和MRI难以发现的脑微观结构改变，特别是神经纤维束变化和方向（图1），目前DTI已成熟的应用于基础实验和临床研究中，能为严重脑损伤患者发现疾病生物标志物并且预测预后提供参考。DTI也可应用于脑发育、探测正常人群年龄相关的脑退行性变、脑缺血、弥漫性轴索损伤（DAI）等相关脑损伤领域。
图1.DTI神经纤维束成像。
DTI相关原理
DTI的物理学原理是基于水分子弥散。弥散是水分子的随机不规则的自由运动-布朗运动（Brownian Motion），是最基本的自然物理现象之一，如水分子的运动不受任何限制，那么这个三维运动在各方向的运动是相等的，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方法，它是在弥散加权成像（DWI）基础上发展起来的是一种无创的磁共振成像方法，利用水分子弥散的各向异性来追踪神经纤维的走行以评价组织结构的完整性。可使用各向异性分数（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扩散量的比例，为最常用的参数；RA 是张量的各向异性与各向同性的比例；VR 是扩散形成的椭圆体与球体的容积比。FA、VA 和RA均在0-1之间变化，其区别在于：FA对较低的各向异性敏感，其大小与髓鞘的完整性、纤维密度及走向一致性有密切关系，能够反映脑白质纤维束是否完整；VA 对较高的各向异性敏感；RA与各向性呈线性相关。
DTI在DOC研究中的应用
DTI算是一种相对较新的MRI技术，到目前为止，大量的相关论文已发表，主要聚焦于DOC患者的创伤病因与机制。部分研究者正试图通过DTI技术来区别TBI或非TBI所致DOC患者的不同意识状态（如VS、MCS等），并分析损伤程度与临床预后关系。
对于缺氧/缺氧损伤的患者（AHI），很少有研究试图通过DTI成像来检测和描述脑白质微观结构的改变。最近发表的一篇关于1例76岁男性植物状态患者个案研究报道，分别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个感兴趣区早期FA降低，且先于宏观MRI改变，这也在尸检神经病理结果中得到证实（图2）。
图2.对照组（a）和76岁男性VS患者（b）彩色编码FA图和FLAIR MRI，随着时间的延迟，FA值持续降低。
另一项研究发现，49例心脏骤停患者其19个预先定义的脑白质区（图3）神经纤维轴向和径向弥散率明显降低。
图3. 49例心脏骤停患者19个预先定义的ROI.
Wu教授（2011）和 Luyt教授（2014）利用相同的ROIs方法，分别分析57例和49例心脏骤停后昏迷生存患者的FA值与ADC值变化，结果示：FA值在损伤后呈高度动态变化，其改变可预测DOC患者的不良预后，灵敏度和特异度分别为94%、100%（图4）。
图4. FA值预测DOC患者不良预后，灵敏度和特异度分别为94%、100%。
进一步对5例缺氧性VS患者的研究表明，损伤3月后，预先选择的幕上（如丘脑和胼胝体）区域FA值普遍下降，而幕下（如桥脑和中脑区）区域无明显差异（图5），这些改变已被证明与CRS-R评分和听觉任务下功能磁共振成像（fMRI）激活相关。
图5.预先选择的幕上（如丘脑和胼胝体）区域FA值普遍下降，而幕下（如桥脑和中脑区）区域无明显差异。
对于TBI患者，第一篇关于DTI应用于弥漫性轴索损伤（DAI）的论文发表于2002年，作者对10例健康对照组和5例轻度TBI患者损伤24小时内的DTI成像进行分析，发现TBI患者宏观结构正常处脑组织FA值降低，特别是内囊和胼胝体处（图6），这些发现也被后续很多研究所证实（图7）。其指出，胼胝体膝部、压部FA值显著降低，且严重TBI患者胼胝体压部重建纤维数量明显下降。
此外，胼胝体膝部、压部FA值的改变与CRS-R评分及患者预后显著相关，其他关于严重TBI的研究显示许多ROI的弥散参数发生改变，主要是FA值，这些区域包括前后放射冠、皮质脊髓束、扣带束纤维、外囊、胼胝体、下额枕束和上纵束等。报道的重症TBI患者FA值（非ADC值）与1年预后相关的4条纤维束包括下纵束、内囊后肢、大脑脚、胼胝体后部。
图6. 轻度脑损伤患者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例年龄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）.纤维束以标量模式代表（0.4-0）：高FA值区域以红色表示（0.4），低FA值区域以蓝色表示（0）。可见TBI患者FA值弥散性较低，且以右侧为主。
其他实验已阐述了TBI患者脑白质异常，其中一些探讨了上行网络系统（ARAS）的作用，此系统包括网状结构内、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几乎携带各种感觉信息：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）。有报道发现连接脑干唤醒核与前脑基底核、丘脑核的脑白质通路完全中断后，丘脑-皮质通路部分保留（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，红色）、桥脑嘴核（蓝色）形成的纤维束矢状位和冠状位，显示丘脑连接全无，但下丘脑连接部分保留（黄色部位为血肿灶）。
图9.昏迷患者与正常对照组丘脑皮质连接和经胼胝体连接，可见丘脑皮质纤维打断，特别是血肿部位（白色箭头处），另外，经胼胝体纤维束减少。
最近一项使用概率纤维束成像方法对14例AHI患者和10例健康对照的研究确认了FA值与ARAS下部纤维束体积降低相关，而MD值变化无显著差异（图10）。另一类似研究表明不同DOC状态（VS、MCS、exit-MCS）患者默认网络（DMN）区FA值下降不同（图11），且其结构连接与临床诊断和CRS-R评分相关。
图10. AHI患者ARAS下部纤维束体积缩小，FA值降低。subgroup B（觉醒缺陷）组vs正常组，FA值和TV（tract volume）显著下降。
图11.与健康对照组相比，DOC患者多个DMN区FA值下降。
DTI的优势及其缺陷
DTI现已广泛应用于TBI以识别脑结构异常，但关于AHI的研究较少，可借助DTI技术研究AHI的病理生理学，加深对其解剖和功能认识，以及在功能连接或微观结构改变方面与TBI的差异。利用DTI研究DOC的一个优势是可在静息状态下评估患者的脑白质微观结构（水分子扩散特性理论上不受镇静或安眠药物的影响），这一点非常重要，防止了数据采集时DOC患者不自主运动造成的伪影，正是这点限制了fMRI对DOC患者脑部功能的准确反映。
此外，良好的DTI数据质量使其可能取代GCS评分从而预测患者预后。事实上，DOC患者常出现脑萎缩和继发性脑积水，TBI和缺血性/出血病变也会改变脑结构，一方面，这些因素会限制标准化基于体素的 ROI分析，另一面也促使更精细、更复杂技术的应用。生理效应干扰可能是另一个需要面对的问题，DTI技术可很好地解决这些问题，但DTI无法回避神经纤维交叉处显示不良或错误等缺陷。
总的来说，DTI技术加深了我们对昏迷患者的认识，特别是外伤性因素所致的昏迷。目前，利用DTI评估DOC的严重性、辅助诊断DOC及判断预后的相关研究仍有限，尽管如此，DTI仍是一个强大的工具，帮助洞察脑白质异常的发病机制，更好地理解DOC患者意识的神经基础及临床特点。
