磁共振擴散張量成像對輕型顱腦損傷患者評價的臨床應用

李晉，左超，劉云陽，夏爽，李牧，馬景鑑*

1.天津醫科大學一中心臨床學院神經外科，天津 300190

2.天津醫科大學一中心臨床學院放射科，天津 300190

顱腦損傷是人類的常見病、多發病，其中約70%～90%的患者均為輕型。Lena Holm等[1]分析了169項顱腦外傷的流行病學研究，認為到醫院就診的輕型顱腦損傷發病率在10 0～300/10萬人，而實際的發病率可能更高。況且病情較輕，大多數神經外科醫生未能給予足夠重視，自然我們對于輕型顱腦損傷的認識比較粗淺。因此，本研究應用擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)對輕型顱腦損傷患者進行重新評價，探討DTI在輕型顱腦損傷患者診斷中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究收集2013年10月至2014年9月到天津市第一中心醫院神經外科急診就診的急性輕型顱腦損傷患者共30例，健康對照組30例。

1.2 輕型顱腦損傷組納入及排除標準

1.2.1 納入標準

外力作用于頭部；年齡大于10歲，小于60歲；伴或不伴意識喪失，持續時間小于30 min；受傷后30 min后格拉斯哥評分(Glasgow Coma Scale，GCS)13～15分；外傷后遺忘，持續時間小于24 h；頭顱 CT 檢查及常規MRI檢查圖像顱內未見異常。

1.2.2 排除標準

發病1周以上；有癥狀的顱腦外傷既往史；精神疾病史；造成認知改變的藥物成癮者，以及放射檢查發現顱內病變者(腫瘤、出血、寄生蟲等)。

1.3 健康對照組納入及排除標準

要求年齡、性別與輕型顱腦損傷組相匹配，既往無顱腦外傷病史、無精神疾病史，無藥物成癮，無顱內病變，并且無高血壓、高血脂、糖尿病等慢性疾病史，行常規MRI檢查圖像表現正常。

所有上述輕型顱腦損傷患者及健康對照均被詳細告知試驗目的、方法及注意事項，并簽署知情同意書正式同意參加本試驗。

1.4 影像評估與臨床評估

患者在受傷7日內行頭顱核磁共振檢查，了解顱內病變情況。在頭核磁檢查當天應用Rivermead腦震蕩后綜合征評分(rivermead post-concussion symptoms questionnaire，RPQ)進行臨床表現評估。

1.5 設備及掃描參數

使用Siemens MAGNETOM Anvato，3.0 T超導磁共振掃描儀，12通道頭部陣列線圈。行橫斷位T1WI、T2WI、DWI及SWI成像及矢狀位T1WI成像，最后行DTI檢查。

1.5.1 MRI常規掃描參數

T1WI采用GRE序列，TR/TE為250 ms/2.46 ms，翻轉角70°，掃描時間為2分10秒，采集層數21，層厚：5.0 mm，層間距：20%，視野240 mm×240 mm，均采用間隔掃描模式；T2WI采用TSE序列，TR/TE為5000 ms/96 ms，翻轉角120°，掃描時間為1分57秒，采集層數21，層厚：5.0 mm，層間距：20%，視野240 mm×240 mm，均采用間隔掃描模式；DWI采用自旋回波EPI序列，TR/TE為4000 ms/96 ms，掃描時間為1分2秒，采集層數21，層厚：5.0 mm，層間距：20%，視野240 mm×227.76 mm，間隔掃描模式。矢狀位T1WI采用GRE序列，TR/TE為279 ms/2.46 ms，翻轉角70°，采集層數20，層厚5.0 mm，層間距20%，視野240 mm×240 mm，掃描時間2分24秒，間隔掃描模式。

1.5.2 DTI掃描參數

采用自旋回波EPI序列橫斷成像，TR/TE為10500 ms/103 ms，30個非共線方向，層數73，層厚1.8 mm，FOV大小為230 mm×230 mm，體素大小為1.8 mm×1.8 mm×1.8 mm，無間隔掃描模式，采集時間為11分14秒。

1.6 數據處理及統計分析

1.6.1 DTI數據處理

將輕型顱腦損傷組及對照組DTI掃描數據以Dicom格式導出到工作站。將導出的DTI數據中第一幅b0圖及FA圖用dcm2niigui程序轉化為基于體素的分析方法(voxel-based analysis，VBA)分析使用的NIfTI格式，分別產生兩個文件*.img和*.hdr。在Matlab平臺上運行SPM8(Statistical Parametric Mapping)軟件包(Welcome department of Imaging Neuroscience, London UK；見http: //www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)，用S PM8自帶的EPI模板配準，將FA圖轉化后的*.img文件用第一幅b0圖轉化的*.img進行標準化，得到了一系列標準的體素的大小為 2 mm×2 mm×2 mm的FA圖。將標準化后的FA圖進行平滑處理，半高寬值(full width at half maximum，FWHM)設定為6 mm，生成平滑后FA圖。將平滑后的FA圖，通過SPM8自動分割生成MASK，再將MASK與所有平滑后FA圖相乘濾除腦外噪聲。在SPM8選用雙樣本t檢驗對輕型顱腦損傷組及對照組處理后的FA圖進行統計分析，用于找出患者與健康對照之間腦內 FA 值有顯著性差異的區域。

圖1 應用基于體素的分析方法對比輕型顱腦損傷組和對照組FA圖，發現FA值升高區域(右側小腦半球、右側枕葉及小腦山坡、舌回、右側額下回的三角部、 楔前葉灰質)的冠狀位、矢狀位、軸位圖像Fig.1 Voxel-wise analysis comparing fractional anisotropy (FA) in patients and controls.Colored regions superimposed on structural images (coronal, sagittal, axial) indicate some locations (right cerebellum, occipital lobe, declive, lingual gyrus, the triangular part of right inferior frontal gyrus, precuneus) found to have significantly high FA in patients

1.6.2 RPQ評分處理及相關性分析

對輕型顱腦損傷組和對照組RPQ評分進行配對秩和檢驗。

2 結果

2.1 一般資料統計結果

本研究輕型顱腦損傷組按納入排除標準共收集輕型顱腦損傷患者30例，其中男性18例，女性12例。從受傷機制分析，車禍致傷16例，被打傷7例，摔傷4例，刀砍傷2例，爆炸傷1例。受傷到MRI檢查時間為12～196 h，平均66 h。對照組正常人30例，年齡、性別與輕型顱腦損傷組相匹配。

2.2 DTI數據統計分析結果

輕型顱腦損傷患者存在彌漫軸索損傷。圖1和圖2為SPM8雙樣本t檢驗統計分析結果重疊到高空間分辨率的 MRIcro的ch2模板上的效果圖，圖中有顏色的體素為相對于正常人FA值異常的區域，藍色表示相對于對照組輕型顱腦損傷組FA值降低的區域，紅色表示FA值升高的區域，見圖1和圖2(P＜0.05)。

與對照組對比輕型顱腦損傷組FA值升高區域有：右側小腦半球、右側枕葉及小腦山坡、舌回、右側額下回的三角部、楔前葉灰質。輕型顱腦損傷組FA值降低區域有：視輻射、大腦腳、右側胼胝體膝、左側胼胝體膝、右側額中回下白質、中央前回下白質。

表1 輕型顱腦損傷患者與對照組FA值t檢驗比較(±s)Tab.1 FA (mean ± standard deviation) for MTBI patients and controls (T-TEST, 2-Tailed)

表1 輕型顱腦損傷患者與對照組FA值t檢驗比較(±s)Tab.1 FA (mean ± standard deviation) for MTBI patients and controls (T-TEST, 2-Tailed)

Group Right cerebellum,occipital lobe,declive Optic radiation Cerebral peduncle Lingual gyrus Right genu of corpus callosum Left genu of corpus callosum The triangular part of right inferior frontal gyrus The white matter under middle frontal gyrus Precuneus The white matter under precentral gyrus mTBI 0.17±0.04 0.39±0.06 0.53±0.04 0.17±0.04 0.44±0.07 0.44±0.07 0.32±0.05 0.34±0.05 0.17±0.04 0.35±0.04 Control 0.14±0.02 0.43±0.03 0.58±0.06 0.14±0.02 0.51±0.09 0.51±0.09 0.28±0.04 0.389±0.06 0.14±0.02 0.39±0.04 P-value 0.003 0.000 0.000 0.003 0.000 0.000 0.009 0.000 0.003 0.000

圖2 應用基于體素的分析方法對比輕型顱腦損傷組和對照組FA圖，發現FA值降低區域(視輻射、大腦腳、右側胼胝體膝、左側胼胝體膝、右側額中回下白質、中央前回下白質)的冠狀位、矢狀位、軸位圖像Fig.2 Voxel-wise analysis comparing fractional anisotropy (FA) in patients and controls.Colored regions superimposed on structural images (coronal, sagittal, axial) indicate some locations (Optic radiation, cerebral peduncle, Corpus callosum, the white matter under middle frontal gyrus, the white matter under precentral gyrus) found to have significantly low FA in patients

應用VBA方法計算出輕型顱腦損傷組和對照組信號異常區域FA值，見表1。

2.3 RPQ評分處理及相關性分析統計結果

輕型顱腦損傷患者在受傷7日內存在頭暈、頭痛等腦震蕩后綜合征。輕型顱腦損傷組RPQ評分中位數為8，對照組RPQ評分中位數為0。RPQ評分不服從正態分布，故應用SPSS20.0對輕型顱腦損傷組和對照組RPQ評分進行Wilcoxon秩和檢驗，輕型顱腦損傷組RPQ評分大于對照組RPQ評分，P＜0.01。

3 討論

過去認為CT陰性的輕型顱腦損傷患者并不存在顱內器質性病變，出現頭痛、頭暈、注意力無法集中等臨床癥狀主要是神經功能紊亂所致，有研究表明約有15%的患者長期出現認知功能障礙[2]。近年來一些研究發現輕型顱腦損傷患者可能存在器質性改變[3]。Blumbergs[4]報告了5例死于其他原因的輕型顱腦損傷患者尸檢發現患者存在彌漫軸索損傷。在創傷性腦損傷的小鼠模型中，DTI顯示受損腦區白質彌散各向異性分數的下降與β淀粉樣蛋白免疫組化發現的軸索密度下降存在相關性，這表明DTI對于創傷造成軸索損傷顯微結構的改變非常敏感[5]。

本研究通過基于體素的分析方法(Voxel-based analysis，VBA)對輕型顱腦損傷患者DTI數據全腦FA圖進行分析，發現視輻射、大腦腳、右側胼胝體膝、左側胼胝體膝、右側額中回下白質、中央前回下白質纖維FA值下降，右側小腦半球、右側枕葉及小腦山坡、舌回、右側額下回的三角部、楔前葉灰質FA值升高。先前有研究者報道創傷性軸索損傷多發位置在皮層下白質、內囊、胼胝體、穹窿、腦干和小腦等[6-7]，而輕型顱腦損傷創傷性軸索損傷病變位置多分布在皮層下白質、扣帶回和胼胝體[8]。通過分析先前研究軸索損傷位置并與本研究損傷位置對比可以看出，大量纖維束聚集的胼胝體、皮層下白質為輕型顱腦損傷最易受損部位，而大腦腳、視輻射、小腦及灰質等部位出現損傷可能提示輕型顱腦損傷較這些區域無異常的輕型顱腦損傷更為嚴重，預后可能不佳，出現較長時間腦震蕩后綜合征。

此外，同先前一些研究相比結果相似的是，筆者發現視輻射、大腦腳、右側胼胝體膝、左側胼胝體膝、右側額中回下白質、中央前回下白質纖維出現FA值下降，軸向彌散減弱。受損白質纖維各向異性下降可能的原因有：軸向彌散減弱和徑向彌散增加。在急性期主要是軸向彌散的下降，其主要原因可能是軸索損傷早期出現的軸索膨脹[9]和扭曲[10]。在亞急性期，軸向彌散水平逐漸恢復到正常水平，但徑向彌散由于脫髓鞘作用和持續的軸突降解等作用而顯著升高[11]。此外，顱腦損傷導致的神經炎性反應如巨噬細胞和少突膠質細胞增生等也會對彌散改變有影響[12]。目前輕型顱腦損傷患者出現損傷區域FA值升高的報道很少，Wilde等[13]曾報道10名青少年足球運動員輕型顱腦損傷后7天內出現胼胝體區域FA值升高。本研究發現成年輕型顱腦損傷患者存在受損灰質區域FA值升高現象。受損灰質區域FA值升高的主要因素可能是損傷區域膠質細胞增生。Budde等[14]對比顱腦損傷動物模型的DTI與病理后發現，在受損周圍皮質內膠原纖維酸性蛋白陽性的星形膠質細胞增生明顯，其中膠質纖維酸性蛋白等相關蛋白增加，使受損灰質各向異性增加，星形膠質細胞數量的增加和方向粘著性改變導致了皮層灰質各向異性增加，但膠質增生具體機制尚需進一步研究。還有研究認為外傷后FA值升高與外傷致細胞內外水分改變有關，外力損傷使神經元受到牽拉從而導致離子通道功能改變，使細胞內水分增加和細胞外水分減少，細胞外水分減少導致垂直于軸索的彌散減少，從而使軸索排列更加緊密[15]。較多灰質區域FA值 升高提示灰質異常，可能與長期腦震蕩后綜合征關系密切，提示輕型顱腦損傷患者預后較差[16]。

本研究的主要缺陷是樣本量較小，結論還應擴大樣本量進一步確定。然而先前報道的研究主要應用感興趣區的分析方法(region of interest，ROI)分析顱腦損傷患者的DTI數據[13,17]，但上述研究均具有ROI分析方法固有的局限性，即感興趣區位置選擇的觀察者偏倚和靠近灰質及腦脊液的感興趣區產生的部分容積效應。在本研究中，由于各受驗者的腦轉化一個標準的腦空間并采 用自動分析算法，最大程度上減少了上述缺點。

4 結論

本研究表明輕型顱腦損傷同樣存在軸索損傷等顱內器質性病變，這與傳統觀點(即輕型顱腦損傷不會造成顱內器質性病變，也不需要治療，僅需臥床休息)大相徑庭，故對于輕型顱腦損傷的認識和理論應重新審視和 定義。本研究還表明擴散張量成像對于創傷造成軸索損傷顯微結構的改變非常敏感，為進一步探究腦震蕩后綜合征的發病機理奠定了基礎。因此，擴散張量成像可以為臨床診斷輕型顱腦損傷提供參考依據，并為判斷輕型顱腦損傷預后提供一定幫助。

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