扩散张量成像在儿童痉挛性双瘫中的应用价值

叶文宏

张 黎1ZHANG Li

干芸根2GAN Yungen

孙龙伟2SUN Longwei

何 玲1HE Ling

作者单位

1. 重庆医科大学附属儿童医院放射科，儿童发育疾病研究教育部重点实验室，儿童发育重大疾病国家国际科技合作基地，儿科学重庆市重点实验室 重庆 400014

2. 深圳市儿童医院放射科 广东深圳518038

扩散张量成像在儿童痉挛性双瘫中的应用价值

叶文宏1YE Wenhong

张 黎1ZHANG Li

干芸根2GAN Yungen

孙龙伟2SUN Longwei

何 玲1HE Ling

作者单位

1. 重庆医科大学附属儿童医院放射科，儿童发育疾病研究教育部重点实验室，儿童发育重大疾病国家国际科技合作基地，儿科学重庆市重点实验室 重庆 400014

2. 深圳市儿童医院放射科 广东深圳518038

目的探讨3.0T MR扩散张量成像（DTI）在痉挛性双瘫（SD）定量分析的应用价值，为临床诊断及治疗提供依据。资料与方法对43例SD患儿的DTI进行前瞻性分析，同时期收集41例健康儿童（对照组）的DTI数据，选择皮质脊髓束经过双侧大脑脚、双侧内囊后肢及胼胝体膝部、压部为感兴趣区，测量表观扩散系数（ADC）、各向异性分数（FA）、容积再现（VR）；同时使用粗大运动功能分级系统（GMFCS）对SD患儿进行临床分级。结果43例SD患儿中，按GMFCS临床分级，I级12例，II级17例，III级10例，IV级3例，V级1例。MRI检查异常率91%，DTI显示均有不同程度的白质纤维束稀疏和缺失。胼胝体压部、双侧内囊后肢、双侧大脑脚ADC值较对照组偏高，差异无统计学意义（P>0.05）；其FA值、1－VR值较对照组低，差异有统计学意义（P<0.05）；胼胝体膝部ADC值较对照组高，FA值和1－VR值均较对照组低，差异有统计学意义（P<0.05）。不同部位的FA值与GMFCS临床分级呈负相关（胼胝体膝部：r=－0.44，P<0.05；胼胝体压部：r=－0.39，P<0.05；右侧内囊后肢：r=－0.76，P<0.05；左侧内囊后肢： r=－0.68，P<0.05；右侧大脑脚：r=－0.66，P<0.05；左侧大脑脚：r=－0.60，P<0.05），以内囊后肢相关性明显。结论DTI能客观地评价SD患儿白质纤维束受损的程度，为临床早期诊断、早期干预和准确评估预后提供可靠的影像信息。

脑性瘫痪；磁共振成像；扩散张量成像；儿童

痉挛性双瘫（spastich diplegia，SD）是脑瘫临床分型中最常见的一种，主要表现为双下肢痉挛及功能障碍要明显重于双上肢，约占全部脑瘫的1/3[1]。偏瘫、四肢瘫等分型的研究报道较多，关于MR扩散张量成像（diffusion tensor image，DTI）技术对SD的研究报道较少。通过DTI技术可立体呈现和多参数量化评测脑白质神经纤维束。粗大运动功能分级系统（gross motor function classification system，GMFCS）是目前广泛应用的脑瘫粗大运动功能评估（gross motor function measure，GMFM）的方法，具有较高的可信度和稳定性[1]。本研究通过DTI和临床GMFM，探讨SD白质纤维束特点及其与粗大运动功能之间的相关性，为临床诊断及治疗提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2014年1月－2015年10月深圳市儿童医院经临床确诊的43例SD患儿（SD组）。其中男27例，女16例；早产儿37例，足月儿6例；年龄6～49个月，平均（28±8）个月，其中≤2岁19例，>2岁24例。所有患儿均符合《中国脑性瘫痪康复指南》（2015）SD诊断标准[1]，排除感染性脑病、遗传代谢性疾病及外伤等。对照组：选择41例常规颅脑MRI表现正常，临床上无神经系统症状及病史的儿童。其中早产儿16例，足月儿25例；年龄6～53个月，平均（32±10）个月。对照组和SD 组年龄均数和性别差异无统计学意义（t=0.695，P>0.05；χ2=0.019，P>0.05）。临床分级：按照年龄将SD组分成分为≤2岁组和>2岁组。康复科副主任医师根据每个年龄组患儿在日常环境中粗大运动功能的表现，按照中文版GMFCS进行I～V级的分级，I级为最高，V级为最低。本研究经医院伦理委员会批准，受检患儿家长知情并签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Skyra 3.0T MR扫描仪。不能配合的受检者扫描前给予10%水合氯醛灌肠或口服镇静剂，剂量0.5 ml/kg，熟睡后扫描。先行常规头颅MR扫描，包括横断位T1WI、T2WI、FLAIR和矢状位T1WI，然后再行横断位扩散加权成像（DWI）扫描，DTI选用单次激发SE-EPI成像，TR 4400 ms，TE 95 ms，层厚3.0 mm，层间距0.6 mm，矩阵128×128，视野22 cm×22 cm，在20个方向上施加弥散梯度，其中b值取800 s/mm2。扫描范围自桥延沟到头顶部。

1.3 图像分析 使用Siemens的图像处理工作站对原始数据进行处理，先行图像运动校正，选择阈值。生成三维彩色扩散张量纤维束成像图（diffusion tensor tractography，DTT）及各向异性分数（FA）图。由2名副高级以上职称的医师进行分析，观察图像上神经纤维束的走行、数量及密度。感兴趣区（ROI）选择皮质脊髓束走行所经过的内囊后肢、大脑脚及胼胝体膝部、压部，ROI的定位设置参照FA彩图，大小为（10±1）mm2（图1）。采用双盲法测量各ROI的表观扩散系数（ADC）值、FA值及容积再现（VR）值，为在数值上与FA保持一致，取1－VR值，两次测值后取平均值。

1.4 统计学方法 采用SPSS 16.0软件。两组ROI的ADC值、FA值及1－VR值数据采用两独立样本t检验。SD组ROI的FA值与GMFCS相关性采用Pearson相关分析。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 SD的临床分级 所有SD患儿均表现出不同程度的粗大运动功能发育障碍，分级结果见表1。

表1 SD患儿的GMFCS 分级

2.2 常规MRI表现 对照组颅脑形态、结构及信号未见异常（图2）。SD组39例表现异常，其中36例脑室旁脑白质软化（早产儿33例，足月儿3例），大脑皮质萎缩、皮层下脑软化及胼胝体受累各1例；4例正常表现者GMFCS临床分级I级、II级各2例。

2.3 DTI表现 对照组所有颅脑彩色编码FA图、VR图和ADC图均显示双侧大脑结构基本对称，DTT图显示双侧白质纤维束形态及走行未见异常（图2）。SD组均表现为双侧白质纤维束局部不同程度颜色缺失，且混杂不均匀，尤其是上下走行及左右走行的纤维束；其中4例患儿常规MRI检查为阴性，而彩色FA图显示异常（图3）；DTT图示SD患儿白质纤维束不同程度稀疏，部分缺失，左右不对称（图4）。对照组和SD组各测量层面ROI的ADC值、FA值、1－VR值见表2。SD组的胼胝体压部、双侧内囊后肢、双侧大脑脚ADC值较正常对照组略高，差异无统计学意义（P>0.05）；其FA值、1－VR值较对照组低，差异有统计学意义（P<0.05）；SD组的胼胝体膝部ADC值较对照组高，FA值和1－VR值均较对照组低，差异有统计学意义（P<0.05）。

图1 男，18个月。黄点代表ROI定位设置范围；彩色FA示图双侧大脑脚ROI测量位置（A）；双侧内囊后肢ROI测量位置（B）；胼胝体膝部、压部ROI测量位置（C）

图2 女，2岁。彩色FA图示双侧大脑脚层面，大脑脚形态、大小对称，白质纤维束颜色均匀对称（A）；彩色FA图示双侧内囊后肢层面，双侧内囊后肢白质纤维束颜色均匀、对称，胼胝体膝、压部白质纤维束颜色均匀（B）；DTT图示双侧大脑白质纤维束形态、大小及走行基本对称（C）

图3 女，27个月，SD患儿。T1WI图示内囊后肢层面（A）；T2WI图示双大脑半球结构对称，脑白质形态、大小对称，未见异常信号（B）；彩色FA图示左侧内囊后肢白质纤维束较右侧稀少，颜色不对称（C）

图4 女，9个月，SD患儿。T1WI图示内囊后肢层面（A）；T2WI图示双侧侧脑室后角旁脑白质呈多发片状T1WI低信号和T2WI高信号表现，双侧侧脑室后角稍扩大（B）；彩色FA图示双侧侧脑室后角旁脑白质呈不同程度颜色缺失，左侧内囊前后肢白质纤维束均较右侧稀少，颜色不对称（C）；DTT图示双侧白质纤维束均较稀疏，大小及颜色不对称（D）

2.4 SD组所测ROI FA值和GMFCS临床分级的关系胼胝体膝部及压部、双侧内囊后肢、双侧大脑脚感兴趣区FA值与GMFM相关性结果显示：SD组患儿所测ROI FA值与GMFCS临床分级呈负相关（胼胝体膝部：r=－0.44，P<0.05；胼胝体压部：r=－0.39，P<0.05；右侧内囊后肢：r=－0.76，P<0.05；左侧内囊后肢：r=－0.68，P<0.05；右侧大脑脚：r=－0.66，P<0.05；左侧大脑脚：r=－0.60，P<0.05），其中以内囊后肢相关性最明显。

表2 对照组和SD组各层面感兴趣区ADC、FA及1－VR值比较

3 讨论

3.1 DTI对SD的评估价值 本研究显示SD组内91%的患儿常规MRI扫描发现异常，其中脑室旁脑白质软化最多见，与Sugiura等[2]报道一致。SD组内仍有部分患儿常规MRI检查为阴性，而彩色FA图发现异常，这就需要新的检查技术以发现更细微的病理改变。DTI是在DWI的基础上发展的无创性观察活体脑白质的新技术。扩散是物质分子的自由运动，也称布朗运动，张量是指固体内三维排列的向量张力[3]。利用水分子扩散运动存在各向异性来反映活体组织的细微结构和功能改变，可较敏感地显示脑白质变化和白质纤维束的复杂走行，更准确地反映白质纤维的损伤，有助于临床预测运动功能损害[4]。DWI和DTI可研究早期脑性瘫痪（cerebral palsy，CP）白质纤维束的改变[5]，之所以可用于早期CP研究是因为得出的ADC值、FA值可评价白质纤维束发育，常用来描述水分子弥散的指标有ADC、FA及VR。ADC表示不同方向分子弥散的速度和范围，体现了水分子的布朗运动，ADC值反映脑组织水分子的含量和弥散状况，游离水分子含量越多，弥散越快，ADC值越高。FA、1－VR代表弥散的各向异性，前者是水分子各向异性弥散占整个弥散张量的比值，两者值的大小受髓鞘的完整性、纤维致密性及平行性的影响，范围为0～1，0代表最小各向异性弥散，即最大各向同性弥散。上述参数相结合，可更加准确地反映脑白质发育及其髓鞘化过程中的变化，了解脑白质病变的发生机制。白质纤维束受损，造成髓鞘化异常，轴突生长障碍及数量减少，引起水分子扩散运动异常，ADC值升高，FA值和1－VR值减少。Min等[6]报道4位观察者对78例因脑室旁脑白质软化引起的痉挛型CP进行测量，得出测量ROI的FA值是可靠的。本研究显示SD组所测ROI的FA值和1－VR值均明显低于对照组，差异有统计学意义（P<0.05），与既往研究结果一致[5,7-8]。有关CP的ADC值研究与既往报道并非一致，Chang等[9]报道CP患者的ADC值较对照组升高。本研究显示SD组所测的ROI ADC值均较对照组低，胼胝体压部、双侧内囊后肢及双侧大脑脚两组间的差异无统计学意义（P>0.05）。但本研究中胼胝体膝部两组间差异有统计学意义（P<0.05），以往研究表明胼胝体压部在言语任务上主要表现出更明显的双侧表征，胼胝体膝部在运动任务上更趋于双侧表征[10]，可能是双侧肢体运动障碍，引起胼胝体膝部发育异常，从而导致ADC值增加明显。

3.2 SD患儿FA值与GMFCS的关系 GMFCS是根据脑瘫儿童运动功能受限随年龄变化的规律所设计，该系统将脑瘫患儿分为5个年龄组（≤2岁、2岁<年龄≤4岁、4岁<年龄≤6岁、6岁<年龄≤12岁、12岁<年龄≤18岁），每个年龄组根据患儿运动功能从高至低分为I～V级。本研究根据GMFCS对SD患儿在日常环境的表现进行评级，结果显示43例SD患儿中39例为I～III级，与陈玉萍等[11]研究结果相似。4例常规MRI表现正常，仅表现为轻度运动功能障碍，GMFCS临床分级I级、II级各2例。以往研究证实儿童皮质脊髓束损伤的DTI参数和运动功能障碍的程度有相关性，有助于预测CP运动功能[12]。本研究发现SD组患儿所测ROI的FA值与GMFCS临床分级呈负相关，差异有统计学意义（P<0.05），其中以内囊后肢相关性最明显，与Yoshida等[13]报道一致。说明SD患儿双侧肢体运动通路障碍可引起病灶远端皮质脊髓束发生华勒变性，产生髓鞘溶解和轴突崩解，损伤结构完整性，降低轴索的致密性，白质纤维束髓鞘减少，甚至缺失，改变了水分子在神经纤维中的弥散FA，导致FA值下降；FA值越低，白质纤维束损伤越明显，肢体功能障碍越严重，GMFCS临床分级越高。同时在所测的部位中，双侧内囊后肢的FA值与GMFCS临床分级相关性最明显，证明运动功能障碍与内囊后肢的白质纤维束损伤关系密切。

总之，DTI能早期发现白质纤维束细微受损及客观量化评估受损程度，其FA值与GMFCS临床分级呈负相关，一定程度上反映运动功能的发育情况，有助于临床预后判断，为临床诊断、早期预防和准确评估提供可靠的影像学依据。

[1] 中国康复医学会儿童康复专业委员会, 中国残疾人康复协会小儿脑性瘫痪康复专业委员会, 《中国脑性瘫痪康复指南》编委会. 中国脑性瘫痪康复指南（2015）：第一部分.中国康复医学杂志, 2015, 30(7): 747-754.

[2] Sugiura T, Goto T, Ueda H, et al. Periventricular leukomalacia is decreasing in Japan. Pediatr Neurol, 2012, 47(1): 35-39.

[3] 刘秀香, 高思佳, 袁逍, 等. 3.0T MR扩散张量成像在脊髓型颈椎病诊断中的应用. 中国医学影像学杂志, 2011, 19(8): 569-574.

[4] 陈锦佳, 曾洪武, 干芸根, 等. 磁共振弥散张量成像在儿童偏瘫型脑瘫中的应用. 中国CT和MRI杂志, 2013, 11(5): 10-13, 41.

[5] Lennartsson F, Holmström L, Eliasson AC, et al. Advanced fiber tracking in early acquired brain injury causing cerebral palsy. Am J Neuroradiol, 2015, 36(1): 181-187.

[6] Min K, Yu SJ, Lee JH, et al. Reliability of fractional anisotropy measurement for children with cerebral palsy. Neuropediatrics, 2014, 45(2): 84-92.

[7] Rha DW, Chang WH, Kim J, et al. Comparing quantitative tractography metrics of motor and sensory pathways in children with periventricular leukomalacia and different levels of gross motor function. Neuroradiology, 2012, 54(6): 615-621.

[8] Scheck SM, Pannek K, Raffelt DA, et al. Structural connectivity of the anterior cingulate in children with unilateral cerebral palsy due to white matter lesions. Neuroimage Clin, 2015, 9: 498-505.

[9] Chang MC, Jang SH, Yoe SS, et al. Diffusion tensor imaging demonstrated radiologic differences between diplegic and quadriplegic cerebral palsy. Neurosci Lett, 2012, 512(1): 53-58.

[10] Joseph JE, Willingham DB. Effect of sex and joystick experience on pursuit tracking in adults. J Mot Behav, 2000, 32(1): 45-56.

[11] 陈玉萍, 吴德, 唐久来, 等. 脑瘫患儿粗大运动与高危因素及头颅MRI表现的相关分析. 安徽医学, 2014, 35(1): 1-4.

[12] Kim JH, Kwon YM, Son SM. Motor function outcomes of pediatric patients with hemiplegic cerebral palsy after rehabilitation treatment: a diffusion tensor imaging study. Neural Regen Res, 2015, 10(4): 624-630.

[13] Yoshida S, Hayakawa K, Yamamoto A, et al. Quantitative diffusion tensor tractography of the motor and sensory tract in children with cerebral palsy. Dev Med Child Neurol, 2010, 52(10): 935-940.

（本文编辑 张晓舟）

Application of Diffusion Tensor Image in Spastic Diplegia

PurposeTo explore the application of diffusion tensor imaging (DTI) in quantitative analysis of spastic diplegia, and provide objective basis for clinical diagnosis and treatment.Materials and MethodsDTI data of 43 spastic diplegia cases and 41 healthy cases were collected and prospectively analyzed. Regions of interests (ROIs) were set along bilateral corticospinal tract (CST) on cerebral peduncle level, internal capsule level, as well as corpus callosum (genu and splenium). Apparent diffusion coefficient (ADC), fractional anisotropy (FA), volume ratio (VR) were calculated. Gross motor function classification system (GMFCS) was applied to measure diplegia patients' motor function.ResultsAccording to GMFCS results, 43 diplegia cases were divided into five grades: Grade I 12 cases, Grade II 17 cases, Grade III 10 cases, Grade IV 3 cases, Grade V 1 case. The MRI positive rate was 90%, DTI showed white matter fiber tracts had different degrees of sparse or missing. The ADC values of corpus callosum splenium, internal capsule, cerebral peduncle in diplegiapatients were slightly higher than those in healthy patients, but without statistically significant difference (P>0.05); on the contrary, the same regions' FA values and 1－VR values in diplegia patients were significantly lower than those in healthy patients (P<0.05). Indiplegia group, the ADC values of corpus callosum genu was higher; FA values and 1－VR values in the same region were lower (P<0.05 vs.control group). In diplegia group, there was statistically negative correlation between FA values and GMFM scores, especially in the posterior limb of internal capsule (genu of corpus callosum: r=－0.44,P<0.05; splenium of corpus callosum: r=－0.39,P<0.05; right posterior limb of internal capsule: r=－0.76,P<0.05; left posterior limb of internal capsule: r=－0.68,P<0.05; right cerebral peduncle: r=－0.66,P<0.05; left cerebral peduncle: r=－0.60,P<0.05).ConclusionDTI can objectively evaluate the white matter fiber tracts' damage in diplegia children, which can provide reliable imaging information for clinical early diagnosis, intervention and accurately prognosis evaluation.

Cerebral palsy; Magnetic resonance imaging; Diffusion tensor imaging; Child

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.11.003

何 玲

2016-04-06

2016-05-17

Department of Radiology, Chongqing Children's Hospital, Ministry of Education Key Laboratory of China Development and Disorders, China International Science and Technology Cooperation Base of China Development and Critical Disorders, Chongqing Key Laboratory of Pediatrics, Chongqing 400014, China

Address Correspondence to:HE Ling

E-mail: heling508@sina.com

重庆市卫计委医学科研计划面上项目

（2015MSXM033）；重庆医科大学附属儿童医院临床研究项目（lcyj2014-4）；深圳市科技局项目（201102072）。

R445.2；R742.3

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷 第11期：810-814

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24 (11): 810-814