ADC直方图分析痉挛型双瘫患儿脑损伤的价值

徐 慧 鲍 超 朱美娇 杨 明 王树杰 孙 钰 边传振

痉挛型双瘫（spastic diplegia，SD）是脑瘫中最常见的一类临床分型，约占脑瘫患儿总数的1/3［1］，其被公认的最常见病因是早产儿缺氧缺血或出血性脑损伤［2］，双下肢痉挛及功能障碍重于双上肢为其最主要的临床表现［3］。脑损伤新生患儿的死亡率随着围生期医学技术水平的快速进步及新生儿重症技术的不断发展逐年下降，可是部分患儿却遗留下各种后遗症，脑瘫是其中最常见的一种神经功能障碍。如何采用无创的影像学方法对该病所致的大脑运动功能障碍进行客观、量化评估是当前的热点。本研究采用表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）直方图的方法来评估SD患儿的脑变化，用数值的方式量化脑损伤并与运动能力进行相关，拟为SD患儿运动功能受损的状态提供客观、量化的脑部MRI影像学依据，从而更深入理解其发病机制。

方 法

1. 研究对象

选取2017年6月至2019年12月在江苏省中医院针灸康复科确诊为痉挛型双瘫，并在南京医科大学附属儿童医院诊治并经MRI扫描仪获得的31例患儿脑MRI常规图像（双瘫组），同时从我院PACS系统里抽取匹配的颅内表现为正常的脑MRI图像31例（对照组）。

31例痉挛型双瘫组年龄为（32.87±13.71）个月，其中男21例，女10例，MRI扫描时平均体重（13.60±2.97）kg；正常对照组31例，年龄（32.77±13.64）个月，其中男15例，女16例，MRI扫描时平均体重（14.21±3.34）kg，临床表现为发热伴抽搐21例，发热伴抽搐及咳嗽6例，发热3例，发热伴心肌酶谱高1例。本研究经医院伦理委员会审核通过后进行。

入组标准：双瘫组：①临床确诊的痉挛型双瘫患儿；②无其他（如遗传性基因异常等）相关疾病病史；③年龄2～6周岁；④MRI图像质量满足诊断要求；⑤无MRI扫描禁忌证（如病情严重不能进入MRI室扫描）。对照组：①发育正常、在我院进行头部MRI检查，结果为正常患儿；②无遗传性疾病等相关脑病病史；③与SD组患儿相匹配的年龄、性别；④MRI图像质量满足诊断要求；以上所有受试者家属均签署知情同意书。

2. 检查方法

应用Philips Ingenia 3.0 T磁共振成像仪，DS head coil 3.0 T数字头颅线圈进行数字采集，头部两侧用海绵垫固定以减少运动，并佩戴专用耳机保护听力。不能配合检查的患儿在扫描前口服5%水合氯醛（1 mL/kg），待其熟睡后取仰卧位行头颅磁共振检查。扫描序列如下：

（1）轴位液体抑制反转恢复（FLAIR）序列：层厚5 mm，层间距1 mm，TR 9 000 ms，TE 125 ms，矩阵308×136，FOV 200 mm×160 mm，共20层；

（2）全脑T1WI三维磁化预快速采集梯度回波(t hree-dimensional magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo，3D-MP RAGE）序列：TR 7.9 ms，TE 3.5 ms，翻转角7.8°，FOV 230 mm×178 mm，矩阵232×178，层数340，层厚1 mm，层间距为-0.5 mm；

（3）轴位T2WI序列：TR 3 000 ms，TE 80 ms，层厚5.0 mm，层间距1 mm，FOV 200 mm×181 mm，共20层；

（4）轴位弥散加权成像（DWI）序列：TR 3 200 ms，TE 99 ms，翻转角150°，FOV 180 mm×180 mm，层厚4.5 mm，共20层，b值取0和800 s/mm2，ADC图利用磁共振扫描仪上的标准单指数拟合自动计算处理生成。

3. 图像处理

选取最大的双侧脑室前后角基底节内囊后肢层面单层ADC图，导入MRIcron软件（图1、2），沿脑表面手动勾画该层面去除脑脊液的整体脑区作为感兴趣区域（ROI）重建直方图，并用ImgJ软件获得10%～95%每间隔5%的各百分比ADC值、ADC均值（ADCmean）、ADC最小值（ADCmin）、ADC峰值（ADCpeak）、偏度、峰度、熵及方差。

4. 量表评估

采用GESELL量表评估患儿粗大及精细运动功能，分级依据发育商（development quotient，DQ；DQ=实际发育水平的年龄/实际年龄）进行，GESELL量表的适用年龄是0～6岁的儿童，除适用于幼儿的发展水平测量外，相对于其他量表还更适用于伤残儿，分级标准如下：正常（0），DQ＞75；轻度（1），55≤DQ≤75；中度（2），40≤DQ≤54；重度（3），25≤DQ≤39；极重度（4），DQ＜25。

为了评估临床总体运动功能水平，对所有31名SD患儿进行了临床检查。粗大运动功能测量评分表（GMFM-88）主要用于评定脑瘫患儿随着时间或干预而出现的粗大运动功能改变，可采用该量表初始评估SD患儿的功能状态，它包括88个项目和5个功能区域（A～E）。A区是躺和翻身（17项）；B区是坐位（20项）；C区是爬和跪（14项）；D区是站立（13项）；E区是走跑跳（24项）。总分是5个功能区的得分总和的平均得分。GMFM总分从0到100分。用分值的高低代表功能的好坏，各区得分及总分的高低与粗大运动功能分级呈反比。

5. 统计学分析

所有测量数据都以表格数据的形式输入数据库，采用SPSS 25统计软件对所有数据进行统计分析，采用卡方检验确定患者性别是否存在差异，再用t检验分析年龄及MRI扫描时平均体重是否存在差异。首先找出极端值用平均值代替。然后测试数据的正态性和均质性，2组参数值是否符合正态分布采用夏皮洛-威尔克检验方法分析。通过Mann-WhitneyU检验测量不符合正态分布的数据，用中位数及四分位数来表示；应用两独立样本t检验方法分析符合正态分布的2组测量值，结果用±s描述；P＜0.05为差异有统计学意义。然后运用Pearson相关分析分别计算SD组有统计学意义的直方图参数值与粗大运动分级、精细运动分级和GMFM5个功能区的相关性，P＜0.05为差异有统计学意义。最后建立ROC曲线以确定差异有统计学意义的参数值诊断效能。

结 果

1.入组双瘫组和对照组基本人口学资料

2组临床资料包括性别、年龄及MRI扫描时平均体重均无统计学差异（P＞0.05），结果详见表1。

表1 2组基本人口学资料

2.所有入组SD患儿MRI影像学表现

所有SD患儿图像由2名放射科医师同时观察讨论，其中一人为副主任及以上医师，如果有不同意见，则进行讨论并最终得出一致结果。MRI图像显示，12例患儿有侧脑室旁白质软化，其中1例伴有脑穿通畸形，4例侧脑室旁白质软化可能，1例伴有小脑萎缩及发育不良，9例脑内未见明显异常信号，4例双侧脑室明显扩张，1例有多囊性脑软化伴双侧脑室增宽。

3.SD患儿及正常对照组间直方图参数值差异对比

正常组和双瘫组各31人，每人ADC图均获得27个特征参数值，每组共计获得31×27=837个值中，两组中分别有11个和12个极端值，将极端值用平均值代替后进行2组间比较。

2组间80th、85th、90th及95th ADC值差异有统计学意义（P＜0.05），余各级别ADC值、ADCmean、ADCpeak及ADCmin未见显著差异性（P＞0.05）。2组峰度、偏度均为频数分布不对称的正偏态分布，但对照组相对于SD组峰值分布更陡峭，右边的尾部更长。2组ADC直方图偏度、峰度、方差及熵的量化结果均有统计学意义（P＜0.05）。详见表2。

表2 2组ADC直方图各参数值的结果比较

4.粗大、精细运动功能分级及GMFM-88评分与SD组ADC参数值的相关性分析

SD组有意义直方图参数值与粗大运动分级、精细运动分级及GMFM中的卧位和翻身评分均无明显相关性（表3）。但是熵与GMFM中的坐位、爬和跪、站立、走跑跳评分和总分有显著相关性，方差及95th ADC与坐位、爬和跪评分有相关性，80th ADC、85th ADC和90th ADC与坐位有显著相关性（表3）。

表3 ADC直方图参数值与运动功能分级及GMFM-88中的5个功能区评分相关性

5. 诊断效能比较

ROC曲线显示95th ADC值的ROC曲线下面积最大，为0.723，诊断效能最高（表4，图3）。

表4 不同ADC直方图参数的曲线下面积

讨 论

目前国际平均脑瘫发病率约为22.11‰［4］，并且随着围生医学技术的快速发展及新生儿重症技术的开展仍在逐年递增。痉挛型双瘫在脑瘫的分类中最常见，它是由发育不成熟的大脑非进行性脑损伤（包括先天性发育缺陷或获得性原因）所致，以椎体系受损为主，主要表现为牵张反射亢进，双下肢痉挛及功能障碍重于双上肢，常导致患儿运动障碍和姿势异常，因而正常的日常活动进行困难，造成家庭和社会的沉重的负担。因此，如何对脑瘫患者进行有效、量化、客观的评估，判断脑瘫的严重程度及疗效观察是非常重要的课题。

MRI已经成为诊断SD儿童的最重要的检查方法。虽然，常规MRI可很好地获得人脑的结构解剖图像，对明显的器质性灰白质损伤情况有良好的定位和定性作用。但是，无法量化获得大脑功能区域的细微变化，与患儿行为学改变的内在联系尚不明确，在当前SD儿童的诊断和疗效评价中价值有限。当前新的MRI技术如功能MRI技术弥散张量成像（DTI），在SD患儿的诊断和预后方面提供了脑组织微结构及功能变化的更多信息［5］。然而，这些图像所需要的扫描时间较长、数据后处理较复杂，不能在临床广泛推广应用。因此，如何基于常规MRI图像进行客观、量化评估SD患儿更加符合临床实际的需要。

随着影像组学的快速发展，采用体素出现频率的直方图表示ROI内的所有体素的特征值，可快速获得ROI的分布特征曲线和和相应的定量参数，能量化获得ROI的更多的信息，在当前的临床实践中展示出了相当好的临床应用前景。其中的弥散加权成像（DWI）是一种能够通过水分子的弥散运动受限的程度和方向来体现微环境所在状态的成像序列，ADC值能真实反映水分子做不规则弥散运动的范围和速度，能够从微观水平反映患儿脑细胞排列致密程度及细胞膜的完整性，在临床肿瘤与非肿瘤疾病的研究中发挥了重要的作用。肿瘤研究方面，如：Bao等［6］的研究认为ADC的全肿瘤直方图和正常脑血容量（nCBV）分析对区分原发性中枢神经系统淋巴瘤（PCNSL）和胶质母细胞瘤（GBM）客观而有价值，可以作为其有意义的诊断方法。非肿瘤研究方面，Wang等［7］对多发性硬化（MS）患者新发白质（WM）强化病变（ELs）和非强化病变（NELs）的研究发现，T2-FLAIR直方图参数在NELs与ELs中无显著性差异，但在ADC直方图参数中，ELs（包括最大值和平均值）均显著高于NELs，且在所有T2-FLAIR直方图参数中标准偏差具有最高的诊断效能。对于有钆禁忌证或有钆脑沉积问题的患者，可考虑将ADC和T2-FLAIR作为评价活动性MS病变的潜在非增强方法。然而，目前直方图技术在儿童的研究中报道较少，仅见少量应用于无灶性脑瘫［8］及先天性心脏病患儿脑发育［9］等研究，在SD患儿的研究中尚未见报道。

本研究结果（表2）显示，痉挛型双瘫组80th、85th、90th及95th ADC值与对照组间存在统计学差异，这可能与痉挛型双瘫组脑组织髓鞘形成异常，视丘下核、苍白球对称性髓鞘脱失、神经细胞融解变性及丢失，脑组织胶质细胞增生及大脑皮质结构萎缩等改变有关［10］。ROC曲线分析结果（图3）显示，具有最优诊断效能的为95th ADC值，这与Payabvash等［11］以往的研究一致，他们的研究发现，90th ADC在血管母细胞瘤和转移瘤之间有显著差异，能最好区分这两种肿瘤，这说明在过去的研究中，较高百分数ADC直方图参数值在表征某些疾病中可能更有价值。

直方图的偏度系数主要衡量变量值相对于均值分布的不对称程度。体现了分布主体集中位置，其非对称尾部倾向于主体集中位置一侧的较大值或较小值。分布的越不对称说明偏态的绝对值越大［12］。灰度直方图峰度体现的是总体中各值分布的陡缓程度，它表征了相对于正态分布的某一分布是趋于尖锐或平坦。正峰分布比其更尖锐，负峰分布比其更平坦。偏度、峰度在过去关于直方图的各种研究中得出不同的结论，Surov等［13］用直方图方法鉴别低级与中高级脑膜瘤，结果显示偏度与峰度均无统计学差异。而本研究中的两组偏度及峰度虽均有统计学意义（表2），但其检验效能不及80th～95th ADC值，有待进一步探索其诊断价值。

Cauley等［14］认为新生儿缺血性损伤可优先影响基底节和丘脑等深部灰质结构，而中央灰质损伤是导致死亡和脑瘫的重要原因，因此本组研究选择此层面的ADC图作为感兴趣区观察两组儿童的ADC值特征，并将SD组有意义的直方图参数值与两类运动功能分级及GMFM中的5个功能区域分别进行相关，发现熵与GMFM中的坐位、爬和跪、站立、走跑跳和总分有显著相关性，方差及95th ADC与坐位、爬和跪有相关性，80th ADC、85th ADC和90th ADC与坐位有显著相关性（表3）；而与粗大、精细运动功能分级及GMFM中的卧位和翻身均无明显相关性（表3），这说明部分ADC直方图的特征参数可反映SD患儿某些特定的运动能力。以往的文献显示［15］，内囊水平皮质脊髓束的损伤情况，与SD患儿相关运动障碍的GMFCS分级存在明显相关性。而本研究首次用ADC直方图的方法分析内囊所在层面所有大脑组织作为ROI，和SD患儿的运动功能进行相关，方法更加简便，但是由于影像组学存在的语义鸿沟，其具体的内在之间的关系还需要进一步的讨论。

本研究存在一定局限性：①样本量中等。本研究共完成145例脑瘫患儿扫描，其中包括痉挛型双瘫患儿56例，去除年龄小于1岁患儿6例，合并脑部异常患儿11例，图像质量不符合要求8例，剩余入组患儿31例，未来将继续扩大样本量进一步研究。②为了简化操作并增加临床的可行性，仅评估了单个层面的ADC图，可能存在对SD患儿的评估不全面。③由于镇静等一系列原因完全健康的新生儿很难收集，故本研究纳入因其他疾病需做头部MRI检查、且脑内MRI表现正常的患儿作为对照组，这可能存在一定偏倚。④只对SD患儿某一特定时期的ADC参数值进行了对比，缺乏时间上的纵向比较。关于ADC直方图与患儿行为学变化之间的关系，尚不能明确。

总之，ADC直方图作为一种快速简单可操作性强的影像组学定量分析方法，在临床应用上具有实用性及可行性，通过把常规临床头部MRI图像转化为数字信息来量化评价患儿脑组织的细微变化，为痉挛型双瘫患儿脑损伤的定量诊断及疗效评估提供了更多有价值的信息。在今后的研究中可以进一步缩小范围，仅取内囊后肢区域的ROI来进一步精确分析临床资料与运动功能之间的关系。