Diffusion tensor imaging tractography in assessing damage of limbic system pathways of relapsing-remitting multiple sclerosis patients

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(Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of ChongqingMedical University, Chongqing 400016, China)

Diffusion tensor imaging tractography in assessing damage of
limbic system pathways of relapsing-remitting multiple sclerosis patients

LUOQi,LIYongmei*,HANYongliang,LIAODan,ZENGChun,WANGJingjie,DUSilin

(DepartmentofRadiology,theFirstAffiliatedHospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016,China)

Objective To assess the damage of limbic system pathways in relapsing-remitting multiple sclerosis (RRMS) by diffusion tensor imaging (DTI) tractography. Methods DTI tractography was used to acquire fiber numbers, fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD) of cingulum, fornix, and uncinate fasciculus (UF) in 20 RRMS patients (MS group) and 20 healthy volunteers (control group), and statistical analysis was performed. Results Compared with control group, lower FA value (P<0.01) and higher MD value (P<0.05) were found in cingulum, fornix and UF of MS group, and the fiber numbers of fornix decreased in MS group (P<0.001). There were significant differences between the left and the right UF in fiber numbers and FA value of control group and the fiber numbers of MS group. Negative correlations were found between FA value of cingulum and UF and EDSS scores in MS group (r=-0.572, -0.665, bothP<0.05), and positive correlations were found between MD value and EDSS scores (r=0.627, 0.603, bothP<0.05). Conclusion DTI tractography is valuable in assessing MS associated limbic system damage and in monitoring the clinical progression of the disease.

Diffusion magnetic resonance imaging; Tractography; Limbic system; Multiple sclerosis

多发性硬化(multiple sclerosis, MS)是自身免疫性中枢神经系统慢性炎症导致的脱髓鞘疾病，病理特征为中枢神经系统广泛脱髓鞘、轴索丢失及胶质增生[1]，临床可出现视力受损、运动障碍、感觉异常、认知障碍等症状，临床分型以复发缓解型(relapsing-remitting multiple sclerosis, RRMS)最多见。常规MR表现难以完全解释患者临床症状。基于扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)的纤维束示踪成像技术可识别特定纤维束并在活体量化纤维束损伤[2]。边缘系统参与学习、记忆、情绪表达、应激反应和对内脏与内分泌活动的调节，额颞叶灰质、丘脑和海马是边缘系统重要的皮质和皮质下核团，丘脑和海马通过扣带束、穹窿双向联系，钩束连接前颞叶及前额叶[3]。本研究采用DTI纤维束示踪成像技术观察MS边缘系统重要纤维通路(扣带束、穹窿及钩束)损害及其与临床的相关性。

1 资料与方法

1.1一般资料 收集2014年6月—2016年3月本院神经内科诊断的RRMS患者20例(MS组)，男7例，女13例，年龄23～62岁，平均(37.4±11.3)岁，病程6个月～13年，平均(5.67±3.81)年。MR扫描前，患者接受临床扩展残疾状态量表(expanded disability status scale, EDSS)和简易智能精神状态量表(mini-mental state examination, MMSE)评分。纳入标准：①RRMS的诊断符合2010年McDonald临床诊断标准[4]；②常规MR检查无脑缺血灶、脑梗死、肿瘤和脑萎缩；③既往无脑血管病、脑肿瘤等神经系统疾病史。对照组为同期20名健康志愿者，男9名，女11名，年龄21～67岁，平均(37.9±12.5)岁，纳入标准：既往均无神经精神、神经系统疾病史，无神经系统症状，体检无明确神经系统阳性体征，行常规MR检查无异常。所有患者及健康志愿者均为右利手。本研究经我院生物医学伦理委员会批准，所有受试者或家属均知情同意。

1.2仪器与方法 采用GE Signa HDxt 3.0T MR系统，8通道头线圈。扫描过程中嘱受试者安静平躺，闭目，保持清醒。采用常规轴位T1WI(TR 250 ms，TE 2.86 ms)、T2WI(TR 3 600 ms，TE 120 ms)、液体衰减反转恢复(fluid-attenuated inversion recovery, FLAIR)序列(TR 8 000 ms，TE 120 ms)，层厚均为 5 mm，层数20层；轴位DTI采用单次激发自旋回波平面回波(spin echo-echo planar imaging, SE-EPI)序列(TR 15 000 ms，TE 86.8 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩阵128×128，层厚2.4 mm，无间隔，层数53层，b值分别为0和1 000 s/mm2，30个扩散方向)。

1.3数据处理

1.3.1数据预处理 ①采用MRIcron软件(http://www.nitrc.org/projects/mricron)将原始DICOM数据转化为NIfTI文件格式。②采用Funtional MRI Software Library(FSL，Version 5.0.8；http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)软件提供的FDT工具行头动和涡流校正。③利用FSL的BET(Brain Extraction Tool)工具提取脑组织，除去多余头皮、骨组织，在b=0图像上分割蒙板(阈值=0.2)。④采用FSL中DTIFIT工具进行扩散指标提取，获得部分各向异性(fraction anisotropy, FA)图、平均扩散(mean diffusion, MD)图，采用Diffusion Toolkit Version 0.6.3提取纤维图。⑤采用FSL中两步配准法将所有被试个体空间扩散指标及纤维图配准至MNI标准空间。

1.3.2纤维束追踪 基于已知解剖结构，采用Trackvis Version 0.6.0.1在MNI标准空间勾画ROI，角度阈值为50°，FA阈值为0.2，追踪双侧扣带束、穹窿及钩束，并获得纤维条数、FA值、MD值。于冠状位图像一侧扣带前部和后部勾画ROI，追踪扣带纤维束；冠状位勾画穹窿体，轴位勾画单侧海马尾，追踪走行于海马尾和穹窿体ROI间的穹窿纤维束；冠状位前额叶及一侧颞叶白质勾画ROI，追踪钩束。同样方法追踪对侧纤维束，获得双侧纤维条数、FA值、MD值并计算均值。ROI选取及勾画由2名放射科医师协商完成。

1.4统计学分析 采用SPSS 22.0统计分析软件，计量资料以±s表示。对两组年龄行两独立样本t检验；性别分布行χ2检验。两组双侧扣带束、穹窿及钩束纤维条数、FA值、MD值及左右侧值分别行两独立样本t检验，方差不齐者采用校正t检验。MS组扣带束、穹窿及钩束纤维条数、FA值、MD值与病程、EDSS、MMSE相关性采用Pearson相关分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

MS组与对照组年龄(t=0.146，P=0.885)及性别(χ2=0.417，P=0.519)差异均无统计学意义。MS组患者EDSS得分0.5～7.5分，中位数2.5分，MMSE得分20～29分，中位数26分。MS组患者颅内病灶T2WI均呈高信号，以脑室旁多发病灶分布为主，9例患者存在近皮层病灶，8例患者存在幕下病灶，部分病灶可见融合。

图1 对照组纤维束追踪图，志愿者女，48岁 A.左侧扣带束、穹窿及钩束左侧面观, B.左右侧钩束后上面观 图2 MS组纤维束追踪图，患者男，39岁 A.左侧扣带束、穹窿及钩束左侧面观： B.左右侧钩束后上面观

图3 MS组扣带束(A)、钩束(B)FA值与EDSS评分散点图

2.1 组间纤维束追踪参数比较 2组扣带束、穹窿及钩束纤维条数、FA值、MD值见表1，2组纤维追踪图像见图1、2。与对照组比较，MS组扣带束、穹窿、钩束FA值减低(P均<0.01)，MD值升高(P均<0.05)。MS组穹窿纤维条数减少，差异有统计学意义(P<0.001)，扣带束、钩束纤维条数差异无统计学意义 (P=0.050、0.698)。

2.2左右侧纤维束追踪参数比较 2组中，左侧与右侧扣带束和穹窿各参数差异均无统计学意义(P均>0.05)，左侧与右侧钩束各参数见表2、3。MS组右侧钩束纤维条数多于左侧(P=0.024)。对照组右侧钩束纤维条数多于左侧(P=0.001)，FA值高于左侧 (P=0.027)。MS组左侧与右侧钩束FA值、MD值及对照组左侧与右侧钩束MD值差异均无统计学意义(P均>0.05)。

2.3相关性分析 MS组扣带束、穹窿及钩束纤维条数、FA值、MD值与病程、EDSS、MMSE相关性见表4。MS组扣带束、钩束FA值与EDSS评分呈负相关(r=-0.572、-0.665，P均<0.05；图3)，MD值与EDSS评分呈正相关(r=0.627、0.603，P均<0.05)。

表1 MS组与对照组扣带束、穹窿及钩束纤维条数、FA值、MD值比较(±s)

表1 MS组与对照组扣带束、穹窿及钩束纤维条数、FA值、MD值比较(±s)

组别扣带束纤维条数FA值MD值(×10-3mm2/s)穹窿纤维条数FA值MD值(×10-3mm2/s)钩束纤维条数FA值MD值(×10-3mm2/s)MS组139．40±51．810．46±0．030．81±0．0418．70±11．300．37±0．031．27±0．28146．70±52．890．45±0．030．85±0．05对照组167．10±32．610．50±0．020．78±0．0245．75±18．450．43±0．031．11±0．14153．40±55．340．47±0．020．82±0．02t值2．0244．406-3．0255．5936．378-2．3670．3913．125-2．787P值0．050<0．0010．005<0．001<0．0010．0230．6980．0030．010

表2 MS组左侧与右侧钩束纤维条数、FA值、MD值比较(±s)

表2 MS组左侧与右侧钩束纤维条数、FA值、MD值比较(±s)

部位纤维条数FA值MD值(×10-3mm2/s)左侧钩束61．15±33．000．44±0．030．85±0．06右侧钩束85．55±32．570．45±0．030．85±0．05t值-2．354-1．449-0．174P值0．0240．1560．862

表3 对照组左侧与右侧钩束纤维条数、FA值、MD值比较(±s)

表3 对照组左侧与右侧钩束纤维条数、FA值、MD值比较(±s)

部位纤维条数FA值MD值(×10-3mm2/s)左侧钩束58．20±28．810．46±0．020．81±0．02右侧钩束95．20±32．920．47±0．020．82±0．02t值-3．783-2．293-1．945P值0．0010．0270．059

表4 MS组扣带束、穹窿及钩束FA值、MD值、纤维条数与病程、EDSS、MMSE评分相关性分析[r(P)值]

3 讨论

边缘系统既包括海马、乳头体、丘脑前核、扣带回、海马旁回等边缘叶结构，也包括与边缘叶功能形态密切相关的一些皮质和皮质下核团[3]。边缘系统纤维联系广泛复杂，皮质间有扣带束连接边缘叶扣带回、海马旁回以及邻近新皮质，钩束连接额叶眶回与前颞叶皮质。皮质与皮质下联系的内环路以穹窿系统为中心，穹窿是海马主要传出纤维，经穹窿体、穹窿柱前行至丘脑前核、乳头体、下丘脑等[5]。扣带束、穹窿、钩束均为边缘系统重要通路，三者相互联系构成连接海马—丘脑—前额颞叶环路。

MS皮层及皮层下灰质存在不同程度的病变，且丘脑早期受累与MS认知受损有关[6]，海马结构萎缩与MS记忆下降有关[7]，此外，双侧壳核也存在功能连接的改变，尽管其参数与所测量表及病程无相关性[8]。且MS患者正常脑白质隐匿性损伤也与某些症状有关，刘义等[9]发现有共济失调症状但无明显小脑病灶的MS患者小脑齿状核—丘脑—皮质束结构完整性存在异常；郭油油等[10]发现听力损害的MS患者中枢听觉传导通路的DTI参数改变。DTI是唯一可无创定量分析活体组织微结构的技术，可重建人脑白质纤维束[11]，其参数如FA、MD值对组织损伤十分敏感，FA值与髓鞘完整性、纤维致密性及平行性有关，MD值则反映细胞结构完整性。

本组结果显示MS组扣带束、穹窿、钩束FA值明显下降，MD值显著增高，提示MS组边缘系统纤维束受MS微观病理损伤影响，细胞结构完整性破坏，轴突丢失，轴索密度减低，致纤维走行一致性减低，与既往研究[12-13]报道相符。Kern等[12]利用基于纤维束的空间统计方法发现扣带束、穹窿及钩束FA值降低，并伴丘脑和海马体积减少。Roosendaal等[13]报道MS患者影像表现正常的白质区FA值显著降低，包括穹窿、放射冠和部分胼胝体等。而周福庆等[14]对边缘系统纤维束研究显示，RRMS组扣带束FA值与对照组比较无明显差异，考虑与研究样本的选择有关，也可能因FA值提取方法不同所致。此外，本研究中MS组穹窿纤维数较对照组显著减少，可能因MS脱髓鞘损伤穹窿致纤维条数减少，或穹窿纤维比扣带束钩束更细小，纤维条数基数少。

本组结果显示正常人右侧钩束纤维条数多于左侧，FA值高于左侧，可能因本组受试者均为右利手，与研究[15]报道的钩束参数偏侧性与受试者偏手性相关一致。而本组结果中MS组右侧钩束纤维条数多于左侧，左右侧FA值无差异，提示钩束MS脱髓鞘改变以FA值减低为主，左右破坏程度不平行。

EDSS评分以评价中枢神经系统8大功能系统为基础，是临床最常用的MS残疾程度测评量表，残疾程度越严重，评分越高。本研究显示MS组扣带束、钩束FA值与EDSS呈负相关，MD值与EDSS呈正相关，与Syc等[16]研究一致，提示DTI扩散指标对MS病变敏感。扣带束、钩束FA值减低越明显、MD值增加越多，EDSS评分越高，在一定程度上可预测MS临床病程进展。与Koenig等[17]研究结果不同，本组研究中穹窿各参数与EDSS无相关性，可能因本组样本量较小以及穹窿纤维细小，且不能除外存在非残疾症状相关组织损伤。

MMSE是目前使用最普遍的认知功能障碍筛查工具之一。本研究结果显示扣带束、穹窿、钩束纤维条数、FA值、MD值均与MMSE评分无明显相关性，可能与本研究患者病程短、样本量小以及认知损害较轻有关。今后还需加入符号数字形态测验、步进式听觉序列叠加测验、加利福利亚语言学习测试等探讨MS患者认知损害情况。

总之，本研究采用纤维束示踪成像显示边缘系统纤维通路存在病理微结构改变，为患者边缘系统损害评估提供了影像解剖依据，以后将增大样本量联合功能连接及结构网络等技术纵向随访研究以揭示MS边缘系统微观病理机制。

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致谢

科研工作的顺利完成离不开他人的帮助，在正文的最后应向对本研究提供过帮助的人致以谢意。致谢的对象包括：对研究工作提出指导性建议者，论文审阅者，资料提供者，技术协作者，帮助统计者，为本文绘制图表者，提供样品、材料、设备以及其他方便者。

致谢必须实事求是，应防止剽窃掠美之嫌，也勿强加于人，如未经允许写上专家、教授的名字，以示审阅来抬高自己。致谢一般要说明被谢者的工作的内容，如“技术指导”、“收集资料” 、“提供资料”等。

国家自然科学基金面上项目(81371523)、重庆市卫生计生委医学科研计划项目(2016ZDXM002、2012-1-017)、国家临床重点专科建设项目(2013-544)。

罗琦(1991—)，女，四川南充人，在读硕士。研究方向：神经影像学。E-mail： luo70304@163.com

李咏梅，重庆医科大学附属第一医院放射科，400016。E-mail: lymzhang70@aliyun.com

2016-12-01

2017-05-19

纤维束示踪成像评价复发缓解型多发性硬化患者边缘系统纤维通路损伤

罗 琦，李咏梅*，韩永良，廖 旦，曾 春，王静杰，杜思霖

(重庆医科大学附属第一医院放射科，重庆 400016)

目的 利用扩散张量纤维束示踪成像评估多发性硬化(MS)边缘系统纤维通路损害。方法 对20例复发缓解型MS患者(MS组)和20名健康志愿者(对照组)进行纤维束示踪成像。追踪扣带束、穹窿、钩束，获得相应纤维条数、FA值、MD值。并进行统计学分析。结果 与对照组比较，MS组扣带束、穹窿、钩束FA值均减低(P均<0.01)，MD值均升高(P均<0.05)。MS组穹窿纤维条数较对照组减少(P<0.001)。MS组中左侧与右侧钩束纤维条数、对照组中左侧与右侧钩束FA值、纤维条数差异均有统计学意义(P均<0.05)。MS组扣带束、钩束FA值与EDSS评分呈负相关 (r=-0.572、-0.665，P均<0.05)，MD值与EDSS评分呈正相关(r=0.627、0.603，P均<0.05)。结论 纤维束示踪成像对评估MS边缘系统纤维通路损害及监测临床进程有重要应用价值。

扩散磁共振成像；纤维示踪成像；边缘系统；多发性硬化

R744.51; R445.2

A

1003-3289(2017)08-1176-05

10.13929/j.1003-3289.201612001