时间：2023-03-03 17:11:15
【关键词】纤维束 基底 纤维 资产组合
一、引言
美国次贷危机引发的金融危机席卷全球，由此引发全球金融危机、经济危机和欧债危机，至今其影响还存在。2008年之后，众多经济物理学家和经济学家反思传统经济学的弊端，呼吁对经济学理论进行根本的科学革命，并指出金融物理学的理论意义和实践价值[1]。
卡里尔・伊林斯基在《金融物理学――非均衡定价中的测量建模》一书中用一种非正式和直观的说法来介绍纤维束――纤维束就是由一个个相同的子空间组成的，这些子空间相互粘连在一起从而形成了整个空间。完全相同的子空间被称作是纤维，而将这些纤维连接在一起的子空间被称作是基底。这样就可以认为纤维束是纤维和基底的组合体[2]。
本文首先对纤维束进行一定的分解，将纤维束分为基底和纤维两部分，从基底的不同来介绍几种纤维束类型，并将简单介绍纤维束如何适用于金融这一不断变化的学科。
二、纤维束的划分
（一）以线为基底的纤维束
这种类型的纤维束的基底是直线或者曲线，作为基的点都在这条线上，而以基相联系的纤维则是互相平行的直线。
1.以直线为基底的纤维束。若纤维束的基底是一条直线，基是该直线上的点，纤维是与基底相交的无数条直线，那么我们可以勾画出这样的纤维束是二维的平面。选用最基础简单的二维平面为例，以X轴作为基底，X轴上的点为基，而过基且与基底垂直的直线作为纤维，这些纤维是相互平行的（见图1）。
图1 横轴是基底，与横轴正交的直线是纤维，而交点则是基
图1中的纤维束是最常见的平面纤维束，在这个图中，该纤维束的维度就等于基底（B）的维度加上纤维（F）的维度，即dimE=dimB+dimF。这样纤维束上任意一点的位置可以通过一对坐标来描述，像是（b，f），其中，f是该点所在纤维上的位置，b是纤维本身所在基底上的位置。
2.以圆环为基底的纤维束。如果将作为基底的直线弯曲成一个圆环，二维平面的纤维束将变成一个管状图形，这将得到一个不同类型的纤维束。新的纤维束具有圆形的基底（B）和直线纤维（F）（见图2）。
如果对以圆环为基底的纤维束上的位置用坐标（b，f）进行描述，我们会发现坐标出现了不同之处：在直线上的坐标可以从负无穷大到正无穷大，圆上的坐标却只能在0到2π之间进行变化，且坐标0与2π坐标是重合的。
（二）以面为底的纤维束
以面为底的纤维束的底面可以是平面也可以是曲面，可不管是平面还是曲面，纤维束上某点坐标已经不能简单用一个点来表示纤维本身所在基底上的位置。这里，选用标准的纤维束（见图3）――刺猬――来描述其特点。
图3
此纤维束的基底是曲面，纤维是与基底相切的发散直线，可知想要用坐标来描述纤维束上某点的位置，纤维上的位置是很好确定的，令我们为难的是纤维本身位置的确定。（B，F）代表纤维束上某点的坐标，F是一个简单的实数，B不再是简单的数，而是B=B（b），需要用向量来表示的某一位置。此时，纤维束的维度也将发生变化，而这变化是跟随基底的变化进行的。
考虑到纤维束的基底是如此变化的，那是不是也存在以面为底纤维如此变化的纤维束呢？是的，这样的纤维束（见图4）也是存在的。
图4
在这种纤维束中，基底和纤维都是变动的，不再是简单的数值。纤维束的基底是曲面，所以要确定纤维的位置B=B（b），需要用向量来确定，纤维上的位置也需要用向量来表示F=F（b）。这样的话，纤维束的维度跟随两个变量的变化而变化。
三、金融资产适用的纤维束
通过上面对纤维束的一些简单介绍，发现纤维束的基底和纤维可以分别当做是单独的坐标系，而且这两套坐标系可以具有不同的意义。想要细致描述一个金融资产组合的特征，是需要两套坐标系的，一套用来描述组合的货币价值，另一套描述组合中各种资产所占的比例[3]。于是，我们可以用纤维束来描述资产组合或者将资产组合空间看作是一个纤维束。纤维束的基底是资产组合的所有可能结构构成，组合的所以可能的货币价值是基底上的半线纤维（组合的货币价值不能为负，故选用半线纤维）。一般纤维束的纤维是没有交集的，他们之间是依赖基底进行变换的，也就是基底实现了纤维之间的连通。
首先通过一个外汇的例子来了解纤维束是如何作用于金融资产组合的。现在我们有五种货币，分别是英镑、美元、德国马克、法国法郎、日元，这五种货币我们是无法根据其纸张的数量来比较大小，只有将它们换算为同种货币才能进行比较。选用最一般的以面为底的纤维束，在基底上任意选五个点及该点上的纤维作为某种货币，纤维的长度代表该种货币的数量，这种纤维束（见图5）就是资金空间。
图5 资金空间纤维束
图5中，标着GBP、USD、DM、FF、JY的五个点便是基底上选的基，基上的纤维是半线纤维，而纤维之间的连通是依赖于基底进行的。也就是想要进行两种或多种货币之间的换算或者比较，就需要将货币换算成同一种货币，而换算的过程就是在基底进行的，基底实现了不同货币之间的跳跃。
接下来看一个净现值计算的纤维束空间的例子。
首先简单介绍一下什么是净现值法（NPV）。令NPV站住脚跟的原理是：资金有时间价值。时间价值可以通过贴现过程来展示。对不同货币标明面值的资金进行比较首先需要将它们兑换成同样的货币，同理，货币相同时间不同的资金也不能直接进行比较，需要将它们转换到统一的时点上，而这一过程反映的就是资金的时间价值。
NPV公式：
P是当前的一笔资金，F是T年后收到的资金数量，r是投资过程的利率
NPV过程中使用的利率被称作是贴现率
贴现因子：
假设我们现在有100英镑和一年后有103英镑可选择，这时候应该怎样选择呢，肯定是选择两者相比更大的那个，但是这两种选择并不在同一时间上，我们无法比较出跨越时间的两种选择，也就是需要把这两种选择换算到同一时间上。这里就需要NPV公式，可以将当前的100英镑按一定的年利率换算到一年后的货币数量，或者将一年后的103英镑换算为当前一定的货币数量。同种货币关于时间的变化也存在纤维束空间（见图6）。
图6 净现值纤维束空间
在净现值纤维束空间里，基底实现了时间的跨越，也就是基底是资产组合的时间轴，纤维则是不同时间的货币数量，贴现过程实现了代表着不同数量货币的纤维之间的连通。
四、结束语
当投资者在进行货币交换和净现值计算时，可以认为是在纤维束中进行移动的。任何交易市场都存在一个可移动的纤维束空间，且这并不依赖于交易资产的特征、市场参与者的偏好以及市场的某些性质。将纤维束空间与资产组合结合到一起有助于我们一定程度上客观直接的研究金融市场的波动和趋势。
参考文献
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关键词：纤维束过滤罐；纤维球过滤罐；滤料；反冲洗；回注水
中图分类号：TE254 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2011)07-0108-02
纤维束过滤罐属于压力式过滤罐的一种，一定的压力条件下在密闭容器内通过纤维束滤料处理污水。可以有效去除水中的悬浮物，并对水中的有机物、胶体、铁、锰等有明显的去除作用。由于其占地面积小、处理精度大、吸附能力强、过滤阻力小等优点，因此被适用于污水处理系统的末端环节及污水深度处理工艺中。由于其工艺成熟、操作便捷，已经在国内外各类污水处理厂中广泛应用，并取得了理想的效果。随着我国总体工业水平的提高和对过滤介质的深入研究与开发，特别是近年来与发达国家频繁的技术交往，借鉴了大量的国外先进技术，压力式过滤技术不断推陈出新，取得了突飞猛进的发展，在自动化水平、反冲洗方法、截污能力等方面都有较大的改善和进步。文章以冀东油田老爷庙联合站纤维束过滤罐为例，从结构改造及滤料对比方面提出相关优化改进工艺设想。
一、常规纤维束过滤罐工艺
(一) 滤料特点及截污原理
纤维束滤料通常采用高分子纤维材料制成，目前常用滤料为丙纶(聚丙烯)纤维。其单丝直径可达几十微米到几微米，属于微米级过滤材料。由于具有比表面积大、空隙率高的特点，能够使滤料本身在过滤罐内形成一定的密度梯度，从而达到高截污率的过滤效果。
纤维束滤料一端在罐底部固定，另一端呈松散无束缚状态。过滤时原水由上而下进入纤维束过滤罐，通过罐内的压紧装置作用，使纤维束滤料处于密实状态，在过滤罐内由上到下形成逐渐增大的密度梯度，而滤层的孔隙直径逐渐减小，形成了一个变孔径的深层过滤状态，从而将原水中的悬浮物及杂质按颗粒直径的不同逐层拦截在滤料上。而反冲洗时，压紧装置被松开，反冲洗气和水则由下而上进入过滤罐内，对松散的纤维束产生一个向上的甩拽力，实现滤料的不断抖动冲洗，从而使滤料达到理想的清洗效果。其工作示意图如图1所示：
(二) 纤维束过滤罐生产运行参数
第一，工艺描述。老爷庙联合站污水处理系统流程如图2所示：
纤维束过滤罐的设计处理水量为90m3／d，目前实际处理水量为60m3／d。工作压力：0.60MPa；工作周期：12～24h；水洗强度：6～8L／s.m2；水洗压力：0.20MPa；气洗强度：15NL／s.m2；反洗历时：气洗3～5min，水洗5～10min。
第二，水质指标。目前老爷庙联合站注水指标执行《sY／T5329 94碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》中B2级标准，即水含油含量≤10mg／L，悬浮物含量≤4mg／L，粒径中值≤2.5um。
二、纤维束过滤罐存在的问题
(一) 气反洗不均匀
如图1所示，纤维束过滤罐气水反洗皆由同一条管线(过滤出口)进入罐内，该管线没有布气装置，由鼓风机产生的气源由反洗进口管线进入罐内后只能对管线两侧上方的纤维束吹扫冲击，而其它位置上的纤维束就不能得到有效的气冲洗。
(二) 纤维束分布不均
被气反洗到的纤维束由于长期的的气体冲击，导致比其它纤维束更易向一侧偏移，进而使罐内纤维束分布的不均匀，影响了过滤效果。其纤维束偏移效果示意图如图3所示。
(三) 滤料压紧空间不够
过滤时，顶部压紧装置带动上压紧板向下运动至一定深度，此时纤维束滤料在罐内被压紧。通过开罐检查测得实际压紧高度为1000mm，但纤维束滤料并没有被完全有效的压紧，存在较大的空隙量。因此可能导致部分较大粒径的悬浮物不能得到有效拦截，从而进入下一级设备影响水质。
(四) 滤料过滤效果不佳
目前纤维过滤作为精细过滤的重要方式，在污水处理中占据主导地位。传统纤维属于亲油型，即水中的污油被纤维吸附，这样易导致纤维被污染，再生反洗效果差，基本只能用于清水处理。而目前经过改良的改性纤维滤料则属于亲水型，过滤含油污水时滤料不易被污染，反洗再生方便，彻底摒弃了传统纤维滤料的弊端。
改性纤维滤料通常分为纤维球和纤维束两种。两者在物理性能、截污效果、再生反洗及后续维护方面存在一定差别。从过滤效果及后续维护方面考虑应选用纤维球滤料。两者具体对比见表1：
三、具体改造措施
第一，改造后增加一条进气管线和一套布气系统考虑气水反洗皆由同一条管线(过滤出口)进入罐内，可将原鼓风机出口至反洗进口的管线断开，重新铺设一条进气管线直接接入过滤罐底部。改管线进入罐内后再铺接一套布气管线，在整个罐底部形成均匀的气洗系统，确保滤料被气洗的更加细致均匀。罐底布气管线走向如图4所示：
第二，加长了压紧机构的丝杆长度，使压紧空间由原来的1000mm缩减到400mm，确保纤维束能更加有效的被压紧。并将纤维束中部分段扎紧，有利于压紧过滤时滤层能更紧密均匀。同时将纤维束的上下端用活动卡扣同时固定，在方便更换的基础上，使纤维束的反洗能够更加充分。
第三，通过对比发现，纤维球滤料在截污效果、维护操作等方面要比纤维束滤料更胜一筹。因此改用纤维球滤料，则可在罐顶部加装搅拌装置，通过叶片搅拌可将中上部纤维球彻底清洗；而底部加装射流装置，取外输水为水源，通过射流管减压释放，在罐底形成斜向上方的振动水流和漩涡，利于中下部纤维球的清洗。具体效果如图5所示。
四、结论
关键词：玻璃纤维；拉伸性能；标距；应变率；温度效应；Weibull
中图分类号：O316 文献标志码：A
近半个世纪以来，纤维增强树脂基复合材料（Fiber Reinforced Plastic/Polymer，简称FRP）以其轻质、高强、绝缘、隔热、耐久性好、可设计性强等优点，逐渐活跃在土木工程领域[1-3].其中玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）的显著特点是热膨胀系数与混凝土接近、比强度高且价格相对便宜[4].国际上对FRP在土木工程中的应用研究首先从玻璃纤维开始.
单向纤维增强复合材料是工程结构复合材料的最基本单元，纤维又是单向复合材料承受拉伸载荷时的主要承载部分，它在冲击荷载下的力学性能与复合材料的冲击响应行为密切相关.而且，在冲击和爆炸等极端荷载作用下，材料的变形瞬间发生，应变率和温度效应同时影响材料的力学行为.因此理解纤维的尺寸效应以及在不同应变率和温度作用下的破坏失效模式是优化复合材料结构设计的关键.目前，已经有许多学者[5-7]开展了相关方面的工作，但中等应变率下的相关数据较少，而考虑中等应变率与温度耦合作用的试验数据更是空白.
由于在地震和低速冲击荷载作用下，建筑结构遭受的应变率处于中等水平（1～200 s-1）[8]，本文的主要任务是研究玻璃纤维束的尺寸效应以及在中等应变率范围（40～160 s-1）和不同温度条件（25～100℃）下的力学响应，以获得其破坏强度、韧性等力学性能指标，进而为建立GFRP的动态本构关系及其增强结构在极端荷载和环境下的分析与评估方法奠定基础.
1 试验测试
1.1 试样制备
本实验所选单向玻璃纤维布由南京海拓复合材料有限责任公司生产.图1给出了纤维布的单向编织结构和光学显微镜下的微观结构.纤维束的横截面积为0.473 mm2，可以通过其线密度除以体密度得到[9].制备试样时，用薄刀片沿纤维布纵向小心裁取多根纤维束备用.将0.2 mm厚铝片用圆齿压痕、居中对折，涂上环氧树脂胶，按所需标距（25，50，100，150，200和300 mm）夹持在纤维束两侧，待胶固化后，将两端多余纤维去除，试件成型，如图1（b）所示.
图1 （a）玻璃纤维的单向编织结构和光学显微镜下的微观结构；（b）试件
Fig.1 （a） Unidirectional woven structure and microscopy image of glass fiber； （b） specimen
1.2 测试仪器与方法
单束纤维的准静态拉伸测试采用MTS微机控制电子万能试验机（型号C43.304）.该试验机机架的负荷上限为30 kN，数据采样频率最大可达1 000 Hz，控制器分辨率为20 bit.试验时加载速度设定为2.5 mm/min，采用1 kN力传感器，采样频率设为20 Hz.动态拉伸测试采用国际先进的Instron落锤冲击系统（型号Ceast 9340）.本系统的冲击高度为0.03～1.10 m， 速度范围为0.77 ～4.65 m/s，最大落锤重量为37.5 kg， 最大冲击能量为405 J.冲击速度V可以自行设定，然后由落锤控制系统换算成相应的锤头下落高度H.本实验根据仪器的量程，设V为1，2，3，4 m/s，对应的应变率分别为40，80，120，160 s-1.本研究选取25，50，75和100 ℃作为温度变量T进行一系列测试[10].
对于纤维束而言，其刚度远小于仪器加载系统的刚度.为了检验MTS试验机测量误差，额外采用引伸计测量试件变形，并与试验机记录的夹持端位移进行对比，得知测量误差在2%以内，因此将夹持端的相对位移近似作为试件标距内的变形，与标距的比值即为应变值.
2 结果与讨论
2.1 应力应变曲线
图2分别为玻璃纤维束在不同标距、不同应变率和不同温度作用下的典型应力应变曲线.从图中可以看出，在静态拉伸作用下，应力应变曲线相对平滑；而在动态拉伸作用下，曲线波动较大.动态曲线的波动主要由冲击过程激发的仪器振动引起[11]，其个数随着应变率的增大而递减.从这些应力应变曲线中获得材料的基本力学性能参数：杨氏模量，拉伸强度，峰值应变和韧性.其中，杨氏模量代表曲线的线性段斜率.对于准静态曲线而言，上升段基本为线性，因此所获得的杨氏模量较为准确.而对于动态曲线而言，波动的影响使得杨氏模量的确定十分困难，因此本文以能够描述曲线整体趋势的直线斜率为代表值.相对而言，韧性的结果比较容易获得，因其代表的是应力应变曲线下的面积，表征的是单位体积的变形能.具体计算公式如下：
2.2 不同标距、应变率和温度下的力学性能
图3～5给出了玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度、峰值应变和韧性与标距、应变率和温度的关系，结果表明，这些材料力学性能参数均与标距、应变率和温度相关.从图3可以得出，杨氏模量随标距的增加而增大；而拉伸强度、峰值应变和韧性随着标距的增大而减小.具体而言，当标距由25 mm增加到300 mm时，杨氏模量增加了23.6%，而拉伸强度、峰值应变和韧性分别降低了29.0%，40.9%和45.5%.从图4可以得出，在40～160 s-1应变率范围内，杨氏模量和拉伸强度都随着应变率的增加而增大，而峰值应变与韧性呈先增后减的趋势.具体而言，当应变率从40 s-1增加到160 s-1，杨氏模量和拉伸强度分别增加了22.0%和38.6%；而当应变率由40 s-1增加到120 s-1时，峰值应变和韧性先由原来的0.038 ± 0.004 mm/mm和40.2± 7.9 MPa增大到0.041 ± 0.004 mm/mm和50.8 ± 6.3 MPa，而当应变率继续增加至160 s-1，其值又分别减小到0.037 ± 0.004 mm/mm和46.1± 5.9 MPa.但总体来看，峰值应变减小了1.8%，而韧性增大了14.6%.从图5可以得出，杨氏模量随温度的增加而减小，峰值应变恰好相反，而拉伸强度和韧性却呈现出先减后增的趋势.具体而言，当温度由25℃增加到100℃时，杨氏模量减小了36.7%；而峰值应变增大了19.9%.至于拉伸强度和韧性，当温度由25℃增加到75℃，其值由1 729 ± 67 MPa和40.2± 7.9 MPa减小到1 292 ± 123 MPa和27.7 ± 4.8 MPa，分别减小了25.3%和31.1%；而当温度增加到100 ℃，其值反而增加至1540 ± 107 MPa和40.0 ± 3.6 MPa，分别增大了19.2%和44.5%.
另外，图3～5还对各力学性能参数随标距、应变率和温度的变化趋势进行了曲线拟合，并给出了拟合方程，以便于工程应用.在25～200 mm的标距范围内，随着标距的增加，玻璃纤维束的杨氏模量随之增加，但200 mm之后没有显著变化，而拉伸强度、峰值应变和韧性随着标距的增加呈对数减小；在40～160 s-1的应变率范围内，随着应变率的增加，杨氏模量呈对数增加，而拉伸强度呈线性增加.峰值应变和韧性的变化趋势可近似用二次多项式拟合；而在25～100 ℃的温度区间内，随着温度的递增，材料的杨氏模量呈线性减小，峰值应变呈线性增加，拉伸强度和韧性随温度的变化趋势也可近似用一个二次多项式拟合.
2.3 尺寸、应变率及温度效应机制
2.3.1 尺寸效应机制
玻璃纤维束的拉伸强度随着标距的增加而减小，呈明显的尺寸效应.Weibull尺寸效应统计理论认为[12]，这主要是由于材料强度的随机分布所引起.沿纤维长度方向，强度是不均一的，纤维总是在最薄弱处断裂，试样愈长，出F最薄弱环节的概率越大，越容易发生断裂.但是，当标距大于200 mm，纤维的拉伸强度不再发生明显变化.这说明对于玻璃纤维束而言， 200 mm接近其强度受限临界长度，当长度超过这个临界值时，其内部包含最薄弱环节的概率极大.
2.3.2 应变率效应机制
玻璃纤维束的拉伸强度呈明显的应变率相关性.当应变率由1/600 s-1（准静态）增加到160 s-1（动态）时，拉伸强度由919 ± 102 MPa增长到1 727± 67 MPa，增幅近一倍.这种应变率相关性可作如下解释：
如图6所示，在准静态拉伸荷载作用下，试件的断裂部位比较集中，而在动态拉伸荷载作用下，断裂部位延伸至整个标距范围.这说明随着应变率的增加，冲击荷载在基本承载单元上的分布更为均匀，单丝有更多的部位参与耗能，使得其强度发挥得更充分.另外，在拉伸荷载作用下，构成纤维束的单丝不一定同步断裂，断裂位置也不一定平齐，因而纤维丝之间的摩擦在破坏变形过程中一直存在.随着应变率的增加，纤维丝之间的相互挤压作用也不断再增大，因此滑动摩擦力也不断增大（摩擦系数可视为常数），进而提高了纤维束的整体拉伸强度.
4 结 论
本文对玻璃纤维束进行了不同标距、应变率和温度下的拉伸测试，并讨论了标距、应变率和温度对其力学性能参数的影响，最终得到以下结论：
1）玻璃纤维具有明显的尺寸效应.杨氏模量随标距的增加而增大，而拉伸强度、峰值应变和韧性随着标距的增加而减小.当标距大于200 mm，纤维的杨氏模量和拉伸强度不再发生明显变化.这说明对于玻璃纤维束而言， 200 mm接近其强度受限临界长度，当长度超过这个临界值，其内部包含最薄弱环节的概率极大.
2）玻璃纤维属于应变率敏感材料，在40～160 s-1应变率范围内，杨氏模量和拉伸强度都随着应变率的增加而增大，而峰值应变与韧性呈先增后减的趋势.
3）温度对玻璃纤维的力学性能也有一定的影响.在25～100 ℃的温度范围内，杨氏模量随温度的增加而减小，峰值应变恰好相反，而拉伸强度和韧性却呈现出先减后增的趋势.
4）随着应变率的增加，m值逐渐减小，表明更高的应变率下，玻璃纤维束表现出更随机的破坏分布.当温度从25℃逐步升高到100℃，m也在依次减小，体现出愈发离散的分布.
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【关键词】 急性脑梗死； 磁共振； 弥散张量白质纤维束； 成像； 预后
急性脑梗死是由于供应脑组织的动脉血管管壁发生病理性改变，血管腔变窄，脑部血液循环障碍受阻，导致脑组织供血不足，局部缺血、缺氧、软化或坏死[1-2]。急性脑梗死在临床上致死率、致残率均较高，严重影响患者的生存质量，且存活的急性脑梗死患者通常会出现不同程度的运动功能障碍。磁共振弥散张量成像可以显示大脑白质纤维中水分子的各向异性运动，弥散张量白质纤维束示踪成像可用于分析患者大脑神经纤维网络的完整性和方向性[3-4]。本研究现对2010年10月-2012年12月郑州市第二人民医院神经内科明确诊断为脑梗死的75例患者的临床病例资料进行回顾性分析，利用磁共振扫描仪，对脑梗死患者进行常规磁共振、磁共振弥散张量成像检查，并对皮质脊髓束进行三维弥散张量纤维束成像检查，依照NIHSS对患者进行神经功能评分，利用统计学方法对不同级别皮质脊髓束损伤组患者不同时期的神经功能评分分别进行比较，评价该神经束的受累情况与脑梗死患者预后变化的关系。现具体报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料 选取2010年10月-2012年12月郑州市第二人民医院神经内科明确诊断为脑梗死患者75例，其中男40例，女35例，年龄范围为58～70岁，平均（63.6±2.3）岁，所有患者均符合第4届全国脑血管病会议通过的急性脑梗死诊断标准，并经头颅CT扫描或核磁共振（MRI）检查确诊[5]。依照皮质脊髓束受累情况将患者分成A、B、C三组，每组25例。A组为梗死灶与CST相邻的患者，B组为部分CST穿过梗死灶的患者，C组为整个CST穿过梗死灶（病灶包绕神经束）的患者。三组年龄、性别等一般资料比较差异无统计学意义，具有可比性。纳入标准：患者起病后72 h以内；首次发病；常规MRI显示单侧劲内动脉系统病变；偏瘫为主；患者及其家属均知情同意，住院治疗后4周和8周各复查1次。排除标准：有严重认知功能障碍、精神病史以及不配合，无法完成检查的患者；合并其他颅内病变患者（如脑肿瘤）。
1.2 方法 依照皮质脊髓束受累情况将患者分成三组，在患者起病后的不同时期，发病后3天内（急性期）、发病后8～14 d（慢性早期）、发病后30～60 d（慢性期）依照美国国立卫生院卒中量表（Nation Institutes of Health Stroke Scale， NIHSS）对患者进行神经功能评分，利用统计学方法对不同级别皮质脊髓束损伤组患者不同时期的神经功能评分分别进行比较，评价该神经束的受累情况与脑梗死患者预后变化的关系。
1.2.1 图像采集 应用GE Signa HDe 1.5T磁共振扫描仪，8通道头颈线圈。
1.2.2 常规MRI检查 常规轴位、矢状位扫描，T1WI（Flair：TR1710.7 ms，TE 28.3 ms，Invert time 750），T2 WI（Flair：TR 6000.0ms，TE151.6 ms，Invert time 2000 ms），层厚6.0 mm，层间距1.0 mm。
1.2.3 DTI检查 b值为0/1000 mm2/s；TR 10 000.0 ms；TE 128.8 ms Flip Angle 90；层厚4.0 mm；层间距0 mm；FOV 240×240 mm；NEX 2；Diffusion diections 15。
1.3 数据处理 应用GE公司提供的纤维束成像软件包，通过在延髓锥体、大脑脚、内囊后肢、半卵圆形中心等层面放置兴趣容积，进行图像分析得出双侧皮质脊髓三维成像。
1.4 统计学处理 采用SPSS 17.0软件对所得数据进行统计分析，计量资料用（x±s）表示，比较采用t检验，以P
2 结果
磁共振扫描结果提示，A、B组患者梗死灶较小，常位于CST前内侧，C组患者的病灶多位于前脉络膜动脉供血区，早期运动功能减退。随着发病时间的不断延长，三组患者自身的NIHSS评分均呈现明显降低的趋势，差异有统计学意义（P
3 讨论
磁共振弥散张量成像是一种非侵入性的磁共振成像技术，可以有效观察和追踪患者脑白质纤维束[6-7]。为临床医生提供脑梗死患者的脑解剖结构及功能等信息，显示出脑梗死患者皮质脊髓束、上下纵束、钩束、下额枕束等脑白质纤维束的结构功能变化[8-9]。
白质纤维束示踪成像是一种无创方法，可在活体上显示神经纤维的走行，目前临床已将白质纤维束示踪成像用于评价正常功能连接，另外还常将白质纤维束示踪成像应用于脑外伤、脑肿瘤、脑中风、多发性硬化、心脏病等疾病的研究[10]。白质纤维束示踪成像技术可提供患者脑部神经纤维束成像的特有信息，在三维图像上显示神经纤维束与梗死灶之间的空间关系。因此，可以通过视觉观察来评价病灶对神经纤维束的影响，还可以分析受损CST与患者神经运动功能预后之间的相关性。在患者发病早期，根据白质纤维束示踪成像技术提供的病变所累及皮质脊髓束和梗死灶之间的空间关系，有利于预测患者神经运动功能的预后[11]。
3.1 脑梗死灶缺血容积的相关临床表现 已有研究表明，脑梗死患者梗死灶累及CST的程度与患者运动功能损伤、临床预后之间具有密切的相关性[12]。以往有研究认为梗死灶越大患者运动功能障碍越严重[13]。但目前看来，这个结论不是很确切。本研究表明，A组与B组患者梗死灶缺血容积之间差异无统计学意义。同时，B组与C组患者梗死灶缺血容积之间的差异也无统计学意义。由此可见，梗死灶容积并不能决定患者临床症状的严重程度，梗死灶容积也不能决定患者肢体运动功能的损伤。因为，即便是梗死灶容积再大，只要患者的梗死灶不累及运动神经纤维走向的关键部位，患者便不会出现运动功能障碍。大脑前动脉供血区梗死所致的额叶梗死患者可能会出现情感人格障碍；大脑前动脉供血区梗死所致的大脑后循环梗死所致枕叶梗死患者可能会出现视觉障碍。同样，即使患者梗死灶容积很小，但如果梗死灶正好累及CST神经纤维束通路，也会导致患者出现严重的运动功能障碍。
3.2 弥散张量成像准确定位脑梗死病灶 CT和常规MR虽然可清楚显示梗死灶，但无法准确定位病灶。研究表明从前后方向来看内囊功能区大致是躯体特定区域的缩影，内囊后肢后部支配下肢运动神经区域，内囊前部及内囊膝部病灶可造成上肢瘫痪[14]。
3.3 CST与梗死灶病例功能预后 本研究A组患者磁共振弥散张量白质纤维束示踪成像显示患者梗死灶与大脑皮质脊髓束之间纤维束紧挨着病灶，纤维束从梗死灶边缘穿过，这些病人急性期、慢性早期、慢性期神经NIHSS评分均值分别为（4.55±0.75）、（0.55±0.02）、（0.09±0.01）分，病情的不同时期之间的NIHSS评分均值比较差异有统计学意义（P
综上所述，可以认为磁共振弥散张量白质纤维束示踪成像可准确定位梗死灶，有助于预测急性脑梗死患者运动功能的恢复，值得在临床上推广应用。
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[关键词] 颈髓；扩散张量成像；纤维跟踪成像
[中图分类号] R445[文献标识码]C [文章编号]1673-7210（2011）04（a）-095-02
Tractography of the cervical spinal cord and its initial application
WANG Yan1, MA Lin1*, LI Dejun2, GUO Xinggao1
1.Department of Radiology, PLA General Hospital, Beijing 100853, China; 2.Medical Engineering Center, PLA General Hospital, Beijing 100853, China
[Abstract] Objective: To investigate the feasibility of tractography of the cervical spinal cord by SE-EPI sequence to show fibers of normal volunteers and patients with some diseases of the cervical spinal cord. Methods: 22 normal volunteers, 6 patients with syringomyelia and 3 patients with spinal cord tumors received DTI examination by SE-EPI sequence. Get the tractography by using fiber tracking software. Results: Tractography of the white matter of normal volunteers were obtained and were accordance to the anatomy of the cervical spinal cord. Tractography of syringomyelia patients demonstrated hollow of the cord. Tumors could also be delineated macroscopically. Conclusion: Tractography of the cervical spinal cord applies macroscopic information and is helpful to surgery and treatment of disorders.
[Key words] Cervical spinal cord; Diffusion tensor imaging; Tractography
扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）是一项新发展的技术，它可以观察中枢神经白质纤维的微细结构，勾画出白质的主要纤维束分布图，并且可以在一定程度上反映白质纤维的走向。目前，DTI在神经生理学、神经解剖学以及神经外科学中发挥了重要的作用[1-2]。本研究使用SE-EPI序列行DTI纤维跟踪成像，探讨健康人及颈髓病变中纤维跟踪成像的表现。
1 资料与方法
1.1 一般资料
本组研究对象共包括22名健康志愿者，男13名，女9名，年龄9~73岁，平均34岁；6例脊髓空洞症患者，男4例，女2例，年龄24~52岁，平均34岁；3例颈髓肿瘤患者，血管母细胞瘤2例，室管膜瘤1例。
1.2 MR成像方法
全部对象采用1.5 T磁共振机和8通道脊柱相位阵列线圈行MRI扫描。常规扫描包括矢状面及横轴面FRFSE T2WI、矢状面FSE T1WI。DTI成像采用横轴面SE-EPI序列，使用6个方向扩散梯度场，b值取0和400 s/mm2，参数为TR＝6 000 ms，TE＝minimum，FOV 240 mm×240 mm，矩阵128×128，层厚4.0 mm，层间距0 mm，共扫描24层。
1.3 测量方法
应用Func Tool软件进行后处理，并应用fiber tracking软件行纤维跟踪成像。
2 结果
2.1 健康人颈髓纤维束图
所有健康人均可得到与颈髓解剖结构基本一致的白质纤维束图，见图1。
图1（矢状面）颈髓纤维束略向前方弯曲，并可见
较短的、非上下走行的神经根（箭头所指）
Fig.1 (Sagittal) Tractography of the cervical spinal cord bend forward, and shows some short nerve root (arrow)
2.2 脊髓空洞症患者的纤维束图
所有脊髓空洞患者的扩散张量成像均可清晰地显示颈髓中央空洞的形成，在纤维跟踪图中，可见颈髓中央纤维束较正常人明显减少，见图2。
图2 横轴面颈髓纤维束追踪图示脊髓中央空洞形成（箭头所指）
Fig.2 Axial view of tractography of syringomyelia shows central hollow of the cord (arrow)
2.3 脊髓肿瘤患者的纤维束图
颈髓肿瘤也可以用DTI的纤维束追踪技术直观显示出其纤维束受累情况，见图3。
图3 冠状面纤维束图示肿瘤对纤维束的破坏及压迫征象（箭头所指）
Fig.3 Coronal view of spinal cord tumor shows destroy and depress of the fibers (arrow)
3 讨论
纤维跟踪（fiber tracking, FT），也称为白质束成像（white matter tractography, WMT）是一项新的可视化成像技术。该技术可以利用扩散张量场中的各向异性扩散的方向信息来追寻神经通路的走向，具有广阔的应用前景，已经成为当前研究的热点，但同时也带来了诸多挑战。在颈髓疾病中，DTI成像方面的研究也已经开展[3-4]。DTI纤维跟踪成像技术对外科处理颈髓病变的术前及术后改变很有帮助[5]。自从DT-MRI出现以来，已经有很多纤维跟踪的算法出现[1-2,6]。我们采用的是最直观的纤维连续追踪法[7]，该方法的基本思想是，利用扩散张量最大特征值所对应的特征向量的方向与白质束的走向平行的性质追踪纤维走向。从一特定的种子点出发，沿其主扩散方向与相邻体素连接，即可反映纤维的走向。对于种子的选择本实验是通过手工定义ROI，然后以ROI中的点作为种子点开始跟踪。该方法简洁明了，计算量小，可以快速方便地考察通过某一功能区的神经通路走向。
在健康组中，矢状面图像可以显示颈髓纤维束略向前方弯曲（图1），与其解剖学上存在的生理弯曲相对应；并可看到有少量较短的、非上下走行的纤维结构，这显示了部分神经根进出颈髓的部分（箭头所指）。
脊髓空洞症常继发于先天性畸形或为外伤后并发症，如肿瘤、蛛网膜炎或变性疾病等因素也是原因之一[8-9]。MRI尤其矢状面可清晰显示范围和伴发的畸形，是目前显示该病变的最佳的非创伤性方法，而DTI纤维追踪成像则可以更加直观的显示出脊髓中央空洞形成。本组6例脊髓空洞患者均为先天性畸形引起，病变处通过纤维束跟踪图显示出脊髓中央空洞形态，且空洞形成处纤维数量较正常人明显减少，这与其病理改变相符，即空洞区脊髓内管状空腔形成。
脊髓肿瘤常常会引起白质纤维束的受压或者破坏，本组脊髓肿瘤患者的纤维束跟踪图可以显示由于肿瘤占位效应造成的白质纤维束的受压及破坏，病变处白质束稀疏并受压失去正常走行结构。颈髓的三维纤维束重建图像可以显示出肿瘤的边界，并且与常规T2WI上显示基本一致[10]。
4 结论
本研究使用单次激发的SE-EPI技术行颈髓扩散张量及纤维跟踪成像，可以显示出健康人及某些颈髓病变患者纤维束结构，为临床提供了更直观的信息。随着扩散张量成像技术及对其数据处理、分析和可视化技术的发展，颈髓纤维跟踪成像技术应用的深度和广度也会不断加强。
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不同于工艺日趋成熟的竹浆粘胶纤维和竹炭纤维，竹原纤维作为一种新型原纤维素纤维，其独特的杀菌、除臭、抗紫外线等理化性能在纺织行业中有着广泛的应用。其细度、可纺性方面的改善在近年也有了相关进展，竹原纤维和改性竹原纤维的各种新制备方法等加工工艺与应用也逐渐成为纺织行业研究的新焦点。
关键词： 竹原纤维；理化性能；制备工艺
1 前言
不同于近年来市场上所见的竹浆粕纤维和竹炭纤维，竹原纤维是一种真正意义上的环保天然纤维。竹原纤维吸放湿性能优异，具有天然抗菌和抗紫外线等保健功能。竹中含有一种天然物质“竹醌”，“竹醌”具有天然的抗菌、抑菌、防螨、防虫及能产生大量负离子的特性。经中国纺织纤维质量检测中心及上海微生物研究所检测，“竹醌”在24h内能杀灭75%的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和巨大芽孢杆菌。另外，竹原纤维中还含有叶绿素铜钠，具有良好的除臭功能，因此，竹原纤维有着良好的技术与市场发展前景，可广泛应用于纺织品服装领域。竹纤维是以数百根单纤维聚集成纤维束的形式分散在竹茎内，单独将单纤维分离出来较为困难。原生竹纤维的一般提取过程：（1）先去除竹节部分，将其分割成适当长度，再去掉外皮；（2）用压榨机将竹片压碎，破坏其柔细胞组织；（3）用2%～3%的NaOH水溶液煮沸2h；（4）水洗后再行压榨，破坏柔软的柔细胞组织，便于与纤维束分离；（5）在水槽中充分水洗，使纤维束与柔细胞分离；（6）过滤后即得浆粕状竹纤维，干燥后用搅拌机短时间搅拌便开纤成单纤维。竹原纤维制取过程中为避免单纤维发生脆化，必须确保原竹未经干燥，整个制取过程必须维持湿润状态[1-3]。
目前，有关竹纤维束应用于纺织上已有大量报道，并有相关产业应用，竹纤维用于复合材料制备也进入了起步阶段。但天然竹纤维成分中半纤维素和木质素含量很高，且单纤维较短，脱胶难度较大，影响了纤维的可纺性，此外在满足机械性能的条件下，竹纤维束的提取即是影响竹纤维复合材料应用开发的技术难点之一。针对可纺性的改善、细度改善以及各种制备与改性竹原纤维的方法也正在成为行业研究的新焦点。
2 竹原纤维的相关研究进展
2.1 新方法与工艺制备竹原纤维和改性竹原纤维
黄慧[4]等人采用10%碱处理、软化+1%碱煮和酸+1%碱煮等3种不同的预处理工艺提取获得竹纤维束，利用光学显微镜和X射线衍射法分别比较3种工艺下竹纤维束的微观形态和结晶结构。证明了竹材组织结构呈一定规律性，通过较低碱预处理后采用机械工艺可提取竹材中的纤维束。提取竹纤维束为黄褐色丝状物，并有一定柔韧性，长可达30cm以上，直径范围100μm～200μm。碱处理浓度高有利于竹纤维束分离。研究结果表明，低碱处理可分离提取竹纤维束，提取的竹纤维束为黄褐色丝状，直径范围为100μm～200μm；微观形态下，竹纤维束横截面呈蜂窝状，纵面呈多根柱形紧密排列状。3种工艺中，10%碱常温处理分离竹纤维最易，分离效果最好，残留基质粘附最少。由竹材经3种工艺提取的竹纤维束，结晶结构未改变，但相对结晶度均较原竹材有所提高。
张袁松[5]等人用闪爆—碱煮联合工艺的天然竹纤维提取，对闪爆压力、保压时间、碱浓度、碱煮时间这4个因素的单因素试验均采用联合脱胶，经研究表明闪爆—碱煮联合脱胶技术对天然竹纤维脱胶效果明显，纤维表面比较光滑，纤维直径明显减小。闪爆压力、保压时间和碱浓度是影响闪爆—碱煮联合脱胶效果的重要因素。在闪爆压力为0.8MPa、保压时间为15min、NaOH质量浓度为4g/L、碱煮90min的条件下，脱胶效果比较理想，纤维得率为77.16%，纤维的半纤维素和木质素含量分别下降41.61%和31.94%，纤维素含量从40.51%提高到63.59%，处理后纤维分散程度高，柔软性好，纤维拉伸强度接近麻类工艺纤维。
同时，张袁松[6]团队还以慈竹为研究对象，对常压下乙酸脱除天然竹纤维中的木质素进行了探讨。以反应温度、乙酸体积分数、催化剂硫酸体积分数和反应时间为单因子，考察这些因素对天然竹纤维木质素脱除率的影响。结果表明：影响因素从大到小依次为反应温度、催化剂硫酸体积分数、乙酸体积分数和反应时间。正交试验结果表明，乙酸在脱除天然竹纤维木质素的过程中也脱除了部分半纤维素和纤维素。在乙酸脱除天然竹纤维木质素的过程中，脱除木质素的同时也脱除了部分半纤维素和纤维素，脱除率为木质素脱除率>半纤维素脱除率>纤维素脱除率，木质素被大部分脱除而纤维素只脱除了一小部分。结合木质素脱除率、半纤维脱除率和纤维素脱除率，得到了最佳工艺条件，即90℃、乙酸体积分数88%、硫酸体积分数0.3%、反应时间3h，在该条件下木质素的脱除率达到55.84%。
关明杰[7]等人，从纺织材料学[8]出发，研究了竹纤维的性能。用实验室自制，细度范围为793tex～1445tex的竹纤维对几种不同仿生螺旋结构竹纤维束的纵向拉伸性能进行测试分析，结果表明：平行均布、单螺旋、双螺旋A、双螺旋B 型竹纤维束的拉伸强度分别为11.5MPa、51.7MPa、52.2MPa和56.1MPa；螺旋结构能够消除纤维束中的强度薄弱点，改善纤维束中各根纤维的结合，同时纤维束各层螺旋角的逐渐变化也有利于拉伸强度的提高。单螺旋、双螺旋A、双螺旋B型竹纤维束的拉伸弹性模量分别为9659MPa、5265MPa和491MPa，单螺旋竹纤维束的拉伸弹性模量优于双螺旋竹纤维束。宏观仿生螺旋结构提高了竹纤维束的拉伸强度，却降低了弹性模量。由螺旋纤维束的内层到外层，螺旋角的逐渐变化使得相邻层间的结合强度大为改善，避免了不同层面纤维力学性能的突变。
楼利琴[9]等人以自制平均线密度16.8dtex的竹原纤维为原料，用碱、漆酶、精练酶通过正交设计试验对竹原纤维进行纤细化处理，测定了处理后的竹原纤维细度变化率、木质素含量及强度。结果表明：精练酶去除木质素的效果比碱和漆酶处理好，木质素含量从原来的18.98%降为7.27%，处理后竹原纤维强度几乎没有损伤；碱去除木质素的效果比漆酶好，但强度损伤比漆酶处理大；生物酶脱胶方法有望成为竹原纤维脱胶加工的实际生产方法。
生物技术可以改变传统化学改性因大量使用化学助剂而严重污染环境的局面，同时使纤维性能得到改善，如纤维素酶对天然纤维织物进行抛光整理可改善其手感和柔软性。金文俊[10]等利用化学预处理结合纤维素酶的作用对竹原纤维进行改性，借助于扫描电镜、傅里叶红外吸收光谱、X-射线衍射等试验技术，研究处理前后竹原纤维的形态和内部结构变化。研究结果表明：酶处理切断并还原纤维素分子链为葡萄糖，同时也降解了部分半纤维素，使竹原纤维的结晶度降低；酶处理后的竹原纤维横截面微孔变大，纵面出现明显的侵蚀，裂纹有所增加；热稳定性基本不变。
2.2 竹原纤维在纺织中应用
用摩擦纺纱机纺织竹原纤维包芯纱具有芯纱与外包纤维双组分的特点，既可解决竹原纤维可纺性差的问题，又可提高竹原纤维纱的强力，提高产品的耐磨性。王显方[11]等人探讨竹原纤维摩擦纺包芯纱纺制方法及工艺优化，分析阐述了竹原纤维的特性，通过原料预处理，合理配置工艺参数，在摩擦纺纱机上开发出竹原纤维涤纶包芯纱，并利用正交试验优选了摩擦纺工艺参数。结果表明：竹原纤维涤纶48.6tex（68dtex）摩擦纺包芯纱较优的纺纱工艺参数为：分梳辊速度5000r/min，纺纱速度150m/min，摩擦辊速度5500r/min。毛雷[12]等针对纤维粗硬、可纺性差的特点，通过竹原纤维的预处理，提高其可纺性。采用原料混合的方式，各工序采用重定量、重加压、低速度的工艺路线，合理配置工艺参数，解决了梳棉成网困难、并条静电缠绕等问题，并注意保持各工序较高的相对湿度，使生产正常进行，成功试制出竹原/棉50/50的9.7tex混纺纱。
史丽敏[13]等人以线密度6.01dtex、长度80mm的竹原纤维和细度19.71μm～20.5μm（4.03dtex～4.27dtex）、长度70mm～120mm的羊毛为原料，在保证竹原纤维一定回潮率的前提下，成功纺制毛、竹（50/50）混纺纱线，并且依据针织面料流行趋势，结合毛、竹混纺织物优势互补的特点，设计并开发出了适合春夏季穿着的男装流行针织面料。面料色彩搭配与图案机理的设计不仅丰富了大众视觉，还打破了以往设计毛、竹混纺针织物的局限性。此外，还对毛、竹（50/50）混纺纱线的染色工艺进行了探讨，可为毛、竹混纺面料下游产品的进一步开发提供理论参考。此外，随着竹原纤维工艺的进步和纺织工业的发展，更加复杂的绢/苎麻/竹原纤维混纺物，如纬珠地平针组织、珠地平针横条组织、纬珠地组织、灰蓝珠地组织和纬平针组织的针织物的织造也有了相关报道[14]。
竹原纤维有着很好的抗菌性能，天然竹在制成竹浆粘胶纤维过程中经受了一系列化学和物理的加工，性能与竹原纤维有较大改变，原有的一些天然特性也必然遭到破坏，纤维的除臭、抗菌、防紫外线功能会有不同程度的下降。池田善光[15]对竹浆粘胶纤维的抗菌性能进行了研究，结果表明：竹浆粕试样并不具有抗菌性能。张慧等人[16]以巨大芽孢杆菌（革兰氏阳性菌）和黑曲霉（真菌中的霉菌）为菌种原料对竹原纤维抑菌性能的影响因素做了系统研究。采用吸收法对所制取的竹原纤维进行单因子试验，并通过计算抑菌率来评价其抑菌效果，研究对抑菌性能产生影响的因素。试验得出：回潮率、接种后培养时间及竹屑都对竹原纤维的抑菌性能有很大影响。
3 结语
当前粘胶纤维工艺已基本成熟，市场上所谓的竹纤维面料、服装也多是竹浆粕纤维产品或竹浆粕纤维混纺产品，同时由于大量使用化学助剂，导致所生产出的“竹纤维”发生改性，使其不再具有或基本不具备天然竹原纤维的优良特性。因此竹原纤维的技术发展趋势表现为：一是改善可纺性，这是竹原纤维应用的根本和前提；二是改善细度，向细旦或超细旦方向发展， 并改善均匀度，为纺高支纱打下基础；三是混纺，特别是与天然纤维、差别化化纤混纺，生产出具有特色的高档新型面料。在可预见的将来，竹原纤维、改性竹原纤维的制备和竹原纤维入纱纺织依然是纺织行业亟待解决的问题。不仅如此，竹原纤维的产业化还存在技术和市场两方面的风险，因为是一项新产品，其生产标准和质量标准有待探讨；新产品的问世，在消费者市场仍需要有一个认识和接受的过程，并且在价格上将受到价格相对低廉的化纤等产品的激烈挑战。
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关键词：弥散张量成像脑肿瘤白质纤维束
Doi：10.3969/j.issn.1671-8801.2013.02.007【中图分类号】R4【文献标识码】A【文章编号】1671-8801（2013）02-0008-01
弥散张量成像是临床可以对水分子弥散测量和成像的一种方法，可以有效地反映水分子的围观运动，从细胞水平研究脑部疾病。而成人脑肿瘤所占比例较高，占全身恶性肿瘤的1.5%左右[1]，其包括良性与恶性肿瘤。其中恶性肿瘤对化疗和放疗均有较高的耐受性，复发率较高。因此临床准确地选择治疗方案对患者十分重要。本文研究分析弥散张量成像技术对脑肿瘤的诊断价值，以供临床参考和借鉴，报告如下：
1资料与方法
1.1一般资料。选择我院2009年8月～2012年9月我院收治的脑肿瘤患者77例为研究对象，根据患者的病理诊断结果分为两组，其中良性肿瘤患者51例，恶性肿瘤患者26例。良性肿瘤患者51例中，男性34例，女性17例，患者年龄在19～68岁之间，平均为（48.02±7.85）岁；其中包括良性脑膜瘤28例，星状细胞瘤I级23例。恶性肿瘤患者26例中，男性14例，女性12例，患者年龄在28～74岁之间，平均为（50.51±6.02）岁。所有患者均知情同意，并进行了常规的MRI检查和弥散张量成像检查，开颅手术治疗确定肿瘤的性质。
1.2方法。患者使用弥散张量成像检查方法：使用单次激发自旋回波平面回波成像序列进行横断面成像，扫描层面需平行前后连线。b值为1000s/m2，使用15个方向弥散敏感梯度。其中TR/TE为3401ms/81ms，视野为230*230mm，矩阵为128*128，以256*256为重建矩阵。扫描层数为28层，层距为0mm，层厚为3.5mm，做一次激励。
扫描结束后将各个数据传入到工作站进行后处理，角阈值为27.0，其他异性阈值为0.15，能够显示出最小纤维束长度为10.0。
1.3观察指标。将脑肿瘤对瘤周白质纤维束的影响进行分类，包括正常、推移、水肿、浸润和破坏。观察比较良性与恶性肿瘤白质纤维束的差异。
1.4数据处理。本次实验的所有数据处理均采用SPSS19.0软件包进行处理，检验水准α为0.05，以95%为可信区间，计算结果中P
2结果
良性肿瘤与恶性肿瘤患者均伴有瘤周白质纤维束移位；良性肿瘤的瘤周水肿区白质纤维束多伴有水肿、浸润；恶性肿瘤白质纤维束多破坏，两组各情况比较，P
从表1中我们可以看出，良性肿瘤与恶性肿瘤患者均无白纸纤维束正常情况，且均出现了移位。通过统计学软件计算得知，良性肿瘤组患者发生水肿比例更高，与恶性组比较，X2=5.02，P
3讨论
颅脑肿瘤是临床较为常见的一种肿瘤，目前临床常用的影像学检查方法，如MRI和CT等均能够进行较好的诊断和鉴别。但是从临床经验总结发现，很多不典型病例，使用MRI和CT的诊断价值并不高，会对临床治疗带来较大的影响。尤其是对肿瘤良性与恶性的定性诊断方面，更需要医生引起重视，提高诊断准确率，以更好地制定临床治疗方案。而使用常规的MRI、PET和MEG等，尽管均被用于对肿瘤组织和周围皮质功能区进行研究，但是不能提供关于白质纤维束的信息[2]。
弥散张量成像技术是在磁共振弥散加权成像基础上发展出来的一种技术，其能够在活体上显示出白质纤维束的图像，因此被广泛地应用到颅内肿瘤。
弥散张量成像技术可以在三维空间内观察到组织的微观环境中水分子的弥散特征，根据弥散情况分为各项同性弥散和异型弥散。而在脑脊液中一般弥散为各向同性，在白质纤维束中为各向异性，其在平行于纤维束的方向弥散程度一般大于垂直方向。这主要是与白质纤维束的直径、密度和神经胶质细胞密度、磷脂化程度等有关[3，4]，并与神经纤维方向及结构有关。
因此，弥散张量成像技术能够有效地对水分子的不同方向弥散情况进行反应，进而判断出白质纤维束的细微结构及解剖结构，有效地显示出肿瘤对白质纤维束的影响，判断白质纤维束的完整性，进而对肿瘤良性与恶性进行判断。
从本次实验结果中我们可以看出，良性组患者多发生白质纤维束的移位、水肿和浸润，患者的纤维束多较为完整，一般仅有位置和走向异常，部分患者会出现纤维束的血管源性水肿。此外，21例患者有浸润现象，是指出席那了纤维束的走行结构异常，并伴有轻度的破坏。而恶性肿瘤患者一般对对纤维束产生完全的破坏，在瘤区一般无纤维束。
通过分析我们认为，弥散张量成像技术显示出白质纤维束的破坏，主要是由于恶性肿瘤，例如胶质瘤等，会出现大量的血管生成，导致白质纤维束被破坏和消融，进而会影响纤维束的连续性与完整性[5]。
通过手术前对脑肿瘤患者进行弥散张量成像技术检查，可以直观地显示出患者白质纤维束的变化，为手术提供导航作用，并有效地避开移位的白质束。这样手术中能够更明确患者的手术切除范围，为医生提供直观依据，保护已经变形和移位的白质束，进而更好地提高患者的手术后生活质量，并将受损白质束切除，避免手术后复发。
综上所述，弥散张量成像技术能够对脑肿瘤患者进行有效的诊断，其能够清晰直观地观察脑肿瘤与周围白质纤维束的关系，判断脑肿瘤的良性与恶性。参考文献
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[关键词] 磁共振成像； 弥散张量成像； 脑肿瘤； 神经纤维束成像
[中图分类号] R739.41 [文献标识码] B [文章编号] 1005-0515（2012）-02-020-02
Research on Magnetic Resonance Diffusion Tensor Imaging(MR-DTI) and its Clinical Applications in Diagnosis of Brain Tumors
Li Song Wa Weimin Yang Yun Luo Song Fang Zeyun Dai Dingwei
(The Department of Radiology of the People's Hospital in Dali, Yunnan, Dali, 671000)
[Abstract] Objective To research and evaluate the applications of clinical significance of MR-DTI in brain tumors. Methods 23 cases(including 8 cases with glioma,9 cases with astrocytoma,6 cases with meningioma) were underwent the conventional MRI and MR-DTI,FA and ADC values of regions of interest were measured. By making comparison of the ADC and FA values in tumor, zone of necrosis and cyst, peritumoral edema region and jacent white matter region, research the variability of ADC and FA values in different regions, and show the relationship directly between integrity, orientation of white matter fiber tract and tumors. Results (1)①ADC and FA values of ROI in glioma: tumor(0.86±0.07/0.18±0.058),zone of necrosis and cyst(2.79±0.16/0.05±0.018),peritumoral edema region (1.86±0.071/0.12±0.049),jacent white matter region(0.71±0.06/0.47±0.05).②ADC and FA values of ROI in astrocytoma(gradeⅠ to Ⅱ):tumor(1.61±0.12/0.20±0.06),zone of necrosis and cyst(2.04±0.13/0.07±0.023),peritumoral edema region (1.45±0.26/0.13±0.06),jacent white matter region(0.71±0.07/0.47±0.06).③ ADC and FA values of ROI in meningioma: tumor(0.95±0.16/0.22±0.07),peritumoral edema region(1.42±0.30/0.41±0.07),jacent white matter region(0.71±0.06/0.47±0.08).(2)The relationship between tumor and white matter fiber showed by three dimensional images of the white matter fiber tractography. White matter fiber tract showed deviation, transition, disruption and infiltration. Conclusion There was significant difference of ADC and FA values among tumor, zone of necrosis and cyst, peritumoral edema region and white matter region.MR-DTI plays a very valuable role in formulating operative scheme and evaluating prognosis.
[Key words] Magnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Brain tumors； Nerve fiber bundle imaging
弥散张量成像(diffusion tenson imaging，DTI)应用于相同脑肿瘤间和脑肿瘤不同级别间的研究已有诸多报道，但对不同肿瘤DTI之间的差异研究较少。本研究重在研究不同脑肿瘤DTI间的差异和临床意义，并在活体追踪白质纤维束走形，清楚显示脑肿瘤累及的重要功能皮层区及相邻脑白质纤维束。
1 材料与方法
1.1 研究对象 我院2009年11月-2010年9月有颅内占位性病变的患者23例，其中男11例，女12例，年龄35-70岁。所有病例经手术及病理证实：胶质母细胞瘤共8例，灶周水肿明显；星形细胞瘤(Ⅰ－Ⅱ级)共9例，2例灶周水肿明显，1例灶周轻度水肿；脑膜瘤共6例，其中2例相邻脑组织水肿。
1.2 检查方法 MR检查技术：使用AVanto 1.5T I-CLASS磁共振仪。采用标准正交头线圈。扫描参数：TR3100ms，TE96ms，视野23×23cm，距阵256×256，层厚5mm，间隔1.5mm，1次采集，扫描时间为3分53秒。
数据后处理及白质纤维束成像方法：弥散张量成像扫描结束后将所有原始数据传输到工作站，采用SIMENS公司Offline tensor calculation(离线张量计算)软件进行后处理，处理后得到弥散表观系数图(ADC图)部分各向异性图(FA图)，测量肿瘤实体、肿瘤囊变坏死区、瘤周水肿区及临近正常白质区的ADC值和FA值。图像经Fusion mode转换成三维立体颅脑解剖图像，然后进行脑白质纤维束重建。
2 结果
2.1 病变部位、MRI信号特点及病理结果 8例为胶质母细胞瘤：T1WI上呈不均匀低信号，病灶边缘不清；T2WI上呈不均匀性高信号，肿瘤囊变坏死区信号更高。肿瘤实体区、囊变坏死区及水肿区边缘可在T1WI增强(见图1)。9例星形细胞瘤：肿瘤于T1WI上信号不均匀，大部分呈低信号，混杂斑片状、结节状等信号，病灶边缘不清；T2WI上呈不均匀性高信号，肿瘤囊变坏死区信号更高。肿瘤实体区、囊变坏死区及水肿区边缘可在T1WI增强(见图2)。6例脑膜瘤：T1WI上呈等信号或稍低信号；T2WI上呈等信号或稍高信号；边界清楚，周围可见水肿，肿瘤有明显强化，强化信号基本均匀(见图3)。
图1 患者，女，42岁，右侧额顶叶胶质母细胞瘤；T1WI呈不均性低信号，T2WI呈不均性高信号，可见异常血管流空信号，灶周呈片状长T1长T2水肿信号，中线左偏。T1WI增强呈不规则环状强化。
图2 患者，女，70岁，左侧额叶星型细胞瘤；T1WI呈不均性低信号，混杂斑片状、结节状等信号，T2WI呈不均性高信号，肿瘤实体呈稍高信号(白色箭头示)，囊变坏死区呈更高信号(黑色箭头示)瘤周水肿轻。T1WI增强肿瘤底部呈不规则环状强化及囊壁轻度强化。
图3 患者，女，64岁，左侧小脑幕下脑膜瘤；TIWI呈稍低信号，T2WI呈稍高信号，瘤内见斑块状短T2钙化信号，相邻小脑脑干受压变形，瘤周片状长T1长T2水肿信号，T1WI增强肿瘤显著强化。
2.2 ADC图、FA图信号特点及ADC值、FA值测量结果 胶质母细胞瘤和星形细胞瘤在ADC图上，肿瘤实体与正常实质相比，呈低信号；水肿区呈高信号；肿瘤囊变坏死区呈极高信号。在FA图上，肿瘤实体区呈低信号；水肿区呈等信号、稍高信号；囊变坏死区呈低信号；相邻白质呈高信号(见图4)。脑膜瘤在ADC图上，肿瘤实体与正常实质相比，基本呈等信号，水肿区呈高信号；在FA图上，肿瘤实体呈不均性高、低信号；水肿区呈低信号、稍高信号(见图5)。不同肿瘤组织成分与正常临近脑白质ADC值、FA值分别见表1、表2。
图4 胶质母细胞瘤、星形细胞瘤：ADC图：肿瘤实质区呈低信号(白色箭头示)，囊变区呈极高信号(黑色箭头示)，水肿区呈高信号(虚线箭头示)。FA图：肿瘤实质区呈低信号，水肿区呈等信号、稍高信号，囊变坏死区呈低信号。
图5 脑膜瘤：ADC图：肿瘤实体基本呈等信号混杂斑点状高信号(白色箭头示)，水肿区呈高信号(黑色箭头示)。FA图：肿瘤实体呈不均性高、等、低信号，水肿区呈低信号，稍高信号。
表1 不同肿瘤组织成分与正常临近脑白质ADC值
表2 不同肿瘤组织成分与正常临近脑白质FA值
2.3 白质纤维束成像影像表现 (1)在三维白质纤维束图上，绿色、红色及蓝色分别代表前后、左右及上下走行的脑白质纤维束，内囊前肢、内囊后肢、胼胝体膝、胼胝体压、外囊和锥体束等重要脑白质纤维束的走行和方向得到良好显示(见图6)。(2)总结23例脑肿瘤白质纤维素成像我们将肿瘤与脑白质纤维束的解剖关系分为2种：① 8例胶质母细胞瘤和9例星形细胞瘤表现为受压移位的同时伴有神经束破坏、浸润：星形细胞瘤和胶质母细胞瘤肿瘤细胞浸润造成瘤区和瘤周白质纤维束破坏和走行结构异常。瘤区不见纤维束，彩色编码的FA图上也无色彩或可见纤维束的FA降低，彩色编码的FA图上色彩和结构异常，瘤周白质纤维束稀疏，中断及走行方向改变(见图7)。②6例脑膜瘤表现为神经束推移、分离：脑膜瘤引起瘤周纤维束移位，但这些纤维束仍完整；纤维束的FA正常或略降低，仅位置或走行方向异常(见图8)。
图6 正常纤维束图：绿色、红色及蓝色分别代表前后、左右及上下走行的脑白质纤维束。
图7 胶质母细胞瘤、星型细胞瘤：纤维束示踪成像显示瘤区纤维束消失，瘤周白质纤维束稀疏、中断及走形方向改变(白色箭头示)。
图8 小脑幕下脑膜瘤纤维束示踪成像：显示小脑白质纤维束受压分离，方向呈环绕状改变，未见明显纤维束破坏。
3 讨论 根据表1数据，正常白质的ADC值最低，3种脑肿瘤的实体、囊变坏死区、瘤周水肿区ADC值均较正常值明显升高，ADC值的测定可以区分这些区及正常脑组织。3种脑肿瘤实体中星形细胞瘤的ADC值最高，胶质母细胞瘤的ADC值最低，脑膜瘤ADC值居两者之间。与Kono等研究认为低级星形细胞瘤的ADC值明显高于高度恶性胶质母细胞瘤的报道相似。肿瘤的囊变坏死区ADC值最高，3种脑肿瘤瘤周水肿的ADC值无明显差异，很难判断瘤周水肿区有无明显肿瘤细胞侵润。
根据表2数据，正常白质区FA值最大，表现为高信号；相反脑脊液FA值最小，表现为低信号。肿瘤实体、肿瘤囊变坏死区、瘤周水肿区的FA值均降低，FA值的测定可以区分肿瘤实体、肿瘤囊变坏死区、瘤周水肿区及正常脑白质。我们可以看出，胶质母细胞瘤和星形细胞瘤的瘤周水肿区FA值明显低于正常脑白质区FA值，在FA图上正常白质高信号消失，结合白质纤维束成像，瘤周白质纤维束完整性受到破坏。而脑膜瘤的瘤周水肿区FA值相对较高，FA图上呈等信号或稍高信号，结合白质纤维束成像，看到相邻脑白质受推移，无明显破坏、中断。因此，测定瘤周水肿FA值，可以帮助判断瘤周水肿区白质是否受到破坏。
比较23例病例常规MRI和DTI，发现胶质母细胞瘤病人脑白质的轻微破坏即可被DTI识别，而且胶质母细胞瘤占位效应越明显和伴显著水肿的，白质破坏更明显，白质纤维束成像表现为肿瘤内部及边缘白质的纤维束不能显示，水肿区纤维束中断；脑膜瘤白质破坏不明显，白质纤维束成像主要表现是白质移位、变形、分离。
通过23例脑肿瘤弥散张量成像的临床应用研究，我们认为，DTI主要有以下优越性：(1)DTI可以清楚显示肿瘤与周围白质纤维的位置关系。(2)鉴别肿瘤周围是否存在尚有功能的白质纤维束，避免术后损伤受压移位的白质纤维。(3)白质纤维束成像能三维立体显示白质纤维的形态、走形特点，简单、直观观察脑肿瘤相邻白质纤维束的改变。
综上所述，正常白质区ADC值较小，FA值最高。同种肿瘤的实体ADC值和FA值无明显差异，判断肿瘤分级及组织成分无明显相关性，且瘤周水肿与肿瘤实体不能准确区分，但脑肿瘤实体、囊变坏死区、瘤周水肿区的ADC值均增高，FA值均降低。ADC值和FA值的测定可以区分肿瘤实体、肿瘤囊变坏死区、瘤周水肿区及正常脑白质；ADC值和FA值在不同肿瘤的测定有明显差异，所以ADC值和FA值的测定是否能预测脑肿瘤的性质尚需我们总结更多的样本进行分析；不同脑肿瘤瘤周水肿ADC值无明显差异，而FA值差异明显，FA值的明显降低，可以帮助判断瘤周水肿区白质是否受到破坏。脑白质纤维束成像技术可明确显示颅脑肿瘤与相邻脑白质纤维束的解剖关系，对于制定手术计划、指导手术是非常有帮助的。对提高颅脑肿瘤患者手术的安全性及术后患者功能的恢复有重要意义。
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关键词 弥散张量成像；白质；纤维束；语言；认知
分类号 B842；B845
1 引言
随着脑成像技术在认知神经科学领域的广泛应用，人们对于各种心理认知行为的研究逐渐从行为水平深入到脑、神经的水平上。以核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)为代表的非侵入性脑成像技术在语言认知研究中取得了丰富的研究成果，尤其是利用血氧水平依赖(Blood Oxygenation Level Dependent，BOLD)信号的功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)，其在大脑皮层的语言功能定位研究方面，极大地补充了以往人们对大脑语言功能区的认识。
尽管fMRI技术在大脑皮层的功能激活研究上有着很多的优点，但由于成像原理的限制，其成像对象主要集中在大脑灰质皮层部分，对于与大脑灰质皮层密切联系的白质部分则显得不够充分。语言认知相对于视觉、听觉、注意等基本认知过程显得更为复杂，通常被认为是一种较高级的认知过程。在功能成像中语言任务往往激活多个脑区，语言功能的实现不仅仅依赖于这些皮层区的激活，更重要的是依赖神经信息在各个脑区之间的传递，而这种神经信息传递的结构基础就是功能脑区之间的白质纤维束连接。这些激活脑区在结构上是如何连接，从而实现语言功能层面上的整合认知，这是研究者感兴趣的。基于MRI的另一种脑成像技术――弥散张量磁共振成像(Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging，DTI)则很好的弥补了这方面的不足。
fMRI利用血管中脱氧血红蛋白和合氧血红蛋白的比例，间接区分大脑神经元在无刺激和有刺激时的神经兴奋活动性。而DTI则是利用水分子在诸如大脑白质的生物体组织中的弥散各向异性(anisotropic diffusion)，对生物组织结构进行成像的。正是由于DTI技术能对大脑白质纤维结构进行成像，以及它区别于其他研究大脑结构技术手段的非侵入性等特点，使得这种成像方法受到了认知神经科学家、脑外科医生以及心理学家的关注(catani，2006；Duffan，2008；Gabrieli，2009；Schlaggar&McCandliss，2007)。
2 DTI基本原理
在大脑白质中，具有相同连接走向的神经元轴突构成神经纤维束，神经纤维束一般被认为是连接不同大脑皮层区的底层神经结构，用以传递神经刺激。正是由于神经纤维束的这种高度定向性的结构特征，使得水分子在大脑白质中倾向于沿着神经元轴突的长度方向进行弥散，而在与轴突垂直方向上的弥散会受到阻碍，即弥散呈现出各向异性的特点(Beaulieu，2002)。DTI正是利用核磁共振仪测量记录生物体组织中水分子的这种弥散特点，从而推断出生物组织的结构特征(Basser&Jones，2002；Mori&Van zij1，2002)。
由于在三维空间中水分子的弥散可能朝着任意方向，仅仅依靠一个标量来描述弥散是不够的，因此需要引入一个二阶张量来描述三维空间中的弥散性质，这也是为什么叫作弥散张量成像的原因。一般情况下，二阶的对称张量有6个自由变量，因此至少需要测量6个方向的弥散信息来计算弥散张量。一般的磁共振仪都可以测量12、20、32个甚至更多个方向的弥散加权像。后续的纤维追踪等数据处理都是建立在弥散张量的计算基础之上。在几何上一个成像体素中的弥散张量对应于三维空间中的一个椭球，弥散张量的最大特征值所对应的特征向量方向，即椭球的主轴方向，被认为是该成像体素中大多数水分子整体弥散的方向，因而被认为是纤维束的连接方向。纤维追踪就是根据每个体素中的主轴方向，重建出三维空间中的纤维束连接。这也是确定性纤维追踪算法的基本原理(Lazar，Weinstein，Tsuruda，Hasan，Arfanakis，Meyerand，Badie，Rowley，Haughton，&Field，2003；Lu，Aldroubi，Gore，Anderson，&Ding，2006)，与确定性纤维追踪相对应的是概率性纤维追踪算法(Behrens，Berg，Jbabdi，Rushworth，&Woolrich，2007)。
在DTI成像中使用最广泛的一个参数就是局部各向异性(Fractional Anisotropy)指数，又称FA值(Basser&Pierpaoli，1996)，用下式计算得到其中λ1、λ2、λ3分别对应于弥散张量的三个特征值。FA的取值范围在0到1之间：越接近0表示体素中的水分子弥散各向同性程度越高，水分子朝各个方向的弥散几率相同，该体素中的纤维束没有方向很明显的特定连接；而越接近1则表示该体索中水分子弥散的各向异性程度越高，水分子几乎朝着主轴方向进行弥散，即该体素中的纤维束连接几乎朝着同一方向。因此体素中的FA值大小描述了该体素中分水子的各向异性弥散程度，亦间接描述了体素中纤维束连接的一致性。但有一点需要注意的是，FA值本身并没有提供纤维束连接的具体方向，这需要诸如纤维追踪等其他数据处理方法来描述。
使用弥散张量计算所得到的每个体素的FA值、以及追踪所得到的纤维束连接，使得结合DTI来研究功能认知大致可以分为基于体素(voxel-based)或感兴趣区(ROI-based)的分析方法，以及基于纤维追踪(tract-based)的分析方法。其中基于体素的分析方法常常是以数据主导的，而基于感兴趣区和纤维追踪则是以先验假设为主导的分析方法。DTI与语言认知研究的结合也主要从这两个方面来开展。
3 DTI与语言认知研究的结合
认知神经科学的许多实验技术(例如ERP、fMRI等)都有一个相同的研究思路，即如何将认知任务的细小变异在大脑神经反应上体现出来(例如ERP对应的不同脑电成分、fMRI对应的不同脑区的激活等)。但由于水分子的弥散是一种自发的物理现象，仅仅是由于其弥散环境的结构特点使其呈现出各向异性或各向同性。DTI也正是根据这种弥散特性间接推断生物组织结构的，因此进行DTI的扫描并不需要特定的认知任务，被
试在有无刺激的情况下得到的数据相对稳定。正因为如此，DTI成像技术既有好的一面，例如在脑损伤的病人研究中，由于被试不需要做任务，所以DTI得到的结果可以解释引起病人行为差异上的大脑结构的变异；同时也有不足的一面，即DTI不容易和具体的认知研究结合起来。所以如何将DTI和认知研究相结合并充分利用DTI的特点成为研究者所思考的一个问题。
DTI之所以受到认知神经科学家的重视，在于其可以找到人们所关心的认知功能之下的生理结构基础。这一点对于认知研究，特别是语言认知研究具有重要的意义，对于前人语言认知研究所提出的一些加工模型，结合DTI可以试图找到这些认知加工模型的结构基础。这样不仅可以从结构上验证各种语言加工模型，对于更复杂的语言加工模型的提出也具有一定的指导意义。
3.1语言的认知能力――DTI与行为认知研究
一个普遍的假设是，各种认知加工的反应时依赖于大脑白质结构的微观结构性质，例如轴突髓鞘化的程度。髓鞘化程度的增加将会促进神经刺激的传导速度，体现在行为上则表现为反应时减少。髓鞘化程度与DTI成像体素的FA值有关，轴突髓鞘化程度越高，体素中FA值也越高；而神经传导越快，行为反应时则越短(Beaulieu，2002)。髓鞘化程度与神经刺激传导速度之间的这种相关关系则可以通过成像体素的FA值与行为反应时之间的关系来验证。相关脑区的FA值越大，则通过该脑区传导神经刺激的行为认知反应时也越短。
Gold等人用DTI技术研究了视觉词汇识别能力与大脑白质间的关系(Gold，Powell，Xuan，Jiang，&Hardy，2007)。研究发现，言语能力正常的被试在完成真假词汇判断任务时，其行为反应时与大脑左侧额下、顶下脑区的白质体素FA值呈显著的负相关。研究者通常认为被试在完成快速词汇判断的过程中，涉及到了视觉输入、言语加工、以及执行判断等序列加工环节。研究中发现与反应时相关的顶叶下部皮层区属于言语加工的典型脑区，而非视觉加工或运动执行等相关脑区。研究进一步发现相关的额下、顶下白质区域位于上纵束神经纤维附近，因此这两个脑区在完成词汇判断任务时可能存在结构上的联系，比如快速的神经刺激传导。而且根据研究结果的负相关可以看出，视觉词汇识别的速度与额下、项下之间的纤维束连接强度(或者说纤维束的走向一致性)有一定关系。
阅读是语言认知研究的一个重要的方面，是从书面文字中获取意义的过程。阅读不仅包含视觉、听觉等低级认知加工过程，而且也包含语言学等相对高级的认知加工过程。对个体而言，正常阅读能力的发展是其他学习能力发展的基础。阅读障碍通常是指在儿童学习获得阅读技能的过程中所表现出的显著异于正常阅读群体的困难(Vellutino，Fletcher，Snowling，&Scanlon，2004)。在英语母语的儿童中大约有5％～17％的人存在着阅读障碍(Gabrieli，2009)。因此研究阅读障碍儿童成为我们了解人类语言认知的一条重要途径。在阅读技能的发展过程中，大脑结构发育的差异。例如不同脑区之间的神经纤维连接的不同。或许能够解释不同个体之间阅读能力的差异(Nagy，Westerberg，&Klingberg，2004)。DTI正好可以用于探究不同个体之间在大脑白质纤维束连接上的异同(caylak，2009；Gabrieli，2009；Schlaggar&McCandliss，2007)。成像体素中较高的FA值表示神经连接发育过程中髓鞘化程度较高；反之表示髓鞘化程度较低，神经纤维连接的程度亦较低。
研究者发现，无论是对于成人的正常阅读能力者和阅读困难者(Klingberg，Hedehus，Temple，Salz，Gabrieli，Moseley，&Poldrack，2000)，还是对于正处在阅读发展过程中的或高于平均阅读能力水平的儿童(Beaulieu，Plewes，Paulson，Roy，Snook，Concha，&Phillips，2005；Deutsch，Dougherty，Bammeg Siok，Gabrieli，&Wandell，2005)、或低于平均阅读能力水平的儿童(Niogi & McCandliss，2006；Odegard，Farris，Ring，McColl，&Black，2009)、或正常阅读能力水平的儿童(Fryer，Frank，Spadoni，Theilmann，Nagel，Schweinsburg，&Tapert，2008，)，其左侧相应脑区的FA值与标准化阅读测验分数呈现显著的正相关。对于成年人，FA值与测验正相关的脑结构为左侧颞顶联合区皮层下的白质纤维；而对于儿童，相应脑结构为胼胝体的上冠状束。二者之间的区别在于对成人的研究中相关白质纤维束为前后的连接走向：而儿童的相应脑区白质为上下走向的冠状纤维束。
语言认知、阅读能力与DTI成像体素的FA值有关，这一点揭示了大脑功能与结构之间的关系。但研究者更感兴趣是，究竟是大脑发育过程中，白质结构上的细小差异导致了语言功能或阅读能力上的差异；还是由于在认知发展过程中，不同水平的认知能力塑造了与之所对应的不同白质纤维结构。由于只是相关研究，所以并不能给出大脑结构与语言功能之间的因果关系，要回答这个问题还需要更丰富的技术手段与更综合的追踪研究来探讨。
3.2语言的大脑结构――DTI与fMRI功能激活研究
与语言有关的脑成像研究可以给我们提供很多关于语言认知脑模块化理论的脑激活证据。脑的模块化理论认为不同的脑区参与不同的认知功能。由于语言认知研究的复杂性，加上语言材料本身的复杂性，使得被试在特定的语言认知任务下，有一系列激活脑区参与认知任务。近年来不少的脑成像研究都越来越支持认知的网络化理论，认为完成某一项特定的认知功能需要一系列脑区参与其中，而某一特定的脑区往往也参与不同的认知加工过程(Price&Friston，2005)。
脑成像研究(例如具有较高空间分辨率的fMRI)虽然可以呈现出针对这些认知任务所激活的不同脑区，但并不能呈现这些脑区之间在结构上的联系。我们知道激活主要集中在大脑的灰质皮层，也就是神经元的胞体及树突部分，而传导神经刺激的轴突则位于皮层下的白质。白质纤维束就是连接不同脑区皮层的神经纤维结构，DTI纤维追踪技术能很好的描述白质纤维束的连接情况。若以功能激活脑区为种子点或感兴趣区，从种子点出发进行纤维追踪，就能还原出不同功能激活皮层之间的纤维联系，这对于了解不同激活脑区之间的结构连接提供了很好的证据，也给认知理论的网络化模型从大脑结构上提供了很好的证据(Mulkem，Davis，Haker，Estepar，Panych，
Maier，&Rivkin，2006；Staempfli，Reischauer，Jaermann，Valavanis，Kollias，&Boesiger，2008)。
3.2.1 DTI与语言偏侧化
语言功能的偏侧化和大脑结构的偏侧化之间的关系是研究者一直所关心的问题。已经有很多研究探讨了基于功能激活和体素形态(Voxel-Based Morphometry，VBM)的大脑灰质的不对称性，例如Good和Watkins等人发现左侧颞平面的灰质密度显著大于右侧(Good，Johnsrude，Ashburner，Henson，Friston，&Frackowiak，2001；Watkins，Paus，Lerch，Zijdenbos，Collins，Neelin，Taylor，Worsley，&Evans，2001)。而研究两个半球白质结构之间的差异却很少。DTI方法的出现弥补了这一研究空白。
与语言功能偏侧化相一致，研究者利用DTI方法考察了正常被试在大脑白质结构上的半球差异(Buchel，Raedler，Sommer，Sach，Weiller，&Koch，2004;Catani，Allin，Husain，Pugliese，Mesulam，Murray，& Jones，2007;Hagmann，Cammoun，Martuzzi，Maeder，Clarke，Thiran，Meuli，& Patemot，2006；Nucifora，Verma，Melhem，Gur，& Gut，2005;Parker，Luzzi，Alexander，Wheeler-Kingshott，Ciecarelli，& Lambon Ralph，2005；PowelI，Parker，Alexander，Symms，Boulby，Wheeler-Kingshott，Barker，Noppeney，Koepp，&Duncan，2006;Vernooij，Smits，Wielopolski，Houston，Krestin，& Van der Lugt，2007)，研究发现在左侧语言相关脑区白质体素的FA值显著大于右侧，说明左侧的白质纤维具有更高的结构定向性，并且与语言功能相关的弓状束纤维、上纵束纤维也都具有左侧偏侧化。例如Catani等人的纤维追踪结果发现在外侧裂附近的语言网络左右半球存在差异(Catani et al.，2007)，这种差异具体表现为：虽然左侧和右侧都有从额叶连向顶叶，再从顶叶连向颞叶的间接纤维连接，但左侧却存在从额叶直接连向颞叶的纤维连接，即弓状束纤维连接。有趣的是，在Catani等人的研究中还发现这种弓状束连接偏侧化程度越高的被试，在完成依靠语义回忆词汇的测验任务上成绩越差。这似乎与之前所认识的语言功能的偏侧化与大脑结构的偏侧化有关这一观点矛盾，大脑结构越对称的被试对于特定的认知功能似乎更具有优势。
对于纤维结构上的偏侧化与功能偏侧化之间的关系，研究者也未取得一致的结论。虽然研究发现这种白质纤维束结构的偏侧化与功能偏侧化具有一致相关性，但也有研究者报告这种一致性受到了被试利手的影响：只有在右利手的被试身上才发现结构的不对称程度与功能的不对称程度相关(Vemooij et al.，2007)。最近的一个白质结构连接的研究(Gharabaghi，Kunath，Erb，Saur，Heckl，Tatagiba，Grodd，&Kamath，2009)还发现了与左侧语言脑区白质结构连接模式(catani et al.，2007)相似的右侧纤维连接。这也给已经得到白质纤维偏侧化与语言功能偏侧化之间的关系提出了挑战。
利用DTI方法研究大脑语言结构和功能偏侧化之间的关系，既发现了很多结构和功能偏侧化一致的结果，也提出了很多新的问题。更重要的是利用DTI研究大脑偏侧化问题给我们探索大脑结构和功能之间的关系提供了一条有益的途径。
3.2.2 DTI与语言通路
在语言认知研究中，大脑左半球皮层的Broca区和Wemicke区被认为在语言加工中起到了重要的作用，这两个脑区的之间的联系也被认为是语言认知中重要的神经连接。基于此，研究者提出了很多语言认知加工模型(Hickok&Poeppel，2004；Price，2000)。结合功能成像和DTI可以构建出语言的结构通路(Catani&Jones，2005；Friederici，2009；Friederici，Bahlmann，Heim，Schubotz，& Anwander，2006；Ghazanfar，2008;Glasser & Rilling，2008；Rilling，Glasser，Preuss，Ma，Zhao，Hu，& Behrens，2008；Saur，Kreher，Schnell，Kummerer，Kellmeyer，Vry，Umarova，Musso，Glauche，& Abel，2008)。
研究者发现除了连接Broea区和Wemicke区之间的经典弓状纤维束外，还存在额外的背侧和腹侧纤维束通路。其中Catani等人最先报告利用DTI方法发现了经由项下脑区连接Broca区和Wernieke区的间接通路(catani&Jones，2005)。并认为经典的直接通路与语音加工有关，而间接通路与语义加工有关。Glasser和Rilling以前人已有研究关于词汇语义、语音和韵律加工的激活脑区为种子点，追踪到了连接颞叶和额叶的弓状束纤维，并且从结构上区分了弓状束腹、背侧两条对应不同功能的神经通路(Glasser&Rilling，2008)，其中连接颞上(BA 22)和额叶(BA 44)的腹侧弓状束负责传递语音信息；而连接颞中、颞下(BA 21，37)与额叶的背侧弓状束则是传递词汇语义信息的重要通路。Sanr等人结合fMRI和DTI纤维追踪，发现了与亚词汇假词复述任务相对应的背侧通路，以及与听觉句子理解任务相对应的腹侧通路(saur et al.，2008)。而在腹侧，研究者发现了连接Broca区(BA45)和贺氏回脑区、颞上回前部脑区的外侧囊腹侧纤维束和沟状纤维束(Anwander，Tittgemeyer，Von Cramon，Friederici，&Knosche，2007；Frey，Campbell，Pike，&Pegides，2008)。综合功能成像的研究，腹侧通路与语义加工关，而背侧通路更多的是与句法加工有关。
研究脑损伤病人的DTI数据(choi，Jeong，Rohan，Polcari，&Teicher，2009；RauscheckeLDeutsch，Ben-Shaohar，Schwartzman，Perry，&Dougherty，2009)，结合功能像、行为测查，并将
数据与正常人做对比，则能更细致具体地发现语言认知能力和白质纤维束之间的关系。Rauschecker等人研究了一名由于5岁时恶性脑肿瘤接受放射治疗的病人，在随后几年对该病人的追踪行为测查中，发现病人存在深层的阅读障碍以及视空间、计算、以及快速命名的缺陷。对比该病人的DTI图像与正常人群的DTI图像发现，该病人缺少了双侧的上纵束神经纤维，以及弓状束神经纤维。研究者推测该病人的阅读缺陷和视空间缺陷分别与左侧和右侧的上纵束纤维的异常有关。该研究认为左侧上纵束纤维在个体的语言发展，特别是阅读发展中起到了重要的作用，该神经纤维的发展异常则会导致阅读的困难。
DTI成像技术使得我们可以非侵入性的直接观察大脑内部白质纤维的结构，Rilli，ag等人就比较了人与黑猩猩、猴大脑的弓状束纤维的异同(Rilling et al.，2008)。正如本文之前所综述的，弓状束在语言加工中起到了重要的作用，Rilling的研究发现黑猩猩和猴的弓状束纤维主要从额叶连向顶叶，只有少量的纤维连向颞上部分区域，而人类的弓状束纤维则更多地向颞中、颞下脑区延伸。弓状束所连接的颞叶和额叶脑区也更广泛。研究者认为这种物种之间的脑形态结构上的差异或许反映了语言功能的生理结构基础和大脑结构进化之间的关系。
DTI用于研究语言通路，不仅可用于研究特异于其他认知功能的语言大脑结构，也可以试图从大脑进化的角度帮助我们理解人类与动物之间在习得语言技能上的结构差异。
3.3语言网络――DTI与其他脑成像方法
近年来，关于大脑网络的研究越来越受到研究者的重视。包括功能连接、白质纤维束连接、灰质密度、皮层厚度等在内的多种功能和结构形态从不同方面描述了大脑的网络特征(Bullmore & Sporns，2009；Hagmann，Cammoun，Gigandet，Meuli，Honey、Wedeen，&Sporns，2008；He，Chen，&Evans，2007)。
DTI作为无创的大脑白质纤维束连接成像技术也为研究大脑整体网络提供了丰富的信息。已有的静息态功能成像发现，大脑存在和语言相关的默认网络(Greicius，Supekar，Menon，&Dougherty，2009；Xiang，Fonteijn，Norris，& Hagoort，2010)，Carreiras等人的研究就分别从灰质密度、白质纤维链接和功能连接几个方面共同解释了晚期阅读习得者和文盲之间由于脑结构和功能上的差异所表现出来的阅读能力的差别(carreiras et al.，2009)。Morgan等人利用功能定位找到辅助运动区、Broca区以及Wernicke区等语言相关脑区，并比较了这三个脑区之间静息态功能连接和DTI结构连接之间的关系(Morgan，Mishra，Newton，Gore，Ding，&Greenlee，2009)，发现辅助运动区和Broea区之间在功能连接和结构连接上具有正相关关系。Morgan等人的研究对于比较不同脑成像模态网络之间的关系做出了有益的尝试。使用多种脑成像手段共同研究语言认知网络(Agosta，Henry，Migliaceio，Neuhaus，Miller，Dronkers，Brambati，Filippi，Ogar，&Wilson，2010；Carreiras，Seghier，Baquero，Estevez，Lozano，Devlin，& Price，2009；Saur，Sehelter，Sehnell，Kratoehvil，Kiipper，Kellmeyer，Ktimmerer，K10ppel，Glauche，&Lange，2010)，并同时探讨这些不同脑成像模态网络之间的关系(Morgan et al.，2009)逐渐成为今后脑成像与功能认知研究的趋势。
4 总结
DTI成像相比于其他脑成像技术有着无法取代的优势。其基于水分子各向异性弥散的成像原理使得我们可以非侵入性的直接观察大脑的白质纤维结构以及脑皮层之间的纤维联系。已有的DTI与语言认知的研究从多个方面展示了DTI在语言认知研究方面的特点与优势：DTI与行为认知的研究揭示了包括阅读障碍在内的特定语言认知缺陷与相关的大脑白质区纤维联系程度的显著下降有关：DTI与fMRI的研究则从功能偏侧化和功能结构两个角度同时为语言认知的理论模型验证提供了脑成像的证据；DTI与脑网络结构的研究则为今后DTI与语言认知研究的结合与发展指出了一条新的途径。
尽管DTI在认知研究中有着很多的优点，但它本身也有一些固有的缺陷。比如成像体素的空间分辨率只在毫米数量级，因此无法解决体素中存在纤维交叉的情况。DTI本身并不和认知功能有很大的关系，因此如何更好的把它和认知结合也是值得研究者思考的一件事情。DTI与语言认知研究还有待继续研究的问题包括：1)连接不同语言脑区的白质纤维束是否具有特异性的功能；2)信息在语言脑区之间的纤维束中传递的方向是怎样的；3)语言脑区之间的结构连接和功能连接有什么样的关系；4)发展更好的DTI纤维追踪技术。
以开发新型纺织原料为目的,从一种资源丰富的农业废弃物荷秆中提取纤维原料――莲纤维。经物理方法提取的莲纤维,细长柔软飘逸,外观乳白泛黄。经SEM观测,发现莲纤维是由数根直径约4μm的单丝横向缔合而成,纵向有横节,间距3μm～5μm。纵向形态为螺旋卷曲,单丝横截面有中腔。既为纺织等行业提供了绿色纺织原料,又为农业深加工开辟了新出路,具有较大的社会效益和经济效益。
关键词:荷秆;莲纤维;形态结构;螺旋卷曲
Abstract: In order to develop the new raw textile materials, we withdraw lotus fiber from rejected lotus stalks, which are abundant in agriculture. After physical extraction, the fiber is slender and soft, breast yellow with appearance. Through the SEM observation, we discover the single lotus fiber is composed of several tiny fibers with diameter approximately 4μm, and has horizontal burls in the lengthwise direction. spacing 3~5μm. Lengthwise direction assumes the belt-shaped spiral revolving tune, and the lateral section has mesocoeles and holes. It has provided both the green ecology raw materials and the new outlet for the intensive process of agriculture, with big social efficiency and economic efficiency.
Key works: lotus stalks; lotus fiber; shape structure; spiral revolving
合成纤维,绝大部分是经由石油等不可再生资源提炼而成,如涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、乙纶等。天然纤维,又分为天然植物纤维、天然动物纤维和矿物纤维。天然植物纤维,是通过土地栽培、自然生长获得。天然动物纤维,是通过动物饲养繁殖获得。从世界经济发展和环境保护角度上看,这些天然纤维或合成纤维未必能够持续满足纺织工业生产与居民消费的需要。例如,对于合成纤维,地球上的石油资源恐有枯竭的危险;对于天然纤维,全面开发土地栽培和动物饲养繁殖,将会受到土地资源限制,甚至会破坏生态环境,势必产生粮食危机等等。为避免已有纤维产量或增长量不能满足将来纺织工业发展的需要,近年来,世界范围内正在积极兴起一股开发新型纤维材料[1] 的热潮。
莲植物是被子植物中起源最早的种属之一,多年生长在水中。莲分藕莲、子莲、花莲三种,可供人们食用或观赏。而莲之梗秆,自古以来作为农业废弃物而被广泛忽略。据资料统计,我国莲藕种植面积有近千万亩,每年收获莲藕后,大量荷秆不是枯萎腐烂就是被随意扔弃,而富含纤维素的荷秆一直没有得到有效重视和利用。如果每亩荷秆按2.5t计算,每年有上千万吨荷秆被抛弃,粗略估计,可以从中提取10万t以上的莲纤维。莲纤维的开发与应用不仅为传统的天然纤维增添新品种,而且为农业废弃物的综合利用开辟了新途径,还可为部分农民提供就业与创收的机会,具有潜在的经济、社会价值。从这种农业废弃物――莲秆中提取莲纤维的研究与探索[2],笔者与有关科研工作者一起自2004年以来进行不断探索和尝试,从服用纤维的提取加工方法、纤维表面形态结构研究和纤维的物理机械性能测试出发,为综合开发应用莲纤维奠定理论基础,本文仅对手工制取莲纤维的形态结构进行探讨。
1试验
1.1 莲纤维(试样)制取与准备
将收取莲子或莲藕后的荷秆,经物理或机械方法分离提取茎秆内部的纤维;或将荷秆以生物酶与化学溶液处理后再借助纤维分离器机械分离茎秆内部的纤维[3]。基于文献[3]的方法,本文采用实验室物理提取。提取过程见图1,用物理方法将荷秆茎秆部分折断至3 cm～4cm,经手工抽取拉伸得到一定长度的莲纤维,将其叠合或搓捻,即可获得莲纤维的纤维束团。实验室物理制取的莲纤维试样,外观乳白泛黄,细长柔软飘逸,略带莲藕清香。
1.2试验准备
试样一:取正常成熟的荷秆,清洗晾干、去刺切断、制作荷秆横截面与纵向切片;
试样二:实验室物理制取莲纤维束若干;扫描电镜试样需经喷金预处理;
仪器与试剂:JSM6700F扫描电子显微镜(SEM)、E-220G生物显微镜、Y172哈氏切片器、液体石蜡、液体火胶棉等。
2结果与讨论
2.1莲纤维原始形态结构研究
经生物纤维镜观察,荷秆横截面分布众多大小不一的多边形孔洞,似蜂窝状,如图2。纵向呈现许多竖直的微细孔道,莲纤维在孔道中螺旋紧密排列,如图3、图4所示。当遇外力,荷秆被折断分离时,莲纤维将会被拉伸出孔道,如图5,类似藕断丝连,莲纤维原始形态结构发生改变。
2.1.1纤维卷曲方面
随着外力抽拔拉扯,莲纤维在荷秆孔道中螺旋紧密排列的状态被打破,逐步转变为卷曲比较少的状态,卷曲强度降低,弹性变差,甚至没有卷曲,如径直棒状,如图6～图8所示,并且,这种改变受莲纤维取至荷叶秆梢部、中部及根部的位置不同而不同。
2.1.2纤维直径方面
SEM观察发现,莲纤维纵向由多根单丝(或称为微细莲纤维)缔合而成,如图6。通过测量,单丝直径约为4μm,比羊毛、棉纤维细得多,只有其1/6～1/3,莲纤维束一般由3~10根单丝组成。
在莲纤维束受到外力拉伸过程中,如果外力等于或大于单丝间缔合联结抱合力,则单丝之间产生互相滑移,一根或几根单丝从缔合体纵向脱离开来,形成直径介于莲纤维束与单丝之间的莲纤维,这样,通过抽拔拉扯而出的莲纤维,其直径不匀率增加,经检测,CV值达66.17%。 假设,莲纤维中单丝呈图6所示的平行缔合联结,则莲纤维束直径为各单丝之和。
D束纤维 = n × d单丝 (n=1, 2, 3...)
2.1.3纤维长度方面
在莲纤维试样的物理制取过程中,莲纤维从荷秆孔道中被拉扯出来时会受到孔道壁的粘黏阻力。当阻力或外力大于莲纤维断裂强力时,莲纤维发生断裂,其结果是,一部分纤维继续留在荷秆的孔道中,一部分纤维被拉出。这样,导致制取的莲纤维平均长度变短,长度整齐度变差,而且这种简单的物理制取方法大大降低了莲纤维的制取率。
2.2莲纤维形态结构研究
根据图6～图8所示,莲纤维是由数根单丝缔合联结而成的束纤维,这种单丝缔合体结构的表面呈现出大量缝隙孔洞和凹凸不平的特征,莲纤维的形态结构与棉纤维有着显著区别,如图6～图9,单丝缔合体横截面变为任意组合或是散乱的复杂形状,如圆形、月牙形、线形或其他不规则形状,如图10～图12。
莲纤维单丝经SEM放大6000×观察,表面光滑略有清晰横纹,单丝直径约为4μm,横纹距离10μm～20μm,在单丝表面常有一些为糖类黏性物质攀附[4],如图13。单丝横截面近似圆形,有中腔,如图14。
经实验研究测试得出,莲纤维的长度、细度、强力、螺旋卷曲程度、卷曲率等各物理指标与莲藕品种、生长环境、收割季节、提取部位及提取方法等有密切联系。试验进一步对荷秆梢部、中部和根部三个部位分别提取、制得的莲纤维,经观察测试发现,取自稍部的莲纤维细长柔软飘逸,单丝呈并排缔合联结,如图6,带状螺旋卷曲,卷曲大,数量多;取自荷秆根部的莲纤维短而粗,单丝呈紧密抱合状,如图7,棒状,卷曲少,甚至没有;取自荷秆中部的莲纤维表面形态则基于两者之间。
3结束语
莲纤维可经物理方法直接提取,制得的纤维细长柔软飘逸,外观乳白泛黄,略带莲藕清香。本试验中的物理提取方法会使莲纤维原始形态结构发生改变,使纤维的外观形态、物理和机械性能等纤维基本特性发生显著变化。同时,经观测发现,莲纤维是由数根单丝缔合联结而成,单丝缔合体表面呈现众多缝隙空洞,截面形态也并不规则。单丝纵向光滑,略有细微横纹,截面近似圆形,有中腔。试想在不久的将来,可以通过广泛回收农业废弃物,改善制取方法和加工工艺,莲纤维这种独特的天然形态结构,定会赋予其制品优良的吸湿透气性和良好的上染率,而莲纤维制品自然、亲和、环保的特性和传承莲藕本体的抗菌保健功效,也必将在服用穿着中得到完美展示[5]。
参考文献:
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