基于彌散張量纖維束成像探討皮質脊髓束損傷對腦卒中運動功能障礙的評估價值①

高鑫潔，唐朝正，徐國軍，余秋蓉，楊浩，賈杰，孫莉敏，尹大志，范明霞

1.華東師范大學上海市磁共振重點實驗室，上海市200062；2.復旦大學附屬華山醫(yī)院康復醫(yī)學科，上海市200040；3.北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室，北京市100875；4.中國科學院上海生命科學研究院靈長類神經生物學重點實驗室，上海市200031。

腦卒中后約75%患者遺留有不同程度運動功能障礙，對患者的生活質量造成巨大影響[1]。皮質脊髓束(corticospinal tract,CST)作為錐體束中最大的下行運動通路，其完整性損傷將造成腦卒中患者的運動功能障礙。基于彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)可實現(xiàn)活體腦皮質脊髓束的三維重建，為觀測該神經纖維束形態(tài)結構的完整性提供了一種有效途徑。

目前探究CST完整性的方法主要包括感興趣區(qū)(region of interest,ROI)分析[2-5]、患者個體水平的CST分析[6-9]和健康對照組CST模板分析[10-12]。然而，ROI法采用人工描繪，存在主觀性且不能準確顯示CST的損傷[4,13]?；颊邆€體水平CST分析方法，以計算CST的相關參量(如各向異性分數(shù)、軸向彌散系數(shù)和徑向彌散系數(shù))來評估CST完整性[6-7]。然而，腦卒中病灶的存在可能導致DTI神經纖維束追蹤中斷，且相關參量大小也易被其他因素影響(如周圍水腫，白質纖維束構象特征等[14])。故上述ROI分析法和患者個體水平CST分析法在揭示CST完整性損傷程度的準確性上存在較大的局限性，且均無法回答病灶位置對CST完整性的直接影響。而健康對照組CST模板分析法，其基本思路是以健康被試的CST為模板，將腦卒中病灶與模板重疊，通過體素加權計算“CST損傷值”，用以評估腦卒中患者CST完整性損傷程度[10-12]。本研究擬運用彌散張量纖維束成像技術(diffusion tensor tracking,DTT)追蹤CST，以健康對照組CST模板計算“CST損傷值”，并對其與患者肢體的運動功能評分進行相關性分析，旨在進一步闡釋腦卒中病灶對鄰近CST完整性的損傷程度與患者運動功能障礙之間的內在聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選擇2012年3月至2013年6月在上海市華山醫(yī)院門診及住院治療的腦卒中后運動功能障礙患者15例。診斷符合1995年全國第四屆腦血管病學術會議通過的各類腦血管病診斷標準，并經頭顱CT或MRI檢查證實。

納入標準：①年齡40～80歲；②首次發(fā)病且病灶均位于左側皮質下，以累及基底節(jié)區(qū)為主；③發(fā)病后至少12個月；④只有運動功能障礙；⑤所有患者在進行磁共振掃描之前均進行簡易精神狀態(tài)檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評測，且所有患者MMSE評分≥27。

排除標準：①意識不清，MMSE提示癡呆，并發(fā)感覺性失語或精神障礙等，不能配合檢查；②并發(fā)心、肝、腎和造血系統(tǒng)等嚴重疾??；③體內有金屬植入；④既往有認知障礙、神經精神病史、藥物濫用史；⑤重要臟器功能衰竭或病情危重，并發(fā)癌癥等嚴重影響生活質量的疾病和狀態(tài)。

根據(jù)患者年齡、性別匹配招募15例健康受試者。

納入標準：①年齡40~80歲；②所有健康受試者頭顱常規(guī)MRI掃描未見明顯異常病灶；③既往均無精神疾病、無藥物或酒精濫用史及腦部腫瘤或梗死等病史。

排除標準同腦卒中組。

最終納入健康對照組15例，腦卒中組15例。兩組年齡和性別無顯著性差異(P>0.05)。見表1。所有受試者均為右利手。腦卒中組中缺血性腦卒中6例，出血性腦卒中9例，病灶均位于左側皮質下，以累及基底節(jié)區(qū)為主。腦卒中組MMSE評分(28.5±1.3)分，均大于27分。詳見表2。

本實驗研究經過復旦大學附屬華山醫(yī)院和華東師范大學倫理委員會批準，所有被試均在簽署知情同意書后進行磁共振掃描。

表1 兩組一般資料比較

1.2 磁共振成像數(shù)據(jù)采集

掃描采用德國西門子3.0 T超導磁共振成像系統(tǒng)，線圈為標準12通道相控陣頭部線圈。掃描時告知被試放松、閉上眼睛，保持頭不要動。本研究所需的實驗數(shù)據(jù)掃描順序依次為：初始定位像、用于分割配準的高分辨T1加權結構像、確認病灶位置的常規(guī)T2加權像、彌散張量成像。其掃描參數(shù)分別如下。

①高分辨T1加權結構像：磁化準備快速梯度回波序列(magnetization prepared rapid gradient echo,MPRAGE)，矢狀位192層，層厚1 mm，層間距0.5 mm，重復時間(repetition time,TR)1900 ms，回波時間(echo time,TE)3.42 ms，反轉時間(time of inversion,TI)900 ms，視野(field of view,FOV)240 mm×240 mm，傾倒角(filp angle)9°，采集矩陣(matrix)256×256 mm。

②T2加權像：快速自旋回波序列，橫斷位30層，層厚5 mm，無層間距，TR 6000 ms，TE 93 ms，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，傾倒角90°，采集矩陣320×320 mm。

③彌散張量成像：單激發(fā)平面回波序列，橫斷位40層，層厚3 mm，無層間距，TR 6100 ms，TE 110 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，累加次數(shù)為2，采用30個非共線的彌散梯度方向(b=1000 s/mm2)和1個無彌散梯度(b=0 s/mm2)圖像，并且使用并行采集技術(加速因子為2)。

表2 腦卒中組的臨床資料

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 感興趣區(qū)

依照參考文獻[10]，確定CST的感興趣區(qū)為中央前回，內囊后肢(posterior limb of internal capsule,PLIC)和腦橋。中央前回通過自動解剖標記(anatomical automatic labeling,AAL)模板提取，需把標準MNI空間中的中央前回轉換到個體空間。從標準MNI空間轉化到個體空間的步驟：①將被試的DTI像通過線性配準到其T1像，得到轉換矩陣N；②將個體的T1像線性和非線性配準到標準MNI空間，得到轉換關系M；③利用轉換關系M，將配準后在結構空間的DTI像變換到標準MNI空間。利用轉換矩陣N的逆變換N-1和轉換關系M的逆變換M-1將標準MNI空間的ROI轉換到個體空間，得到被試個體空間上的ROI。內囊后肢和腦橋由一名經驗豐富的放射科醫(yī)生運用MRIcro軟件在每個被試的各項異性分數(shù)圖上確定。

1.3.2 病灶圖

采用MRIcro在標準化后的高分辨T1加權像上確定病灶。每個患者的病灶由一名經驗豐富的放射科醫(yī)生確定，逐層手動描繪高分辨T1加權像信號異常部位輪廓，得到每個患者在MNI空間的病灶mask。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

本研究使用FSL(htt://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)工具包進行數(shù)據(jù)分析。DTI數(shù)據(jù)處理流程包括去除非腦組織、頭動及渦流矯正、白質彌散參數(shù)的獲取，使用蒙特卡洛抽樣重建每個體素在各方向的彌散參數(shù)分布以及選取種子點做概率性示蹤圖譜[15]。

1.3.4 健康被試CST模板

利用DTT追蹤健康被試組的CST，首先將種子點確定為中央前回，同側內囊后肢為途徑點，同側腦橋為目標腦區(qū)，追蹤結果為CST1；然后將腦橋作為種子區(qū)，同側內囊后肢為途徑點，同側中央前回為目標腦區(qū)，追蹤結果為CST2；CST1和CST2的重疊部分作為該健康被試的CST，重疊的目的是為了確保得到通過三個ROI的CST[16]。將每個健康被試的CST變換到標準空間并重疊，閾值設置為8(15個健康被試)得到組水平的CST[10-12]，這就是健康被試CST模板(圖1A)。

1.3.5 腦卒中患者CST損傷值測定

每例腦卒中患者病灶與健康被試CST模板的重疊體素與健康被試CST模板體素的比值，作為CST損傷值[12]。

其中，“0.00%”表示病灶與CST模板無重疊，CST損傷值越大表明病灶與CST模板重疊部分越大，即患者CST受病灶影響越大，意味著CST的完整性損傷越嚴重。本研究15例腦卒中患者CST損傷值見表2。

1.3.6 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行分析。計量資料采用(xˉ±s)表示，組間比較采用t檢驗，計數(shù)資料采用χ2檢驗；對腦卒中組CST的損傷值、病灶體積大小與臨床手、腕、腕+手、上肢、下肢和上肢+下肢FMA評分做Spearman相關性分析。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 皮質脊髓束受累程度結果

基于DTT追蹤出15個健康被試的左側和右側CST模板(圖1A)。腦卒中組CST損傷值范圍為0.00%~29.6%，其中損傷值為0.00%和29.6%的兩例患者，其病灶與CST受累的關系見圖1(B)和(C)。

2.2 皮質脊髓束受累程度與運動障礙的關系

腦卒中組CST損傷值與腕FMA評分(r=-0.660,P=0.007)、手FMA評分(r=-0.813,P<0.001)及腕+手FMA評分(r=-0.795,P<0.001)均呈強負相關；與上肢FMA評分(r=-0.614,P=0.015)和上肢+下肢FMA評分(r=-0.563,P=0.029)呈較強負相關；與下肢FMA評分無明顯相關性(r=-0.270,P=0.331)。

此外，腦卒中病灶體積大小與各運動功能評分(腕、手、“腕+手”、上肢、“上肢+下肢”及下肢)均無明顯相關性(r=-0.365,P=0.181;r=-0.493,P=0.062;r=-0.449,P=0.094;r=-0.383,P=0.159;r=-0.338,P=0.218;r=-0.341,P=0.214)。

圖1 健康對照組CST模板及病灶與CST模板重疊病例

3 討論

本研究采用DTT追蹤出一組健康被試的CST作為參照模板，并在此基礎上計算單側皮質下腦卒中患者病灶對CST損傷值，評估CST的完整性。結果發(fā)現(xiàn)，腦卒中病灶對鄰近CST損傷程度與上肢運動功能評分(尤其是手腕部)呈明顯負相關，與下肢運動功能評分無顯著相關性。此外，病灶體積大小與上下肢各項運動功能評分亦無顯著相關性。

基底節(jié)區(qū)病灶會對CST結構完整性造成直接損傷。為了立體直觀地明確病灶與CST的關系，Konishi等[17]對13例豆紋動脈供血區(qū)急性腦梗死患者進行研究，并率先制定評估CST受累程度的量化標準，結果發(fā)現(xiàn)CST受累狀況與運動功能損傷程度密切相關。簡而言之，CST沒有明顯受累表現(xiàn)的患者(CST與梗死灶的空間關系表現(xiàn)為CST緊挨著病灶邊緣穿行)，其運動功能損傷較輕；CST有明顯受累表現(xiàn)的患者(CST全部穿過梗死灶，病灶將該神經束包繞)，其運動功能損傷嚴重。雖然該研究通過肉眼觀察患者CST與病灶重疊圖像，能定性評估CST與病灶的空間關系[18]，卻不能定量計算出CST完整性受病灶的累及程度大小。Zhu等[10]率先以健康被試的CST為模板，通過腦卒中病灶與模板重疊體素加權計算“CST損傷值”，用以評估腦卒中患者CST完整性損傷。

創(chuàng)立該模板的好處主要有兩個方面：一是由于病灶的存在，在病灶處和病灶周圍追蹤時會中斷，如以健康被試的CST模板為基礎來研究患者CST的完整性損傷，就可以排除CST中斷帶來的負面影響；二是進一步通過病灶與CST模板重疊體素與CST模板體素之比來評估CST的完整性損傷，可以更直觀、定量評估CST受病灶累及程度。目前這種基于健康被試CST模板研究CST完整性的方法已經在國外不少研究中得到應用[10,12,19-20]，結果表明采用“CST損傷值”評估CST完整性可以較好地預測患者的運動功能損害水平。

本研究采用健康被試CST模板研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者CST完整性損傷與上肢，尤其是手和腕的運動功能障礙密切相關，這說明CST完整性損傷明顯影響腦卒中患者手腕精細動作的完成。Carter等[12]采用基于正常人的CST模板評估腦卒中患者CST完整性損傷，結果也表明，其與上肢，尤其是腕部運動功能有極強的相關性，這可能意味著CST完整性損傷可以預測腦卒中患者上肢運動功能障礙。同時該研究也顯示，CST的完整性損傷與下肢運動功能障礙有微弱的相關性，這與本研究結果有些差異?？赡芘c研究對象病程不同有關：其研究對象為處在急性和亞急性早期(發(fā)病4周內)的腦卒中患者，而在磁共振成像T1WI序列上確定梗死病灶時，由于病灶周圍水腫的存在會夸大了病灶范圍，進而有可能影響對CST完整性損傷評估的準確可靠性。

本研究選擇的腦卒中患者發(fā)病在12個月以上，從而避免了選擇早期患者時由于其病灶周圍并發(fā)水腫，造成的可能夸大病灶對CST完整性損傷的影響。因此，從一定程度上講，本研究入組的慢性期患者的研究結果應該更客觀真實地反映病灶本身對CST完整性的損傷。Ahn等[21]研究一組慢性期腦卒中患者CST的完整性，并與下肢的運動功能進行相關性研究，也發(fā)現(xiàn)下肢的運動功能與CST的完整性無關，這與本研究結果一致。已有哺乳類動物實驗[22-23]表明，下肢的運動功能與健側交叉過來的運動通路密切相關。這可能提示本研究探測患側CST的完整性損傷與運動功能障礙的關系時，忽略了健側CST在運動功能障礙中所起的作用。靈長類動物的下肢運動需要有脊髓外側部分的參與，其有利于雙下肢自發(fā)運動的恢復[24]。而本研究涉及的是腦卒中患者顱內CST，未涉及脊髓外側部分。此外，一些潛在的下行運動神經通路，比如網狀脊髓束和前庭脊髓束等也參與下肢運動[25-26]。由此可見，僅僅依據(jù)CST的完整性損傷來評估下肢運動功能障礙是不夠的。

本研究還發(fā)現(xiàn)，病灶體積大小對腦卒中患者的運動功能障礙嚴重程度影響不大。如第15例患者的病灶體積(971 mm3)遠遠大于第6例患者的病灶體積(481 mm3)，但前者的病灶未累及鄰近CST(CST損傷值0.00%)，而后者的病灶累及鄰近CST明顯(CST損傷值29.6%)。因此，后者各項運動功能評分明顯低于前者。Zhu等[10]對一組腦卒中病程6個月以上患者的研究也發(fā)現(xiàn)，病灶體積大小與患者運動功能評分無明顯相關性，這或許說明測定CST完整性損傷更有助于臨床評估腦卒中患者運動功能障礙的嚴重程度。

綜上所述，本研究結果表明，通過DTT定量評估CST完整性損傷或許可作為評估腦卒中患者上肢，尤其是手腕部運動功能障礙的一個潛在重要參考指標。下一步研究有必要選擇更大樣本的腦卒中患者進行縱向動態(tài)研究，進一步探索CST的完整性損傷與臨床運動功能預后的關系，這將有利于臨床依據(jù)患者白質結構完整性的保留程度制定更加有效的運動康復方案。