彌散張量成像在腦卒中康復中應用的研究進展①

高蓓瑤，白玉龍

彌散張量成像在腦卒中康復中應用的研究進展①

高蓓瑤，白玉龍

彌散張量成像（DTI）是一種非侵襲性MRI技術，能夠識別腦微觀結構改變，特別是神經纖維束的變化。DTI在腦卒中預后評估、動物實驗和康復療效評估等方面均有應用。

腦卒中；彌散張量成像；康復；綜述

［本文著錄格式］高蓓瑤，白玉龍.彌散張量成像在腦卒中康復中應用的研究進展［J］.中國康復理論與實踐，2016，22（9）: 1031-1035

CITED AS:Gao BY，BaiYL.Progressof application of diffusion tensor imaging in stroke rehabilitation（review）［J］.Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（9）:1031-1035.

彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是一種在磁共振基礎上發展出的影像學技術。其原理是水分子在組織間和細胞內外移動時，由于細胞膜的存在而需要進行跨膜運動，因此會產生水分子的彌散活動。由于神經細胞的結構，細胞膜在與縱軸垂直方向上對水分子運動有阻擋作用，水分子運動在各個方向不一致，形成各向異性。這一性質可以通過一些參數衡量，如表觀彌散系數（apparentdiffusion coefficient，ADC），當水分子的運動方向和細胞長軸平行時，ADC最大，垂直時ADC最小；ADC受細胞內外水的黏滯度、比例、細胞膜通透性、溫度的影響。又如各向異性分數（fractionalanisotropy，FA），與分子在空間位移的程度、組織的方向有關。評價病變時，同時測量病灶及對側相應部位的ADC，兩者的比值即為相對ADC（relative apparent diffusion coefficient，rADC），可部分消除絕對ADC的個體差異；同理也有相對FA（relative fractionalanisotropy，rFA）。平均彌散率（mean duffusivity，MD）是對總的分子置換和表現出的總彌散障礙的描述，在平行軸位置用軸向彌散系數（axial diffusivity，AD）描述，垂直軸位置用徑向彌散系數（radial diffusivity，RD）來描述。MD可反映組織的總含水量，而各向異性指標能提示髓磷脂纖維的完整性［1］。

DTI與彌散加權成像（diffusion weighed imaging，Dwi）的原理相近，并在DWI的基礎上進一步發展。兩者區別在于DWI是單一方向或三維方向合成后水分子的彌散情況；DTI是在Dwi原有的三個方向的基礎上，增加了更多的采集方向［1］。

目前DTI能夠清楚顯示大腦白質二維和三維影像。自1994年被開發以來，DTI很快被應用于許多大腦疾病的探索，如多發性硬化、腦癱、腦卒中、衰老、癡呆、精神分裂癥等，在科研和臨床領域都得到廣泛應用［1-2］。

腦卒中是一組發病率和致死率都相當高的疾病，腦卒中后康復在康復醫學領域占有重要地位。本文就DTI在腦卒中康復中的研究進展進行綜述。

1　功能預后評估

很多研究表明，通過DTI測量皮質脊髓束（corticospinal tract，CST）完整性與腦卒中后患者的運動功能密切相關。Ma等納入23例基底節區出血性腦卒中患者進行前瞻性研究，在發病當天、發病后30 d和90 d分別進行DTI檢測，發現當天FA下降程度與90 d時運動功能障礙程度密切相關［3］。CST的FA顯著改變提示傳導束沃勒變性。Schaechter等對10例腦卒中后偏癱患者與10名健康人行對照研究，發現患者雙側CST的FA升高和運動功能恢復程度相關［4］。偏癱患者運動功能的恢復與患側和健側的CST微細結構均有關，表明雙側皮質脊髓束在運動恢復中起一定作用。

也有研究發現CST的FA可能并不能預測腦卒中后運動功能。Jang等回顧性研究32例腦卒中患者和24名健康人，腦卒中組在卒中發生后（7.9±3.6）個月行DTI檢查，結合彌散張量纖維束成像（diffusion tensor tractography，DTT）、連續追蹤法（fiber assignment continuoustracking，FACT）和多個感興趣區（amultiple regionsof interest，ROIs）技術，發現患者健側腦部的皮質脊髓前束纖維數量（fiber number，FN）與發生卒中后運動功能有關，但未發現皮質脊髓前束FA、ADC，以及CST的FN、FA和ADC也與之相關［5］。

除CST外，Wang等回顧性研究11例紋狀體和內囊發生梗死2周并伴有上肢功能障礙的患者，DTI發現在發病早期，受損的大腦腳處FA下降明顯，ADC改變不明顯［6］。FA在大腦腳下降說明包括錐體束在內的纖維結構完整性受到損傷，出現沃勒變性。

有研究者通過聯合DTI和其他手段評估腦卒中后患者的運動功能。Yang等研究31例腦卒中急性期伴有上肢運動障礙患者，運動功能評定用上肢Fugl-Meyer評分。收集DTI技術中CST的rFA與灰質容量測定（graymatter volumetry，GM）的技術感興趣區（volumeof interest，VOI）比值（患側/健側），發現兩者均與上肢Fugl-Meyer評分相關；聯合CST的rFA與尾狀核的VOI比值，通過多元回歸模型可以解釋上肢Fugl-Meyer評分中40.7%的變異，而僅用CST的rFA只能解釋29.4%，僅用尾狀核VOI比值只能解釋23.1%。因此聯合DTI技術和GM技術，比單獨應用一種技術可以更好地反映腦卒中患者運動障礙的情況［7］。

偏癱可引起大腦半球內和大腦半球間白質聯絡纖維損傷。基于目前人腦結構和功能連接的腦結構網絡和腦功能網絡，Lee等認為利用腦網絡連接的一些參數，如節點度（the node degree）和邊介數（the edge betweenness centrality values），再結合分析FA，可以反映患者的運動功能狀態［8］。他們研究3例發生左側腦血管病的患者，比較和分析患者健側和患側這些參數，證實它們與偏癱患者的運動功能相關。

除了運動功能，研究者發現DTI也可預測卒中后患者言語功能。Breier等對20例左側腦卒中患者發病后1個月內行DTI檢查和語言功能評估，發現左側縱束和弓狀束（arcuate fasciculus，AF）處FA降低，患者言語復述能力受損，表明兩者可能存在相關性［9］。

2　基礎研究

Guo等采用一過性大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）恒河猴模型（缺血2 h），觀察梗死中心區（infarct core，IC）、梗死增長區（infarctgrow th area，IG）和可逆半暗帶（reversible penumbra area，RP）rADC和rFA，其中IG與RP相加為缺血半暗帶（ischemic penumbra，IP）。結果顯示，再灌注1 h后，rADC在三個區域均上升（在IG區上升最慢），后逐漸下降，7 h后再持續上升；再灌注1 h后，rFA在三個區域均下降（在IC區時最明顯），3～24 h在IC和RP區有所上升，而IG區繼續下降，24 h后三個區域均下降［10］。作者認為，缺血早期，急性再灌注可以引起細胞外興奮性氨基酸過度釋放，引起ATP水平下降，ATP依賴的離子泵失活，導致缺血細胞去極化，水分子從細胞外移動到細胞內，rADC上升；亞急期，持續再灌注損傷導致細胞壞死，同時伴有細胞膜崩解和微血管功能障礙，導致rFA持續下降。

Liu等采用獼猴MCAO缺血再灌注（缺血3 h）模型和永久性MCAO模型，觀察在造模后不同時間獼猴的ADC、FA和T2WI，共觀察30 d，隨后行組織學觀察、計算梗死灶體積。研究發現，兩組損傷區ADC均為先迅速降低，后缺血再灌注組在3 h后增高，永久組在24 h后增高，30 d后均高于初始值；FA缺血再灌組先明顯降低，3 h后逐漸升高，但均未高于初始值，而永久組FA持續下降；T2wi先維持正常值不變，后增高再下降，均高于初始值［11］。永久性MCAO組與缺血再灌組的主要差異表現在FA上，且永久性MCAO組在組織學方面表現的損傷更嚴重，尤其是髓磷脂的損傷和軸索水腫。

3　康復療效評估

3.1強化發聲矯正訓練

腦卒中后，由于病變損害優勢半球大腦皮質語言代表區及其纖維，使患者的聽、說、閱讀和書寫功能殘缺或喪失。患者言語功能恢復過程中，弓狀束起重要的作用，它是語言產生和反饋的重要通路，連接Wernicke區與Broca區。Nunnari等對1例左側顳頂區腦卒中失語癥患者進行隨訪，經過發聲矯正強化康復治療1個月后，語言和運動功能有一定恢復；DTI觀察到左側弓狀束FA升高，纖維數量增多［12］。

腦損傷范圍小的失語癥患者，在恢復階段傾向于有更多的左側大腦病灶周圍激活和右側不同大腦區域激活；如果大范圍左側大腦損傷（除外完全損傷），右側大腦傾向有更多與語言區相對應的區域激活［13］。

旋律語調療法（melodic intonation therapy，MIT）是強化發聲矯正訓練中的一種，用夸大語調的方式達到“講話”的目的。Schlaug等對6例左側腦卒中（至少1年）后理解力正常但有中到重度表達性失語癥患者，MIT治療75～80 d，患者言語功能明顯恢復，DTI和DTT發現患者右側AF纖維數量和體積顯著增加［13］。Wan等對11例慢性左側腦卒中并發運動性失語患者，治療前和治療15周后行DTI檢查和語言能力測評，并與9例對照組進行對比，發現治療組右側額下回后部白質、右側顳上回后部和右側扣帶回后部FA下降，且FA下降與患者語言功能恢復相關［14］。既往有關言語、記憶功能損傷與FA關系的研究中，既有報道FA增加者［15］，也有報道其減少者［16］。由于FA的影響因素很多，如纖維密度、纖維連貫性、軸突直徑、髓鞘形成、軸突側支出芽。FA高說明纖維排列更整齊，FA低說明排列欠規則，以及更多的出芽狀多支化的軸突。其中的機制還有待進一步研究。

3.2針灸

針灸是我國傳統醫學的重要治療手段，廣泛應用于康復醫學領域。許多動物實驗和臨床觀察驗證針灸對于中樞神經功能恢復有一定影響［17-19］。Shen等將腦梗死患者分為針灸組和對照組，發現梗死處ADC在發病時迅速下降后明顯上升，而FA在發病到慢性期明顯下降；雙側大腦腳處ADC下降可能與沃勒變性有關；治療8周后，針灸組ADC和FA均比對照組高，并有Barthel指數明顯升高［20］。Wu等對MCAO缺血30min再灌注大鼠予針灸治療，缺血區中央和邊緣處rADC迅速下降后很快上升，rFA持續下降4 d后緩慢上升；治療組在7 d和28 d時，缺血區邊緣處rFA比對照組高，且行為學評分升高［21］。

但Li等對14例缺血性腦卒中患者，在治療前和治療1個月后行Fugl-Meyer評分和DTI檢查，結果顯示針灸治療組Fugl-Meyer評分高于對照組，兩組內均有FA增加，AD、RD和MD減少，但兩組間無顯著性差異［22］。

3.3腦機接口

腦機接口是一種直接通過腦電信號控制外部設備的腦-機通訊系統，是目前神經康復研究的熱點之一［23-24］。DTI可應用于臨床追蹤和預測腦卒中后接受腦機接口治療患者的運動功能恢復。Song等發現，治療后患側內囊后肢處rAD、rRD、rMD越低，rFA越高，則上肢運動功能恢復越好［25］。進一步研究發現，腦機接口治療后患側較健側的內囊后肢FA下降越低，運動功能越差；初始的FA可以預測和評估患者在腦機接口治療后運動功能恢復情況；與功能磁共振成像（functionalmagnetic resonance imaging，fMRI）結果一同進行分析，發現患者完成患側手指敲擊任務（impaired-finger-tapping-task）時，活躍像素計數值（active voxel counts）與患側內囊后肢處FA負相關［26］。

3.4功能電刺激

臨床研究證明，功能電刺激（functional electrical stimulation，FES）能顯著改善腦卒中患者偏癱肢體的功能，提高行走能力，降低致殘率，是一種有效的康復物理治療方法［27］。Chen等通過使用DTI技術對雙通道FES和四通道FES的療效進行比較，治療3周后，DTI示四通道FES組患側纖維束明顯增多，健側纖維束改善不明顯；雙通道FES組和安慰刺激組均改善不明顯［28］。

3.5強制性運動療法

強制性運動療法（constraint-induced movement therapy，CIMT）通過限制健肢使用，強制患者使用患肢，強化并在日常生活中加以訓練，具有實際應用價值［29-30］。Hu等應用DTI研究18例慢性腦卒中偏癱患者，治療前患側和健側損傷處FA為0.29和0.30，CST處FA為0.35和0.45；CIMT治療前后患者運動功能評分與治療前后CST的rFA（患側/健側）或腦白質rFA無明顯相關，健側與患側FA也均未發現改變［31］。研究者認為可能腦卒中后功能損失不僅僅與CST完整性相關。Sterr等也認為腦卒中CIMT治療后運動功能恢復結果與CST結構完整性的關聯性不是很大［32］。

有研究顯示，腦癱兒童CIMT干預前后DTI結果與成人的情況不同。Kwon等予10例腦癱患兒CIMT治療，治療后功能恢復明顯，其中5例治療后DTT顯示CST出現或更加明顯，說明CST的改變與上肢功能改善同步［33］。這可能和兒童處于生長發育期，腦的可塑性較大有關。但Rickards等納入10例腦癱患兒和26例慢性腦卒中患者，CIMT治療后兒童組與成人組功能均有明顯恢復，治療前CST有扭曲或中斷者以及FA降低的腦癱患兒，基線運動功能情況差于CST完整者；兒童組與成人組FA與CST的扭曲或中斷程度均與治療后的功能恢復情況無相關性［34］。

不少研究認為，CIMT治療前DTI參數可能對判斷預后有一定的意義。Marumoto等隊列研究14例腦梗死患者，CIMT治療10 d發現，治療前內囊后肢rFA與治療后Fugl-Meyer評分正相關［35］。Manning等對7例腦癱患兒行CIMT治療，治療前內囊后肢MD與治療后Jebsen-Taylor評分增加正相關［36］。Rocca等也發現，CIMT治療前患兒CST處FA與治療后10周時運動功能評分明顯正相關［37］。

3.6矯形器的使用

Maeshima等發現，出院時需要佩戴矯形器的患者，患側錐體束和大腦腳FA比不需要矯形器的患者低［38］。他們認為，FA或可用于預測卒中后偏癱患者在出院時是否需要矯形器。

3.7經顱磁刺激

單側空間忽視（unilateralspatialneglect，USN）是腦損傷后患者不能注意到從對側輸入的視覺、聽覺、觸覺等刺激的一種認知障礙。Yang等將38例腦卒中患者分為三個治療組和假治療組，分別予1 Hz經顱磁刺激（transcranialmagnetic stimulation，TMS）、10 Hz TMS、持續θ節律刺激（continuous theta burst stimulation，TBS），結果持續TBS組患者療效最好，其次是1 Hz TMS和10Hz TMS；DTI顯示，與假治療組相比，持續TBS組患者左側上縱束、額枕上束和額枕下束、右側外囊和額枕下束的FA、MD顯著增加，其他兩組未發現此現象［39］，說明持續TBS可促進視覺相關區域白質纖維網絡的連接與修復，USN患者功能恢復有關。研究發現額頂和額枕部纖維連接有斷開的現象，或可幫助預測腦卒中患者的USN的發生。

綜上所述，DTI不僅可以反映腦卒中后患者功能恢復的情況，而且對各種康復治療的療效評估也有一定價值。此外，DTI還可用于評估預后，幫助判斷患者功能恢復的潛力。但DTI不能發現橫向的纖維投射［40］，且有研究認為DTI的結果不能完全值得信賴，有誤導性，并推薦高級纖維束成像技術，后者能夠更加清楚地顯示纖維束情況［41］。如果DTI技術不能精確反映CST的完整性及纖維投射的數量，可能會誤導醫生對病情的評估判斷。有關DTI技術在康復醫學領域中的應用尚待進一步深入研究。

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ProgressofApplication of Diffusion Tensor Imaging in Stroke Rehabilitation（review）

GAO Bei-yao，BAIYu-long
Departmentof Rehabilitation Medicine，Huashan Hospital，Fudan University，Shanghai200040，China

BAIYu-long.E-mail:dr_baiyl@126.com

Diffusion tensor imaging（DTI）is a noninvasive MRI technique，which can identify changes inmicrostructure of the brain，especially in the variationsof the nerve fiberbundles.For stroke rehabilitation，DTIis applied in the functionalevaluation and prognosis，basic experimental research and efficacy evaluation of rehabilitation therapy.

stroke；diffusion tensor imaging；rehabilitation；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.09.010

R743.3

A

1006-9771（2016）09-1031-05

2016-05-27

2016-06-21）

國家自然科學基金項目（No.81572225）。

復旦大學附屬華山醫院康復醫學科，上海市200040。作者簡介：高蓓瑤（1993-），女，陜西榆林市人，碩士研究生，主要研究方向：腦卒中康復。通訊作者：白玉龍，男，博士，教授。E-mail:dr_baiyl@126.com。