猫局灶性脑创伤半暗带的MRI研究

张瑶，陈红燕，史东立，刘影，张磊，金真，马军*

1.首都医科大学附属北京天坛医院神经影像中心，北京 100050

2.北京石景山医院放射科，北京 100043

3.中国人民解放军第306医院MR室，北京 100101

原发性局灶性脑挫裂伤发生后，其周围组织受到多重因素影响，既有发生继发性损伤的可能，又有可恢复的潜能，部分可逆性的组织被称为创伤性半暗带(penumbra)[1-4]。

局灶性脑创伤周围有无半暗带和如何显示半暗带是临床关注的重点。由于脑创伤病人研究的局限性，有关局灶性脑创伤半暗带的影像研究甚少，笔者采用动物实验对局灶性脑创伤周围组织进行研究，结合病理对照，探索MRI显示半暗带的可能性。

1 材料与方法

1.1 实验动物分组及动物模型制作

成年健康杂种家猫9只(由北京市神经外科研究所动物实验室提供)，雌雄不限，随机分为对照组(4只)和创伤组(5只)。创伤组采用改良Feeney法制作局灶性脑创伤模型，对照组只开窗，不致创伤。步骤：以3 %戊巴比妥钠麻醉动物，将其脑部固定于立体定向仪，在右顶部中线旁0.5 cm，制作直径为1.5 cm骨窗，十字剪开硬脑膜。将自制自由落体架的玻璃导管固定于骨窗上方，20 g 砝码自40 cm高处垂直落下，造成局部脑损伤。本实验经医院伦理委员会批准。

1.2 MR扫描

模型制作完毕后6 h和24 h进行MR扫描。动物俯卧位，下颌托固定头部并位于线圈中心。冠状面扫描层面垂直颅底。采用3.0 T德国西门子公司超导型MR成像系统，采用人头部8通道相控阵线圈。矢状面T1WI TR 1680 ms，TE 11 ms，矩阵512×512，反转角120°；轴面T1WI TR 2470 ms，TE 23 ms，矩阵280×320，反转角120°；轴面FLAIR TR 8000 ms，TE 95 ms，矩阵280×320，反转角150°；轴面灌注成像(perfusion weighted imaging，PWI) TR 1500 ms，TE 32 ms，矩阵128×128，反转角90°。PWI采用单次激发GRE-EPI序列，连续扫描50次，并在成像前预先注射一定量对比剂。

扫描完毕后，将PWI原始图传至工作站进行数据处理。先观察信号强度-时间曲线，判断是否出现对比剂的首过效应。然后将所选曲线输入计算机，得到PWI伪彩图，调整图像使两侧大脑半球的色彩对称。如果出现异常灌注区，则测量其范围，同时测量所对应的FLAIR图上异常信号的范围，分别测量3次，所得数值的平均值作为样本均数，进行统计学分析。

1.3 投射电镜检查

最后一次扫描完毕后进行投射电镜检查。脑组织灌流固定后，分离脑组织标本，进行定位取材，并主要关注损伤周围的脑组织。根据MRI所示异常信号的范围，取损伤灶周5 mm和10 mm处的脑组织1 mm×1 mm×1 mm大小，将标本置入2%多聚甲醛-2.5%戊二醛固定液中，在于4℃条件下固定2 h，用二甲砷酸钠缓冲液冲洗3次后，1%锇酸固定，酒精脱水，环氧丙烷置换，树脂包埋。先行天青美兰染色，光学显微镜定位，然后用醋酸双氧铀-枸橼酸铅染色，在电镜下进行观察。

1.4 统计学分析

相同实验组动物同一时间不同序列的测量结果比较采用方差分析，不同序列之间的测量结果分析采用最小显著差法和Student-Newman-Keuls法。同一实验组动物、同一序列在不同时间点(6 h和24 h)测量值比较采用配对t检验。统计学分析采用SPSS 13.0软件。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 MRI表现

对照组各时间点MR结构图显示脑实质内无异常信号，灌注图显示两侧半球的色彩分布基本对称(图1)，无明显异常灌注区。创伤组各时间点MR结构图显示右顶部局灶性脑创伤灶及周围水肿，灌注图显示右顶部片状异常灌注区(图2，3)，测量其范围(表1，2)，进行统计学分析。

表1 6 h组MRI各序列异常信号区、异常灌注区及其测量值的均值(cm2)Tab.1 Measurement of the area of abnormal intensity/or abnormal perfusion after 6 h (cm2)

表2 24 h组MRI各序列异常信号区、异常灌注区及其测量值的均值(cm2)Tab.2 Measurement of the area of abnormal intensity/ or abnormal perfusion after 24 h (cm2)

2.2 统计学结果

图1 A、B和C图分别为对照组24 h的FLAIR图、CBF图、CBV图。FLAIR图显示开窗侧脑实质内无异常信号，CBF和CBV图显示两侧半球色彩基本对称，无明显异常灌注区。粉色线条示术中所放置的明胶海绵 图2 A、B和C图分别为创伤组6 h的FLAIR图、CBF图、CBV图。FLAIR图显示局灶性挫裂伤区(黄线勾画)，CBF和CBV图像上可见大片异常灌注区(黄线勾画) 图3 A、B和C图分别为创伤组24 h的FLAIR图、CBF图、CBV图。FLAIR图显示较大的异常信号区域，灌注图像上亦可见大片异常灌注区(黄线勾画) 图4 电镜(醋酸双氧铀-枸橼酸铅染色)示神经毡内多数细胞突起不同程度水肿(A：×1000)，神经元内线粒体嵴肿胀、断裂(B：×5000)，毛细血管内红细胞淤滞(C：×1000)Fig.1 Head MR scan of control group cat (24 h).A, B and C images are FLAIR, CBF and CBV images respectively.On FLAIR no abnormal signal intensity was observed in the brain parenchyma, while on CBF and CBV images no asymmetric perfusion was observed.The gelfoam placed on the bone window was outlined with pink circle.Fig.2 Head MR scan of traumatic group cat at 6 h point.Figure A, B and C are FLAIR, CBF and CBV images respectively.On fi gure A, hyperintensity was observed (yellow circle) while hemorrhage was also observed as hypointensity at the focal contusion region.On fi gure B and C, a hypoperfusion area was shown at the contusion region.Fig.3 Head MR scan of traumatic group cat at 24 h point.Figure A, B and C are FLAIR, CBF and CBV images respectively.A large abnormal signal intensity region is observed on structural image (figure A) and hypoperfusion region are observed on PWI images (figure B and C).Fig.4 Electron microscope (with uranyl acetate-lead citrate staining) showed edema of cell processes in neuropil (figure A.×1000), swelling and breaking of mitochondrial crista in neuron (figure B.×5000), and red blood cell stasis in the capillaries(figure C.×1000).

6 h组T1WI与CBF图测量面积值差异有统计学意义(P<0.05)、T1WI与CBV图测量面积值差异有统计学意义(P<0.05)，FLAIR与CBF图测量面积值差异有统计学意义(P<0.05)、FLAIR与CBV图测量面积值差异有统计学意义(P<0.05)，且灌注图(CBF和CBV)测得的异常范围大于MR结构图(T1WI、FLAIR)。结构图之间(T1WI和FLAIR)测量值差异无统计学意义(P>0.05)。

24 h组统计学分析结果显示灌注图和结构图对创伤范围的显示差异有统计学意义(P<0.05)，且灌注图显示的异常范围大于结构图。然而，结构图之间(T1WI与FLAIR)测量面积值差异无统计学意义(P>0.05)。

采用配对t检验对同一实验动物6 h与24 h FLAIR图创伤范围的比较，差异有统计学意义(P<0.05)，创伤后24 h较6 h损伤范围扩大。

2.3 电镜结果

创伤组：神经毡细胞突起不同程度水肿，神经细胞外周足突肿胀，神经元内线粒体肿胀、嵴断裂，偶见染色质斑块样凝集，毛细血管内红细胞淤滞(图4)。对照组：神经元形态正常，细胞膜完整，细胞器形态、数量基本正常；轴索排列整齐，轴膜清楚。

3 讨论

3.1 关于脑创伤性半暗带的概念

半暗带原是天体物理学名词，指天体的光被另一天体所遮挡时，形成的不完全黑暗，如日食或月食外周的半暗影。在脑缺血中，半暗带一词指在核心缺血区外的一部分可逆性组织。研究表明，原发性局灶性脑损伤后24 h损伤范围可扩大30%～300%[1]，即这种继发性损伤不是创伤后立刻出现，且不局限于损伤中心，而是弥漫到其周围区域，据此推测在局灶性脑损伤周围区域存在可逆性组织即半暗带。

基础研究发现，创伤性脑损伤是一个动态过程，首先是创伤当时脑组织的机械性损伤，即原发性损伤，同时这些损伤会激发一系列分子和细胞反应，在细胞水平上，原发损伤后神经元可以出现坏死、变性和正常三种结局[5]，这其中，细胞变性是可逆性的，若保护因子占主导，细胞可被修复，并存活下来；而当损伤因子占主导，细胞可能发生不可逆损伤而死亡[6]。这些处于可逆状态的组织或细胞构成了创伤性半暗带的基础。

本研究中电镜观察局灶性挫裂伤周围区域内的细胞以胶质细胞水肿、变性为主要表现，尤其是星形细胞足突水肿和神经毡内细胞突起肿胀，提示创伤灶周围存在可挽救组织，即半暗带。

3.2 脑创伤性半暗带的病理生理变化是影像研究的基础

血液动力学异常是引起局灶性脑创伤继发性损害的原因之一[7-9]，多发生于微血管的受损[5,10-11]。由于PWI对微血管的血容量变化敏感，因此可以早期显示局灶性脑创伤周围的灌注异常，比FLAIR像显示结合水含量增加的高信号要早，且范围较大。本研究结果显示灌注图和FLAIR图对创伤范围的显示差异有统计学意义，灌注图显示的异常范围大于FLAIR图，存在失配区(mismatch)，虽然只是统计学上的意义，也为今后的影像学研究提供了可能性。此外，在6～24 h之间，FLAIR图显示创伤后24 h较6 h损伤的范围有所扩大，提示在未进行有效干预情况下，创伤性半暗带向继发性损伤的演变。

此外，本实验采用FLAIR图与PWI图进行研究，而没有用脑缺血常用的DWI与PWI，原因之一是脑创伤常发生于脑表浅部位，受血红蛋白影响，可使图像受磁敏感伪影的干扰，导致图像变形。

本研究的局限性：(1)灌注成像前提是单室模型，即血脑屏障完整，而脑创伤后使血脑屏障破坏、局部对比剂渗漏，故采用灌注扫描前预先注入一定量对比剂的方法[12]，以封闭血管周围间隙。(2)本实验动物未使用动物专用线圈，为克服这一缺陷使用了动物头托，将动物脑部抬高至线圈的中心区域，以提高局部磁场均匀性和图像信噪比[13]。

综上所述，猫脑局灶性创伤后6 h的MR FLAIR图与PWI图有失匹配区，且 24 h的FLAIR图显示脑损伤范围扩大，MR结构像与功能像的不匹配可能提示半暗带组织的存在。

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