电针刺激穴位的脊髓fMRI初步研究

陈业晞，沈智威，肖叶玉，李志扬，吴仁华*，孔抗美*

CHEN Ye-xi1, SHEN Zhi-wei2, XIAO Ye-yu2, LI Zhi-yang1, WU Ren-hua2*, KONG Kang-mei1*

1Deparment of Surgery, 2Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital,Medical College of Shantou University, Shantou 515041, China

针灸是中国传统医学的重要组成部分，经过几千年的实践已证明其独特疗效。但针炙的作用机理尚未完全明确，因此其科学性及客观性受到质疑。随着功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技术的广泛应用，已开展很多使用脑功能成像技术研究针灸作用机理的研究[1]。脊髓是脑和身体的信息导线，脊髓中神经元活动可导致一系列生理活动，也应可以进行功能成像研究。自从1996年Yoshizawa等[2]发表脊髓fMRI文章以来，脊髓fMRI研究已广泛开展。但与脑功能成像技术相比，由于脊髓形态细长，易产生磁敏感效应，并伴有明显的脑脊液搏动、心脏和呼吸的影响，极易产生运动伪影，因此脊髓功能成像研究的发展深受技术限制。最近10多年，伴随MRI技术的发展，脊髓fMRI研究取得明显进步[3]。通过检测基于T2*加权的血氧水平依赖 (blood oxygenation level dependent，BOLD)效应和基于质子密度加权的血管外质子信号增强(signal enhancement by extravascular protons，SEEP)效应，发现脊髓功能激活区域和电生理等理论对应区域相一致，认为使用fMRI技术检测脊髓神经功能是可行的[4]。本研究通过电针同时刺激健康志愿者右手阳明大肠经上的合谷穴和曲池穴，使用采用单次激发快速自旋回波(single-shot fast spinecho，SSFSE)序列检测基于SEEP效应的脊髓功能激活区，观察颈髓功能激活区的位置及激活点数，验证使用脊髓磁共振成像技术研究针灸作用机理的可行性，为针灸提供客观的理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验对象

取健康志愿者8例，均为男性，右利手，平均年龄为25.9岁。均无神经系统疾病。实验前告知实验内容，取得同意和配合，并签署知情同意书。实验中扫描解剖像，排除脊髓发育异常情况。

1.2 刺激模式

电针刺激：采用0.30 mm×25 mm的银质毫针，快速进针刺激右手合谷穴，深度20 mm，针刺得气(酸、麻、胀、重的感觉)后，G9805C低频电子脉冲治疗仪正极接入右手合谷穴，参考电极置于右臂曲池穴，形成循环径路。连续脉冲波，刺激频率1 Hz，刺激强度5～10 mA，以不引起被试者不适感为宜。激活模式采用组块(block design)设计，即静息像(rest)与刺激像(stimulate)相交替。首先为静息态，不给予刺激，持续49秒，共7个扫描(scan)时间；然后为刺激态，使用电针刺激，持续35秒，共5个扫描时间；第二个静息态持续35秒，第二个刺激态同样持续35秒。然后重复进行。为了比较不同刺激时间对结果的影响，实验根据组块不同分成2组：第一组设计了3个组块，即静息态重复4次，刺激态重复3次，即R-S-R-S-R-S-R，共4分14秒。第二组设计5个组块，即静息态和刺激态分别交替重复5次，即R-S-R-S-R-S-R-S-R-S，共6分4秒。

1.3 信号采集

使用GE 1.5 T Signa MRI扫描机及单通道标准颈线圈。矢状位解剖图像使用常规T1时间加权的液体抑制的反转恢复序列(T1WI-FLAIR)序列采集，方向为从右向左，扫描范围为脊柱C2段至T1段，包括脊髓及周围脑积液。共扫描7层矢状位图像，定位图见图1。扫描参数：TR=2300 ms，TE=11.2 ms，TI=750 ms，矩阵为320×224，激励次数(NEX)为2次。颈髓fMRI采用SSFSE序列，矢状面扫描范围完全包纳脊髓，与解剖像一致。层厚2.0 mm，层间距0 mm，NEX为1，层数为7层，每一帧图像扫描时间为7 s。扫描时于脊髓的左右及前方加用饱和带，以避免髓外信号的干扰。矢状位功能成像参数：TR= minimum(1065.0 ms)，TE=minimum (42.4 ms)，视野(FOV)为16 cm×16 cm，矩阵为128×128，带宽 (BW)为32 kHz。扫描时于脊髓的左右及前方加用饱和带，以避免髓外肌肉运动和吞咽等行为的干扰。并选择流动补偿(flow compensation)，以减少血管和脑脊液的运动伪影；选择不加相位卷褶(no phase wrap)。

图1 解剖定位图Fig 1 Anatomical location map

1.4 数据后处理

数据预处理：首先使用MRIcro软件，转换DICOM格式图像为SPM可处理的img格式图像，并完成2D转3D，即将单个TR的slice图像转为一个扫描时间内7个slice的数据集。最后调整图像三个平面方向与SPM显示的三个平面方向一致。然后使用SPM2软件进一步预处理：首先进行颈部运动校正，得到颈部运动曲线和平均图像。由于没有脊髓模版，本研究使用SPM的realignment选项生成每个受试的平均功能图像，并以此为模版，分别对每个受试进行空间标准化校正，使像素为2 cm×1 cm×1 cm，并标准化到MNI空间。最后进行平滑处理。解剖像同样进行标准化处理和平滑处理，保证与功能像空间位置一致。使用SPM2软件生成静息态和刺激态图像差异的t检验图像。阈值为：t＞2.42，P＜0.01(不校正)，使差异具有显著性。最后将激活点叠加到解剖像上。

表1 8名受试者各脊柱分区的激活总像素数和最大强度值Tab 1 the total number of pixels activated and the maximum intensity of spinal cord divisions of eight subjects

表2 8名受试者脊柱不同分区横断面上激活点出现位置(例数)Tab 2 the position of pixels activated (number of cases) on cross-section plane of spinal cord divisions of eight subjects

2 结果

2.1 电针刺激的矢状面激活区信号强度比较

8名受试者在脊髓中均出现激活信号，分布在脊柱C2～T1段，但主要集中在C2、C4、C5、C6段。受试者的脊髓矢状位与横断位的主要激活分布见图2，8名受试者各分区的激活像素数总数和平均信号强度见表1。

2.2 电针刺激的横断面激活区信号比较

8名受试者脊柱不同分区中激活点出现位置如表2所示。

2.3 不同刺激时间的激活区信号差别

分别从脊髓各段激活区分布和激活最大强度，对比刺激3次组和刺激5次组，发现：①激活区分布基本相同，主要集中在C2～C6；②在C2～C6段，刺激3次组的最大激活强度均高于或等于刺激5次组；③刺激3次组在脊柱T1段的激活点数和强度大于刺激5次组，而在C7段均小于刺激5次组；④刺激3次组脊髓两边的伪激活少于刺激5次组。

3 讨论

3.1 脊髓功能成像的生理机制

图2 一名受试者的矢状位与横断位MRI的主要激活分布图Fig 2 the main pixels activation map on sagittal position and cross-section position of one subject

以往脑功能成像研究多使用EPI序列检测激活区的BOLD效应。但考虑到1.5 T EPI序列的成像分辨率低，对B0场变化敏感，且脊柱横断面面积小，邻近结构(椎骨、椎间盘)使得匀场十分困难，易造成磁敏感性伪影，使用EPI序列进行脊髓功能成像容易引起图像解剖位置的扭曲和信号损失。Stroman等[5,6]发现，在TE=0时，还存在激活信号的升高。而BOLD效应是与TE成正比的，所以此时的信号升高另有原因。他们认为可能是由于神经兴奋区血流量的增加，血管内压升高，特别是毛细血管动脉端的压力升高较明显，从而改变了正常的液体平衡，使得更多的水穿过血管壁进入细胞外间隙，导致在局部兴奋组织周围的细胞外液有轻微的增加。他们称之为“SEEP效应”。通过质子密度加权成像可以检测到这部分增加的水信号。与EPI图像相比，基于SE序列的质子密度加权图像不易受磁敏感效应影响，信噪比更高，因此得到的信号增强更高。目前在脊髓成像领域检测SEEP效应的研究与检测BOLD效应的研究数量上大体相等。本研究的前期工作使用SSFSE序列检测扣指运动的脊髓功能成像，获得了较好效果[7]。因此希望在针灸研究中检测该技术的可行性。

3.2 真假激活的鉴别

脑功能和脊髓功能存在一些不同，主要表现为：①血流动力学反应的不同；②易受运动伪影，尤其是脑脊液搏动伪影干扰。由于目前在功能成像领域，我们尚未发现脊髓血流动力学的研究，所以本研究使用脑血流动力学方程，产生时间-信号强度曲线。本研究中脊髓的激活大部分分布在脊髓白质周边，且周围脑脊液也会产生大量伪激活，需要区分真假激活。在P＜0.05时，我们发现脊髓中有较多激活，但周围也有大量伪激活。为了减少伪激活，我们尝试加大激活聚类点数。但发现此方法不理想。原因可能为脊髓中激活点大大少于脑脊液中的伪激活点，因此，加大激活聚类点后，减少伪激活的同事也减少了大部分真实激活。最终采取P＜0.01，激活聚类点为0，并结合时间-信号强度曲线，去除伪激活影响。

3.3 激活区的解释

本研究的刺激强度较高，为有害刺激。合谷穴和曲池穴均属于手阳明大肠经，是手阳明大肠经的原穴，因易得气、针感强，取穴方便而颇为历代医家所重视。合谷穴和曲池穴为手阳明经的经穴是治疗痿证、痹证的常用取穴，且均有镇痛作用，推测刺激这两个穴位主要引起感觉区激活。由于同时刺激合谷穴和曲池穴，形成一条电通路。也可能引起运动区激活。根据脑功能研究结果，刺激穴位可引起多个脑区的激活，因此推测也可引起脊髓多个功能区激活。Backes等[8]对电刺激肘部正中神经进行BOLD-fMRI 分析，矢状面fMRI提示7名实验对象中有5名出现颈脊髓下段激活。Stroman等[9]研究发现用温度刺激手和前臂不同皮肤感觉区后，脊髓神经激活区所在层面与感觉区域密切相关。结果表明刺激右手掌拇指区相当于刺激正中神经，颈脊髓激活区分布在C5～C8，以C6最为明显；刺激前臂肘区相当于刺激前臂外侧皮神经，对应脊髓激活区分布在C5～C6，向下延伸至C7有稍低信号激活。本研究8名实验对象均出现颈脊髓下段，脊柱C4～C7段(对应脊髓C5～C8段)激活结果与Stroman的研究结果基本一致。且本研究发现横断面上激活主要激活区域位于同侧，尤其是在脊髓的后角、中部及前角(功能区)，同时发现对侧有较少显著激活区，与文献报道一致。但本研究对侧激活主要集中在后角，与文献不同。推测可能与使用不同刺激模式有关。另外，本研究发现脊柱C2段(对应脊髓C3段)也存在显著激活，与前期对指运动脊髓功能成像研究[7]的激活区分布相似，推测为电针刺激到运动神经的结果。本研究发现激活时间短的组，反而最大激活信号强度高，与预期结果不一致。但由于例数较少，还需要进一步研究。

[1]Hirsch J, Ruge MI, Kim KH, et al.An integrated functional magnetic resonance imaging procedure for preoperative mapping of cortical areas associated with tactile, motor,language, and visual functions.Neurosurgery, 2000,47(3):711-721; discussion 721-722.

[2]Yoshizawa T, Nose T, Moore GJ, et al.Functional magnetic resonance imaging of motor activation in the human cervical spinal cord.NeuroImage, 1996, 4(3 Pt 1):174-182.

[3]Harel NY, Strittmatter SM.Functional MRI and other non-invasive imaging technologies: providing visual biomarkers for spinal cord structure and function after injury.Experimental Neurology, 2008, 211(2):324-328.

[4]Giove F, Garreffa G, Giulietti G, et al.Issues about the fMRI of the human spinal cord.Magnetic Resonance Imaging, 2004, 22(10):1505-1516.

[5]Stroman PW, Krause V, Malisza KL, et al.Characterization of contrast changes in functional MRI of the human spinal cord at 1.5 T.Magnetic Resonance Imaging, 2001,19(6):833-838.

[6]Stroman PW, Tomanek B, Krause V, et al.Mapping of neuronal function in the healthy and injured human spinal cord with spinal fMRI.NeuroImage, 2002, 17(4):1854-1860.

[7]Xie CH, Kong KM, Guan JT, et al.SSFSE sequence functional MRI of the human cervical spinal cord with complex finger tapping.European Journal of Radiology,2009, 70(1):1-6.

[8]Backes WH, Mess WH, Wilmink JT.Functional MR imaging of the cervical spinal cord by use of median nerve stimulation and fi st clenching.American Journal of Neuroradiology, 2001, 22(10):1854-1859.

[9]Stroman PW, Krause V, Malisza KL, et al.Functional magnetic resonance imaging of the human cervical spinal cord with stimulation of different sensory dermatomes.Magnetic Resonance Imaging, 2002, 20(1):1-6.