中脑和基底节神经核团MR扩散张量成像在帕金森病诊断中的作用

张玉柱，徐露露，周洁，姜勇，于瑞磊，王传兵

南京医科大学第一附属医院放射科，江苏南京210029

帕金森病（PD）是静止性震颤、肌强直、运动迟缓、姿势步态异常为主要运动症状的神经系统变性疾病，亦会发生嗅觉障碍、认知功能障碍、睡眠障碍及自主神经功能障碍等非运动症状［1-2］，常见于老年群体，疾病进展缓慢，发病机制尚未完全明确［3］。黑质多巴胺能神经元大量丢失变性及残留细胞质内出现路易小体是PD最主要的两大组织病理特征［4］。磁共振扩散张量成像（DTI）是可以定量分析大脑微结构的成像技术［5］。虽已有研究表明脑深部核团的DTI参数有助于PD的诊断［6-8］，但其对PD病情严重程度评估的价值尚无相关研究。有文献报道，中脑及基底节神经核团微结构损伤的病理改变参与了PD运动症状的形成［9-12］。因此，本研究拟通过对PD患者中脑及基底节脑神经核团的DTI参数各项异性分数（FA）和平均扩散系数（MD）定量分析神经核团微结构改变，探讨其在PD诊断及病情评估中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017年7月～2020年11月于南京医科大学第一附属医院就诊的27例PD患者为研究对象。纳入标准：PD组患者需符合2015年国际运动障碍学会制定的PD诊断标准［13］；受教育时间≥6年；签署知情同意书并可配合完成临床量表采集及MR检查。排除标准：MR平扫检查发现被试具有颅内结构异常；合并其他神经系统疾病或精神疾病；合并严重的全身其他系统疾病；MR图像伪影影响分析。27例患者中，男11例，女16例，年龄32～76（60.5±11.1）岁，受教育年限6～16（10.4±3.4）年。另选择同时期受检正常人群作为对照组，共23例，其中男7例，女16例，年龄51～76（60.8±6.7）岁，受教育年限6～17（10.9±3.2）年，病程0.5～5.0（1.5±1.1）年，Hoehn-Yahr（H-Y）分级1.5（1.0,2.0）级，统一帕金森病评定量表运动部分（UPDRS III）评分8～33（20.5±7.8）分。PD组和对照组的年龄（t=-0.113,P=0.910）、受教育年限（t=-0.442,P=0.661）及性别构成比（χ2=0.573,P=0.449）差异均无统计学意义。本研究通过我院伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 检查方法

检查使用Discovery 750 W 3.0 T MR扫描仪（美国GE），8通道头线圈，患者取仰卧位。常规MRI包括：横断位T2WI、DWI，矢状位T1WI和冠状位液体衰减反转恢复序列序列。DTI序列采用15个方向扩散权重采集，采集平面从颅顶至枕骨大孔，b值采用0和1000 s/mm2，TR/TE 9000 ms/80 ms，FOV 24 cm×24 cm，层厚3.0 mm，层间距0.0 mm，层数45 层，矩阵128×128，扫描时间4 min 25 s。

1.3 数据分析

DTI原始数据导入MR自带后处理工作站。对DTI数据进行涡流畸变和头动校正，采用软件默认阈值，自动计算生成FA和MD参数图。由2位影像科医师分别对照MR结构图在DTI的b0图中脑和基底节层面手动勾画双侧黑质、红核、尾状核头、丘脑、苍白球及壳核为感兴趣区（ROI）（图1），所有ROI均软件自动复制至FA和MD参数图，测量各神经核团的FA和MD值，取2位医师测量值的均值纳入分析，以两侧均值表示该核团的测量值。

图1 手动勾画中脑和基底节神经核团的ROIFig.1 Manually delineate the ROI of the midbrain and basal ganglia nuclei

1.4 统计学分析

使用SPSS20.0软件进行数据分析。对计量资料进行正态分布检验，符合正态分布以均数±标准差表示；HY分级资料以中位数（四分位数）表示。两组间年龄、受教育年限及各核团的DTI参数比较行独立样本t检验；组间性别构成比的比较行χ2检验。采用受试者工作特征（ROC）曲线分析各核团DTI参数单独及联合应用的诊断效能。采用MedCalc18.9 软件对曲线下面积（AUC）进行Z检验比较。FA、MD值与PD病程及临床量表的相关性采用Pearson或Spearman相关性分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组神经核团DTI参数的比较

PD组黑质、尾状核头、丘脑、苍白球及壳核的FA值均低于对照组，尾状核头MD高于对照组（P<0.05，表1）。两组红核FA值及各核团的MD值差异无统计学意义（P>0.05）。

表1 两组中脑和基底节神经核团扩散张量成像参数比较Tab.1 Comparison of diffusion tensor imaging parameters of midbrain and basal ganglia nuclei between PD and NC groups(Mean±SD)

2.2 DTI参数对PD的诊断效能

ROC曲线分析示黑质的FA值、尾状核头FA和MD值、丘脑FA值、苍白球FA值、壳核FA值单独及联合应用（黑质FA+尾状核头FA+尾状核头MD+丘脑FA+苍白球FA+壳核FA）于诊断PD的效能（图2、表2）。单独应用各参数诊断PD，黑质FA值具有最高的AUC和约登指数，但其AUC与尾状核头FA（Z=0.295,P=0.768）、尾状核头MD（Z=1.148,P=0.251）、丘脑FA（Z=0.539,P=0.590）、苍白球FA（Z=0.265,P=0.791）和壳核FA（Z=0.689,P=0.491）的AUC统计学分析未见差异。联合应用的AUC和约登指数最高，其AUC与黑质的FA（Z=2.787,P=0.005）、尾状核头FA（Z=3.164,P=0.002）、尾状核头MD（Z=3.983,P<0.001）、丘脑FA 值（Z=3.258,P=0.001）、苍白球FA（Z=3.107,P=0.002）和壳核FA（Z=3.397,P<0.001）的AUC差异均有统计学意义。

2.3 DTI参数与PD患者病程及临床量表的相关性分析

尾状核头MD值与PD患者UPDRS III评分呈正相关（r=0.402,P=0.038），丘脑FA值与PD患者H-Y分级（r=-0.490,P=0.009）、UPDRS III 评分（r=-0.547,P=0.003）呈负相关。黑质、尾状核头、苍白球及壳核FA值与PD患者病程、H-Y分级和UPDRS III评分均无明显相关性（图3、表3）。

图2 扩散张量成像参数诊断帕金森病的受试者工作特征曲线分析Fig.2 Receiver operating characteristic curve analysis for diagnosis of Parkinson's disease by diffusion tensor imaging parameters.

3 讨论

PD是发病率仅次于阿尔兹海默病的常见神经变性疾病［14-18］。DTI技术从量和方向上对成像体素内水分子扩散信息进行评估，其最常用的后处理参数指标是FA和MD值，分别从扩散的各项异性程度和各方向的平均扩散两方面分析脑组织微结构改变。DTI因其对脑组织微结构损伤的敏感性而在神经变性疾病的研究中广泛应用［19-20］。本研究对PD患者中脑及基底节层面的神经核团FA和MD参数进行量化分析，比较了PD组与对照组间的差异，并分析了使用神经核团DTI参数诊断PD的效能以及与临床指标的相关性。

表2 扩散张量成像参数对帕金森病的诊断效能Tab.2 Diagnostic efficacy of diffusion tensor imaging parameters in Parkinson's disease

图3 尾状核头及丘脑扩散张量成像参数与H-Y分级和UPDRS III评分相关性Fig.3 The correlations of diffusion tensor imaging parameters of caudate head and thalamus with H-Y grading and UPDRS III score H-Y:Hoehn-Yahr grade,UPDRS III:Unified Parkinson's disease rating scale;FA:各项异性分数,MD:平均扩散系数.

表3 扩散张量成像参数与病程及临床量表的相关性Tab.3 Correlation of diffusion tensor imaging parameters with course of disease and clinical scale

对两组神经核团DTI参数比较分析发现黑质、尾状核头、丘脑、苍白球及壳核的FA值在PD组均低于对照组，可见PD患者的脑深部核团微结构广泛损伤，该结果与既往对PD患者脑深部核团的研究基本相符［6,10,21］。不一致的是，在滕佳岐等［6］研究中丘脑及苍白球FA值在PD组中未见明确异常减低，在李燕等［21］研究中PD患者黑质FA值未见明显异常。分析其原因为，不同研究中所选取的PD患者人群不同，不可避免的存在患者病情严重程度不一致，换而言之，深部核团微结构损伤程度则不尽相同，因此出现了不同研究中部分核团的FA值结果不一致的现象。另外，PD患者相对于对照组而言，MD值除了在尾状核头升高，其余核团未见统计学差异，该结果与既往研究［6］结果相符。该结果表明，在本组研究对象中神经核团的神经元丢失坏死、神经髓鞘受损，引起了微结构破坏，从而各项异性指标发生了改变，然而神经元坏死的同时存在神经胶质细胞的增生［12］，MD值作为反映整体各方向扩散平均水平的指标，得到了一定程度的中和，因此本研究中PD患者多数脑深部神经核团MD值未能表现出与对照组的统计学差异。

进一步采用ROC曲线对存在组间差异的参数诊断效能进行分析，发现单独应用各参数诊断PD，虽然黑质FA值、尾状核头FA和MD值均能获得较高的诊断敏感度（90%以上），然而特异性均非常低（60%以下）。丘脑、苍白球和壳核FA值的诊断敏感度和特异性均不高。单独某一核团FA或MD值诊断效能不高的结论与既往研究相符［3,7,21］。本研究进一步对各参数单独应用的AUC进行统计学分析发现差异均无统计学意义。然而，各参数联合应用则明显提高了对PD的诊断效能，诊断敏感度高达100.0%，特异性高达92.6%，其AUC明显高于任何一个参数的单独应用，该结果在既往研究中未见涉及。究其原因可能因为PD症状是多个核团间相互作用的结果，借助任何一个单独神经核团的微结构改变诊断PD均不能达到综合考虑各个核团而达到的诊断效能。

H-Y分级在一定程度上代表了PD患者病情的整体严重程度，UPDRS III评分是对PD患者运动功能症状的量化。研究进一步分析神经核团DTI参数与PD患者临床指标之间的相关性发现，仅尾状核头MD 值与UPDRS III评分存在正相关，丘脑FA值与H-Y分级和UPDRS III评分存在负相关，余神经核团的DTI参数与PD患者临床指标均未见明显相关。虽然有文献报道壳核FA值与H-Y分级和UPDRS III评分呈正相关［10］，但本研究仅表明尾状核头MD值和丘脑FA值与PD患者症状的严重程度相关，且症状越严重，尾状核头MD值越高，丘脑FA值越低。该结果在前人研究中未见报道，但符合神经核团的病理改变参与导致PD患者症状出现的研究理论，表明尾状核头和丘脑的微结构损伤越明显，则PD患者病情和症状越严重。

本研究的局限性在于：本研究搜集病例数较少，研究人员将持续入组病例，以期在后续分析中得到更可靠的结论；本研究中中脑及基底节神经核团的ROI采用手动勾画，不可避免的存在一定的误差，但本研究已采用根据核团所在位置，沿神经核团的边缘勾画的方式，并采用2位影像科医师分别分析取均值的方式以期能尽可能的减小误差。

综上所述，中脑、基底节神经核团DTI参数有助于PD的诊断及病情严重程度的评估，联合应用多个核团DTI参数具有较好的诊断效能。