应用扩散张量成像技术对急性缺血性卒中机体功能障碍与锥体束损伤程度的相关性研究

2021-05-06郝清丁思萱李冬雪刘怀军王宁

磁共振成像 2021年1期

郝清，丁思萱，李冬雪，刘怀军，王宁

作者单位：1.河北医科大学第二临床医学院，石家庄050000；2.河北医科大学第二医院影像科，石家庄050000

磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技术是在扩散加权成像（diffusion-weighted imaging，DWI）基础上在≥6 个方向施加扩散敏感梯度而获得的图像，可以利用水分子的扩散各向异性进行成像，是目前唯一无创性反映活体组织水分子扩散各向异性的检查方法。DTI较常规MRI可以更清晰地显示脑白质纤维的走行，是一种非侵入性的研究大脑内部结构的重要工具，活体人脑白质纤维成像目前没有金标准来进行评价［1-3］。DTI 可以用来评估锥体束的完整性和损伤程度，以及与机体运动功能的相关性，还可以评估对缺血性脑卒中的一些治疗方法的效果以及患者的运动功能康复情况，是非常有优势的检查方法［4-8］。

锥体束是重要的运动传导束，是运动控制的基础，也是影响运动功能预后的主要结构［9］。Schmidt等发现在83%的患者中使用DTT 扫描可以在术前显示良好的神经束，DTT 扫描图像与手术解剖之间具有良好的术中相关性［10］。有学者使用DTT研究发现，在蛛网膜下腔出血恢复过程中患者皮质脊髓束损伤的恢复过程与腿部无力的恢复过程是一致的［11］。多项对急性脑卒中患者的研究也表明，急性脑出血时锥体束的DTT 表现是预测运动功能预后的有效结构指标。

基于DTI 的追踪成像已被用于证明卒中后白质通路状态的功能相关差异［12］。本研究采用DTI 技术行三维脑白质束示踪，显示急性缺血性脑卒中发生后病灶区部分白质纤维束变化，采集了病灶位于单侧基底节区的急性缺血性脑卒中患者的病例和图像资料，目的是将同一患者患侧与健侧神经纤维束的形态学和影像学相关参数两方面进行深入研究，以排除不同患者之间的个体差异，并探索机体功能障碍与锥体束功能缺损的相关性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

回顾性分析2017 年4 月至2019 年6 月河北医科大学第二医院收治的急性缺血性脑卒中患者16 例，其中男性12 例，女性4 例；年龄34～71 (55.688±12.505)岁；均为单侧急性缺血性脑卒中，病变区位于基底节区，病灶在左侧9例，病灶右侧7例。

纳入标准：(1)发病处于急性期；(2)单侧病灶，病灶位于基底节区，累及白质而无灰质受累；(3)无认知障碍；(4)无MRI检查禁忌证。

排除标准：(1)生命体征不平稳或者并发重要脏器衰竭；(2)既往有神经精神病史、药物滥用；(3)既往曾有其他脑部疾病或脑部手术史；(4)恶性肿瘤病史。

所有患者均签署知情同意书，并经医学伦理委员会批准。

1.2 图像采集

1.2.1 成像设备

采用荷兰Philips 公司生产的Achieva 3.0 T高场强磁共振扫描机，应用头颅8通道相控阵线圈。

1.2.2 扫描方法

扫描序列包括头颅常规平扫、扩散加权成像，DTI 扫描。常规头颅平扫序列包括轴位T1WI、T2WI、FLAIR及矢状位T2WI。

1.2.3 扫描参数

T1WI(TE 20 ms，TR 2000 ms)，T2WI(TE 80 ms，TR 1600 ms)，FLAIR (TE 140 ms，TR 9000 ms)，DWI (TE 100 ms，TR 2200 ms)，b 值为800 s/mm2，层厚均为6.0 mm，层间距均为1.3 mm，激励次数均为1；DTI 序列在15 个方向上施加扩散梯度，b 值为0 s/mm2、800 s/mm2，TE 60 ms，TR 3200 ms，层厚为4 mm，层间距为0 mm，激励次数为2。FOV 224 mm×224 mm×136 mm(RL×AP×FH)，矩阵112×112。

1.3 数据采集

1.3.1 健、患侧FA 值和ADC 值、纤维束数量及差值、纤维束图像

采用Extended MR WorkSpace 2.6.3.1 工作站对DTI 数据进行后处理，重建出表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)图，各向异性系数(fractional anisotropy，FA)图，各向同性图(isotropic image)，容积比各向异性(volume ratio aniso)图；分别在放射冠，半卵圆中心，内囊后肢选取感兴趣区ROI。选择感兴趣区后，软件显示相应FA值、ADC 值、纤维束数量以及重建后的纤维束图像，使用3D slicer 10.4.2软件进行纤维束重建获得重建图像。

ROI 选取原则：手工选取ROI 范围尽量完整包括病变区，并手工选取对侧大脑半球正常脑组织相同形状、大小的ROI作为对照。

1.3.2 肌力和NIHSS评分

采用肌力分级标准评分表和美国国立卫生研究院卒中量表(NIH Stroke Scale，NIHSS)对患者的肌力和机体功能进行评分。

1.3.3 病灶体积

采用Mimics Medical 19.0 软件手动测绘病灶体积，由同一人员完成全部数据的测量，每位患者的病灶体积测量重复三次，取平均值作为该患者最终的病灶体积。

1.4 统计学方法

采用SPSS 21.0统计分析软件对健、患侧锥体束数量，健、患侧FA 值，健、患侧ADC 值、纤维束数量差值、病灶体积、NIHSS 评分数据、肌力评分数据进行正态性检验。对健、患侧锥体束数量，健、患侧FA 值，健、患侧ADC 值分别采取配对t 检验进行分析。P＜0.05 为差异有统计学意义。对纤维束数量差值与病灶体积、患侧FA 值、患侧ADC 值、NIHSS 评分、肌力评分采用Pearson 相关分析法分别进行相关性分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 患者阳性表现

患者出现的阳性表现包括不完全运动性失语、构音障碍、鼻唇沟变浅、口角下垂、张口偏斜、鼓腮漏气、示齿口角偏斜、伸舌偏斜、肌力减低、共济运动失调、步态异常、痛温觉减退、足跖反射消失、Babinski征阳性、双划征阳性等。

2.2 健患侧纤维束数量、FA值、ADC值配对t检验结果

急性缺血性脑卒中后，在基底节区内囊后肢层面，患侧纤维束数量、FA值、ADC值与健侧相比都有显著减低(P＜0.05)(表1)。

2.3 健、患侧纤维束数量差值和病灶体积、肌力分级相关性结果

急性缺血性脑卒中后，在基底节区内囊后肢层面，健、患侧纤维束数量差值和病灶体积呈显著正相关关系(P＜0.05)，与肌力分级呈显著负相关关系(P＜0.05)（表2）。

2.4 健、患侧纤维束数量差值，病灶体积和NIHSS 评分，FA值减少程度和ADC减少程度相关性结果

急性缺血性脑卒中后，在基底节区内囊后肢层面，病灶体积与NIHSS 评分呈显著正相关关系(P＜0.05)，健、侧纤维束数量差值和NIHSS 评分无相关性(P＞0.05)，FA 值减少程度和ADC 减少程度无相关性(P＞0.05)（表3）。

2.5 走行分析

DTT 显示梗死灶纤维束直径变细，纤维数量减少，部分断裂，受梗死灶压迫，变形，移位，本研究还通过3D slicer重建锥体束，移动种子点位置多次观察，发现部分患者有少量健侧纤维束通过胼胝体延伸到患侧，有少量纤维束在梗死灶下方偏向患侧延伸(图1)。

表1 健、患侧纤维束数量、FA值、ADC值配对t检验结果(16例，±s)Tab.1 Number of healthy and affected side fiber bundles,FA value,ADC value paired t test results(n=16,±s)

组别健侧患侧t值P值锥体束数量150.313±63.084 123.500±56.000 3.912 0.001 FA值0.452±0.033 0.429±0.037 3.323 0.005 ADC值(10－3 mm2/s)0.836±0.032 0.784±0.059 4.402 0.001

表2 健、患侧纤维束数量差值和病灶体积、肌力分级相关性结果(16例)Tab.2 Correlation results between the number of healthy and affected side fiber bundles,lesion volume,and muscle strength classification(n=16)

表3 健、患侧纤维束数量差值，病灶体积和NIHSS评分，FA值减少程度和ADC减少程度相关性结果(16例)Tab.3 Correlation between the difference in the number of fiber bundles in the healthy side and the affected side,the le‐sion volume and NIHSS score,the degree of reduction in FA value and the degree of reduction in ADC(n=16)

3 讨论

3.1 临床研究指标及其意义

DWI 是显示组织中水分子扩散程度的技术，ADC值是显示水分子扩散能力的参数，ADC 值高表示水分子扩散能力强，反之表示水分子扩散能力减弱。DTI是在DWI基础上发展而来的新兴成像和后处理技术，此种技术主要是利用组织中的水分子自由热运动及其各向异性原理来探测组织微观结构，进而研究人体各项功能；其主要参数为FA值，FA值反映了水分子扩散的各向异性程度，水分子在各个方向扩散强度大小一致称为各向同性，在各个方向扩散程度大小不一致称为各向异性；脑神经纤维束由于有髓鞘组织的束缚包绕，水分子在各个方向上的扩散程度差异较大，总体上趋向于神经纤维束走行的方向，因此各向异性程度较高，FA 值较高，这也是神经纤维束成像的基础。

本研究应用的指标有ADC值、FA值、纤维束数量、病灶体积、临床肌力评分、NIHSS 评分。在本研究中，以测量的ADC 值减少程度代表脑组织的损伤［13］。ADC 图是一种通过计算获得的影像，如急性梗死，病变组织发生细胞毒性水肿，水分子扩散明显受限，表观扩散系数减低，因此病变区在DWI图像中呈高信号，在ADC 图中呈低信号。ADC 值的正常范围：自由水的ADC值大约为2.5×10－3mm2/s，正常脑组织的ADC值为(0.7～0.9)×10－3mm2/s；脑组织急性病变的ADC 值多降低，脑组织亚急性或慢性病变的ADC值多升高，ADC异常变化的上下限为(0.4～2.5)×10－3mm2/s。在本研究中，以测量的FA 值减少代表了锥体束的损伤程度。各向异性比率是水分子扩散各向异性占整个扩散张量的比率，水分子扩散的各向异性比率越高其扩散张量效应越强。在脑白质中，由于髓鞘的阻挡，水分子的扩散被限制在和纤维走行一致的方向上，具有较高的各向异性。FA 值与髓鞘的完整性、神经束膜和轴突内结构都有密切的关系。有研究表明FA值改变的相关性可以预示纤维束的损伤与机体功能障碍的相关性［14］。DWI 和DTI 参数存在个体差异，易受细胞膜通透性，组织液黏滞度等多种因素影响，并且由于目前未发现有研究已证实人两侧大脑半球纤维束的数量有差异，故选取健、患侧纤维束数量差值在本研究中作为纤维束损伤程度的指标，这可以减少个体差异的影响。NIHSS 评分和临床医学肌力分级作为机体损伤程度指标，是通过对临床症状体征评分得出的，NIHSS 评分与皮质脊髓束Wallerian 变性［15-16］、皮质脊髓束损伤程度［17］、病灶体积［18］等因素有相关性。在本研究中急性缺血性脑卒中后患者出现的阳性表现与损伤纤维束的症状相符。

3.2 病例中健、患侧FA、ADC 值、纤维束数量差异的分析

研究结果表明在急性缺血性脑卒中后，在基底节区内囊后肢层面，患侧病灶区FA 值，ADC 值与健侧相比都有显著减低，与以往一些研究神经功能损伤的结果一致［19-23］。原因是缺血性脑卒中急性期时，由于细胞毒性水肿作用导致细胞膜通透性改变，脑细胞摄水增多肿胀，而在细胞膜和细胞器等结构的束缚作用以及细胞外间隙变窄等因素的共同作用下，细胞内水分子扩散明显受限，ADC 值下降［24］，由于缺血缺氧导致脑白质纤维束髓鞘损伤，纤维束肿胀，纤维束间隙变小，纤维束内的水分子向其他方向的扩散程度增强，所以损伤的纤维束的FA 值下降。但病例中也存在两例FA 值无显著变化，这可能是因为测量FA也可能受继发于急性损伤的组织水肿的混杂影响［25］。有研究指出，FA 值在脑梗死超急性期无明显变化，而随着脑梗病情的进展逐渐降低。因此急性期之后的患者，更容易显示出皮质脊髓束（corticospinal tract，CST）受损的程度。同时患侧纤维束数量比健侧纤维束数量显著降低。但是在按照纳入排除标准纳入数据过程中，本组人员发现一些临床病例存在患侧纤维束数量多于健侧纤维束数量的情况，病例均为右利手，损伤部位多数位于左侧内囊区，在符合纳入排除标准数据中仅有1例为右侧内囊区损伤，猜测可能是由于人体大脑解剖结构并非完全对称，右利手患者的左脑内囊区可能较右脑内囊区大一些，而张剑凯等［26］的研究发现在端脑内囊后肢层面内囊后肢的左侧的面积显著大于右侧面积，临床情况大致符合猜想。

3.3 病灶体积、临床肌力分级与健患侧纤维束数量差值相关性的分析

本研究结果发现病灶体积和健、患侧纤维束数量差值呈显著正相关关系，可以认为在本研究中，病灶体积越大，对锥体束损伤越严重。同时发现病灶体积与NIHSS 评分呈显著正相关关系。这说明了在本研究中，病灶体积越大，患者机体功能损伤越严重。原因可能是病灶范围大，脑组织功能损伤严重，同时细胞毒性水肿作用和占位效应加强，不仅使纤维束位移、变形，甚至发生断裂。而在本研究中健、患侧纤维束数量差值与临床肌力分级呈显著负相关关系，这说明纤维束损伤越严重，对肌力影响越严重，这与使用FA 值和其他运动量表的一些研究所得结论一致。

3.4 阴性结果与形态学描述的分析

本研究未获得健、患侧纤维束数量差值与NIHSS评分呈显著相关性的结果，这可能与纳入研究的样本数量较少等因素有关。首先，为了避免干扰因素，本研究只纳入了病灶位于内囊区急性缺血性脑卒中单侧发病的患者，导致研究的样本量较少，影响研究结果的效能。其次，本组病例中有个别病例虽是以首次急性症状入院，但却是慢性脑血管病以急性发作而就诊的病人，这些病例作者只选择了急性病灶区进行了分析，故未排除慢性病灶的影响因素，这一点将在今后的研究中加以权重。另外，锥体束有多种侧支通路，包括通过中脑和脑桥内侧丘系的异常锥体束(abnormal pyramidal tract，APT)等。应用DTT技术研究异常锥体束发现APT在脑损伤(脑梗死、外伤性脑损伤和脑瘫患者)后恢复中有重要意义。最后，缺血性脑卒中急性期中可能存在部分病灶周围并发水肿存在的现象导致夸大病灶，对结果产生一些影响。但是，急性期DTI数据可以敏感反映脑缺血情况，更可以进一步使用影像组学研究正常细胞、水肿细胞、坏死细胞的关系，验证DTI 技术的准确性。以往一些研究中采用其他指标证实纤维束损伤程度与机体损伤程度存在一定相关性。王启章等［27］得出FA值与NIHSS评分差值呈负相关关系的结果，将入院后和入院时NIHSS 评分最大差值表示脑梗死后神经缺损程度。张步环等［28］发现采用梗死灶CST 关系进行分组所得实际值的符合率较NIHSS 评分分组所得实际值的符合率高，刘树学等［29］的研究发现FA 值降低率与NIHSS 评分呈正相关。这些研究为我们下一步深入研究纤维束损伤程度和NIHSS 评分提供一些思路。

有研究表明健康成年人双侧皮质脊髓束的扩散特征具有对称性［30］，代偿情况可能是由于受压导致的变形，使纤维束形态，角度发生一定变化，而纤维束重建后具体数量与重建种子量级相关。部分患者在不同位置的脑室脑池有轻度扩张或缩小，中线结构无移位。Jang 等［31］，阮锦荣等［32］也发现梗死灶使纤维束受到一定程度的压迫、变形、断裂、甚至中断。

3.5 展望

目前通过DTT 技术和3D slicer 等软件可以实现纤维束重建，测量纤维束的长度和体积，观察代偿走行位置，而目前我们无法做到测量纤维束精确的形态学变化与临床症状之间的关系的研究。有学者使用DTI 及DTT 技术对脑卒中后半球间结构及功能连接改变进行研究，探索半球间结构与功能的内在关系［33］。未来将依据DTI 与DTT 技术以及其他三维重建软件进行形态学参数如角度等的研究，例如探索不同患者机体障碍程度相同时纤维束形态学改变是否有规律性，同时结合影像组学测量对组织学研究，探索能够直接反映组织结构、病理变化，以及功能变化的指标，这有助于临床预防疾病、对疾病分级和评估预后效果。