功能磁共振成像技术在创伤性脑损伤诊断中的应用

伍建林

(大连大学附属中山医院 放射科，辽宁 大连 116001)

专家述评 doi:10.11724/jdmu.2016.06.01

功能磁共振成像技术在创伤性脑损伤诊断中的应用

伍建林

(大连大学附属中山医院 放射科，辽宁 大连 116001)

随着社会现代化发展和自然灾害的增多，创伤性脑损伤(TBI)发生率呈逐年上升趋势，而CT和普通MRI检查常表现为临床症状重与影像学表现轻或阴性等非匹配现象，从而发生误诊和误治等问题。目前，弥散张量成像(DTI)、磁敏感加权成像(SWI)、静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)、氢质子磁共振波谱(1H-MRS)等功能磁共振成像(fMRI)技术已较成熟地应用于大多数脑疾病诊断中，fMRI可更加敏感、早期和准确地评估与诊断TBI，这将在临床的精准诊断、有效治疗与改善预后等方面发挥重要作用。

创伤性脑损伤；弥漫性轴索损伤；弥散张量成像；磁敏感加权成像；静息态；磁共振波谱

随着自然灾害与人为事故的频发，每年大约100/10万人发生创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)，其中70%以上为轻度脑损伤(mild traumatic brain injury, mTBI)[1-2]。美国康复医学会、脑损伤委员会和轻度脑外伤研究组制定mTBI的诊断标准为:脑外伤后短暂失去意识<30 min；暂时性神经认知功能缺损，对受伤前后短时间内发生事件的失忆和/或暂时性定向障碍<24 h；事故发生时精神状态变化(眩晕感、无方向感、精神迷乱等)；30 min后格拉斯格昏迷指数(glasgowcoma scale，GCS)为13～15分[1-3]。弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury, DAI)是TBI中特殊类型，死亡率和伤残率更高，约半数TBI患者CT和常规MRI检查表现正常，呈临床症状重而影像表现轻或阴性的非匹配现象,常常存在假阴性，导致不能及时有效评估病情和给予及时治疗，从而延误治疗最佳时机，造成远期后遗症[2-3]。近年来，弥散张量成像(DTI)、磁敏感加权成像(SWI)、静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)、氢质子磁共振波谱(1H-MRS)等功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技术在常规MR成像基础上迅速发展并逐渐成熟，对TBI诊断表现出更高的敏感性和准确性，且避免了CT射线辐射问题，为临床上早期和精准诊断与治疗该类患者提供了崭新的理念和技术方法。

1 TBI病理学及演变

人脑遭受外伤后，剪切力作用于脑实质内微血管导致点状出血，作用于轴索导致其肿胀、断裂；伤后12 h至数天可见轴索回缩球形成；部分轴索肿胀可于伤后2～3周消失，最终形成Wallerian变性[4-6]。弥漫性TBI较局限性危害更大，其中最具代表性者为DAI，常累及胼胝体、脑干、皮层下白质及基底节区等长纤维束丰富区，发生率>40%～50%[4]。此外，原发性颅脑创伤后数小时至数周可出现继发性损伤，包括脑水肿、缺血缺氧性脑损伤、脑功能网络连接异常及脑组织代谢异常等。

脑水肿是TBI后颅内压升高的主要原因之一，包括血管源性与细胞毒性水肿[7]。前者系创伤直接或间接引起血-脑脊液屏障受损，细胞外间隙蛋白质聚集，渗透压增加所致；后者多为创伤后缺血引起细胞膜离子泵功能丧失，钙、钠离子与水分子内流，导致细胞肿胀。正常状态脑血流具有精确的自我调节功能，机械性损伤后可导致一系列病理生理学改变，如小动脉平滑肌功能失衡、血管痉挛、细胞膜离子泵功能丧失、细胞肿胀、毛细血管通透性增高等，最终导致或加重脑组织缺血缺氧。这种损伤呈可逆性或不可逆性，其中可逆性损伤区域与缺血性脑卒中的“缺血半暗带”相似，称创伤性半暗带(traumatic penumbra)[5]。这种脑组织血氧水平变化可影响神经元活动及神经纤维信号传导，是引起脑组织功能网络连接异常主要原因。创伤后继发的颅内压升高、脑血流自动调节功能受损、脑灌注压下降等将导致脑组织氧含量下降，有氧代谢过程受到抑制，无氧酵解增加，局部二氧化碳蓄积，乳酸含量增加，局部组织代谢性酸中毒，加重脑水肿和颅内压进一步升高[8]。此外，颅脑创伤还可直接或间接造成细胞膜合成或分解代谢异常，胆碱类(Cho)代谢物异常；线粒体功能障碍，N-乙酰天门冬氨酸(NAA)等氨基酸合成减少；渗透压变化、反应性炎性细胞浸润、胶质增生等均可引起相应的脑代谢状况改变。

2 DTI在TBI的临床应用

2.1 DTI的基本原理

弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)利用布朗运动的水分子三维空间弥散信息定量分析脑组织微结构改变，尤对评价脑白质微观结构十分敏感，可通过各向异性分数(fractional anistrophy,FA)、平均弥散率(mean diffusivity, MD)来反映组织微结构损伤情况。其中，FA值反映水分子各向异性成分占整个弥散张量比例,取值范围0～1,可用于评价轴索损伤程度、范围及髓鞘完整性[9]。水分子在平行于脑白质纤维轴索走行方向弥散最明显，神经纤维走行相对规则, FA值较高；当神经纤维完整性遭到破坏时，FA值降低。MD值揭示组织中水分子扩散运动能力及幅度，主要反映水分子3个特征性弥散方向上运动的快慢，取其平均值,故与弥散方向无关。MD值高,表示组织内所含自由水分子多、弥散运动强；当平行神经纤维方向弥散受限时， MD值减低；另外，水分子由细胞外间隙弥散至细胞内致细胞毒性水肿、弥散受限也是导致MD值降低的原因[10-11]。

2.2 DTI对TBI诊断价值

DTI是早期、敏感和较准确反映TBI脑微结构(尤其脑白质微结构)病理生理学异常的理想方法。研究发现，TBI后FA值及MD值呈动态变化，FA值可更敏感反映脑轴索损伤程度与范围，并与致伤程度、临床表现及预后之间相关，在伤后1～3个月仍能反映脑白质纤维束损伤改变；MD值不及FA值敏感，但二者结合有助于细胞毒性与血管源性水肿鉴别。在TBI超急性期与急性期，脑微结构损伤以细胞毒性水肿为主，表现为MD值降低和/或FA值升高[12]；至慢性期，随着细胞膜结构破坏，细胞凋亡，血脑屏障破坏，则形成血管源性水肿，细胞外间隙扩大，弥散受限状态部分被抵消、减轻，故表现为MD值升高和/或FA值降低[10,13]。

Zhuo等[14]行大鼠mTBI模型研究，发现急性期测量脑区呈FA值升高、MD值减低表现，其中双侧海马及皮质MD值和伤侧海马、皮质、胼胝体及健侧外囊FA值变化较显著。笔者研究发现TBI患者脑白质区MD值呈急性期减低,亚急性期及伤后5周～3个月逐渐升高趋势，但部分脑叶白质和脑干区FA值在外伤早期出现减低，与神经轴突受损、轴浆运输障碍，平行于神经纤维走行水分子弥散受限有关，而此时胼胝体及内囊FA值高于伤前，可能与轴突细胞毒性水肿和神经纤维走行差异性、组织微结构异质性有关[13]。另有研究显示部分脑区损伤早期即表现为FA值增高，以脑灰质区为著，系其神经元细胞含量丰富，外伤后明显肿胀所致[12-13]。Stemper等[15]建立脑外伤动物模型还发现伤后可引起杏仁核、丘脑及部分大脑皮层FA值升高，其中杏仁核FA值变化与损伤力旋转加速度大小呈正相关。

DTI不仅可定量和综合评价TBI引起脑微结构损伤所致的弥散受限情况，还可反映其脑血液动力学变化及认知功能损伤情况，以FA值更有价值。 Grossman等[16]研究发现丘脑及部分脑白质区FA值变化与脑血流量(CBF)呈正相关；MD值在亚急性期丘脑、内囊、胼胝体、半卵圆中心等区域普遍减低，且与CBF呈负相关。Alhilali等[17]研究发现具有前庭症状mTBI患者认知功能明显下降，其右侧丘脑前辐射FA值减低且与执行速度下降相关，小脑半球FA值减低且与损伤恢复时间呈负相关。Bouix等[18]研究脑震荡后遗症患者发现壳核、眶额回、颞下回、杏仁核等脑区FA值与执行速度测试之数字符号评分呈负相关，有助于评估患者预后情况。

3 SWI在TBI的临床应用

3.1 SWI的基本原理

磁敏感加权成像(susceptibility-weighted imaging，SWI)是高空间分辨力的三维梯度回波序列，利用不同组织之间的磁敏感度差异产生信号对比，对微磁性物质的检出具有高度敏感性[19]。SWI扫描可同时获得幅度图与相位图，后者可清晰显示与周围磁敏感性不同组织或物质所产生的信号对比，尤其对小静脉显示更具优势, 原因是静脉血内含去氧血红蛋白较多，呈顺磁性，在长回波时间(TE)条件下快速自旋失相位可导致局部影像信号缺失呈明显低信号，场强越高则显示小静脉越多、越清晰[20]。

SWI对血液代谢产物及微出血显示也十分敏感，较梯度回波序列(GRE)敏感3～6倍，表现为点状、斑片状明显低信号影像[21]。但须与SWI上同为低信号的钙化鉴别，如在相位图像上呈高信号则提示为钙化灶，而微出血灶均呈低信号[22]。同时，SWI可根据相位图获取磁敏感性物质含量数据以推测脑静脉血氧饱和度，有助于评估病情与相应脑功能的变化；此外，SWI对血红蛋白代谢产物及铁质沉积亦十分敏感[20]，对诊断脑梗死后再灌注损伤、脑血管畸形、脑肿瘤等疾病亦显示出较高的临床应用价值[23]。

3.2 SWI对TBI诊断价值

在TBI患者中，即使是广泛的脑微结构损伤也可造成极为严重的神经功能障碍，而合并出血的TBI较无明显出血者预后不良[24]，故明确有无出血及其数量和部位对制订治疗方案和判断预后十分重要。DAI多以<5 mm微出血灶(micro-bleeding)为主，在CT和常规MRI检查多为阴性，主要依赖长时间昏迷、意识障碍等临床症状诊断而延误诊治[25]。SWI技术使得DAI微出血灶的检出能力明显提高，表现为灰白质交接区多发、微小点状低信号灶，并可利用专用软件进行定量评估，更具临床应用价值。

研究表明，SWI在TBI后2.5～5.0 h即可发现出血灶，弥补了在超急性期CT检查不敏感的缺陷[26]。对某些临床诊断“脑震荡”且长期头痛患者，应行SWI检查以检测有无微小出血灶。有研究发现[27]，入院时GCS评分低或昏迷时间长的TBI患者出血灶数目和出血量明显多于预后良好者。笔者研究[28]亦证实，SWI显示的出血灶面积、数目与临床GCS评分呈明显负相关[29]。此外，SWI还有助于蛛网膜下腔出血显示，尤其对CT呈等密度者更加敏感，表现为脑沟或脑池内线条状或三角形低信号影。

SWI除对出血灶定位、定性检查具有较为明显优势外，目前已将其应用于血氧含量及脑血流量(CBF)的定量监测；通过动物创伤模型观察发现，SWI上所反映的脑血流量变化与动脉自旋标记法一致，同时SWI还能显示脑深部静脉结构的改变，可用于定量分析血氧饱和度和脑血流量变化，并能显示血管结构改变[30]。

4 rs-fMRS在TBI的临床应用

静息态功能磁共振成像(resting-state fMRI，rs-fMRI)采集脑组织活动中血流变化产生的脑血氧水平依赖(blood-oxygen-level dependent，BOLD)信号,通过神经元功能活动对局部血流和细胞耗氧量的影响产生信号对比,获得脑组织实时功能成像。它基于人脑非任务状态的认知和行为功能连接状态，监测不同功能神经网络激活、连接、同步性等情况，以评价脑组织微结构及功能损伤情况。其中，脑默认网络(default mode network，DMN)是研究较为成熟且与脑静息活动及能量代谢密切相关，对认知功能、注意力调控、情感调节等至关重要的中线结构[31]。

Valerie等[32]研究发现，TBI可导致DMN功能连接障碍，患者出现行为异常、注意力下降等症状。有研究发现，TBI患者额部、左顶部及颞下部默认网络z值增高，提示剪切力致轴突不完全损伤，其间仍存在功能链接，但效率减低，发生细胞水平的功能代偿[33]。而另一项研究运用独立成分分析法(ICA)将大脑划分为视觉、运动、感觉、语言等12个执行认知功能相关静息神经网络，证实mTBI也存在脑功能连接障碍[31]；有证据表明，所谓“脑震荡”的后遗症状与脑功能连接异常相关，尤以前扣带回较为显著，说明rs-fMRI将成为mTBI患者脑微结构损伤与功能连接异常重要检测手段。

功能连接可从整体上发现脑网络连接异常，但不能揭示脑内局部自发活动引起的BOLD信号变化。臧玉峰设计低频振幅(amplitude of low frequence fluctuation，ALFF)和局部一致性(regional homogeneity，ReHo)可短时间内获得静息态脑自发神经元活动，分别反映其神经元自发活动的水平及同步性[34-35]。其中，ALFF值增高提示脑区神经元兴奋性增强，反之，提示神经元受到抑制、活动减弱。Sacco等[35]研究恢复训练期TBI患者，发现其理解力与执行能力提高者双侧中央前回、右颞中上回、右扣带回、左顶下小叶ALFF值增高、功能连接增强。基于体素的节点中心度(degree centrality,DC)可在体素水平探究人脑功能网络节点的信息沟通能力,反映其易损性，可获得单个体素(节点)在整个神经连接中的功能联系[36]。谢凯等[37]研究发现，mTBI者右侧额上回DC值增高，且与运动功能呈正相关，与GCS评分呈负相关，左侧缘上回DC值减低，且与简易智力量表评分呈正相关,提示DC值对于评估mTBI患者神经功能网络损伤具有重要的临床价值。

5 1H-MRS在TBI的临床应用

目前，氢质子磁共振波谱(1H magnetic resonance spectroscopic，1H-MRS)是最理想的在活体组织中进行细胞水平代谢物检测的无创性方法，可早期、敏感定量检测大多数脑部代谢物变化情况。TBI者MRS可出现多种代谢物异常变化，主要表现为受损脑区NAA下降、Cho升高，与出血、水肿等导致神经元及细胞膜结构及功能受损有关。有研究联合SWI与MRS技术探究TBI脑代谢变化，发现TBI者SWI正常表现区域与出血灶区域NAA/Cr比值明显降低，而Cho/Cr比值升高[38]。此外，TBI亦可引起其他代谢物水平变化。Harris等[39]研究TBI的反应性炎症及星形细胞增生对预后影响，发现TBI者星形细胞肌醇(mIns)代谢水平增高，系星形细胞水肿后自身体积调节致肌醇外溢所致，可反映细胞凋亡；谷胱甘肽(GSH)水平下降，系损伤早期活性氧水平升高消耗抗氧化物储备所致，且与脑组织损伤严重程度相关。

6 结 语

综上所述，无论是单模态还是多模态fMRI技术均可对TBI患者的脑结构与脑功能损伤提供更有价值的生物学信息，尤其对mTBI患者的早期、量化评估及精准诊断更具有临床实用价值，有望成为该类疾病综合诊断及预后判定的重要方法和检查策略，应积极开展和不断加强多模态fMRI新技术在TBI患者临床诊治的广泛应用。

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Application of functional magnetic resonance imaging technology in diagnosis of traumatic brain injury

WU Jian-lin

(DepartmentofRadiology,AffiliatedZhongshanHospitalofDalianUniversity,Dalian116001,China)

With the development of social modernization and the increase of natural disasters, the incidence of traumatic brain injury (TBI) shows a trend of rising year by year. However, CT or conventional MRI often demonstrates mild or negative imaging findings, which are mismatched with the severe clinical symptoms and result in false diagnosis and improper treatment. Diffusion tensor imaging(DTI), susceptibility-weighted imaging(SWI), resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI),1H magnetic resonance spectroscopic(1H-MRS), and other functional magnetic resonance imaging (fMRI) new techniques have been successfully applied in most brain diseases. fMRI can evaluate and diagnose TBI earlier with higher sensitivity and accuracy and would play an important role in accurate clinical diagnosis, effective treatment and prognosis improvement.

traumatic brain injury(TBI)；diffuse axonal injury(DAI)；diffusion tensor imaging(DTI)；susceptibility-weighted imaging(SWI)； resting-state； magnetic resonance spectroscopic(MRS)

国家自然科学基金项目(30870699)；辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(2009R16)；大连市科技局项目(2010E15SF166)

伍建林(1962-)，辽宁大连人，教授，博士生导师，研究方向：脑功能与脑疾病的功能磁共振成像研究。E-mail:cjr.wujianlin@vip.163.com

R737.33

A

1671-7295(2016)06-0521-05

伍建林.功能磁共振成像技术在创伤性脑损伤诊断中的应用[J].大连医科大学学报，2016,38(6)：521-525.

2016-06-08；

2016-10-10)