靜息態功能磁共振和纖維追蹤技術在單純脊髓受累型多發性硬化患者的臨床應用

劉義，李詠梅，曾春，王靜杰，張小輝，張曉玲，李瑛

重慶醫科大學附屬第一醫院放射科，重慶 400016

單純脊髓受累的多發性硬化患者(multiple sclerosis patients with simple spinal cord involvement，MS-SSCI)是多發性硬化(multiple sclerosis，MS)的一種類型，多見于亞洲，其特點是選擇性累及脊髓[1]，無常規MRI可見顱內MS病灶。MS-SSCI臨床表現多樣，多出現肢體障礙、背痛、感覺異常，嚴重影響患者生活質量。低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation，ALFF)通過計算低頻(0.01～0.08 Hz)功率譜的平方根可以反映腦靜息態神經活動[2]，纖維追蹤技術可以顯示腦白質纖維束的形態結構和走行方向。通過計算ALFF，有研究顯示MS患者靜息態腦功能活動存在異常[3]，擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)研究表明MS患者FA、ADC明顯改變[4]。目前，針對單純脊髓受累的多發性硬化(multiple sclerosis patients with simple spinal cord involvement，MS-SSCI)患者腦功能及白質纖維完整性的研究很少。為證明MS-SSCI脊髓病灶直接對腦部的影響，本研究首次應用RS-fMRI和纖維追蹤技術觀察MS-SSCI患者腦功能和結構的變化，并探討其與EDSS評分可能存在的相關性。

1 材料與方法

1.1 一般資料

MS-SSCI組：選取2013年1月至2014年12月間22例患者(由本院神經內科醫師診治)。入選條件：(1)所有MS-SSCI滿足2010年McDonald臨床診斷標準[5]：≥2次臨床發作，≥2個脊髓病灶的客觀臨床證據或1個脊髓病灶的客觀臨床證據并有1次先前發作的合理證據；(2)不滿足2006年Wingerchuk等[6]制定的NMO診斷標準：20例患者脊髓MRI顯示長T2病灶連續節段＜3個椎體節段，2例患者為3～5個椎體節段但血清NMO-IgG陰性，總共18例患者進行血清NMO-IgG檢查均顯示陰性；(3)常規MRI檢查無腦部可視的MS病灶；(4)無明確神經、精神系統疾病史。

健康對照組：根據就近原則招募年齡、性別相匹配的健康對照組，具體臨床資料見表1，健康對照組均無認知障礙主訴，無神經精神、藥物濫用等病史且MRI顯示未見明顯異常，所有受試者均為右利手。所有受試者均簽署知情同意書。

MS-SSCI在做fMRI之前由專門的神經科醫師進行臨床擴展殘疾狀態量表(expanded disability states scale，EDSS)測試，平均得分為3.73±1.52(1.00～7.50)。本研究得到重慶醫科大學附屬第一醫院生物醫學倫理委員會批準。

表1 MS-SSCI組和健康對照組主要臨床資料Tab.1 The main clinical characteristics of MS-SSCI and controls

1.2 成像設備及參數

所有受試者均行腦部和脊髓的MRI掃描，采用GE Signa HDxt 3.0 T MR系統，使用8通道頭頸聯合線圈。采用MS診斷小組中心指定的標準MRI序列[7]。腦部MRI序列及參數包括：常規軸位T1WI(TR/TE=250 ms/2.86 ms)、T2WI(TR/TE=3600 ms/120 ms)、液體衰減反轉恢復(fluidattenuated inversion recovery，FLAIR)序列(TR/TE=8000 ms/120 ms)，層厚均為5.0 mm，層數為20層；軸位BOLD功能序列(TR/TE=2000/30 ms，反轉角=90°，矩陣=64×64，層厚/間隙=4.0 mm/0.0 mm，33層，體素尺寸(mm)=3.75×3.75×4.00)；DTI采用單次激發自旋回波平面回波(spin echo echo-planar imaging，SE-EPI)序列(TR/TE=15000/86.8 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩陣=128×128，層厚/間隙=2.4 mm/0.0 mm，53層，b值分別為0和1000 s/mm2，30個不同擴散方向)。脊髓MRI：矢狀位T2WI(TR/TE=2200 ms/110 ms)和T1WI(TR/TE=500 ms/12 ms)、軸位T2WI(TR/TE=2200 ms/110 ms)。掃描過程中囑被試者安靜平躺，閉目，不要入睡(掃描完后再次確認受試者是否入睡)。由兩位有經驗的放射科醫生確認受試者常規MRI序列顯示沒有腦內可視的病灶。

1.3 圖像處理

1.3.1 功能數據預處理

使用基于MATLAB7.9(R2010a)平臺的DPARSF2.1(http://www.restfmri.net)軟件對靜息態數據進行處理，剔除因磁場不穩定及受試者對環境不適應的前10個時相，然后進行時間標準化，頭動校正，3×3×3 mm3重采樣進行空間標準化，空間平滑(全寬半高高斯核為6 mm)，去除線性漂移及低頻濾波(0.01～0.08 Hz)。

1.3.2 ALFF分析

濾波后的數據進行快速傅里葉轉化(FFT)成頻率譜，頻率譜與原始時間序列的頻率振幅的平方成正比，計算每個體素頻率譜在低頻(0.01～0.08 Hz)下的平方根，得到平均平方根記做ALFF。為了標準化目的，每個體素的ALFF值除以全腦均值，得到mALFF，用于后續雙樣本計算。

1.3.3 感興趣區的選擇

功能數據采用REST軟件分析，使用雙樣本t檢驗探測MS-SSCI與健康對照組間ALFF的差異，結果經線與線連接(rmm=5，體素＞40，體積＞1080 mm3)的AlphaSim校正后得出MS-SSCI與健康對照組間存在明顯組間差異的腦區。用REST Viewer分別生成新的Mask，將它們作為感興趣區(region of interest，ROI)用于下一步纖維追蹤，如圖1。

1.3.4 纖維追蹤

首先采用MRIcroN軟件在DTI圖像上找到梯度b值，組成梯度方向文件并把原始DICOM格式文件轉換成Analyze格式文件，然后用SPM8軟件對Analyze格式文件進行標準化，將標準轉化的圖像讀入DTI track纖維追蹤軟件，最后分別讀入完成個體空間轉化的ROIs，追蹤穿過每個ROI的白質纖維束(最小纖維長度為10 mm，最小FA值設為0.2)，計算每個個體的FA、ADC值。

1.4 統計分析

1.4.1 功能數據統計分析

功能數據統計分析采用REST軟件，首先對所測得每組功能數據、臨床數據分別進行Kolmgorov-Smirnov正態性檢驗，在滿足正態分布的前提下使用雙樣本t檢驗探測MS-SSCI與健康對照組間ALFF的差異，結果經AlphaSim校正后得出組間明顯差異的腦區。最后，使用SPSS 17.0軟件對MS-SSCI存在明顯組間差異區域的ALFF值和EDSS評分行Pearson相關分析(P＜0.05)。

1.4.2 結構數據統計分析

DTI數據使用SPSS 17.0軟件行統計分析，首先對所測得每組DTI數據分別進行Kolmgorov-Smirnov正態性檢驗，在滿足正態分布的前提下，對病例組與對照組每個ROI的FA、ADC值分別進行雙樣本t檢驗，最后，使用SPSS 17.0軟件對MSSSCI每個ROI的FA、ADC值分別與EDSS評分行Pearson相關分析(P＜0.05)。

2 結果

2.1 MS-SSCI組和健康對照組組間ALFF差異

MS-SSCI組與健康對照組相比，MS-SSCI組右側海馬ALFF值明顯減低，左側額中回、左側后扣帶回、右側枕中回ALFF值明顯增高(雙樣本t檢驗，經AlphaSim校正，P＜0.01，體素大小＞40，t右側海馬=－5.09，t左側額中回=7.09，t左側后扣帶回=5.95，t右側枕中回=4.81)，見圖1，表2。

表2 MS-SSCI患者ALFF明顯差異的區域Tab.2 Areas showing signifi cantly changed ALFF in MSSSCI

2.2 MS-SSCI差異的腦區的ALFF值和臨床數據的相關性

進一步研究有明顯差異腦區的ALFF值與EDSS的關系，結果顯示ALFF值和EDSS存在明顯關聯的區域只有左側后扣帶回(r=0.595,P=0.003)，見圖2，其它Pearson相關系數 均小于0.46。

2.3 MS-SSCI組和健康對照組在差異腦區的FA、ADC值比較

患者組和健康對照組的差異腦區作為ROIs，分別測量其FA和ADC值，右側海馬的白質纖維束FA值(t右側海馬=2.099，P右側海馬=0.042)、ADC值(t右側海馬=-2.053，P右側海馬=0.047)差異有統計學意義，左側后扣帶回、左側額中回、右側枕中回白質纖維束FA值(t左側后扣帶回=1.894,P左側后扣帶回=0.065,t左側額中回=1.874,P左側額中回=0.068，t右側枕中回=1.992，P右側枕中回=0.053)、ADC值(t左側后扣帶回=-1.937，P左側額中回=0.073，t左側額中回=-1.735，P左側額中回=0.090，t右側枕中回=-1.409，P右側枕中回=0.166)差異無統計學意義(圖3，表3)。

2.4 MS-SSCI差異的腦區的FA值、ADC值和臨床數據的相關性

分別研究右側海馬、左側后扣帶回、左側額中回、右側枕中回FA值、ADC值與EDSS的關系，結果顯示FA值、ADC值與EDSS均無明顯相關性。

圖1 MS-SSCI與健康對照組的功能比較。與健康對照組，MS-SSCI右側海馬ALFF值明顯減低，左側額中回、左側后扣帶回、右側枕中回ALFF值明顯增高 圖2 EDSS和ALFF值相關性分析。二者存在明顯關聯的區域只有左側后扣帶回(r=0.595,P=0.003)圖3 3A～3J為同一病例，MSSSCI，女，42歲。A、B顯示全腦全部纖維束及左側后扣帶回、左側額中回、右側海馬、右側枕中回4個腦區；C～F為FA圖，顯示分別通過左側后扣帶回、左側額中回、右側海馬、右側枕中回的白質纖維束，各腦區FA值分別為0.487、0.382、0.371、0.511；G～J為ADC圖，顯示分別通過左側后扣帶回、左側額中回、右側海馬、右側枕中回的白質纖維束，各腦區ADC(×10-4 mm2/s)值分別為8.707、1.225、11.388、1.096Fig.1 Functional comparison in MS-SSCI and controls.Compared with the controls,ALFF significantly decreased in the right hippocampus,but increased in the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe.Fig.2 The relationships between EDSS and ALFF.A signifi cant correlation between EDSS scores and ALFF was noted only in the left posterior cingulate gyrus(r=0.595,P=0.003).Fig.3 A—J from the same patient,MS-SSCI,woman,42 years old.A and B showed all the fi ber in brain,the right hippocampus,the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe; C—F the FA map,showed the white matter fi bers within the right hippocampus,the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe,the FA values of them were 0.487,0.382,0.371,0.511; G—J the ADC map,showed the white matter fi bers within the right hippocampus,the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe,the ADC(×10-4 mm2/s)values of them were 8.707,1.225,11.388,1.096.

3 討論

脊髓是MS病灶的好發部位，脊髓病變可以單獨出現有時甚至早于腦部病變出現。以前的fMRI研究已經顯示腦內有病灶的MS患者，腦損傷后可以引起功能變化和結構改變[8-9]，但對只有脊髓病灶的MS患者是否引起腦功能和結構變化的研究卻很少，本組研究首次聯合應用功能磁共振和纖維追蹤技術探測MS-SSCI腦內結構和功能的變化。

基礎腦活動是靜息態下功能腦損傷的整體反映，本研究應用ALFF方法研究全腦基礎腦活動改變，成功探測到MS-SSCI一些腦區存在異常神經活動，與存在腦內病變MS患者的文獻報道基本相符[10-11]，但功能異常腦區改變程度較低，該表現可能與病程進展及不同病理生理變化有關。纖維追蹤技術能在體顯示纖維束的形狀、白質結構完整性，FA值反映水分子運動方向的一致性，與纖維束完整性有關[12]，ADC值反映水分子平均擴散幅度，與細胞完整性有關。因此，本研究進一步以功能異常腦區作為研究對象，分別進行纖維追蹤、DTI相關參數分析，試圖探測MS-SSCI功能異常腦區是否存在纖維束完整性的破壞。

表3 患者組和健康對照組的差異腦區FA值、ADC值比較Tab.3 Comparison of FA and ADC in changed areas of MS-SSCI and controls

3.1 MS-SSCI功能異常腦區分析

ALFF可測量區域活動性幅度，直接判斷活動異常的腦區，本研究應用ALFF方法探測全腦靜息態下腦功能活動，結果表明與健康對照組相比，MS-SSCI部分腦區存在異常神經活動。右側海馬ALFF值明顯減低，左側額中回、左側后扣帶回、右側枕中回ALFF值明顯增高，異常神經活動可能由脊髓損傷或未能探測到的潛在腦損傷引起。

海馬與高級認知活動密切相關，已有研究表明MS患者海馬區存在炎性脫髓鞘改變[13]，推測部分MS-SSCI可能存在空間學習、記憶等高級活動的異常。后扣帶回是默認網絡的重要樞紐，與內側前額葉、顳葉、海馬有著緊密聯系，共同組成默認網絡系統(default mode network，DMN)。左側后扣帶回ALFF值增高表明MS-SSCI DMN可能存在異常。后扣帶回在復雜的任務處理，包括視覺空間圖像識別、情景記憶、自我處理中起核心作用[14]，而枕中回可能與識別記憶相關，后扣帶回、枕中回功能異常提示MS-SSCI可能存在復雜任務處理障礙。額中回與心理活動維持、復雜任務相關，有研究表明有腦部病變的MS患者額中回存在功能活動改變[4]，而本研究同樣表明左側額中回功能活動異常，這可能與腦功能損傷引起的腦區相互作用異常或相關腦區代償有關。

此外，左側后扣帶回ALFF值與EDSS評分呈正相關，表明MS-SSCI左側后扣帶回神經活動仍處于代償階段，隨著臨床癥狀的加重，代償活動逐漸增加，但這種重塑作用是有限的，隨著病程的演變損傷超出人腦適應范圍就會引起相應的結構損傷。

3.2 MS-SSCI功能異常腦區FA、ADC值比較

分別以右側海馬、左側額中回、左側后扣帶回、右側枕中回為感興趣區，通過測量對于脫髓鞘及軸索損傷敏感的DTI相關參數進一步探討MSSSCI腦功能異常區的潛在病理機制及與臨床參數的相關性。本組結果顯示，MS-SSCI組與健康對照組相比，右側海馬FA值減低，ADC值升高，與以往文獻報道一致[15]，病理學研究已經證實MS患者海馬區存在脫髓鞘改變[16]，表明MS-SSCI右側海馬區可能發生了隱匿性損傷，DTI對此比較敏感。FA值是反映水分子運動方向性的指標，可以說明纖維束內細胞排列的一致性和結構完整性，FA值的減低可能與細胞內外水分異常及部分區域代償性改變發生軸索損傷有關。ADC反映水分子平均擴散幅度，某些病理條件下組織結構完整性受到破壞，使水分子通透性發生改變，最終導致ADC值發生變化[17]。有研究表明，MS損傷范圍遠大于常規MRI顯示病灶范圍，病理損傷主要包括皮質損傷、灰質萎縮、看似正常腦白質區損傷、看似正常腦灰質區損傷[18]。右側海馬FA值減低，ADC值升高，表明這些區域可能發生髓鞘完整性及樹突、軸突數量的改變。此外，反應性小膠質細胞增生也可影響水分子擴散，進而使FA值、ADC值發生變化。MS-SSCI常規MRI檢查無腦部可視病灶，且本組研究結果表明，與對照組相比，MS-SSCI右側海馬DTI參數差異雖然有統計意義，但無明顯統計學意義。因此，MS-SSCI右側海馬是否發生髓鞘完整性破壞等病理變化尚需進一步加大樣本量縱向隨訪研究。與對照組相比，MS-SSCI組左側額中回、左側后扣帶回、右側枕中回有ALFF值變化，FA值、ADC值差異卻無統計學意義，這表明腦功能改變可能獨立于結構改變，提示功能改變可能比結構變化更加敏感。

相關性研究表明，MS-SSCI右側海馬FA值、ADC值與臨床殘疾狀況無明顯相關性，這可能與MS-SSCI組無常規MRI可視病灶，右側海馬DTI參數異常可能由代償性改變引起有關。因此，推測MS-SSCI結構改變可能由脊髓病變或由腦區間代償性改變引起，且結構改變與臨床殘疾狀況間是相互獨立的。

總之，本組研究聯合應用RS-fMRI和纖維追蹤技術成功顯示MS-SSCI部分腦區存在結構和功能異常，可能與脊髓損傷或常規MRI不能顯示的隱匿性腦損傷有關。不同病程階段也可能導致MS-SSCI腦功能發生改變，因此，今后研究可加大樣本量縱向隨訪研究進一步揭示該疾病的病理機制。

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