磁共振弥散张量成像在2型糖尿病患者脑白质损伤中的应用研究进展

刘春林 郭志勇

1)新乡医学院第五临床学院，河南 新乡 453000 2)新乡市第一人民医院，河南 新乡 453000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一类由多种因素导致的以血糖升高为基本特征的慢性代谢性疾病，长期高血糖状态可引起全身各个器官及组织慢性进行性病变、功能障碍及衰竭[1]。主要分为1型糖尿病和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)，最常见的是2型糖尿病，占90.0%～95.0%。2型糖尿病是由于胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)伴随相对胰岛素分泌不足，或胰岛素分泌缺陷伴或不伴胰岛素抵抗所引起[2]。近年来，在全球各个地区，糖尿病的罹患率、发病率及患病人群数量急剧上升。据国际糖尿病联盟(IDM)统计2016年全世界糖尿病人数已达4.3亿，较2010年增长近30%，其中约80%在不发达国家[3]。随着我国人民生活水平的快速提高、生活方式的改变及老龄化进程加速，肥胖及超重人口增加，我国DM患者数量呈快速增长趋势，2013年全国调查中2型糖尿病患病率为10.4%，男性高于女性(11.1% vs 9.6%)，且未诊断的糖尿病患者比例较高，约占总数的63%。2型糖尿病是一种终身疾病，易引起各种并发症，以往调查显示，在所有糖尿病相关并发症中，以微血管并发症和大血管并发症对机体损害最突出，其中中枢神经系统是易受累部位之一，约占12.6%[4]。T2DM患者易出现颅内血管损害及大脑白质病变(white matter lesions，WML)。大脑白质病变在CT上表现为低密度影，在常规MRI序列上主要表现为白质长T1、长T2信号及程度不等的大脑白质萎缩。然而，T2DM引起的脑白质损害是一个慢性、逐渐累积的过程。传统的影像学检查方法，如CT及常规MRI对于脑白质损害的特异性相对较差，较难检测到早期WML的部位及程度。这就需要我们应用更加敏感的技术，如磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)观测早期大脑白质纤维完整性的情况[5]。

1 DTI简介

DTI是一种以扩散加权成像(diffusion weighted image，DWI)为基础，基于水分子在不均匀组织中具有扩散各向异性特点的磁共振成像方法，由BASSER等[6]于1994年首次提出，此后逐渐在研究中枢神经系统解剖及功能中应用。DTI能非侵袭性地显示活体脑白质纤维束，通过多个参数反映白质纤维束中水分子扩散的程度及方向，是一种无创的跟踪脑内白质纤维并显示脑内病变对白质纤维形态结构直接或间接的影响的检查方法[7]。在中枢神经系统，水分子的运动受多种因素(如髓鞘、细胞膜、白质纤维束)的影响，故水分子扩散的方向及程度存在差异。由于神经纤维的这种特性，DTI较常规MRI来说，更容易检测到大脑白质微结构的异常。与常规的 MRI图像相比，DTI相关参数的异常能够直接反映出大脑白质微结构的完整性[8]。目前，DTI在脑梗死、糖尿病脑白质病变、脱髓鞘性疾病、运动神经元病、帕金森病、颅脑外伤、阿尔茨海默病、大脑发育等多种疾病及神经系统发育的相关研究中已取得显著成就[9-16]。

2 DTI的基本原理和参数

2．1弥散弥散是自然界中的物质分子一种随机扩散的运动，即布朗运动。在无障碍环境下，水分子朝各个方向运动速度相同，称为各向同性扩散(isotropic diffusion)，在神经纤维中，水分子在某一个方向上的弥散速率与其他方向不一致，称各向异性扩散(anisotropy diffusion)[17]。因此，从微观层面来看，不同的细胞成分及解剖结构(如轴突和髓鞘)可引起弥散各向异性的改变。

2．2基本参数DTI是一种基于水分子在不均匀组织中具有扩散各向异性特点的成像方法，其主要通过本征向量与本征值反映水分子的弥散特征。本征向量用V1、V2、V3表示，本征值用λ1、λ2、λ3表示，其中λ1>λ2>λ3[6-7]。基本参数：部分各向异性(fractional anisotropy FA)、平均弥散率(mean diffusivity，MD)、轴向弥散率(anxial diffusivity，AD)、径向弥散率(radical diffusivity，RD)等。其中FA值和MD值是最常用，具有较高敏感度的DTI参数。FA值用来描述水分子在体内扩散的程度、规模及方向性，是水分子在组织中扩散各向异性成分在全部扩散中所占的比例。FA值0～1，主要反映大脑白质纤维束的完整性。MD值体现了每个体素内沿着轴索方向和垂直于轴索方向的水分子平均弥散速率，代表每一体素的平均弥散系数(average diffusion coefficient，DCavg)，与ADC相比，其能更加客观完整地反映弥散运动的速度。FA值降低和MD值增高，表明区域内大脑白质纤维微结构完整性受到损伤。已有研究证实，AD的改变可能与传导束轴索损伤相关，而RD值的改变则与神经脱髓鞘有关[18-20]。因此，综合多种参数进行研究可以更全面地对病变进行分析。

2．3弥散张量纤维束成像(diffusiontensortractography，DTT)DTT是一种利用DTI数据在人体上三维显示大脑白质纤维束的一种无创性MRI成像技术。因该技术能够无创显示神经纤维束的走形及完整性，被广泛应用于中枢神经系统的组织形态学和病理学研[21]。

3 DTI在糖尿病脑损伤中的应用

T2DM患者大脑腔隙性梗死灶和大脑白质T2WI高信号的发生率较高。YAU等[22]研究发现，T2DM患者大脑白质微结构FA值明显下降，结果显示，T2DM患者主要为额叶、颞叶及颞干白质微结构的异常，且患者瞬时情感记忆与颞干FA值密切相关，提示DTI可以检测出T2DM患者大脑白质微结构完整性的改变。陈菁等[23]研究发现，T2DM患者双侧大脑半球白质纤维束广泛受累，且受累区域大脑白质的FA值降低和MD值上升，部分纤维束RD值升高。此外，其在评价T2DM患者脑白质纤维束损伤时FA值和MD值较AD值和RD值更加敏感，且糖化血红蛋白对DTI参数影响最大。许洪敏等[24]研究发现，T2DM患者大脑白质纤维存在广泛损伤改变，其中双侧枕叶、双侧额叶及双侧颞叶白质受累明显，且糖化血红蛋白水平是导致脑白质DTI参数的主要因素，与陈菁等[23]研究结果一致。FALVEY等[25]研究显示，糖尿病患者全脑白质FA值降低及海马、左侧扣带回后部、额叶皮层前部背外侧、右侧壳核MD值显著增高，表明T2DM会导致大脑白质微结构的损伤。REIJMER等[26-27]一系列DTI研究发现，T2DM患者局部大脑白质纤维完整性FA值下降及MD值增高，提示可能存在脑白质受损情况，且T2DM患者有不同程度信息处理速度缓慢，表明大脑白质微结构受损可能引起认知功能障碍，与YAP等[28]研究结果一致。ZHANG等[29]对38例T2DM患者和34例相匹配的健康成人应用DTI研究T2DM与大脑白质微结构及认知功能的关系，发现T2DM组胼胝体、丘脑辐射、左侧内囊前肢和外囊等多部位FA值下降及MD值升高，表明T2DM患者出现广泛的大脑白质微结构损伤，其中以胼胝体的损伤最明显，提示FA值和MD值的异常可以敏感地反映大脑白质微结构完整性的改变，且T2DM患者出现不同程度的执行力、注意力和记忆力下降。因此，认知功能下降与T2DM患者早期大脑白质纤维脱髓鞘相关。HSU等[30]对40例T2DM患者和97例健康成人进行全脑 DTl分析显示，T2DM组大脑白质FA值、MD值、AD值、TD值明显异常，表明大脑白质纤维完整性受损，且发现FA值下降和MD值增高与RD值的增高相关。因此，认为这是由大脑纤维脱髓鞘性改变引起水分子运动方向和速率发生变化导致的。ZHANG等[31]对22例T2DM合并抑郁患者和28例重度抑郁患者进行脑部DTI扫描发现右侧内囊前肢有FA值显著降低、RD值明显增加的趋势，提示右侧内囊前肢的白质完整性明显受损。这一发现与先前关于右侧内囊前肢完整性下降的研究结果一致[32]。虽然抑郁症和糖尿病之间无显著相关性，但结果显示高抑郁评分和高糖化血红蛋白的患者右侧内囊前肢FA值最低。此外，发现糖尿病严重程度与左侧内囊前肢FA值呈显著负相关。CUI等[33]研究发现，T2DM患者全脑FA值下降，且T2DM患者记忆力、判断推理、执行力和信息处理能力降低，与相关研究[26-27，29，31]结果一致。另有神经影像学研究显示，T2DM患者额叶、颞叶和顶叶区域大脑白质纤维束常出现异常改变，主要为FA值的降低。且大脑白质纤维的改变与认知功能障碍有关[34]。谭欣等[35]DTI研究发现，T2DM患者背侧丘脑后部及内侧部FA值下降及MD值增高，主要是投射纤维至皮层的特定边缘区、感觉区或运动区及背侧丘脑内纤维连接，其与AD病变脑区相似，提示两者关系十分密切。XIONG等[36]对糖尿病伴轻微认知功能障碍组和健康对照组全脑DTI研究显示，患者组FA值降低和MD值增高，提示大脑白质微结构的异常，且认为在糖尿病伴轻微认知功能障碍组的这些改变主要由RD速率上升引起，证实FA值减低和MD值升高与认知功能相关。KODL等[37]研究证明了DTI可以检测到1型糖尿病患者脑白质微结构的异常，且发现患者神经认知功能的下降与大脑白质纤维FA值下降相关。这些相关研究进一步表明利用DTI检测T2DM患者早期大脑白质微结构损伤是一种敏感、可行的方法。

DTI是一种较为先进的能够客观定量反映T2DM患者脑白质纤维束完整性遭受破坏的技术。其主要体现在DTI各个输出参数的异常改变，其中以FA值和MD值的改变最为重要。在T2DM患者无临床急性脑血管事件、癫痫、颅脑外伤等发生的情况下，应用DTI观察脑白质纤维束完整性可客观了解T2DM患者颅内脑组织改变情况，从而指导临床医师对与糖尿病相关的中枢神经系统损伤进行早发现、早诊断、早治疗。

大脑白质微结构的损伤可能是T2DM患者大脑损伤的早期标志。联合应用结构和功能MRI检查(如DKI、IVIM、MRS等)可以为T2DM患者提供更敏感的指标，并且更多先进的MRI检查方法将有利于T2DM患者大脑白质损伤的检出[38]。目前大多研究主要集中在T2DM患者认知功能异常与脑白质微结构损伤的相关性，并认为长期高血糖状态可引起脑深部微小血管内皮功能改变。导致T2DM患者早期出现弥漫性脑白质微结构损伤，如神经纤维脱髓鞘、平行性及数量减少引起神经冲动传导速度减慢[39]。因此，应用先进的影像学检查方法评估T2DM患者脑损害已然成为一种趋势。DTI是一种新兴技术，大脑白质纤维联络非常复杂，因其在显示大脑白质纤维结构的特殊性，在各个领域已经越来越多地成为评价脑白质微结构改变的一种可靠方法。

4 小结与展望

利用DTI对T2DM患者脑白质微结构完整性的研究是一个有重要意义的研究热点，大脑中有很多复杂的纤维结构，T2DM或许和中枢神经退行性变及血管病变关系密切，与正常的衰老相比，T2DM患者可能更容易出现严重的大脑微结构异常及认知能力下降，且常规的检查方法很难显示出这些改变。而新兴的磁共振技术如DTI则可以无创、灵敏地显示脑白质微结构病变。DTI各个参数的异常则可以敏感地反映T2DM患者脑白质微结构的改变，如T2DM组FA值、MD值、AD值、TD值明显异常，对了解糖尿病患者早期大脑白质完整性改变具有重要意义，可以对无神经功能缺损症状的人群进行早期的动态观察和干预治疗。随着科技的进步，对DTI某些缺陷的改进，以及联合DTI和其他功能磁共振成像应用于大样本的T2DM患者脑白质损伤的纵向研究，必将取得更多成果。