脑瘫儿认知功能损害的3T多模态脑功能MR成像

张晓凡 郝明珠 王志伟 王 芳 朱 凯 张 毅刘 畅 曾立红 丁凤姝 汪 洋

目前，我国小儿脑瘫发病率约为0.2%～0.28%，其致残率约为40%～45%，每年新增脑瘫患儿约3万～4万[1]。脑瘫儿损伤常为复合性，除运动功能损伤外，还伴有程度不同的认知功能受损、心理或精神障碍、语言表达障碍等常见并发症。目前治疗多以患儿肢体功能康复为主[2]，尚缺少对认知功能障碍方面的重视，严重影响脑瘫患儿的整个康复进程，成为影响患儿回归社会的重要因素。脑瘫患儿认知功能的改变与大脑皮质结构和功能存在密不可分的关系。目前，有关此方面MR脑功能研究报道较少，研究对此组患儿行静息态下多种MR脑功能成像数据分析，探讨其病理基础及发病机制。

方 法

1.临床资料

选取伴有认知功能障碍脑瘫儿52例，脑瘫儿入组（cerebral palsy，CP组）标准如下：临床儿童脑性瘫痪的患儿由具有5年以上临床经验的神经内科医生诊断；韦氏儿童智力量表(韦氏幼儿版)IQ＜70；年龄3～7岁，平均年龄5±0.9岁（此年龄大脑基本发育完全，配合数据采集及认知障碍量表评估），女/男=24/28。对照组健康儿(control group，CG组)50例，年龄3～7岁，平均年龄4.8±1.0岁，女/男=21/29（经统计，CP组与CG组年龄符合正态性分布，年龄与性别组成无显著差异）。本项目得到研究单位道德伦理委员会的同意，受试儿的监护人在研究中签署确认知情同意书。

排除标准：①左利手；②24小时内服用精神兴奋剂类药物；③CP组：遗传性脑瘫患儿伴癫痫；④CG组：无精神、神经遗传性疾病家族史及脑瘫家族史；⑤其他神经系统疾病，听力和视觉障碍，其他慢性疾病。

2.技术路线

使用Philips Ingenia 3.0T多模态磁共振脑功能成像技术，进行MR脑功能数据采集，利用静息态下MR研究脑损伤对应大脑的皮层功能变化、大脑白质的情况。高分辨率T1WI、血氧水平依赖MR功能成像 (blood oxygen level dependent，BOLD)的 CP 组52例，CG组50例，可行性扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)13例，以上数据均成功采用。

2.1.数据采集：采集时受试儿静息仰卧于检查床，闭眼清醒；固定头部并最大限度减少头部及其他部位的主、被动运动；尽量避免思维活动，不配合小儿肛注0.5ml/kg的水合氯醛浅睡眠后进行扫描。

（1）3D-T1高分辨率结构横断位像：层数180，TR：500ms，TE 19ms，FOV 230mm×230mm，层厚 1mm无间距，分辨率1mm×1mm，矩阵256×256。

（2）静息态数据BOLD扫描参数：梯度回EPI序 列 ，TR 2000ms，TE 34ms，FOV 224mm， 矩 阵64×64，像素 3.5×3.5×4.0mm， 层数 32层。

（3）DKI=层厚2.5mm；15个弥散敏感梯度方 向。b值 DKI1、DKI2为 0、500、1000、1500、2000s/mm2，DKI B0 为 0。

2.2数据后处理：使用Philips ISP图像处理工作站相关软件行多模态MR数据多重参数分析处理。采集BOLD及DKI原始图像传至DKE后处理分析工作站，并用DKIprepare32软件对数据进行准备、预处理成NIfTI格式/m*.nii数据文件。

（1）3D-T1高分辨率结构像：获得高分辨率解剖像，进行大脑结构和病变区域研究。

（2）BOLD数据

1）采用SPM软件，通过剔除前10个不稳定时间点数据、时间校正、头动校正、图像配准至标准化空间、去线性、带通滤波(0.01～0.08Hz)内的振荡幅度、8mm高斯平滑，并用Slice Viewer生成激活图查看。

2）统计分析：利用REST软件计算局部一致性(ReHo)、低频振幅(ALFF)数据，并分别对CP组与CG组行双样本t检验，得到存在统计差异大脑区域P＜0.05，alphasim 校正 (AFNI)，cluster＞20voxels，结果在REST Slice Viewer显示。

（3）DKI数据：

图1A Alff图像。

图1B Reho图像。

图1C MK图像。A～C.Xjview软件中SliceViewer显示，红色区域表示与对照组对比，脑瘫组升高的脑区；蓝色区域表示与对照组相比，脑瘫组降低的脑区。图像的左右与影像学常规一致。

表1 CP组与CG组rs-fMRI的ALFF差异脑区

表2 CP组与CG组rs-fMRI的ReHo差异脑区

表3 CP组与CG组的MK值比较

1）运用DKE对m*.nii数据文件进行高强度滤波处理及DKIParameters快速估计，并对初始数据进行mask技术处理，计算生成kmean图。运用后处理软件ImageJ软件对kmean图进行数据测量，分别选择CP组及CG组的双侧额、颞、顶、枕叶等易损脑区作为兴趣区(ROI)，ROI取多层面平均峰度值(MK)后计算均值，并观察其信号特点。

2）统计分析：采用统计软件SPSS20.0，取感兴趣区MK值，符合正态分布的计量资料，用均数±标准差(±s)进行描述。运用t检验对两组组间相应脑区的MK值统计分析，并运用xjview软件对其数据进行筛选及图像数据整理。

结 果

1. 3D-T1高分辨率图像

以室旁白质损伤为主，累及额叶深部及侧脑室旁白质，两侧脑室后角旁白质病变出现较早；后期伴白质萎缩及胶质增生、脑室扩大。

2.BOLD 成像

2.1. ALFF值：CP组与CG组比较存在多个脑区异常，左侧丘脑、左侧壳核、左侧楔前回、右角回、右扣带回后部的ALFF值均升高(P＜0.05)，相应脑区活动增强。

2.2. ReHo值：CP组与CG组比较存在多个脑区激活减低，左侧额上回、左侧岛叶皮质、左枕回、右侧额中回、右侧颞上回ReHo值降低(P＜0.05)，相应脑区时间上趋于紊乱；左侧额叶白质、左顶下小叶、左侧丘脑、右侧额叶白质、右侧扣带回ReHo值升高(P＜0.05)，相应脑区时间上具有一致性。

3.DKI成像

MK值比较：CP组双侧额叶、双侧顶叶、双侧枕叶的MK值均低于CG组(P＜0.05)，其余脑区无显著统计学差异(P＞0.05)。

讨 论

近年来，MR脑功能成像技术迅猛发展，促进了人类大脑研究从解剖结构到功能领域的转变。血氧水平依赖功能磁共振成像及扩散峰度成像为新兴脑功能MR成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)检查手段，为无创性研究大脑功能及探究发病机制的重要方法。国内外临床开展一些针对脑瘫儿的认知功能障碍相关研究，脑瘫患儿伴有认知和脑发育异常的双重障碍[3]，对任务态实验的配合度较低。为提高实验的临床可行性、可重复性，选取静息态fMRI(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)研究认知障碍的脑瘫儿，此信号接近脑组织生理状态。rs-fMRI受检患儿仰卧于检查床，闭眼清醒、身体静止并无特定思维活动。rsfMRI己被国外学者应用于阿尔茨海默病、癫痫、小儿多动症、脑卒中等疾病中[3]，它是研究大脑生理功能和认知科学的重要影像学方法，可成功评估并定性描述脑损及缺失脑区，在中枢神经系统病理机制的研究中起到关键作用。

BOLD是利用大脑皮质含氧血红蛋白变化，形成局部组织血氧水平依赖信号变化，实时清晰显示感兴趣区的脑功能活动，即用影像图像形式展现抽象脑功能活动，获得解剖和病损等信息，促进脑功能损伤的研究[4]。BOLD通过低频振幅信号振荡的平均强度来体现大脑局部的神经活动强弱，计算大脑低频振幅(ALFF)、局部一致性(ReHo)各体素的时频特性，从能量的角度反映静息状态下神经元细胞的活动水平，理解CP组和CG组自发神经元活动引起的功能差异。BOLD研究局部脑区的自发神经活动程度和在时间序列上同步性，包括低频振幅和局部一致性分析[4]等。BOLD信号强度用ALFF表示，反映神经元在特定选择频段(0.01～0.08Hz)的自发活动，其敏感性、特异性、精准性反映静息态脑组织活动强度；可分析数值并行解剖学定位，通过自发活动或异常改变精准标记、定位脑区。脑区活动增强，ALFF值相应增高；反之，ALFF值降低。ReHo基于特定条件下，某功能脑区的体素和周围体素间有较高的时间一致性，通过分析各体素时间序列的一致性，敏感检测并反映局部脑区和神经元的活动同步性及同质性变化。定位功能差异性脑区，表达异常神经元活动情况，激活升高表明局部神经元活动在时间上具有一致性；反之，说明在时间序列上趋向于紊乱，为疾病发生和恢复机制提供理论依据。

DKI系对DTI技术的延伸研究，在四阶三维完全对称张量情况下描述水分子非高斯扩散分布，真实量化水分子扩散与理想高斯扩散分布的位移偏离情况，表明水分子扩散不均质性和受限程度[5]。DKI可获得多种弥散参数值，包括传统DTI的各向异性值(FA)、平均弥散率(MD)、平均峰度（MK）、峰度参数径向峰度(RK)和轴向峰度(AK)。DKI通过计算CP组和CG组的双侧额、颞、顶及枕叶的MK值，比较脑区的功能异常。MK值依从于生物组织内水分子运动特征，是一个反映扩散受限程度的无量纲参数的微观指标，反映水分子各向平均弥散峰度的指标，也可应用于组织病理学改变的评估。MRI与FA值相比，MK值不依赖于组织结构的空间方位，脑灰白质都可描述，可更加敏感地探测组织微观结构改变，作为疾病早期的标记。MK值大小取决于ROI内组织结构的复杂情况和不均匀性，组织结构越复杂，DKI成像中水分子弥散受限越显著，MK数值也就越大[6]；数值大小与轴突包膜完整性、数量及轴突密度也有关，当此类结构脱失或损伤时，白质MK值会降低。

Englander等研究了痉挛性脑瘫儿的注意和执行功能障碍，研究结果表明脑瘫儿表现能力的减弱与白质损伤相关[7]；吕志海等[8]对认知障碍患者与脑损伤及相关部位进行研究发现两者有相关性，尤其与额叶脑区损伤显著相关。额叶在注意力、记忆、情绪、思维及执行能力等高级认知活动起关键作用，额下回是运动语言中枢，额中回与应激意识的获取及记忆能力表现有关，参与前额叶、额下回对情绪及思维的整合功能，并通过弓状纤维在背外侧与额上回相联系，构成认知执行网络。本研究发现CP组的额叶脑区BOLD中ReHo值在不同区域表现不同：左额上回及右额中回活动呈下降，提示活动趋于紊乱；左、右额叶脑区活动呈升高趋势，说明神经元的活动具有不同程度一致性，间接说明认知障碍脑瘫儿的额叶功能活动改变相对复杂。DKI中CP组双侧额叶区的MK值比CG组明显减低，说明额叶脑区非正态分布水分子弥散受限程度减低，存在不同程度甚至隐匿性髓鞘脱失、轴突损伤等现象，间接说明双侧额叶脑区在认知控制过程中有功能障碍。

顶叶联合皮质区的认知活动，涉及皮质及其联系的白质纤维束构成复杂神经网络，而顶叶与额枕叶在纤维连结上又存在一定交叉[9]。其中，扣带回和顶下小叶是默认网络脑区，参与大脑高级认知功能活动。扣带回在认知、行为、情绪方面发挥关键调节功能，前扣带回在认知控制网络中起重要节点作用，也在错误监测、冲突控制、强化性学习及注意和执行功能中起显著作用[10]。本研究发现，CP组显示左侧顶下小叶、右侧扣带回后部ALFF值增高，神经元活动增强，提示CP组顶叶神经元可能处于修复阶段。CP组的ReHo值在左侧顶下小叶、右侧扣带回等多脑区激活升高，说明这些脑区神经元活动在时间上具有高度的一致性；ReHo值在左枕回下降，而顶叶脑区未见显著改变，说明枕、顶叶脑区功能存在部分交叉，左枕回相应脑区的体素在时间上趋于紊乱，表明此处神经元的功能活动与其他神经元的活动非同步。部分脑区的ReHo与ALFF值改变趋势相同，说明两种分析方法彼此相呼应。双侧顶叶及枕叶的MK值明显降低，可能与组织缺氧导致微细结构改变，造成神经元损伤死亡、突触减少，继而神经胶质增生，减少水分子运动程度，使MK值减低[11]。而顶叶白质微细结构改变，使顶枕纤维环路的构成受影响，导致枕叶脑区的相关认知功能受损。

Xiaoming等[12]研究分析显示颞叶为认知密切相关脑功能区，参与大脑认知网络、感觉运动、社会情感、嗅味觉及情绪察觉等功能。楔前叶参与加工意识、视觉处理和场景记忆的作用[13]，左侧楔前叶属于视觉联合皮质，将语言功能与视觉信息相联系，尤其是空间信息的语言转化和在复杂认知行为活动中扮演着重要作用；颞叶也是默认网络的核心区域，参与外部任务活动时其活动降低，静息状态下其活动升高[14]。颞叶内侧是脑瘫儿较易受累的部位，颞上回是听觉中枢，参与听觉处理和语言接收；角回与事件的细节记忆有关联，对情景记忆尤其是生动情景记忆的提取起到重要作用[15]。本研究结果显示CP组右侧楔前叶、右侧角回的ALFF值升高，说明这些脑区的神经元活动增强，与颞叶区域的投射纤维解剖结构和功能复杂，丰富的纤维环路与邻近组织连接有关。左侧颞叶深部、右侧颞上回的ReHo值减低，局部神经元活动的局部一致性减低，可能与颞叶神经元完整性缺失、体积缩小、局部血流量改变，继而神经纤维的失连接有关。CP与CG两组双侧颞叶的MK值无显著统计学差异，说明此脑区神经纤维的密度及纤维基质的结合度未受到影响或影响甚微，白质纤维束的微观改变存在着区域不均衡性。CP组患儿左侧丘脑的ALFF及ReHo值均有升高趋势，说明神经元的活动强度及局部一致性增强，丘脑是中央核团，易受到脑内微循环变化而改变，脑瘫儿微循环的改变导致丘脑代偿性血供增多，ALFF及ReHo值升高。

基于无创fMRI成像对理解伴有认知障碍脑瘫儿发病机制具有重要临床意义，通过CP与CG两组小儿脑灰白质的微观结构及功能差异对比，静息态fMRI可敏感地显示大脑灰白质微观结构及病损脑区功能异常，探讨认知功能损害与异常脑区之间的关系，发现额、顶、颞及枕叶的变化并非随机性的，而是具有非对称选择性的。实时图像可显示抽象的脑功能活动、弥散情况及定位功能差异性脑区，表达异常神经元改变，获得解剖、病理及生理等可靠信息。