應用擴散張量成像技術對急性缺血性卒中機體功能障礙與錐體束損傷程度的相關性研究

郝清，丁思萱，李冬雪，劉懷軍，王寧

作者單位：1.河北醫科大學第二臨床醫學院，石家莊050000；2.河北醫科大學第二醫院影像科，石家莊050000

磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術是在擴散加權成像（diffusion-weighted imaging，DWI）基礎上在≥6 個方向施加擴散敏感梯度而獲得的圖像，可以利用水分子的擴散各向異性進行成像，是目前唯一無創性反映活體組織水分子擴散各向異性的檢查方法。DTI較常規MRI可以更清晰地顯示腦白質纖維的走行，是一種非侵入性的研究大腦內部結構的重要工具，活體人腦白質纖維成像目前沒有金標準來進行評價［1-3］。DTI 可以用來評估錐體束的完整性和損傷程度，以及與機體運動功能的相關性，還可以評估對缺血性腦卒中的一些治療方法的效果以及患者的運動功能康復情況，是非常有優勢的檢查方法［4-8］。

錐體束是重要的運動傳導束，是運動控制的基礎，也是影響運動功能預后的主要結構［9］。Schmidt等發現在83%的患者中使用DTT 掃描可以在術前顯示良好的神經束，DTT 掃描圖像與手術解剖之間具有良好的術中相關性［10］。有學者使用DTT研究發現，在蛛網膜下腔出血恢復過程中患者皮質脊髓束損傷的恢復過程與腿部無力的恢復過程是一致的［11］。多項對急性腦卒中患者的研究也表明，急性腦出血時錐體束的DTT 表現是預測運動功能預后的有效結構指標。

基于DTI 的追蹤成像已被用于證明卒中后白質通路狀態的功能相關差異［12］。本研究采用DTI 技術行三維腦白質束示蹤，顯示急性缺血性腦卒中發生后病灶區部分白質纖維束變化，采集了病灶位于單側基底節區的急性缺血性腦卒中患者的病例和圖像資料，目的是將同一患者患側與健側神經纖維束的形態學和影像學相關參數兩方面進行深入研究，以排除不同患者之間的個體差異，并探索機體功能障礙與錐體束功能缺損的相關性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

回顧性分析2017 年4 月至2019 年6 月河北醫科大學第二醫院收治的急性缺血性腦卒中患者16 例，其中男性12 例，女性4 例；年齡34～71 (55.688±12.505)歲；均為單側急性缺血性腦卒中，病變區位于基底節區，病灶在左側9例，病灶右側7例。

納入標準：(1)發病處于急性期；(2)單側病灶，病灶位于基底節區，累及白質而無灰質受累；(3)無認知障礙；(4)無MRI檢查禁忌證。

排除標準：(1)生命體征不平穩或者并發重要臟器衰竭；(2)既往有神經精神病史、藥物濫用；(3)既往曾有其他腦部疾病或腦部手術史；(4)惡性腫瘤病史。

所有患者均簽署知情同意書，并經醫學倫理委員會批準。

1.2 圖像采集

1.2.1 成像設備

采用荷蘭Philips 公司生產的Achieva 3.0 T高場強磁共振掃描機，應用頭顱8通道相控陣線圈。

1.2.2 掃描方法

掃描序列包括頭顱常規平掃、擴散加權成像，DTI 掃描。常規頭顱平掃序列包括軸位T1WI、T2WI、FLAIR及矢狀位T2WI。

1.2.3 掃描參數

T1WI(TE 20 ms，TR 2000 ms)，T2WI(TE 80 ms，TR 1600 ms)，FLAIR (TE 140 ms，TR 9000 ms)，DWI (TE 100 ms，TR 2200 ms)，b 值為800 s/mm2，層厚均為6.0 mm，層間距均為1.3 mm，激勵次數均為1；DTI 序列在15 個方向上施加擴散梯度，b 值為0 s/mm2、800 s/mm2，TE 60 ms，TR 3200 ms，層厚為4 mm，層間距為0 mm，激勵次數為2。FOV 224 mm×224 mm×136 mm(RL×AP×FH)，矩陣112×112。

1.3 數據采集

1.3.1 健、患側FA 值和ADC 值、纖維束數量及差值、纖維束圖像

采用Extended MR WorkSpace 2.6.3.1 工作站對DTI 數據進行后處理，重建出表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)圖，各向異性系數(fractional anisotropy，FA)圖，各向同性圖(isotropic image)，容積比各向異性(volume ratio aniso)圖；分別在放射冠，半卵圓中心，內囊后肢選取感興趣區ROI。選擇感興趣區后，軟件顯示相應FA值、ADC 值、纖維束數量以及重建后的纖維束圖像，使用3D slicer 10.4.2軟件進行纖維束重建獲得重建圖像。

ROI 選取原則：手工選取ROI 范圍盡量完整包括病變區，并手工選取對側大腦半球正常腦組織相同形狀、大小的ROI作為對照。

1.3.2 肌力和NIHSS評分

采用肌力分級標準評分表和美國國立衛生研究院卒中量表(NIH Stroke Scale，NIHSS)對患者的肌力和機體功能進行評分。

1.3.3 病灶體積

采用Mimics Medical 19.0 軟件手動測繪病灶體積，由同一人員完成全部數據的測量，每位患者的病灶體積測量重復三次，取平均值作為該患者最終的病灶體積。

1.4 統計學方法

采用SPSS 21.0統計分析軟件對健、患側錐體束數量，健、患側FA 值，健、患側ADC 值、纖維束數量差值、病灶體積、NIHSS 評分數據、肌力評分數據進行正態性檢驗。對健、患側錐體束數量，健、患側FA 值，健、患側ADC 值分別采取配對t 檢驗進行分析。P＜0.05 為差異有統計學意義。對纖維束數量差值與病灶體積、患側FA 值、患側ADC 值、NIHSS 評分、肌力評分采用Pearson 相關分析法分別進行相關性分析。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 患者陽性表現

患者出現的陽性表現包括不完全運動性失語、構音障礙、鼻唇溝變淺、口角下垂、張口偏斜、鼓腮漏氣、示齒口角偏斜、伸舌偏斜、肌力減低、共濟運動失調、步態異常、痛溫覺減退、足跖反射消失、Babinski征陽性、雙劃征陽性等。

2.2 健患側纖維束數量、FA值、ADC值配對t檢驗結果

急性缺血性腦卒中后，在基底節區內囊后肢層面，患側纖維束數量、FA值、ADC值與健側相比都有顯著減低(P＜0.05)(表1)。

2.3 健、患側纖維束數量差值和病灶體積、肌力分級相關性結果

急性缺血性腦卒中后，在基底節區內囊后肢層面，健、患側纖維束數量差值和病灶體積呈顯著正相關關系(P＜0.05)，與肌力分級呈顯著負相關關系(P＜0.05)（表2）。

2.4 健、患側纖維束數量差值，病灶體積和NIHSS 評分，FA值減少程度和ADC減少程度相關性結果

急性缺血性腦卒中后，在基底節區內囊后肢層面，病灶體積與NIHSS 評分呈顯著正相關關系(P＜0.05)，健、側纖維束數量差值和NIHSS 評分無相關性(P＞0.05)，FA 值減少程度和ADC 減少程度無相關性(P＞0.05)（表3）。

2.5 走行分析

DTT 顯示梗死灶纖維束直徑變細，纖維數量減少，部分斷裂，受梗死灶壓迫，變形，移位，本研究還通過3D slicer重建錐體束，移動種子點位置多次觀察，發現部分患者有少量健側纖維束通過胼胝體延伸到患側，有少量纖維束在梗死灶下方偏向患側延伸(圖1)。

表1 健、患側纖維束數量、FA值、ADC值配對t檢驗結果(16例，±s)Tab.1 Number of healthy and affected side fiber bundles,FA value,ADC value paired t test results(n=16,±s)

表1 健、患側纖維束數量、FA值、ADC值配對t檢驗結果(16例，±s)Tab.1 Number of healthy and affected side fiber bundles,FA value,ADC value paired t test results(n=16,±s)

組別健側患側t值P值錐體束數量150.313±63.084 123.500±56.000 3.912 0.001 FA值0.452±0.033 0.429±0.037 3.323 0.005 ADC值(10－3 mm2/s)0.836±0.032 0.784±0.059 4.402 0.001

表2 健、患側纖維束數量差值和病灶體積、肌力分級相關性結果(16例)Tab.2 Correlation results between the number of healthy and affected side fiber bundles,lesion volume,and muscle strength classification(n=16)

表3 健、患側纖維束數量差值，病灶體積和NIHSS評分，FA值減少程度和ADC減少程度相關性結果(16例)Tab.3 Correlation between the difference in the number of fiber bundles in the healthy side and the affected side,the le‐sion volume and NIHSS score,the degree of reduction in FA value and the degree of reduction in ADC(n=16)

3 討論

3.1 臨床研究指標及其意義

DWI 是顯示組織中水分子擴散程度的技術，ADC值是顯示水分子擴散能力的參數，ADC 值高表示水分子擴散能力強，反之表示水分子擴散能力減弱。DTI是在DWI基礎上發展而來的新興成像和后處理技術，此種技術主要是利用組織中的水分子自由熱運動及其各向異性原理來探測組織微觀結構，進而研究人體各項功能；其主要參數為FA值，FA值反映了水分子擴散的各向異性程度，水分子在各個方向擴散強度大小一致稱為各向同性，在各個方向擴散程度大小不一致稱為各向異性；腦神經纖維束由于有髓鞘組織的束縛包繞，水分子在各個方向上的擴散程度差異較大，總體上趨向于神經纖維束走行的方向，因此各向異性程度較高，FA 值較高，這也是神經纖維束成像的基礎。

本研究應用的指標有ADC值、FA值、纖維束數量、病灶體積、臨床肌力評分、NIHSS 評分。在本研究中，以測量的ADC 值減少程度代表腦組織的損傷［13］。ADC 圖是一種通過計算獲得的影像，如急性梗死，病變組織發生細胞毒性水腫，水分子擴散明顯受限，表觀擴散系數減低，因此病變區在DWI圖像中呈高信號，在ADC 圖中呈低信號。ADC 值的正常范圍：自由水的ADC值大約為2.5×10－3mm2/s，正常腦組織的ADC值為(0.7～0.9)×10－3mm2/s；腦組織急性病變的ADC 值多降低，腦組織亞急性或慢性病變的ADC值多升高，ADC異常變化的上下限為(0.4～2.5)×10－3mm2/s。在本研究中，以測量的FA 值減少代表了錐體束的損傷程度。各向異性比率是水分子擴散各向異性占整個擴散張量的比率，水分子擴散的各向異性比率越高其擴散張量效應越強。在腦白質中，由于髓鞘的阻擋，水分子的擴散被限制在和纖維走行一致的方向上，具有較高的各向異性。FA 值與髓鞘的完整性、神經束膜和軸突內結構都有密切的關系。有研究表明FA值改變的相關性可以預示纖維束的損傷與機體功能障礙的相關性［14］。DWI 和DTI 參數存在個體差異，易受細胞膜通透性，組織液黏滯度等多種因素影響，并且由于目前未發現有研究已證實人兩側大腦半球纖維束的數量有差異，故選取健、患側纖維束數量差值在本研究中作為纖維束損傷程度的指標，這可以減少個體差異的影響。NIHSS 評分和臨床醫學肌力分級作為機體損傷程度指標，是通過對臨床癥狀體征評分得出的，NIHSS 評分與皮質脊髓束Wallerian 變性［15-16］、皮質脊髓束損傷程度［17］、病灶體積［18］等因素有相關性。在本研究中急性缺血性腦卒中后患者出現的陽性表現與損傷纖維束的癥狀相符。

3.2 病例中健、患側FA、ADC 值、纖維束數量差異的分析

研究結果表明在急性缺血性腦卒中后，在基底節區內囊后肢層面，患側病灶區FA 值，ADC 值與健側相比都有顯著減低，與以往一些研究神經功能損傷的結果一致［19-23］。原因是缺血性腦卒中急性期時，由于細胞毒性水腫作用導致細胞膜通透性改變，腦細胞攝水增多腫脹，而在細胞膜和細胞器等結構的束縛作用以及細胞外間隙變窄等因素的共同作用下，細胞內水分子擴散明顯受限，ADC 值下降［24］，由于缺血缺氧導致腦白質纖維束髓鞘損傷，纖維束腫脹，纖維束間隙變小，纖維束內的水分子向其他方向的擴散程度增強，所以損傷的纖維束的FA 值下降。但病例中也存在兩例FA 值無顯著變化，這可能是因為測量FA也可能受繼發于急性損傷的組織水腫的混雜影響［25］。有研究指出，FA 值在腦梗死超急性期無明顯變化，而隨著腦梗病情的進展逐漸降低。因此急性期之后的患者，更容易顯示出皮質脊髓束（corticospinal tract，CST）受損的程度。同時患側纖維束數量比健側纖維束數量顯著降低。但是在按照納入排除標準納入數據過程中，本組人員發現一些臨床病例存在患側纖維束數量多于健側纖維束數量的情況，病例均為右利手，損傷部位多數位于左側內囊區，在符合納入排除標準數據中僅有1例為右側內囊區損傷，猜測可能是由于人體大腦解剖結構并非完全對稱，右利手患者的左腦內囊區可能較右腦內囊區大一些，而張劍凱等［26］的研究發現在端腦內囊后肢層面內囊后肢的左側的面積顯著大于右側面積，臨床情況大致符合猜想。

3.3 病灶體積、臨床肌力分級與健患側纖維束數量差值相關性的分析

本研究結果發現病灶體積和健、患側纖維束數量差值呈顯著正相關關系，可以認為在本研究中，病灶體積越大，對錐體束損傷越嚴重。同時發現病灶體積與NIHSS 評分呈顯著正相關關系。這說明了在本研究中，病灶體積越大，患者機體功能損傷越嚴重。原因可能是病灶范圍大，腦組織功能損傷嚴重，同時細胞毒性水腫作用和占位效應加強，不僅使纖維束位移、變形，甚至發生斷裂。而在本研究中健、患側纖維束數量差值與臨床肌力分級呈顯著負相關關系，這說明纖維束損傷越嚴重，對肌力影響越嚴重，這與使用FA 值和其他運動量表的一些研究所得結論一致。

3.4 陰性結果與形態學描述的分析

本研究未獲得健、患側纖維束數量差值與NIHSS評分呈顯著相關性的結果，這可能與納入研究的樣本數量較少等因素有關。首先，為了避免干擾因素，本研究只納入了病灶位于內囊區急性缺血性腦卒中單側發病的患者，導致研究的樣本量較少，影響研究結果的效能。其次，本組病例中有個別病例雖是以首次急性癥狀入院，但卻是慢性腦血管病以急性發作而就診的病人，這些病例作者只選擇了急性病灶區進行了分析，故未排除慢性病灶的影響因素，這一點將在今后的研究中加以權重。另外，錐體束有多種側支通路，包括通過中腦和腦橋內側丘系的異常錐體束(abnormal pyramidal tract，APT)等。應用DTT技術研究異常錐體束發現APT在腦損傷(腦梗死、外傷性腦損傷和腦癱患者)后恢復中有重要意義。最后，缺血性腦卒中急性期中可能存在部分病灶周圍并發水腫存在的現象導致夸大病灶，對結果產生一些影響。但是，急性期DTI數據可以敏感反映腦缺血情況，更可以進一步使用影像組學研究正常細胞、水腫細胞、壞死細胞的關系，驗證DTI 技術的準確性。以往一些研究中采用其他指標證實纖維束損傷程度與機體損傷程度存在一定相關性。王啟章等［27］得出FA值與NIHSS評分差值呈負相關關系的結果，將入院后和入院時NIHSS 評分最大差值表示腦梗死后神經缺損程度。張步環等［28］發現采用梗死灶CST 關系進行分組所得實際值的符合率較NIHSS 評分分組所得實際值的符合率高，劉樹學等［29］的研究發現FA 值降低率與NIHSS 評分呈正相關。這些研究為我們下一步深入研究纖維束損傷程度和NIHSS 評分提供一些思路。

有研究表明健康成年人雙側皮質脊髓束的擴散特征具有對稱性［30］，代償情況可能是由于受壓導致的變形，使纖維束形態，角度發生一定變化，而纖維束重建后具體數量與重建種子量級相關。部分患者在不同位置的腦室腦池有輕度擴張或縮小，中線結構無移位。Jang 等［31］，阮錦榮等［32］也發現梗死灶使纖維束受到一定程度的壓迫、變形、斷裂、甚至中斷。

3.5 展望

目前通過DTT 技術和3D slicer 等軟件可以實現纖維束重建，測量纖維束的長度和體積，觀察代償走行位置，而目前我們無法做到測量纖維束精確的形態學變化與臨床癥狀之間的關系的研究。有學者使用DTI 及DTT 技術對腦卒中后半球間結構及功能連接改變進行研究，探索半球間結構與功能的內在關系［33］。未來將依據DTI 與DTT 技術以及其他三維重建軟件進行形態學參數如角度等的研究，例如探索不同患者機體障礙程度相同時纖維束形態學改變是否有規律性，同時結合影像組學測量對組織學研究，探索能夠直接反映組織結構、病理變化，以及功能變化的指標，這有助于臨床預防疾病、對疾病分級和評估預后效果。

3.6 結論

急性缺血性腦卒中后機體功能障礙與錐體束損傷程度有相關性，病灶體積越大，錐體束損傷程度越嚴重，腦組織損傷程度越重，機體功能障礙程度越明顯。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。