弥散张量成像在缺血性卒中患者运动功能预后评估中的研究进展

2022-03-24赵永瑞刘展会

中国卒中杂志 2022年10期

赵永瑞，刘展会

缺血性卒中具有高发病率、高致残率等特点[1]，卒中后运动功能障碍将严重影响患者的生活质量[2]。精准预测患者的运动功能预后有助于科学地制订个体化治疗、康复方案。为了更好地早期预测缺血性卒中患者的预后，越来越多的可能预测因素正在被逐渐探索[3]。目前常用的临床量表如NIHSS、Fugl-Meyer运动功能评定（Fugl-Meyer motor assessment，FMA）等，对轻、中度偏瘫患者预后只有中等预测价值[4]，对重度偏瘫患者的预测价值有限[5]。弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）通过测量脑组织中水分子的弥散运动差异，可以显示出卒中后受损的白质纤维束及沃勒变性[6]，是目前唯一可无创追踪脑白质纤维束的技术。目前，DTI已广泛用于卒中、癫痫、创伤性脑损伤等多种疾病的研究[7]。本文就DTI对缺血性卒中患者运动功能预后价值方面的研究进展进行综述。

1 弥散张量成像概述

DTI是Basser等[8]在传统MRI技术基础上发展的新的成像方式。弥散运动是指分子在各个方向上所做的等概率运动。对于分布均匀的介质，水分子可在其各个方向上做等距离运动，称为各向同性运动[9]。脑组织中因细胞膜、鞘膜以及细胞内部结构的存在，水分子在各个方向上的运动距离不等，称为各向异性运动[9]。对于神经纤维而言，因髓鞘的存在，水分子在沿着纤维束的方向上运动更加容易；与之相反，在垂直纤维束方向上则不容易进行弥散运动。DTI正是利用水分子在人体内呈各向异性运动的特点，通过在6个以上的非线性方向上施加梯度磁场，定量检测出每个体素内水分子向各个方向的运动情况。由于人体组织内水分子的运动主要是各向异性扩散，所以只要测定出单位体积内的各向异性数据，即可分析出人体组织内部微观结构的变化[10]。

目前广泛使用的DTI参数包括各向异性分数（fractional anisotropy，FA）、平均扩散率（mean diffusivity，MD）、径向扩散率（radial diffusivity，RD）和轴向扩散率（axial diffusivity，AD）。为了便于理解弥散张量，可将其视为椭球体。弥散张量中的3个相互垂直的本征量可视为椭球体中相互垂直的轴，即1个长轴和2个分别代表深度和宽度的短轴。AD代表沿着椭球体长轴平均扩散率，RD代表沿着椭球体中垂直于长轴的2个短轴方向上的平均扩散率。FA是最常使用的DTI参数，它可以定量分析各向异性，进而评估结构受损程度。FA值的取值范围为0～1，FA值趋近于1，可视为椭球体被无限拉长，表明水分子所做的弥散运动在垂直纤维束的方向上越受限制，从而反映出神经纤维束的结构越完整，信号传导能力越好；FA值趋近于0，可视椭球体为球体，表明水分子所做的弥散运动越不受限制，反映出神经纤维束受损越严重，信号传导能力越差。

2 DTI评估卒中后皮质脊髓束受损情况及预测患者运动功能预后

皮质脊髓束（corticospinal tract，CST）是人体运动的主要传出神经纤维束，人体的运动功能依赖于CST的完整性[11-12]，CST损伤则限制了运动功能的恢复。传统的MRI序列难以检测到卒中后CST的受损程度，但DTI能够清楚地显示出CST的微观结构改变。目前，DTI主要通过以下3方面反映卒中后CST的受损情况：①卒中病灶远隔部位FA值；②卒中病灶穿过的纤维束数量；③计算CST-病灶负荷。

2.1 卒中病灶远隔部位FA值一些研究证实，以CST的走形为基础，通过测量卒中病灶远隔区域（如放射冠、内囊后肢、大脑脚等）的FA值可以反映卒中后皮质脊髓束的损伤程度和运动功能障碍[13-14]。有研究发现，卒中病灶以及病灶同侧的大脑脚、放射冠、内囊后肢、初级皮质运动区的FA值较对侧降低[15]。张丽华等[16]对36例卒中（其中包括25例缺血性卒中）患者进行DTI成像，发现大脑脚、脑桥、内囊后肢层面CST的FA值均与康复治疗8周的FMA评分及金子翼上肢功能评分呈正相关，且内囊后肢的FA值与金子翼上肢功能评分相关性最强（r=0.67）。刘建华等[17]的研究也得出相似的结论。但在缺血性卒中急性期，有研究显示CST的FA值降低仅对3个月的运动功能有较小的预测价值，这可能与沃勒变性需要一定的时间有关[18]。Lee等[19]对70例缺血性卒中亚急性期患者进行的研究发现，卒中发病2周时CST的FA值与患者3个月的上肢功能显著相关（R2=0.320，P＜0.001）。Jin等[20]的荟萃分析结果也显示CST的FA值可以作为缺血性卒中亚急性期患者运动功能恢复的预测指标。

有学者认为，除CST外，还存在其他替代运动通路与患者运动功能相关。Soulard等[21]对29例缺血性卒中亚急性期患者进行了2年的随访，发现卒中1个月时患侧CST、患侧皮质-网状脊髓束以及对侧小脑上脚处的FA值与发病2年的步态评分显著相关。还有研究显示，胼胝体的FA值也可以预测缺血性卒中患者的运动功能预后[22]。Takenobu等[23]对10例缺血性卒中患者进行了纵向研究，分别收集患者发病2周、1个月、3个月的DTI参数及运动功能评分，结果显示3个月时患侧红核及背侧脑桥的FA值显著升高，大脑脚、放射冠及胼胝体体部等部位的FA值显著降低，相关性分析显示，背侧脑桥、红核、胼胝体体部、扣带回处的FA值与患者运动功能恢复呈正相关。作者认为包括红核脊髓束在内的下行运动纤维束和半球之间胼胝体连接的白质微结构改变可能在卒中后的运动损伤中发挥关键作用。

总而言之，CST的FA值可以作为缺血性卒中亚急性期患者的长期运动功能预测指标。目前有研究显示一些替代运动通路在小脑上角、胼胝体、红核等部位的FA值也可以预测卒中患者的步态恢复，但相关研究较少，仍需后续进一步深入探索。

2.2 卒中病灶穿过的纤维束数量对卒中患者进行DTI检查并将所得参数进行后期处理，呈现出神经纤维束的走形即弥散张量纤维束示踪成像（diffusion tensor tractography，DTT）。有研究发现，通过测量CST的纤维束数量同样可以反映皮质脊髓束的受损程度，并可以预测卒中患者发病90 d至1年的运动功能预后[24-25]。有研究显示，在缺血性卒中的急性期，患者健侧、患侧的CST纤维束数量差值与肢体肌力显著相关（r=-0.554，P=0.026）[26]。Bigourdan等[25]通过对117例缺血性卒中患者的研究发现，发病24～72 h测量的初始CST纤维束比（initial fiber number ratio，iFNr）是评估CST完整性的良好替代标志物。同时iFNr可以独立预测卒中患者发病1年的运动功能，特别是与重症患者运动功能恢复呈很强的相关性（R2=0.56，P＜0.0001），而且iFNr比仅使用FMA评分的预测能力有显著提高。对于缺血性卒中慢性期的患者，薛倩等[27]同样发现患侧CST的纤维束数量较健侧减少，并且发现患侧CST纤维束数量与FMA评分呈正相关（r=0.651，P＜0.001），与mRS呈负相关（r=-0.645，P＜0.001）。Jang等[28]的回顾性研究也得出了相同的结论。还有学者认为，iFNr可以评估缺血性卒中患者在急性期、亚急性期及慢性期等各个阶段的运动功能预后，其中对慢性期的预测更为显著[24]。上述研究表明，CST的纤维束数量可以预测不同时期缺血性卒中患者的运动功能预后，对重症患者也有一定的预测价值，同时相较于临床评分，其预测能力也有一定优势。不过，运动功能的预后与CST的具体纤维束数量之间的关系，目前仍没有明确的共识，还需后续进一步研究。

2.3 计算皮质脊髓束-病灶负荷在DTT图像上可以宏观的显示出CST与梗死灶的空间位置关系，可分为相邻、部分穿过、完全穿过，进而反映CST的不同受损程度。CST与梗死灶之间的位置关系同样可以预测卒中患者的运动功能预后。研究显示，卒中后CST与梗死灶的空间位置关系可以预测患者的运动功能预后，且相较入院时NIHSS对运动功能的评估更加准确[29]。不过，依据CST与梗死灶的空间位置关系仅能粗略地评估CST的受损程度。高鑫洁等[30]在此基础上以健康人群CST作为模板，使卒中病灶与CST模板重叠，将病灶与健康人群CST模板重叠体素与健康人群CST模板体素百分比记为“CST-病灶负荷”，以此来量化CST的受损程度。该研究发现卒中慢性期患者的CST损伤值与腕（r=-0.660，P=0.007）、手（r=-0.813，P＜0.001）和腕+手（r=-0.795，P＜0.001）的FMA评分均呈负相关。对于缺血性卒中急性期的患者，Feng等[31]认为CST-病灶负荷同样可以预测发病3个月后的运动结局，对严重偏瘫的患者也具有一定的预测优势。CST-病灶负荷量量化了CST的受损程度，并且对卒中急性期和慢性期的运动功能都有较好的预测作用，这也为评估卒中患者的运动功能预后提供了新的研究方向。

3 DTI评估卒中后脑白质结构的完整性及预测患者运动功能预后

脑白质高信号（white matter hyperintensity，WMH）被认为是脑白质终末性病变或结构完整性丧失[32]。在急性缺血性卒中患者中，脑白质结构的损伤也会增加患者的长期预后不良[33-34]。有研究显示WMH负担的增加可以预测急性缺血性卒中后长期的功能不良预后[33-35]。WMH仅代表一小部分总脑白质的影像学上的损伤，正常脑白质（normalappearing white matter，NAWM）微观结构完整性特征能否提供急性缺血性卒中的预后信息是目前的研究热点。

有研究者通过DTI评价NAWM的微观结构完整性，并用于预测卒中患者运动功能预后。Ingo等[36]发现急性缺血性卒中组的NAWN的FA值较对照组明显降低，且与患者的运动功能存在显著正相关，认为NAWM的微观结构完整性能较好地反映卒中患者运动功能损伤的严重程度。有研究也支持NAWM的DTI参数可以评估卒中患者的早期运动能预后[37]。Sagnier等[38]对急性缺血性卒中发病72 h内的DTI检测数据及卒中1年后的mRS随访结果进行了分析，发现NAWM的FA值是卒中发病1年mRS的预测因子（β=-0.24，P=0.04），同时附加路径分析显示NAWN的FA值对mRS有直接影响（β=-0.241，P=0.001），而介导WMH的间接影响较小。Etherton等[39]同样发现急性缺血性卒中病灶对侧NAWM的FA值降低与90 d时的mRS独立相关。上述研究表明，早期测量NAWM的DTI参数可以评估缺血性卒中患者的运动功能预后，可用其监测疾病的早期进展。目前，卒中后NAWM微观结构完整性改变的机制仍处于研究中，有学者提出“梗死后神经机能联系不能导致梗死附近及其远隔区域白质结构完整性损害”的假说，但仍需进一步研究验证。的影响；③感兴趣区绘制存在误差；④对交叉纤维束及有分支的纤维束显示较差；⑤无法完全确定存活组织的功能。针对上述DTI的局限性，有学者提出了相应的解决方法，如通过机器学习及深度学习以缩短扫描时间，降低图像伪影[40]；使用基于纤维束示踪空间统计分析（tract-based spatial statistics，TBSS）及健康人群的CST模型以减少感兴趣区绘制的误差[41]；使用扩散光谱成像可以更清楚地显示交叉纤维及小纤维。不过这些解决方案仍需后续进一步的验证。

综上所述，用DTI无论是评估CST的受损程度还是NAWM的微观结构完整性，都可以预测缺血性卒中患者的运动动能预后。这将有助于医护人员为患者确定康复时间及未来康复目标，同时也有助于医护人员为患者制订个体化的康复治疗方案。DTI作为评估卒中患者运动功能预后的指标仍存在一定的局限性，有研究显示将DTI与经颅磁刺激诱发电位相结合可以更好地对卒中患者的运动功能进行评估[24]，但仍需多中心、大样本、高质量的研究进行验证。