扩散峰度成像对单侧颞叶癫痫患者的初步研究

刘 兰,刘 筠,许 亮

(1河北北方学院附属第一医院影像学部,张家口 075000;2天津市人民医院影像学部;*通讯作者,E-mail:bdliulan@163.com)

颞叶癫痫(temporal lobe epilepsy,TLE)是最常见的局灶性癫痫类型,但越来越多的证据支持TLE是一种能够引起多个相关脑区代谢、功能连接和微观结构改变的脑网络疾病[1,2]。扩散张量成像(diffusional tensor imaging,DTI)已广泛应用于评估TLE患者脑组织微观结构的损伤,但是基于水分子扩散呈高斯分布的假设,尚不能反映真实水分子的非高斯分布情况。扩散峰度成像(diffusional kurtosis imaging,DKI)是DTI的延伸,能够用于探查非高斯分布水分子的扩散特性。已有多项研究发现DKI较DTI能够更好地显示脑组织微观结构改变[3-5]。然而,DKI技术应用于TLE的研究尚处在初步探讨阶段,以往采取根据先验知识在特定脑区勾画感兴趣区(region of interest,ROI)的方法,研究范围比较局限,重复性和精确性较差[6,7]。本研究采用基于纤维束的空间统计(tract-based spatial statistics,TBSS)对DTI和DKI进行后处理,定量比较DTI和DKI参数在显示单侧TLE患者脑白质微观结构受损情况的差异。

1 资料与方法

1.1 研究对象

TLE组:共收集2015-04～2016-05天津市人民医院收治的28例单侧TLE患者,根据致痫灶的侧别分为左侧颞叶癫痫(L-TLE)患者13例,男7例,女6例,年龄20-65岁,平均(43.62±14.69)岁,病程2-56年,中位数为22年,发作频率1-13次/月,平均(3.15±2.48)次/月。右侧颞叶癫痫(R-TLE)患者15例,男8例,女7例,年龄16-69岁,平均(44.87±16.37)岁,病程1-40年,中位数为18年,发作频率1-8次/月,平均(3.80±3.65)次/月。入组标准:①符合国际抗癫痫联盟(International League Against Epilepsy,ILAE)和国际癫痫局(International Bureau for Epilepsy,IBE)关于癫痫的诊断标准[8];②典型的TLE发作症状;③两次以上常规、长程或视频脑电图示单侧颞部及蝶骨电极示痫样异常波;④常规MRI除HS外,均未见其他颅内器质性病变。排除标准:①非痫性发作性疾病,如晕厥、发作性睡病、低血糖症等;②脑肿瘤、脑卒中、脑外伤、血管畸形等病因所致的癫痫;③双侧TLE患者及致痫灶定侧不明确、不一致的TLE患者;④药物及酒精成瘾者;⑤精神疾病和抑郁、焦虑等情绪障碍疾病;⑥具有MRI禁忌证及检查不合作者。MRI检查时患者均处于发作间期,检查前24 h内均无痫性发作。

对照组:选取性别、年龄、利手情况、受教育年限相匹配的健康志愿者15例,男8例,女7例,年龄20-62岁,平均(42.40±11.53)岁。均既往体健,无神经系统疾病、头部外伤史、精神类疾病、情绪障碍疾病。

1.2 数据采集

使用Simens Skyra 3.0T超导型磁共振扫描仪,标准20通道头颈联合线圈,受试者头部用海绵垫固定,耳内放置耳塞来减少噪音。对所有患者行常规T1W1、T2WI、FLAIR、垂直于海马长轴的斜冠状位FLAIR T2WI及DKI序列扫描。DKI扫描参数:采用平面回波成像(echo planar imaging,EPI)序列,TR=7 000 ms,TE=88 ms,激励次数为2,矩阵为96×96,FOV=220 mm×220 mm,层厚为3 mm,无层间距,扩散敏感梯度方向为30个,b值分别取0，1 000，2 000 s/mm2,空间分辨率为2.3 mm×2.3 mm×3.0 mm,总扫描时间为7分30秒。

1.3 数据处理

从DKI原始数据中提取b=1 000的数据作为DTI数据[4]。采用MRIcro软件将所有受试者的DTI和DKI数据的原始DICOM图像转化为4D NIfTI格式,DTI数据经FMRIB Software Library 5.0.9(FSL5.0.9)软件进行数据预处理,包括压缩图像、涡流校正、头动校正和去除头皮和颅骨等非脑组织,获得全脑mask,计算每个体素的扩散张量,得到全脑各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、平均扩散率(mean diffusivity,MD)参数图。DKI数据采用DKE软件进行预处理,得到平均峰度(mean kurtosis,MK)、轴向峰度(axial kurtosis,AK)和径向峰度(radial kurtosis, RK)参数图。

DTI和DKI数据经TBSS方法处理。首先将所有受试者的FA图对齐到标准FA图,再配准到1 mm×1 mm×1 mm蒙特利尔神经病研究所(Montreal neurological institute,MNI)标准空间,得到所有被试者的平均FA图;将所有被试者的FA图配准到平均FA图上,得到平均FA图和FA图骨架;最后将受试者的FA图配准到平均FA骨架上(FA阈值设为0.2),再通过基于体素统计分析得到组间FA纤维骨架差异图(P<0.05)。各参数图TBSS处理过程同FA,分别获得标有差异脑区的各参数骨架图。通过FSL软件计算了各参数异常脑区体素数占全脑白质纤维骨架体素总和的百分数[6]。将全脑经正中矢状面分割为左、右半球,分别记录L-TLE和R-TLE患侧和健侧半球差异脑区体素百分数。

1.4 统计学分析

采用SPSS17.0统计软件。计量资料以均数±标准差表示,组间比较采用t检验。计数资料以频数和百分数表示,组间比较采用χ2检验。检验水准α定为0.05。

2 结果

2.1 常规MRI分析结果

参考Scheltens等[9]提出的内侧颞叶萎缩评分标准,依据海马高度、侧脑室颞角宽度以及脉络裂宽度分为5级(0-4分),对受试者双侧内侧颞叶进行评估得到双侧MTA评分。正常对照组两侧MTA评分范围为0-2分,左侧和右侧分别为(0.53±0.04)分和(0.42±0.02)分,双侧MTA评分差异无统计学意义(P>0.05),故将正常对照组的左侧和右侧MTA评分分别与单侧TLE组患侧和健侧MTA评分进行统计学比较。L-TLE组患侧和健侧MTA评分范围为1-4分[平均(3.00±0.06)分]和0-1分[平均(0.41±0.04)分];R-TLE组患侧和健侧MTA评分范围分别为2-4分[平均(2.29±0.05)分]和0-2分[平均(0.47±0.02)分]。L-TLE组和R-TLE组患侧MTA评分均显著高于对照组(均P<0.05),且R-TLE组患侧MTA评分显著高于健侧(P=0.039),L-TLE双侧MTA评分差异无统计学意义(P>0.05),L-TLE组和R-TLE组健侧MTA评分与对照组差异均无统计学意义(均P>0.05,见表1)。

表1 双侧内侧颞叶MTA评分比较Table 1 Comparison of bilateral medial temporal lobe MTA score

2.2 DTI和DKI数据分析结果

与对照组相比,L-TLE组各参数图差异脑区体素数百分数分别是6.76%(FA)，12.08%(MD)，33.21%(MK)，23.71%(AK)，14.96%(RK)(见图1),DTI-FA、DTI-MD和DKI-MK、DKI-AK、DKI-RK骨架图上显示具有显著差异的脑白质区域的分布(P<0.05);R-TLE组分别是19.91%(FA)，7.94%(MD)，39.55%(MK)，16.13%(AK)，29.21%(RK)(见图2)。DTI-FA、DTI-MD和DKI-MK、DKI-AK、DKI-RK骨架图上具有显著差异的脑白质区域的分布(P<0.05)。L-TLE组和R-TLE组双侧半球广泛的白质纤维束均不同程度的受累,包括胼胝体、穹窿、双侧内囊、外囊、放射冠、钩束、上、下纵束、扣带束、上、下额枕束等白质区域,但MK骨架图显示的差异脑区除上述脑白质区域外,在广泛的近皮层脑白质区域和双侧放射冠白质区域差异脑区的显示较其他参数敏感。

3 讨论

DTI技术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的改变,常用的参数有FA值和MD值,FA值描述了水分子扩散各向异性的程度,MD值反映了水分子扩散能力,与扩散方向无关。DTI的理论基础是假设水分子的扩散运动呈高斯分布,但在活体组织内,水分子的扩散运动受细胞膜、细胞器、细胞间质黏稠度等多种因素的影响,呈非高斯分布。DKI技术是在DTI基础上发展而来,检测活体水分子扩散情况并真实反映病理状态下微观结构改变的扩散MRI技术。DKI既可以获得DTI参数图,还可以获得峰度参数图,如MK、AK和RK等参数,MK反映了组织结构的复杂程度,适用于描述脑白质和脑灰质,在研究中应用最广泛,AK和RK分别代表轴向和径向方向上峰度的平均值。

TBSS作为目前较新颖和精确度较高的DTI和DKI数据后处理方法而得到了广泛应用。本研究采用TBSS方法分别处理DTI和DKI数据,得到各扩散和峰度参数骨架图。经软件计算发现,DKI-MK对于显示单侧TLE患者脑白质微观结构改变的体素数百分数均明显高于其他参数,提示MK能更敏感和全面地检测出TLE患者脑白质微结构变化程度和范围,对DTI技术具有补充作用,与DKI应用于其他中枢神经系统疾病的研究发现相一致[6,10,11]。

单侧TLE患者于扩散参数图(FA和MD)上差异脑区主要分布在胼胝体、内囊、外囊、钩束、穹窿、放射冠等白质纤维束走行一致和连贯的白质区域,与以往研究结果一致[12,13]。然而,峰度参数骨架图(MK、AK及RK)显示差异脑区的分布除了上述区域外,在广泛纤维束走行复杂和交叉的脑白质区域,如各脑叶近皮层的白质区域和辐射冠的MK值显著降低,差异脑区的显示更为广泛,提示了DKI参数对纤维束走行交叉、复杂区域的微观结构损伤更为敏感,与Zhu等[5]的研究结果相一致。如前所述,扩散和峰度参数表征水分子扩散的不同特征,对微观结构不同的白质区域的敏感性不同,FA值反映了在特定体素内水分子扩散方向的各向异性,尚不能评估存在多条不同方向纤维束穿行体素内水分子扩散的各向异性,而MD值表示水分子整体扩散水平和受阻情况,不受扩散方向影响,适合评价纤维束走行一致和连贯的白质区域,如位于深部脑白质、胼胝体、内囊前肢等白质纤维束,但是却受限于纤维束走行复杂脑白质区域,如纤维束交叉和皮层下白质区域[14]。而DKI技术的特征参数MK测量的是呈非高斯分布水分子的扩散程度,更适合评估纤维束走行复杂的脑白质区域[15],本研究结果表明DKI参数能敏感地检测出TLE患者皮层下白质和放射冠等白质区域微观结构的异常,可以初步认为DKI能够更全面地评估TLE患者脑白质受损范围和程度。

绿色表示平均FA骨架,红色和蓝色分别表示参数值显著升高和降低的区域

以往有关TLE的DTI研究没有关注致痫灶侧别对研究结果的影响,但已有相当多的证据支持TLE患者脑白质受累范围和程度受致痫灶侧别的影响。研究发现L-TLE患者表现出更广泛的脑白质和灰质结构受损[16]。Focke等[17]研究发现左侧TLE患者异常脑区范围更为广泛,并且边缘系统受损程度更为显著,其机制尚不清楚,Focke猜测癫痫异常放电在语言优势半球传播更为广泛,痫样异常放电对左半球造成的脑损害更为显著和广泛。与Focke等[17]的研究结果有所不同,Lemkaddem等[18]利用扩散光谱成像(diffusion spectrum imaging,DSI)技术对比研究发现,R-TLE较L-TLE表现出范围更为广泛并呈双侧分布的结构异常区域。本研究中两组单侧TLE患者在年龄、性别、发病年龄、病程、发作频率无统计学差异的前提下,发现R-TLE组表现出受累范围更为广泛的脑白质结构损伤,与Lemkaddem等[18]的研究结果相一致。分析造成这种差异的可能原因有:一方面,可能与纳入研究对象在年龄范围、发病起始年龄、抗癫痫药物的使用差异有关;另一方面,本研究显示R-TLE组患侧MTA评分显著高于L-TLE组,提示R-TLE组患者内侧颞叶萎缩程度较L-TLE组明显,可能影响研究结果。

绿色表示平均FA骨架,红色和蓝色分别表示参数值显著升高和降低的区域

本研究发现无论是L-TLE组还是R-TLE组,扩散参数骨架图上左半球差异脑区体素数百分数均稍高于右半球,与致痫灶的侧别无明显的相关性。但MK骨架图上显示差异脑区百分数均以患侧半球稍高于健侧,与致痫灶侧别具有相关性,与以往的研究结果相一致[12,19]。笔者推测,痫样异常放电在致痫灶同侧半球传播更为广泛,造成的功能和结构损伤更为广泛和显著。此外,峰度参数较扩散参数能够更加敏感地反映单侧TLE患者脑白质微观结构损伤的偏侧性改变,再次证实了DKI技术的优越性,但由于本研究样本数量较少,有待今后深入的研究来验证。

综上所述,单侧TLE患者存在广泛和双侧半球分布的脑白质微观结构损伤。DKI能更加敏感和全面地检测出单侧TLE患者脑白质微观结构损伤,特别是在纤维束走行复杂的区域,对传统DTI技术是一个有利的补充;此外,DKI能够较敏感地显示单侧TLE患者脑白质损伤的偏侧性改变,可能有助于致痫灶的定侧,有待今后大样本研究来论证。