擴散峰度成像對特發性全身性癲癇白質改變的研究

母山，魯毅，曾一真，孫學進，王聰

特發性全身性癲癇(idiopathic generalized epilepsy，IGE)多發生于青少年或成年人，臨床表現不一，嚴重影響患者生活質量和身體健康[1]。癲癇為大腦神經元異常放電所致，但不同腦區間長距離信號傳遞主要是通過白質完成，白質纖維束連接性及完整性發生改變，可能導致神經信號傳遞異常[2]，導致癲癇反復發作的易感性增加，因此了解IGE患者皮層連接的白質改變對癲癇的認識和診治意義重大。既往學者多采用基于組織中水分子擴散運動符合高斯分布的擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術對癲癇白質進行研究，但組織內因各種細胞及其細胞膜、細胞器膜等復雜結構形成了水分子擴散屏障及間隔室，使得水分子運動偏離高斯分布，此時DTI并不能準確地反映水分子擴散運動情況，而擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)能夠測量這種偏離程度，提供機體生理病理狀態額外的信息[3]。并且可以處理評估交叉纖維的情況。因此，DKI可以潛在地改進異常白質纖維束的敏感性和特異性[4]。本研究將基于約翰霍普金斯大學白質模板(JHU48白質模板)的興趣區(ROI)分析方法，采用DKI技術對IGE患者白質纖維束微結構變化進行探究，旨在改善IGE患者的治療及預后評估。

材料與方法

1.一般資料

搜集2019年1月-2019年10月本院門診及住院的IGE患者，考慮到年齡過小、過大或因某些疾病如阿爾茲海默病等可能隨著年齡的增加而對全腦白質產生影響，因此選擇年齡為15～35歲的受試者。納入標準：①經2名高年資神經科醫師按照 2017年國際抗癲癇聯盟(ILAE)診斷癲癇和癲癇綜合征的標準進行篩選：臨床診斷為IGE，腦電圖表現為廣泛性棘波或多棘波放電，背景正常；②顱腦磁共振常規檢查序列未發現器質性病變；③無幼時高熱驚厥史，無外傷、手術史及神經精神病史等繼發病因；④本人或監護人知情同意，能配合 MRI 檢查及智力測試，依從性好；⑤清醒狀態下能配合MR檢查，圖像質量符合后處理要求。排除標準：①癲癇頻繁發作致意識喪失、不能一次性完成 MRI 檢查者；②有嚴重認知功能障礙；③伴有神經系統其他病變或精神疾病史；④有除癲癇外其他需長期服用藥物的慢性疾病；⑤家屬拒絕 MRI 檢查及有 MRI 檢查禁忌癥者。最終納入20名IGE患者為IGE組，其中男14人，女6人，平均年齡23.05±5.22歲。

同期招募年齡、性別、受教育程度與IE組相匹配 的19名健康志愿者為健康對照(healthy Control，HC)組，男性15名，女性4名，年齡15～30歲，平均24.80±3.73歲。納人標準：①顱腦常規磁共振檢查正常；②顱腦無嚴重創傷、無重要器官嚴重疾患、無藥物依賴以及其它可能影響腦結構與功能的疾病；③參與者性別、年齡、受教育程度等一般人口統計學資料與病例組相匹配；④本人或監護人知情同意，依從性良好。排除標準同IGE組。

2.儀器與方法

所有受試者均采用GE Discovery MR 750W超導MR掃描儀，8通道相控陣頭正交線圈，掃描序列包括常規序列(3D T1、T2FLAIR)和DKI序列。囑受試者保持自然清醒狀態，安靜閉眼，盡量保持頭部靜止。作為檢查的一部分，采集了T2WI橫軸面/矢狀面圖像和T2FLAIR斜冠狀面圖像。所有圖像都經有經驗的放射科醫生的分析診斷，未發現明顯的繼發病變。腦結構圖像采用橫軸面3D BRAVO序列：TR 2500 ms，TE 25 ms，層厚1 mm，無層間隔，FOV 220 mm×220 mm，矩陣220× 220，共152層。 DKI序列采用雙自旋平面回波(spin echo-echo planar imaging，SS-EPI)，b值取0，1000，2000 s/mm2，共15個擴散編碼方向，TR 6500 ms，TE最小值，FOV 240 mm×240 mm，矩陣128×128，層厚3.6 mm，層間距0，激勵次數(NEX)2，掃描時間9 min 44 s。

3.數據處理

格式轉換：采用MRIcron(http://www.nitrc.org/projects/ mricron)軟件包中的dcm2nii工具將所有受試者的DKI原始DICOM格式文件轉換為可供FSL軟件(http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)處理的4D NIFTI格式文件。利用FSL軟件FDT套件中的eddy correct程序，以B0圖像作為參照，對DKI圖像進行頭動和渦流校正。計算各參數值：將渦流矯正后的圖像利用DKE軟件(http://www.nitrc.org/projects/dke)計算各參數值，包括擴散各向異性分數(fractional anisotropy,FA)、平均擴散系數(mean diffusivity,MD)、軸向擴散系數(axial diffusivity,AD)、徑向擴散系數(radial diffusivity,RD)、平均擴散峰度(mean kurtosis,MK)、軸向擴散峰度(axial kurtosis,AK)、徑向擴散峰度(radial kurtosis, RK)、擴散峰度各向異性(FA of kurtosis,FAK)。參數圖的標準化：將受試者的B0圖像配準到標準腦模板，再將配準后的B0圖像寫入DKI各參數圖，得到所有受試者標準化的DKI參數圖。使用 FSL中使用FLIRT命令將B0圖像配準到結構像中，并獲取變形場矩陣；然后執行convert_xfm命令對變形場矩陣取逆，使用FLIRT和FNIRT命令進行線性和非線性配準，得到個體空間到MNI空間的變形場文件，使用invwarp命令對變形場文件進行取逆操作，使用applywarp命令將取逆后的變形場文件和最開始B0圖像到結構像的變形場逆矩陣同時應用到MNI空間的纖維束模板上，最終生成個體空間下的纖維束模板，提取平均ROI數值。

4.癲癇患者生活質量評分

采用問卷形式現場調查。選擇符合條件癲癇患者，由調查對象填寫癲癇患者生活質量評分(quality of life in epilepsy，QOLIE-31)后回收。主要評價總體生活質量、癲癇擔憂、情緒健康、精力能量、認知功能、用藥效果、社會功能等。

5.統計學分析

結 果

兩組被試者一般情況(年齡、性別、受教育程度及利手情況)比較見表1。

表1 兩組被試者一般情況比較

ROI(JHU48白質模板)水平組間比較結果如下，與HC組相比，IGE患者多個腦白質區MK、AK及RK值降低(P<0.05)，MD、KFA值升高(P<0.05)。其中左側下縱束KFA升高；左側上輻射冠、雙側上額枕束MD升高；右側下縱束、左側前輻射冠、左側上輻射冠、左側上額枕束、穹隆AK值降低；左側鉤束RK值降低；右側上輻射冠及左側鉤束MK降低；AD、RD及FA在所選白質腦區差異均無統計學意義(P>0.05)，具體白質纖維束可視化及統計分析結果見圖1及表2。

IGE患者穹隆的AK值與QOLIE-31評分呈正相關(R=0.46，P=0.044，圖2)。

表2 與HC組相比IGE組差異白質纖維束對照表

討 論

癲癇反復發作可能導致神經元或白質纖維發生復雜的微觀結構變化，而這種微觀改變傳統的影像學檢查方法較難顯示。DKI是DTI模型的直接擴展[5]，可能提供有關癲癇潛在損害的復雜機制的補充信息。DKI通過測量FA、AK、RK、MD和MK及KFA等參數定量識別大腦灰白質的微結構變化。

圖1 a～f)分別為FA、FAK、MD、AK、RK及MK差異有統計學意義(P<0.05)的白質纖維束位置可視化；不同顏色代表不同白質纖維束。

1.IGE患者相關腦白質DKI異常改變與微觀結構關系

不同峰度參數提供了白質不同微觀結構信息，其中MK是DKI中最常用指標，MK值的大小取決于感興趣區域結構的復雜程度：結構越復雜，水分子的異常分布越明顯，相應的MK越大[6]。AK和RK分別是沿平行于和垂直于主擴散方向的方向測量峰度。定向擴散峰度分析可以提供關于生物系統獨特和互補的信息[7]。Wu等[8]利用體外固定法處理組織發現，如組織收縮、膜通透性降低、軸突堆積密度增加和實質細胞外間隙減少可能導致RK升高，MD用于衡量水分子平均擴散率，當MD 值升高可提示神經纖維髓鞘受損、腦白質纖維完整性下降。腦組織FAK的增加，可能是由于神經元重塑和特殊纖維束丟失、纖維成分的變化或細胞通透性增加[5]。本組IGE患者峰度參數異常與MD所顯示腦白質改變不同，且峰度參數顯示出更多的異常區域，表明擴散峰度可以提供額外顯微結構變化的信息。神經網絡功能依賴于神經信號在時間和空間上集成和傳播，任何髓鞘的破壞或失調都可能對神經網絡的功能產生重大影響[9]，進而可能促進癲癇的發生或異常傳播。

2.IGE患者白質纖維束損傷的臨床意義

IGE發生機制仍不清楚，現代研究顯示癲癇是一種網絡疾病[10]。“癲癇網絡”是指在癲癇的發生發展過程是由多個腦區共同參與、作用的結果，而并非單一腦區的過程[11]。本組研究發現連接不同網絡節點的腦深部白質改變呈現多發、分布分散且不對稱的特點，這也進一步證實“癲癇網絡”涉及多個白質纖維束功能和結構的異常。

本組IGE患者組中左側上輻射冠MD升高，AK值降低。這些參數變化均反映了神經纖維髓鞘受損、腦白質纖維完整性下降、軸突通透性降低，彌散屏障損害。前輻射冠、上輻射冠與內囊前肢、內囊后肢分別組成丘腦前輻射及丘腦上輻射，而這些丘腦輻射是構成丘腦-皮層環路得重要結構[12]。這與Winston等[13]采用DKI 研究發現前、上輻射冠 MK及RK降低結果一致。越來越多的證據表明丘腦皮質環路異常在IGE的發生中起著關鍵作用[14]。本研究中雙側上額枕束MD升高、左下縱束KFA減低、右下縱束AK降低，表明其白質纖維束的完整性、纖維的致密性受到破壞導致白質復雜程度降低。下縱束損傷可能導致物體識別、辨別和記憶障礙[15]。Focke等[16]通過DTI基于纖維束示蹤的空間統計分析(Tract-based spatial statistics，TBSS)發現IGE患者下縱束FA 減少以及MD和RD的增加。上額枕束主要承擔的角色是視覺處理和空間感知[17]。Gao等[18]利用基于體素的DKI研究發現IGE患者異常腦區涉及雙側顳枕區、海馬、額葉等區域。鉤狀束與穹窿屬于邊緣系統白質通路。其中鉤狀束對聲音、物體識別及再認記憶相關[15]。穹窿是連接并傳導從海馬到乳頭體、隔核信號的神經束，其中乳頭體在記憶的形成中非常重要[19]。本組研究IGE組與HC組白質FA值差異無統計學意義，與Widjaja等[20]的研究一致，而Lee等[21]則發現IGE患者白質FA降低，這些不同的發現可能反映不同亞型癲癇發作及不同時期的白質特征。

本組IGE患者白質損傷表現為不同的峰度參數異常，考慮癲癇中的白質損傷不是一個同質的過程，病理過程可能會根據白質束的解剖和功能特性而有所不同，或者大多數損害可能發生在癲癇發生的關鍵步驟，可能與整體癲癇負擔無關[22]。IGE患者存在輕微但廣泛的認知障礙，Loughman等[23]的一項薈萃分析總結，除了視覺空間能力外，在所有認知領域(言語能力、注意力、精神運動速度、短期和長期記憶)上，與健康對照組相比，IGE患者表現得更差。推測可能與癲癇反復發作導致上述白質損傷關系密切。關于白質損傷與認知障礙發生機制部分學者認為是白質直接干擾神經元信號傳導速度和保真度，中斷信號形成的網狀傳遞連接，破壞信號網的完整性，最終導致認知障礙[24]。也有研究認為白質損傷對認知的影響是間接的，白質損傷導致額葉皮質萎縮繼發引起認知功能損害[25]。

本組IGE患者損傷白質纖維束多位于大腦半球左側，目前的研究結果表明，左半球比右半球受到的影響更大。IGE患者現出大腦不對稱和特征偏側化，與Du等[26]研究結果一致，可能與癲癇活動對兩側半球的影響不相有關。此外關于IGE 患者大腦白質纖維束異常研究結果存在不一致，可能受不同的IGE亞型及抗癲癇藥物治療和發作頻率等的影響。

3.相關性分析

本研究發現穹窿AK值與QOLIE-31評分正相關，表明本組IGE患者穹窿神經纖維髓鞘受損、腦白質纖維完整性下降，致癲癇發作易感性增加，癲癇反復發作降低患者生活質量。AK為方向性峰度參數，其變化可能較MK更加敏感，但尚需結合更多的數據證實。

綜上，采用DKI技術可以無創定量發現IGE患者存在多個不對稱腦白質纖維束細微結構的改變，部分腦白質與QOLIE-31評分具有相關性，提示腦白質微觀結構的損傷對IGE患者的生活質量有一定影響。為理解IGE 的發生、發展、病理生理機制及白質刺激療法治療癲癇可能提供新的影像學依據。

本研究的局限性 ：由于樣本量較少，未對 IGE 進行亞組細分類(IGE包括兒童失神癲癇、全面強直陣攣癲癇、青少年肌陣攣癲癇)，可能會對結果有一定影響。今后還有待擴大樣本量對 IGE 亞分類進行深層次研究獲得更穩定的結果和更可靠的結論。另外，患者用藥情況不一，對白質影響尚難以依據藥物治療情況進行亞組分析。