貓局灶性腦創傷半暗帶的MRI研究

張瑤，陳紅燕，史東立，劉影，張磊，金真，馬軍*

1.首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經影像中心，北京 100050

2.北京石景山醫院放射科，北京 100043

3.中國人民解放軍第306醫院MR室，北京 100101

原發性局灶性腦挫裂傷發生后，其周圍組織受到多重因素影響，既有發生繼發性損傷的可能，又有可恢復的潛能，部分可逆性的組織被稱為創傷性半暗帶(penumbra)[1-4]。

局灶性腦創傷周圍有無半暗帶和如何顯示半暗帶是臨床關注的重點。由于腦創傷病人研究的局限性，有關局灶性腦創傷半暗帶的影像研究甚少，筆者采用動物實驗對局灶性腦創傷周圍組織進行研究，結合病理對照，探索MRI顯示半暗帶的可能性。

1 材料與方法

1.1 實驗動物分組及動物模型制作

成年健康雜種家貓9只(由北京市神經外科研究所動物實驗室提供)，雌雄不限，隨機分為對照組(4只)和創傷組(5只)。創傷組采用改良Feeney法制作局灶性腦創傷模型，對照組只開窗，不致創傷。步驟：以3 %戊巴比妥鈉麻醉動物，將其腦部固定于立體定向儀，在右頂部中線旁0.5 cm，制作直徑為1.5 cm骨窗，十字剪開硬腦膜。將自制自由落體架的玻璃導管固定于骨窗上方，20 g 砝碼自40 cm高處垂直落下，造成局部腦損傷。本實驗經醫院倫理委員會批準。

1.2 MR掃描

模型制作完畢后6 h和24 h進行MR掃描。動物俯臥位，下頜托固定頭部并位于線圈中心。冠狀面掃描層面垂直顱底。采用3.0 T德國西門子公司超導型MR成像系統，采用人頭部8通道相控陣線圈。矢狀面T1WI TR 1680 ms，TE 11 ms，矩陣512×512，反轉角120°；軸面T1WI TR 2470 ms，TE 23 ms，矩陣280×320，反轉角120°；軸面FLAIR TR 8000 ms，TE 95 ms，矩陣280×320，反轉角150°；軸面灌注成像(perfusion weighted imaging，PWI) TR 1500 ms，TE 32 ms，矩陣128×128，反轉角90°。PWI采用單次激發GRE-EPI序列，連續掃描50次，并在成像前預先注射一定量對比劑。

掃描完畢后，將PWI原始圖傳至工作站進行數據處理。先觀察信號強度-時間曲線，判斷是否出現對比劑的首過效應。然后將所選曲線輸入計算機，得到PWI偽彩圖，調整圖像使兩側大腦半球的色彩對稱。如果出現異常灌注區，則測量其范圍，同時測量所對應的FLAIR圖上異常信號的范圍，分別測量3次，所得數值的平均值作為樣本均數，進行統計學分析。

1.3 投射電鏡檢查

最后一次掃描完畢后進行投射電鏡檢查。腦組織灌流固定后，分離腦組織標本，進行定位取材，并主要關注損傷周圍的腦組織。根據MRI所示異常信號的范圍，取損傷灶周5 mm和10 mm處的腦組織1 mm×1 mm×1 mm大小，將標本置入2%多聚甲醛-2.5%戊二醛固定液中，在于4℃條件下固定2 h，用二甲砷酸鈉緩沖液沖洗3次后，1%鋨酸固定，酒精脫水，環氧丙烷置換，樹脂包埋。先行天青美蘭染色，光學顯微鏡定位，然后用醋酸雙氧鈾-枸櫞酸鉛染色，在電鏡下進行觀察。

1.4 統計學分析

相同實驗組動物同一時間不同序列的測量結果比較采用方差分析，不同序列之間的測量結果分析采用最小顯著差法和Student-Newman-Keuls法。同一實驗組動物、同一序列在不同時間點(6 h和24 h)測量值比較采用配對t檢驗。統計學分析采用SPSS 13.0軟件。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 MRI表現

對照組各時間點MR結構圖顯示腦實質內無異常信號，灌注圖顯示兩側半球的色彩分布基本對稱(圖1)，無明顯異常灌注區。創傷組各時間點MR結構圖顯示右頂部局灶性腦創傷灶及周圍水腫，灌注圖顯示右頂部片狀異常灌注區(圖2，3)，測量其范圍(表1，2)，進行統計學分析。

表1 6 h組MRI各序列異常信號區、異常灌注區及其測量值的均值(cm2)Tab.1 Measurement of the area of abnormal intensity/or abnormal perfusion after 6 h (cm2)

表2 24 h組MRI各序列異常信號區、異常灌注區及其測量值的均值(cm2)Tab.2 Measurement of the area of abnormal intensity/ or abnormal perfusion after 24 h (cm2)

2.2 統計學結果

圖1 A、B和C圖分別為對照組24 h的FLAIR圖、CBF圖、CBV圖。FLAIR圖顯示開窗側腦實質內無異常信號，CBF和CBV圖顯示兩側半球色彩基本對稱，無明顯異常灌注區。粉色線條示術中所放置的明膠海綿 圖2 A、B和C圖分別為創傷組6 h的FLAIR圖、CBF圖、CBV圖。FLAIR圖顯示局灶性挫裂傷區(黃線勾畫)，CBF和CBV圖像上可見大片異常灌注區(黃線勾畫) 圖3 A、B和C圖分別為創傷組24 h的FLAIR圖、CBF圖、CBV圖。FLAIR圖顯示較大的異常信號區域，灌注圖像上亦可見大片異常灌注區(黃線勾畫) 圖4 電鏡(醋酸雙氧鈾-枸櫞酸鉛染色)示神經氈內多數細胞突起不同程度水腫(A：×1000)，神經元內線粒體嵴腫脹、斷裂(B：×5000)，毛細血管內紅細胞淤滯(C：×1000)Fig.1 Head MR scan of control group cat (24 h).A, B and C images are FLAIR, CBF and CBV images respectively.On FLAIR no abnormal signal intensity was observed in the brain parenchyma, while on CBF and CBV images no asymmetric perfusion was observed.The gelfoam placed on the bone window was outlined with pink circle.Fig.2 Head MR scan of traumatic group cat at 6 h point.Figure A, B and C are FLAIR, CBF and CBV images respectively.On fi gure A, hyperintensity was observed (yellow circle) while hemorrhage was also observed as hypointensity at the focal contusion region.On fi gure B and C, a hypoperfusion area was shown at the contusion region.Fig.3 Head MR scan of traumatic group cat at 24 h point.Figure A, B and C are FLAIR, CBF and CBV images respectively.A large abnormal signal intensity region is observed on structural image (figure A) and hypoperfusion region are observed on PWI images (figure B and C).Fig.4 Electron microscope (with uranyl acetate-lead citrate staining) showed edema of cell processes in neuropil (figure A.×1000), swelling and breaking of mitochondrial crista in neuron (figure B.×5000), and red blood cell stasis in the capillaries(figure C.×1000).

6 h組T1WI與CBF圖測量面積值差異有統計學意義(P<0.05)、T1WI與CBV圖測量面積值差異有統計學意義(P<0.05)，FLAIR與CBF圖測量面積值差異有統計學意義(P<0.05)、FLAIR與CBV圖測量面積值差異有統計學意義(P<0.05)，且灌注圖(CBF和CBV)測得的異常范圍大于MR結構圖(T1WI、FLAIR)。結構圖之間(T1WI和FLAIR)測量值差異無統計學意義(P>0.05)。

24 h組統計學分析結果顯示灌注圖和結構圖對創傷范圍的顯示差異有統計學意義(P<0.05)，且灌注圖顯示的異常范圍大于結構圖。然而，結構圖之間(T1WI與FLAIR)測量面積值差異無統計學意義(P>0.05)。

采用配對t檢驗對同一實驗動物6 h與24 h FLAIR圖創傷范圍的比較，差異有統計學意義(P<0.05)，創傷后24 h較6 h損傷范圍擴大。

2.3 電鏡結果

創傷組：神經氈細胞突起不同程度水腫，神經細胞外周足突腫脹，神經元內線粒體腫脹、嵴斷裂，偶見染色質斑塊樣凝集，毛細血管內紅細胞淤滯(圖4)。對照組：神經元形態正常，細胞膜完整，細胞器形態、數量基本正常；軸索排列整齊，軸膜清楚。

3 討論

3.1 關于腦創傷性半暗帶的概念

半暗帶原是天體物理學名詞，指天體的光被另一天體所遮擋時，形成的不完全黑暗，如日食或月食外周的半暗影。在腦缺血中，半暗帶一詞指在核心缺血區外的一部分可逆性組織。研究表明，原發性局灶性腦損傷后24 h損傷范圍可擴大30%～300%[1]，即這種繼發性損傷不是創傷后立刻出現，且不局限于損傷中心，而是彌漫到其周圍區域，據此推測在局灶性腦損傷周圍區域存在可逆性組織即半暗帶。

基礎研究發現，創傷性腦損傷是一個動態過程，首先是創傷當時腦組織的機械性損傷，即原發性損傷，同時這些損傷會激發一系列分子和細胞反應，在細胞水平上，原發損傷后神經元可以出現壞死、變性和正常三種結局[5]，這其中，細胞變性是可逆性的，若保護因子占主導，細胞可被修復，并存活下來；而當損傷因子占主導，細胞可能發生不可逆損傷而死亡[6]。這些處于可逆狀態的組織或細胞構成了創傷性半暗帶的基礎。

本研究中電鏡觀察局灶性挫裂傷周圍區域內的細胞以膠質細胞水腫、變性為主要表現，尤其是星形細胞足突水腫和神經氈內細胞突起腫脹，提示創傷灶周圍存在可挽救組織，即半暗帶。

3.2 腦創傷性半暗帶的病理生理變化是影像研究的基礎

血液動力學異常是引起局灶性腦創傷繼發性損害的原因之一[7-9]，多發生于微血管的受損[5,10-11]。由于PWI對微血管的血容量變化敏感，因此可以早期顯示局灶性腦創傷周圍的灌注異常，比FLAIR像顯示結合水含量增加的高信號要早，且范圍較大。本研究結果顯示灌注圖和FLAIR圖對創傷范圍的顯示差異有統計學意義，灌注圖顯示的異常范圍大于FLAIR圖，存在失配區(mismatch)，雖然只是統計學上的意義，也為今后的影像學研究提供了可能性。此外，在6～24 h之間，FLAIR圖顯示創傷后24 h較6 h損傷的范圍有所擴大，提示在未進行有效干預情況下，創傷性半暗帶向繼發性損傷的演變。

此外，本實驗采用FLAIR圖與PWI圖進行研究，而沒有用腦缺血常用的DWI與PWI，原因之一是腦創傷常發生于腦表淺部位，受血紅蛋白影響，可使圖像受磁敏感偽影的干擾，導致圖像變形。

本研究的局限性：(1)灌注成像前提是單室模型，即血腦屏障完整，而腦創傷后使血腦屏障破壞、局部對比劑滲漏，故采用灌注掃描前預先注入一定量對比劑的方法[12]，以封閉血管周圍間隙。(2)本實驗動物未使用動物專用線圈，為克服這一缺陷使用了動物頭托，將動物腦部抬高至線圈的中心區域，以提高局部磁場均勻性和圖像信噪比[13]。

綜上所述，貓腦局灶性創傷后6 h的MR FLAIR圖與PWI圖有失匹配區，且 24 h的FLAIR圖顯示腦損傷范圍擴大，MR結構像與功能像的不匹配可能提示半暗帶組織的存在。

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