弥散张量成像对意识障碍患者诊断与预后评估的作用

陶庆霞 杨艺 何江弘 王路斌 夏小雨 王翀 王勇 徐如祥

弥散张量成像对意识障碍患者诊断与预后评估的作用

陶庆霞1杨艺2何江弘2王路斌3夏小雨2王翀4王勇5徐如祥2

目的探讨弥散张量成像（DTI）对意识障碍（DOC）患者的临床应用价值及其各指标变化规律。方法选取自2014年1月至2015年12月陆军总医院附属八一脑科医院临床诊断为DOC的患者[植物状态（VS）患者56例，微意识状态（MCS）患者19例]进行弥散张量扫描，分别收集脑干、丘脑、皮层下三个相关的感兴趣区域评价FA、MD等指标数据。对不同意识状态的两组的参数值进行统计学分析，并将感兴趣区的各向异性（FA）、平均弥散率（MD）均值与临床昏迷恢复量表（CRS-R）评分进行相关性分析。结果VS组FA值明显低于MCS组，差异具有统计学意义 （P＜0.05）；MD值则高于MCS组，差异具有统计学意义（P＜0.05）；感兴趣区（脑干、皮层下，丘脑）FA值和MD值与CRS-R评分具有较好相关性，尤其是丘脑部。结论DTI对于DOC影像学分级具有一定的临床参考价值。意识障碍程度越重，MD值越高，FA值越低。

弥散张量成像；意识障碍；植物状态；微意识状态；预后评估

随着急救和重症医疗技术的发展，颅脑损伤的存活率大大提高，越来越多的患者从重度昏迷转归为意识障碍（disorders of consciousness，DOC）[1]。意识障碍分为不同的层次[2]。昏迷患者处于闭眼状态，对外部刺激无反应；当其睁开眼睛但仍对外界刺激无反应时，被定义为植物状态（vegetative state，VS）[3]；当其表现出波动的意识迹象及可重复的非反射行为时，被认为达到微意识状态 （minimally conscious state，MCS）[4]。Luaute等[5]研究发现MCS患者比VS患者的远期恢复情况好。因此，选择合适而敏感的评价方法将两者早期鉴别显得尤为重要。弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）技术是描述大脑结构细微变化的一种成熟方法，也是现阶段实现在活体中观察组织结构的完整性[6]，观察和追踪脑白质纤维束走形、方向、髓鞘变化等信息的非侵入性手段[7,8]。本研究应用DTI技术对VS和MCS患者分别进行扫面，并选取决定意识水平的感兴趣区（脑干、皮层下、丘脑），以部分各向异性（fractional anisotropy，FA）和平均弥散率（mean diffusivity，MD）作为观察指标，比较两组的差异性，探讨DOC不同程度的患者各参数均值的差异和变化规律，并分析不同感兴趣区参数值与昏迷恢复量表（coma recovery scalerevised，CRS-R）评分值的相关关系，进一步探讨DTI技术在DOC诊断及分级中的临床应用。

资料与方法

一、研究对象

选取自2014年1月至2015年12月陆军总医院附属八一脑科医院临床诊断为DOC的患者75例，纳入标准：（1）符合2002年多学科协作小组颁布的DOC诊断标准。（2）年龄18～60岁，性别不限。（3）突发意识障碍，2～4周，病情稳定，无癫痫病史。（4）大脑结构基本完整，无大于3 cm的出血、梗死及手术腔隙。（5）无MR扫描禁忌证。

经过排除后，纳入VS组56例，其中男性28例，女性 28例；年龄 23～58岁，平均 35.2±2.1岁。MCS组19例，其中男性7例，女性12例；年龄20～55岁，平均30.1±1.6岁，两组性别 （χ2=0.031，P＞0.05），年龄（t=0.836，P＞0.05）比较，差别均无统计学意义。其中外伤的27例，脑出血19例，脑梗死11例，缺血缺氧性脑病9例，脑萎缩及变形程度＜30%。所有患者均完成DTI检查。本研究经本院伦理委员会批准，受试者及其家属均签订知情同意书。

二、量表评估

根据CRS-R量表进行评估。CRS-R量表包括听觉、视觉、运动、语言和唤醒度共6个分量表，两名主治医师分别在患者觉醒状态时对患者意识程度进行评估，取两个分数均值作为该患者的最终评分结果。患者6个分量表中有一项达到微意识状态即分入MCS组。

三、扫描方法

采用陆军总医院GE HD750 3.0T超导型MR仪（美国，GE公司），常规磁共振成像检查：轴位T1加权像（T1 weighted imaging，T1WI）[重复时间（repetition time，TR）/回波时间（time of echo，TE）= 2 000 ms/20 ms]、T2加权像 （T2 weighted imaging，T2WI）（TR/TE=3 000 ms/80 ms）、液体衰减反转恢复（TR/TE=11 000 ms/120 ms）序列，冠状位T2WI（TR/ TE=3 000 ms/80 ms）快速自旋回波序列（turbo spin echo，TSE）扫描；矢状位T1WI（TR/TE=2 000 ms/20 ms）；矢状位层厚6.0 mm、轴位层厚7.0 mm、冠状位层厚6.0 mm，层间距均为0；矩阵512×512，扫描视野（field of view，FOV）=220 mm×220 mm。DTI扫描：扫描层面与前后联合线平行，采用单次激发自旋回波的平面回 波成像序 列（spin echo-echo planar imaging，SE-EPI）；TR/TE=10 000 ms/90 ms、FOV= 256 mm×256 mm×120 mm；矩阵=128×128、SENSE因子=2；层数=70，层厚均为2 mm，层间距为0；15个非线性方向，b值为0、800 s/mm2，扫描时间5 min。

四、数据处理

采用FiberTrak软件进行DTI参数处理，在不同层面彩色张量图及B0图中测量FA值、MD值。确定感兴趣区（region of interest，ROI）为脑干、皮层下、丘脑，每个感兴趣区选取相应面积ROI进行测量（ROI面积为9～20像素范围），取均值为统计值进行F检验。检测由两名具有5年以上经验的放射科医师完成，连续测量3个相邻层面取其平均值。

五、统计学分析

采用SPSS19.0软件进行统计学分析，FA统计值等计量资料以均数±标准（±s）表示，两组间FA值及MD值取均值进行方差分析及t检验，FA值及MD值与CRS-R评分进行Pearson直线相关性分析，以P＜0.05表示差异有统计学意义。

结果

一、不同意识状态组关键区的特征值差别

比较VS组和MCS组之间的脑干、皮层下、丘脑三个区域的FA值和MD值。在VS组中，皮层下FA值最高，其次是丘脑、脑干，差异有统计学意义（F=7.050，P=0.0011），丘脑部MD值最高，皮层下与丘脑部比较差别有统计学意义 ；在MCS组中，皮层下FA值最高，其次是丘脑、脑干，差异有统计学意义 （F=9.523，P=0.0105）,丘脑部MD值最高 （F= 8.379，P=0.0017），脑干与丘脑之间差别有统计学意义 。与VS组比较，MCS组皮层下、丘脑、脑干FA值明显较高，尤其是脑干区域，差别有统计学意义（图1）；将VS组与MCS组感兴趣区域的MD值进行比较（图2），VS组MD值较MCS组高，尤其是丘脑部，具体内容见表1。

二、关键区的特征值与CRS-R评分的相关

计算ROI区域FA值与CRS-R评分的相关系数及相应P值见表2，相应部位FA、MD值与CRS-R评分之间的散点图及相关直线图可看出，FA值与CRS-R评分呈正相关，即一定范围内，CRS-R评分随FA值的增加而增加。而MD值与CRS-R评分均呈负相关性。

图1 入组患者的部分各向异性值骨架提取

图2 植物状态组与微意识组不同感兴趣区特征值的差异比较

讨论

随着医疗技术和监护水平的提高，严重脑损伤后处于长期VS和MCS的患者明显增加[9]，因此精确判断患者的意识水平成为迫切需要解决的问题。然而，虽然现在临床上用于评价意识状态的评分量表有很多，但都具有很强的主观性，单纯依靠量表来划分意识状态显然存在很多不足[10]。而对DOC患者的意识水平进行准确评估是神经外科医生做出诊断和治疗决策的关键，也是患者家属的迫切要求。所以有必要寻找更加敏感和准确的影像学技术加以辅助。

表1 植物状态组和微意识组感兴趣区各向异性值和平均弥散率值比较（±s）

表1 植物状态组和微意识组感兴趣区各向异性值和平均弥散率值比较（±s）

a1：与脑干部分各向异性值比较P＜0.05，a2：与丘脑部分各向异性值比较 P＜0.05；b1：与脑干平均弥散率值比较 P＜0.05，b2与丘脑平均弥散率值比较P＜0.05

脑干 丘脑 皮层下部分各向异性值 平均弥散率值 部分各向异性值 平均弥散率值 部分各向异性值 平均弥散率值植物状态组 66 0.164±0.0619 0.0012±0.0003 0.1996±0.0650a1 0.0019±0.0003 0.2055±0.0781a1 0.0015±0.0003b2微意识组 9 0.2150±0.0434 0.0010±0.0002 0.2457±0.0591a1 0.0016±0.0004b1 0.2639±0.0388a1 0.0013±0.0003 t值 2.386 1.936 1.999 2.701 2.197 2.011 P值 0.020 0.047 0.049 0.009 0.031 0.048组别 例数

表2 感兴趣区弥散张量成像参数与昏迷恢复量表评分之间的相关性

脑干的网状结构、丘脑、皮层下等都与意识有不同程度的关系[11-13]，因此本研究选用这三个区域作为感兴趣区，探讨DTI在DOC患者影像学分级中的应用价值。

DTI可以检测水分子的扩散方向及各方向上的扩散程度，是磁共振成像的特殊形式，是在弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）基础上的发展与深化，该技术已广泛应用于多种神经系统疾病的研究中，如脑肿瘤，脑梗塞、阿尔茨海默病等，尤其可以检测各种疾病引起的白质纤维束的损害[14]。

DTI常用的指标主要有FA、表观扩散系数、MD[15]。部分FA值是指水分子各向异性部分与弥散张量总值的比值，取值在0～1之间，其值越趋近于1，则组织排列结构越规则，神经元、神经纤维等损伤程度越小[16]。易亚辉等[6]研究发现有些早期弥散性轴索损伤患者CT、MRI检查并没有发现出血或水肿病灶，而DTI扫描后测量FA值发现，该患者损伤部位已出现FA值的降低，反应出DTI对神经纤维变化的敏感性。2011年DTI开始用于DOC研究，有研究发现DOC患者丘脑FA值有不同程度的下降，提示其对VS和MCS两种状态的鉴别具有特异性[17-18]。

本研究利用对应的定位像选择ROI，使得所测量的FA值较准确。与MCS组比较，VS组FA值降低，可能为该组患者损伤部位细胞膜通透性增加，神经纤维髓鞘完整性遭到破坏，使水分子在平行于神经轴突方向上的运动减弱而垂直方向上的运动增强，MCS患者白质纤维束则较轻，或患者从VS状态恢复到MCS状态后白质纤维束损伤程度得到改善。

MD是DTI技术中的另一常用指标，反应水分子弥散能力的大小，在不同方向施加弥散敏感梯度场进行DTI，所测的水分子在所有梯度场方向上总的弥散受限程度即为MD值[19]。本研究中，两组意识障碍程度不同的患者在感兴趣区均有统计学差异，可认为与MCS组相比，VS组感兴趣区脑组织损伤重，因而昏迷程度较深，而该细微差别无法用传统影像学检查区分开。

此外通过进行Person相关分析还发现，FA值与临床CRS-R评分呈正相关，尤其是丘脑部FA值与CRS-R相关性较好，可能是因为该部位的非投射系统对大脑的觉醒和意识状态有重要意义，故与CRS-R评分关系最密切。而MD值与CRS-R评分在感兴趣区表现为负相关，即MD值越小说明该部位脑损伤程度越轻，因此DTI参数的变化可在一定程度上可反应出DOC患者的意识状态及意识水平是否得到改善。

综上所述，DTI技术能够敏感地检测出DOC患者神经和白质的损伤程度，并较早的反应神经纤维的恢复情况[20]。通过各参考值的测定，可以量化损伤程度，因此，DTI技术作为MRI检查的重要技术和行为评估的补充及完善，可以对患者意识状态作出客观准确的评价，减少误诊和延诊率，具有一定的临床参考价值和进一步研究的意义。但本研究MCS组患者样本量相对较少，对于各参数与意识状态之间的关系及与CRS-R的相关性有必要通过增加样本量做进一步研究。

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The value of MR diffusion tensor imaging on diagnosis and prognosise evaluation in patients with disorders of consciousness

Tao Qingxia1,Yang Yi2,He Jianghong2,Wang Lubin3,Xia Xiaoyu2,Wang Chong4,Wang Yong5,Xu Ruxiang2.1Weifang Medical University,Weifang 261053,China;2The Bayi Brain Hospital affiliated to Beijing PLA Hospital,Beijing 100700,China;3Research Center for Military Cognition and Mental Hygiene of PLA,Beijing 100800,China;4The First People’s Hospital of Jining, Jining 272011,China;5Faculty of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004, China

Yang Yi,Email:yangyi_81nk@163.com

ObjectiveTo investigate the clinical application value and the changing regularity of several metrics of diffusion tensor imaging (DTI)in consciousness disorder patients(DOC).MethodsThe patient who were diagnosed with DOC(VS group was 66,MCS group was 9)were recruited at The Bayi Brain Hospital affiliated to Beijing PLA Hospital from Jun.2014 to Dec.2015 to examined with DTI.The evaluating metrics data of brainstem,subcortical thalamus related regions of interesting (ROI)were collected respectively.The data of ROI between the two groups were compared, then correlated the mean FA and MD value with the clinical CRS-R in ROI.ResultsThe FA of the VS group was significantly lower than that at MCS group(P＜0.05).The MD of the VS group was significantly higher than that at MCS group(P＜0.05).The mean FA and MD value of ROI correlated with clinical CRS-R score well,expecially in thalamus.ConclusinsDTI has certain clinical significance on imaging grading DOC.The degree of consciousness disorder greater,the MD is higher and the FA is lower.

Diffusion tensor imaging;disorders of consciousness;Vegetative state; Minimally conscious state;Prognosis evaluation

2016-11-07）

（本文编辑：张丽）

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2016.06.005

全军青年基金孵育项目(15QNP006)

261053 潍坊，潍坊医学院1；100700 北京，陆军总医院附属八一脑科医院2；100800 北京，全军军事认知与心理卫生研究中心3；272011 济宁，济宁市第一人民医院神经外科4；066004 秦皇岛，燕山大学电气工程学院5

杨艺，Email：yangyi_81nk@163.com

陶庆霞,杨艺,何江弘,等.弥散张量成像对意识障碍患者诊断与预后评估的作用[J/CD].2016,2(6):341-345.