當前新增了大量精密的量化核磁成像技術被應用到脊椎研究之中，並且有可能爲脊髓的病理學研究提供敏感且特意的生理學標記。當前許多量化成像技術仍處於研發階段，其中彌散張量技術在臨牀實踐中應用較爲多。DTI技術利用生物組織中水分子的自由彌散製造組織結構之間的差異性。本文綜述了近年來在tSCI（外傷性脊髓損傷）和DCM（退行性頸脊髓病）病理研究中使用的宏觀結構以及微觀結構影像學的研究成果。還比較了兩種情況下發生的神經退行性改變，並指出了脊髓DTI的潛在未來發展方向。
研究背景：
脊髓的損傷可由外傷與非外傷性過程造成。其中外傷性脊髓損傷（tSCI）是由於脊柱的破壞和脫位導致如挫傷、壓迫或者撕裂這類的機械性損傷。外傷性脊髓損傷患者常伴隨長期的運動退行、認知損傷 以及自主功能紊亂。退行性頸脊髓病（DCM）是非創傷性SCI的最常見形式，是一種發展性的退行性疾病，它是由於椎間盤後緣隆起，韌帶肥厚或黃韌帶內陷，隆起，脊髓受到慢性機械壓迫等原因而引起或者由頸部運動導致的脊髓束縛而引起。儘管退行性脊髓疾病在早期很長一段時間並沒有顯著症狀，但是這種退行性疾病常會引起脊椎病從而導致更加嚴重的運動與感知的損傷。儘管在致病原因存在差異，但是通過動物實驗中的實驗性的DCM和tSCI都觀察到病理生理學上的變化，而且這些差異還有一定的相似性。
首先兩者都會在實驗的處理區域引發細胞的凋亡、炎症以及出血，然而tSCI和DCM在人類中的致病變化是否相似尚不清楚。第二、tSCI患者的核磁數據採集相比DCM患者要難許多，雖然兩種情況中中，包括軸突的順行性與逆行性變化等神經退行變化與灰質中跨突觸變化，會從受傷或者受壓迫處傳播到吻側與尾部。但由於脊髓受傷的患者需要在傷後幾個小時內植入支撐物進行治療，使得對DCM患者的核磁數據採集變得困難。
T2加權成像以及T1加權成像這些傳統的核磁成像技術都可以提供諸如脊髓的損傷原因、水平等豐富的宏觀結構信息，以及識別椎間盤與韌帶損傷是否存在水腫和出血等信息。傳統的核磁成像技術爲外科介入外傷性與非外傷性脊髓損傷的診斷工作提供了指導。如軸位的T2加權結構像可用於測量灰白質界面面積的大小和形狀，從而評估組織萎縮的定量化評估標準。儘管傳統的核磁成像技術已經可以捕捉如脊髓萎縮方面的灰白質形態學上的變化，但這並非特異性的，且難以揭示如髓鞘完整性與鐵含量變化這種潛在的細微結構的變化，而這些細微結構的變化或許可以說明神經退化與代償過程。
Figure 1 dcm（退行性頸脊髓病）與tSCI（外傷性脊髓損傷）主要分析部位截面圖
1.脊髓的彌散張量成像
在白質中水分子彌散的各向異性可以用彌散張量來描述，並且可使用一個橢球體來對其進行可視化。對於白質中彌散張量，根據水分子的彌散規律，我們一般認爲這個彌散張量的主方向順着白質纖維的方向。這一假設在脊髓中也同樣適用，脊髓中的白質主要由許多平行的纖維束組成。其中的特徵向量與特徵值分別表示彌散張量在三個方向的一致性。隨後張量的特徵值被用於計算描述水分子的潛在彌散模式的DTI指標。而這三個特徵值的平均值稱爲平均擴散係數，這是一個用於代表在各個 方向上平均彌散率的標量指標。最大的特徵值稱爲軸向擴散係數，它表示擴散橢球體與白質域對齊時平行於軸突的擴散係數。兩個較短的特徵值的平均值稱爲徑向擴散率，它表示垂直於軸突的擴散率。FA是擴散各向異性的一種度量(即水的擴散被限制在一個方向上的程度)。FA值在0和1之間,0代表各向同性擴散，1代表完全各向異性擴散（如圖2）。
DTI指標與白質微結構密切相關，細胞骨架蛋白、軸突膜、髓鞘等細胞和亞細胞結構是水分子擴散的物理屏障。而這些結構屏障使得水在軸突纖維中彌散方向總是平行於纖維方向，而不能在其徑向方向擴散。軸突膜限制了水分子在纖維中的彌散方向，是造成各向異性值升高和徑向擴散率下降的主要原因，但是髓鞘和骨架蛋白（神經絲和微管）也在一定程度上對這些指標產生影響。而通常來說，軸突損傷和髓鞘脫失都會造成徑向彌散率的提高和各向異性的降低。軸向擴散率似乎與軸突完整性有更明確的關係，而平均擴散率與軸突和髓鞘完整性有複雜多變的關係。通過DTI技術獲取的微觀結構信息有望爲現有患者的評估方式提供補充，並可能用於檢測疾病的進展和治療效果的評估。另外脊髓DTI技術或可促進如DCM這類退行性疾病的早期發現與干預，因爲這些組織結構的變化可能先於萎縮。
Figure 2脊髓dti的主要指標
2.動物脊髓研究：
通過tSCI和DCM的動物實驗可在體外進行組織學研究，瞭解病理學所涉及的細胞與分子學基礎。而世界上最早tSCI組織病理學研究是由艾倫1914年利用損傷脊髓的狗來研究的。在最初的研究中，研究者觀察到了患處在受傷15分鐘內的的組織出血，並伴隨組織的壞死、神經元與軸突的損失、髓鞘脫失、囊腫以及梗死。通過動物實驗我們已經相對充分地瞭解了伴隨tSCI如缺血、血管痙攣、穀氨酸 興奮中毒、細胞內鈣增加等繼發性傷害發生機制。近些年來DCM相關的動物模型中增生緩慢以及進行性頸部脊髓壓迫相關的研究也得到了發展。而這些動物模型的研究也爲DCM的病理學基礎如缺血、神經炎症、細胞凋亡和微血管機構的變化提供了新穎的視角。DCM的組織病理學特徵包括脫髓鞘、軸突變性、膠質增生、微囊空化和神經元氧化損傷，導致局竈性和跨突觸變性。
MRI研究與動物模型之間已建立了相互關係，因爲動物的組織病理學驗證研究已用於確定某些MRI措施的可靠性，而MRI也已用於動物研究中的非侵入性檢查。在tSCI的動物研究中，通過解剖學成像確定的特徵（包括T1加權和T2加權圖像）與組織學特徵（例如出血，融合壞死和周圍白質水腫）相對應。通過動物模型在覈磁成像中表現出了一些可視化特徵，諸如髓內出血以及T2像中異常的的高信號區域都表現出與損傷的嚴重程度以及預兆的相關性。一些研究團隊已開始使用核磁成像中獲取的包括脊髓橫截面積和囊腫大小，作爲衡量脊髓再生能力的指標。
近二十年的臨牀前研究可以說明基於DTI的指標可以作脊髓損傷伴隨病理生理學變化的準確描述。基於動物模型中對脊髓損傷的神經退行模式的研究顯示降低的軸向彌散率可作爲軸突退行的標誌，而增加的徑向彌散率可作爲髓鞘脫失的生物學標誌。以一個長期的大鼠脊髓損傷爲例，在該研究發現在損傷早期，會出現軸向彌散率的降低隨後便是徑向彌散率的上升。在早期類似的解剖病理學研究中也發現軸向彌散率的降低以及徑向彌散率的提高分別與軸突損失以及髓鞘脫失有較強的相關性。相似的結果也在大鼠背側軸突切除實驗與小鼠的視神經變化實驗中得到了驗證。上述的研究都說明在軸突與髓鞘的退行在時空上都伴隨彌散參數的變化。儘管這種相關關係廣泛存在，但是也有一些其他的病理學反應也會造成相似的結果。例如，已有研究表明發炎就會導致徑向彌散率的降低從而導致併發髓鞘脫失卻被忽略。以上基於動物實驗的研究都說明了DTI等核磁成像指標存在內部的侷限性，並需要諸如多參數定量化核磁成像技術作爲緩解策略。
3.外傷性脊髓損傷：
3.1大尺度結構改變：
病竈區域：在tSCI患者中，常規臨牀使用的T1與T2數據可提供病變範圍、病變位置、組織間橋寬度和脊髓壓迫程度的宏觀結構信息。在局竈性損傷部位，這些常規的MRI檢查顯示，一旦水腫和出血的跡象得到了緩解，大多數tSCI患者在損傷後的第一個月內就會出現創傷後囊腫。受傷後約3周，在T2像矢狀面中部，偏囊腫背側或腹側組織橋就變得清晰可見。在創傷後的第一年，局竈性損傷部位的範圍保持穩定，組織橋仍然存在。
遠端的退行變化：
亞急性tSCI患者(創傷後2個月)中，脊髓在C2-C3處(脊柱病變上方)的橫截面積在損傷後的前2年逐漸減少，直到比急性期減少14%。在長期tSCI(創傷後5年)患者中，這種下降可達30%(41-43)。基於梯度回波的T2*加權序列提供了脊髓白質和灰質之間的對比，因此，可以用來評估病竈損傷部位外發生的組織特異性變化。對慢性tSCI患者的組織特異性分析顯示，灰質和白質均在病變端萎縮(C2-C3);灰質的萎縮程度高於白質(-30.0% vs -16.9%)。有趣的是，同樣的研究表明，上述病變變性同時涉及灰質的腹側角和背角，其中變性的程度分別與運動和感覺結果有關。頸椎病變以下，甚至腰椎腫大(位於T11-L1椎體之間)，也能觀察到腦白質、腹側灰質和背側灰質的萎縮（各位置見圖4脊髓分區）。
3.2微觀結構的改變：
雖然我們對tSCI的病理生理學的認識在過去的二十年中得到了提高，但對於繼發性退行性變的發展和進展以及損傷後發生的重組過程仍然知之甚少。此外，一些新的tSCI治療干預措施，包括抗體治療等，現已進入I期和II期臨牀試驗，其中安全性和有效性的評估需要進一步觀察。因此使用DTI採集tSCI引發了學界的極大關注。這其中大多數研究的目的是更好地瞭解脊髓和大腦的進行性微結構損傷，或識別與臨牀恢復相關的預測成像標記。
病竈分析：脊髓受傷患者的治療處理中，常會在受傷處植入金屬支撐物，以保護受損的脊椎，但是也因此造成其在覈磁掃描產生的影響，使得數據產生失真、信號丟失以及不完全脂肪抑制，提高了對這類損傷研究的困難。儘管存在減少這些僞影的策略，包括視角傾斜，用於金屬僞影校正的切片編碼（SEMAC），具有雙源並行射頻的SEMAC52和壓縮傳感多光譜成像技術，但這些策略尚未應用於彌散磁共振成像中 。因此，大多數DTI研究都集中在tSCI的急性期，在患者接受手術之前進行成像。
多項DTI研究報告，與健康個體的脊髓相比，tSCI病竈中心的各向異性值降低，而平均擴散率值變化更大，研究報告病變部位無變化。在各方向彌散率上，軸向彌散率顯著降低，徑向彌散率顯著提高。這些發現在tSCI動物模型研究得到了證實，該研究報告了離體和體內急性期病變部位的各向異性降低，軸向彌散率降低和徑向彌散率提高。在實驗性tSCI的慢性期，病變部位的各向異性值持續降低，並且平均彌散率和徑向彌散率也有所增加，這或許可以說明軸突及其髓鞘的損傷程度。
DTI技術的優勢在於可以實現非侵入式地對脊髓受傷處的灰白質萎縮退行進行檢查。例如長期以來都有報道在脊髓受傷處的各向異性相對病變位置常有差異存在。類似的結果也在動物研究中有所發現，在接近病竈的位置在傷後數小時就發現了各向異性差異的降低，並伴隨突觸的受損以髓鞘退行。在慢性脊髓損傷患者中也發現在脊髓中的徑向彌散率於病竈處都有差異，指示運動和感覺線的順行和逆行變性，以及在相同區域的徑向擴散率值增加，表明受影響的軸突在頭端和尾端方向均髓鞘脫失。這些研究大多數都報告了脊髓整個橫截面的平均值，因此缺乏空間特異性，但是在C2–C3水平進行基於體素的分析發現，部分各向異性的和軸向彌散率的減小同時增加了徑向彌散率（圖3）。
儘管在動物模型中已觀察到tSCI後出現灰質的遠距離繼發性退行，但灰質在脊髓橫截面中所佔的比例比白質小，因此在人體中很少進行研究。對tSCI患者的脊髓進行基於體素的分析，並未發現病竈上灰質彌散性變化的任何證據。但是，此結果可能是薄灰質中部分體積效應的結果，這可能降低了檢測變化的靈敏度。
研究tSCI誘導的腰椎脊髓變性對於瞭解與該區域相關的症狀的病理生理非常重要，例如下運動神經元的變性，膀胱和性功能障礙都與腰椎脊髓的變性有關。然而由於與肺部更加接近，更容易受到呼吸運動導致的影響，更易導致僞影，而且也由於線圈的覆蓋範圍的限制，使得腰椎脊髓的成像比頸椎成像更具挑戰。因而導致對於腰椎等部位灰白質等特定組織的分析才逐漸引發關注。第一例對於腰椎損傷慢性tSCI特定組織的灰白質分析發現了在白質中各向異性與軸向彌散率的降低，以及徑向彌散率的上升，而灰質中也伴隨着各向異性以及徑向彌散率的降低；說明脊髓的退行不只是發生在白質中，灰質也有發生。儘管尚不清楚tSCI中這些灰質DTI發現的病理生理相關性，但它們可能反映了由於脊髓上輸入被剝奪而導致的運動神經元羣的突觸變性。瞭解脊髓病理的組織特異性方面可能使臨牀試驗中更有效地定位和監測再生和神經保護藥物。
臨牀與電生理聯合分析：
爲了建立高級MRI分析的可解釋性，必須探索神經學研究結果如脊髓損傷的神經學分類國際標準(ISNCSCI))、電生理結果如，運動誘發電位和軀體感覺誘發電位和影像學結果之間的三方面關係。與行爲學結合的分析可以發現，中央矢狀組織橋的寬度與患者在6分鐘內行走的距離是相關的。而遠離患處發生的萎縮也發現其與臨牀結果有關。例如，癱瘓患者中，腹側與背側角高於患處的萎縮就分別與感知與運動相關的臨牀量表相關。此外，此外，在患有頸椎脊髓損傷的患者中，腰部腫大的灰質萎縮與外展性幻覺（伸肌）和脛骨前肌（屈肌）的運動誘發電位降低有關。這些變化被認爲反映了伸肌和屈肌運動神經元池內的突觸變化。
脊髓DTI指標的變化與tSCI後臨牀改善水平相關。根據ISNCSCI損傷量表，tSCI損傷較重的患者頸、胸、腰段的各向異性分數較低。脊髓損傷患者頸髓的部分各向異性值與肌力(ISNCSCI運動評分)和辨別輕觸和針刺感覺刺激的能力(ISNCSCI感覺評分)呈正相關，部分各向異性的背側測量與感覺功能障礙呈負相關。各向異性分數值在背柱已被證明與軀體感覺誘發電位和振幅在神經脛骨呈現正相關。
Figure 3 tSCI主要dti指標差異分佈
對於急性tSCI的患者，損傷部位的分數各向異性，平均擴散率和軸向擴散率的基線測量值（創傷後<24h）與受傷後1年的ISNCSCI運動評分相關。有趣的是，同一項研究還發現，軸向擴散率可以最好地預測神經系統（ISNCSCI損傷量表）和功能（脊髓獨立性測量）結果。軸向彌散性與軸索損傷密切相關，提示脊髓軸索損傷是影響患者康復的主要因素。這一結論得到了一項小動物研究結果的支持，該研究發現軸向彌散率和後肢運動功能恢復之間有密切的相關性。另一項使用術前DTI調查頸部tSCI的研究顯示，在C1-C2水平上，脊髓和皮質脊髓束的平均分數各向異性較低的患者，根據ISNCSCI上肢運動評分和ISNCSCI損傷量表，其損傷程度也較低。然而，這兩項研究都採用了回顧性設計，並使用了在急性損傷後階段獲得的臨牀評分。在使用DTI預測結果方面，DTI指標與在慢性損傷後階段獲得的臨牀評分的相關性更令人感興趣，因爲大多數tSCI患者在損傷後的第一年就表現出改善。
Figure 4脊髓分區與主要分析部分
4.退行性脊髓疾病：
4.1宏觀結構的改變：
狹窄病竈分析：在常規的臨牀分析中，通常用於tSCI診斷與評估的T1加權與T2加權像也可用於退行性脊髓疾病DCM中如頸髓受壓程度、受壓原因、受壓脊髓水平數量和可能的頸脊髓病程度等脊髓病變的診斷。通常脊髓壓迫常見於C5-C6之間啊，但是在C3到C7椎骨之間也有不同程度的壓迫發生。在T2加權像中，我們發現脊椎切面中脊髓的面積降低了，而灰質對白質的比例升高了，這種準確地測量可提高後續診斷的準確率，並與臨牀損傷存在相關性。
遠端退行的發生：與健康個體相比，DCM患者脊髓橫截面積、頭側和尾側狹窄減少，說明局竈性壓迫可能引起遠端萎縮。另一項在DCM患者中的研究發現相對於健康人類說，其在C2-C3椎骨之間的脊髓灰白質的面加分別低了7.2和13.9%。在白質中背側角相比於腹側角呈現出更多的萎縮。在脊髓背側角中包含通往丘腦的神經元，而在腹側角中包含與運動相關的神經元。因此，觀察到的背角的退化可能解釋了運動症狀之前的感覺缺失，以及DCM早期患者所經歷的感覺缺失。在患有輕度DCM的患者中，在初次臨牀就診後1年，狹窄部位的脊髓截面積減小，並且也報告了狹窄的鼻側脊髓面積呈強烈（但無顯着性）下降趨勢 。
4.2微觀結構的改變：
將DTI應用於DCM患者的基本原理令人信服。與傳統的MRI相比，DTI對微結構特徵的敏感性更高，表明該技術可以在疾病進展的早期提供病理學的敏感和特異性標誌物。因此，可以通過在臨牀過程的早期和隨後的康復過程中評估脊髓的病理生理狀態來改善臨牀診斷。早期診斷在DCM中至關重要，因爲它可以進行早期干預，以幫助防止進一步損害脊髓。與傳統的MRI相比，DTI還有望提供更好的功能結果預測。當每個白質通道傳達特定的功能信號時，DTI提供的有關每個白質通道損害的性質和程度的知識可能使我們能夠預測出受影響患者的功能結果和特定殘疾。
越來越多的證據表明，狹窄部位的DTI指標會隨着脊髓病的發展而改變。急性壓迫後，據報道各向異性略有增加，這可能是軸突纖維受壓導致胞外空間減少而對軸突沒有損害的結果，這一點在彌散成像模擬實驗中得到證實。在已建立DCM的患者中，研究一致報告了在壓迫部位的各向異性降低和平均彌散率增加。在壓迫部位也觀察到了軸向彌散率和徑向彌散率的提高。此外，即使在無症狀的頸椎脊髓壓迫患者中，壓迫部位的各向異性值也有所降低.
與tSCI一樣，在DCM患者的狹窄上方和下方將DTI應用於脊髓可幫助我們更好地瞭解遠離損傷的退行性變化。有研究報道，與健康個體相比，DCM患者的C2–C3之間的各向異性降低，而C2–C3的平均彌散係數增加。但是，這些改變的幅度小於狹窄程度。同樣，在狹窄的尾部觀察到各向異性降低，平均彌散率增加，延伸到腰椎擴大。這些變化在白質區域中分佈不均勻。背側和外側柱的各向異性減小比腹側柱更明顯（圖5）。
與tSCI患者的發現相比，DCM患者的狹窄程度在徑向上，下方和水平始終呈放射狀擴散，這說明局竈性狹窄觸發了遠端髓鞘脫失。然而，研究發現，與tSCI患者觀察到的軸向彌散率降低相比，狹窄處上下的軸向彌散率升高。對於這一觀察，最有可能的解釋是，在DCM患者中，狹窄處的壓迫和周圍結構的丟失導致纖維密度的升高和細胞外空間的減少。然而，徑向彌散率的增加被發現比軸向彌散率的增加要高很多甚至多達兩倍，這表明髓鞘脫失是發生在86歲和狹窄水平80歲以上的主要退行性過程。Martin和他的同事發現，在輕度非手術DCM患者中，狹窄水平的部分及其附近範圍的各向異性在1年的時間內都有所減少。
與tSCI一樣，DCM患者的灰質變化很少被研究。主要在一羣患有輕度到中度的DCM和感覺障礙的患者中，Grabher和他的同事們發現其腹側彌散率增加而非發生在病竈處，表明灰質進行大面積退化之前的壓迫級別以上的臨牀重要運動損傷變得明顯。雖然這一變化確切的病理生理學原因還不清楚，但該研究的作者認爲，增加的平均彌散率可能是由固有脊髓迴路受到干擾和運動神經元皮質脊髓的退化引起的。
結合電生理學研究：對於DCM患者中，宏觀與微觀結構的分析都顯示在脊髓萎縮病竈以及C2-C3之間的核磁指標與病人的臨牀得分相關性較高。其中，改良的日本骨科協會(mJOA)評分測量的DCM嚴重程度與各向異性值正相關，而Nurick評分與各向異性值呈負相關。在脊髓功能的電生理測量方面，2014年發表的一項研究發現，與健康個體相比，具有異常的軀體感覺誘發電位的DCM患者在狹窄上方的C1-C2水平上的背柱部分各向異性降低。然而，另一項研究發現，壓迫水平的DTI指標在區分有無症狀的DCM患者(敏感性65%，特異性71%)方面優於基於體感和運動誘發電位方法(敏感性和特異性均<50%)。
DTI由於其可有效區分白質中可逆與非可逆變化過程，相對於以往的核磁成像方法更加有效預測DCM患者術後恢復效果。然而，關於壓迫部位的DTI指標與術後結果的相關性的矛盾發現也有報道。2013年的一項研究發現，術前各向異性越高，術後頸部殘疾指數的改善程度越高，而Nurick和mJOA評分則越低。相比之下，最近的一項研究發現，術前測量的最大脊髓壓迫水平的部分各向異性與術後3個月mJOA評分的變化顯著相關，但與頸部殘疾程度無關。在一項應用DTI在狹窄上方的研究中，術前C2部分各向異性與良好的手術結果相關。另一項研究發現，術後的平均彌散率隨時間下降。而術前DCM患者的平均彌散率越高，mJOA評分的恢復速度越慢。
Figure 5 DCM主要DTI指標差異分佈
5.tSCI和DCM的比較
儘管tSCI和DCM疾病發作的時間分佈存在明顯差異，即tSCI是突然發生而DCM中症狀逐漸發展，並且存在如出血大量繼發性損傷。但實驗證據表明兩種病理都涉及類似的神經退行性改變。實際上，在損傷後遠端繼發性神經變性的程度在tSCI和DCM中非常相似。例如，tSCI患者的C2–C3截面積上組織面積降低了15–30％，輕度DCM患者的降低了17％。
在所有脊髓病理學研究中，對於活體的脊髓的DTI研究都揭示了脊髓彌散性的改變。這些如軸突結構的解體和髓鞘脫失等變化伴隨順行和逆行變性的指標的變化，這已在小動物體內研究中得到了證實。儘管tSCI和DCM在致病原因上有所不同，但是都會導致相應各向異性的降低。在所有的病例研究中都發現徑向彌散率的升高，這說明不同的病竈與萎縮都會導致遠端的髓鞘脫失。但是相對不同的是，軸向彌散率的發生只存在tSCI，而DCM中卻沒有類似的情況。這種差異可能與軸向擴散率變化的組織病理學相關方面的差異有關，軸向彌散率的降低可能軸突細胞骨架的崩解有關，而軸向彌散率的升高或可說明纖維束收到壓縮使得纖維的密度增加。tSCI和DCM在微結構上的差異或許與損傷程度存在相關性，但是可以發現tSCI患者的損傷程度是要遠遠高於DCM患者的。顯然，這需要進一步的研究來充分理解這些條件下白質退化的細微差別。
但是本文中的大部分研究都關注了tSCI和DCM神經退行的空間變化模式。僅有少部分關注了疾病的發展進程。後續的研究應該更加關注由tSCI和DCM引發的繼發性退化。我們預計引起tSCI的鈍性創傷將對脊髓的結構和功能完整性產生直接且持久的影響，而DCM的逐漸發作會導致較慢的神經退行性病變。
6.研究趨勢與進展
儘管當前研究已經清楚地證明了DTI檢測正常情況下出現的脊髓白質變化的能力，但是脊髓DTI在常規臨牀實踐的採用是與所涉及的困難阻礙相關的，需要獲得高質量、可靠的數據,並且當下還缺乏自動化的數據處理軟件,並面臨着正確解讀DTI的病理生理相關指標的挑戰。爲了解決這些問題並促進脊髓彌撒MRI的臨牀應用，多線發展纔是最佳選擇。
6.1數據採集研究進展
過去的十年間，爲了最大化提高數據的信噪比人們已提出了多種的成像方法。這其中包括改進用於脊髓成像的新的接收線圈設計和具有更強擴散成像梯度或更高磁場強度(超高場MRI)的新磁共振系統。其他技術，包括專門爲脊髓量身定製的脈衝序列，動態和實時勻場以及對場波動的回顧性校正，都試圖將DTI的畸變和其他與呼吸有關的僞影降到最低。
當前使用的DTI核磁成像技術是由Stejskal和Tanner在1960年開發的。最新的諸如雙彌散編碼成像技術、非線性彌散編碼技術，這些方法允許在採集數據時可支持更加複雜的參數。但是這些方法的臨牀應用仍是一個挑戰。
彌散張量程序研究進展：
DTI相對於其他的彌散成像方法來說，是一種簡單的可以可快速成像、應用比較廣泛以及高可信性的成像技術。儘管軸向彌散率和徑向彌散率已經可以分別用於說明軸突損傷和髓鞘脫失的程度，但是終究無法直接說明其生理學意義。因此在本質上這些指標是非特異性的，並且對於諸如軸突密度、髓鞘形成、直徑與方向等不同程度的生物因素的變化敏感。此外，DTI模型在高b值時迅速變得不足，信號的受限制擴散分量變得更加突出，導致與高斯分佈產生偏差，並需要使用諸如彌散峯度模型（DKI)來對高階項進行求解。爲了提高擴散核磁共振成像的特異性和適應高b值擴散的非高斯性，已經開發了更先進的擴散信號模型。這些技術中的一些如CHARMED、NODDI等可代表生物物理模型，其指標直接針對軸突密度或軸突的定向彌散之類特性。
近五年來這些先進的彌散成像方法在第一時間就用到了SCI患者的研究上。Hori及其同事使用NODDI觀察到DCM患者的背柱和外側皮質脊髓束的軸突內體積分數降低，提示狹窄上方的部分神經變性。另一項研究發現，與傳統的DTI指標相比，使用NODDI測量得到的術前軸突內體積分數與神經功能障礙和術後神經功能恢復的嚴重程度相關性更強。儘管這些技術已經顯示出對現有方法如通過提供諸如軸突密度之類的微結構特徵的更具體標記等改進，但是新模型的複雜性更要求以高信噪比獲取更多數據 。例如，NODDI要求圖像至少具有兩個不同的b值，其中之一遠大於DTI通常所需的值。
而在臨牀應用中多花費額外的時間來獲取高質量數據的做法並不實際。此外，爲了從宏觀核磁成像體素估計其微觀結構特徵，這些高級彌散模型依賴於有關組織彌散性的強大假設。但是這在經歷神經變性的組織中可能不成立。儘管該假設是基於生物物理模型的特徵，並且需要通過與金標準組織學方法進行比較來進行驗證，但是通過使用例如雙擴散這樣先進的採集方法，某些微觀模型參數可能會變得更好的編碼序列。
其他先進的MRI技術可爲DTI提供補充信息，並可用於多對比度生物物理模型。這樣的互補MRI技術包括但不限於磁化轉移成像（MTI），髓磷脂水分數（MWF）成像，磁共振波譜法和功能核磁成像（fMRI）技術。
其中磁轉化成像與髓磷脂水分子數成像相對於一般的DTI成像可以提供對髓鞘更加直接的測量。MTI量化了大分子羣和遊離質子羣之間的相互作用，使其成爲敏感但非特異性的髓磷脂測量方法，而MWF成像則依靠多參數T2像來測量髓磷脂水分數，即對髓鞘相關水信號的比率總水進行分析。使用MTI進行的一項研究發現，與健康對照組相比，SCI患者在C2-C3水平上的磁化傳遞率較低，這表明其中大分子含量較低，這可能是由於脫髓鞘所致的。
磁共振波譜成像可通過測量大腦或者脊髓中特定組織的化學成分構成，提供化學或生物學信息。脊髓中的主要靶分子包括N-乙酰天門冬氨酸（NAA），膽鹼，肌酸，肌醇和穀氨酸。代謝物濃度的變化可能表明tSCI中發生了病理生理過程。例如，作爲神經元完整性標誌的NAA的減少可能反映了神經變性。肌醇增加，這是反應性神經膠質增生的標誌，表明神經炎症。膽鹼的減少（這是細胞膜和髓磷脂更新的標誌）表明脫髓鞘和神經變性。在一項研究中，tSCI患者在C2–C3水平（高於損傷水平）的脊髓中NAA與肌醇的比率以及膽鹼與肌醇的比率均低於健康對照組，這可能反映了神經退行性變，脫髓鞘和/或反應性神經膠質增生 。在相同的脊髓水平上，另一項研究發現DCM患者的NAA與肌酸值比較低，表明軸突和神經元丟失。
基於血氧信號的功能核磁成像方法以及灌注成像方法也可使我們獲得脊髓的功能信息。灌注MRI測量局部血流量，而BOLD fMRI可以測量由於血流量變化引起的局部磁場擾動。因此，這兩種技術都通過利用氧合血紅蛋白溶氧和脫氧過程引起的血液順磁性改變來提供神經元活動的間接量度。在脊髓損傷患者中進行的爲數不多的脊髓功能磁共振成像研究已經證明，功能磁共振成像能夠檢測在運動或感覺刺激下損傷水平以下發生的神經元活動。在一項研究中，功能磁共振成像應用於頸椎或胸椎tSCI患者的脊髓，並在他們每條腿施加熱刺激。即使患者沒有感覺到刺激，也可以觀察到神經活動在損傷的尾部(腰髓)。在另一項功能磁共振成像研究中，tSCI的患者在接受皮膚刺激時，他們的背側體素比健康人更活躍，而在皮膚刺激時，他們的感覺水平是正常的。
在tSCI患者中進行的少數脊髓功能磁共振成像研究表明，BOLD功能磁共振成像能夠檢測神經元活動，該活動發生在對運動或感覺刺激作出反應的損傷水平以下。有研究將BOLD 功能核磁成像應用於tSCI患者的頸椎及胸椎脊髓的研究，這些患者正在接受對每條腿的四次腰部皮膚刀的熱刺激。即使患者沒有感覺到刺激，也能觀察到腰部神經元的活動。在另一項BOLD 功能核磁成像研究中，當tSCI不完全的患者在受到刺激時，背側柱中的激活的體素要比健康人多。
類似於功能核磁，灌注成像研究對於脊髓的研究也存在挑戰。有研究利用基於釓的造影劑的灌注成像已被用於DCM脊髓病徵的研究。較高的頸部壓迫程度與較低的相對脊髓血容量（指示缺血）相關，而較差的神經系統功能與相對氧提取分數（指示缺氧）存在聯繫，這支持了壓迫導致局部缺血和缺氧的假說。
6.2核磁成像人體生理學研究：
利用核磁影像技術實現活體中的解剖學研究，聯繫宏觀與微觀結構下組織構建的關係，已成爲一項新興的學科。這些活體解剖學研究使用了諸如NODDI這樣的先進的成像方法，用以揭示諸如神經元軸突走向或者髓鞘結構分佈這樣的微觀組織信息與磁共振信號的關係。而現在也有研究團隊發現通過諸如DTI或者DKI（彌散峯度成像）獲取的影像學指標與生理學指標存在較強的相關性。這種關係將有利於改進DTI指標的經典解釋。
儘管利用磁共振成像技術已經可以提供許多爲結構的特異性的標記，但仍然存在許多侷限。其中之一在於DTI是基於水分子彌散運動提出的模型，使得其對於水分子要比真正的軸突密度更加敏感。爲計算軸突密度，就需要結合多種複雜的成像技術。這種度量的一個重要例子是纖維通路的g比率，它表徵了軸突的髓鞘化程度。而軸突的髓鞘化程度影響纖維通路的傳導速度，並且將tSCI或DCM患者的g比率測量值與電生理指標進行比較可能是一個有趣的研究思路。
6.3數據處理方法研究
過去六年來，包括脊髓和灰質的自動分割、人工去除工具、脊髓模板的標準化和基於模板的分析技術在內脊髓MRI圖像處理技術有了很大進步。自動分割算法可以取代原有耗時耗力的人工分割，避免人工分割中不同主試的主觀認識偏差對結果的影響，提高分析的可復現性。在2016年的一次脊髓分割挑戰中已有許多的自動分割算法可以提供與手動分割相當的分割效果。其中2017提出的PAM50147模板作爲首個廣泛使用的高對比度全脊髓模板，已被引入脊髓的研究之中，這促進了組分析與多中心分析的研究，並實現了自動化的脊髓特異性 分析與基於追綜的分析。而於2018年引入的灰質147圖譜有望進一步提高從灰質中提取DTI指標的可行性和可靠性。
結論：
本文回顧了磁共振成像技術在脊髓受傷後脊髓在宏觀和微觀尺度上對其完整性進行的研究。大量證據表明，tSCI或DCM患者的DTI指標其中尤其是各向異性對局竈性和遠端變性具有敏感性。軸向和徑向彌散率可以提供對變性性質的進一步瞭解，並揭示了tSCI後脫髓鞘和軸突崩解的跡象以及DCM患者中髓鞘脫失的跡象。
當前已有大量研究評估影像學指標、臨牀評估以及病人恢復速度的關係。其中各向異性與ISNCSCI臨牀得分有較高的相關性。這些聯繫在空間上是特定的，比如背柱部分各向異性的減少就與感覺障礙有關。在兩種病理學中，分數各向異性的較大降低與體感誘發的潛伏期更大有關，這表明軸突的微觀結構與功能之間存在直接聯繫。儘管這些關聯提供了對軸突結構與功能關係的有用見解，但它們大多建立於疾病的慢性期。要研究DTI預測患者預後的能力，需要更早地進行測量，因爲尚未明確定義損傷的發作，這在DCM中可能是一個挑戰。在tSCI中，有證據表明急性期的軸向彌散性可預測1年時的功能恢復結果（通過ISNCSCI評分測量），這可能說明脊髓中的軸突損傷是影響患者康復的主要因素。因此，在tSCI和DCM中，神經影像生物標記物可以作爲介入性試驗的替代終點，這將使開發更有效的治療手段成爲可能，並最終導致個性化的患者護理方法。但是，DTI指標在臨牀環境中的診斷和預測效用仍未得到充分研究。
現有數據的侷限性包括使用較小的數據量、患者特徵（例如損傷的程度和嚴重性）以及圖像採集和後處理技術方面的差異。將來，需要進行大規模的前瞻性研究，包括先驗假設，患者的分級分析以及標準化的數據採集方法。同時需要進行多中心數據驗證以及強大的自動圖像處理和分析技術，以確保分析過程的可重複性並能夠將結果推廣到其餘患者中去。此外，爲了將影像學指標建立爲臨牀診斷工具，它們必須提供有關單個患者病徵的信息，而不僅僅分析顯著的羣體差異，從而瞭解這些影像學指標與臨牀信息的關係。
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