輕型創傷性腦損傷擴散峰度成像研究

劉偉，呂國士，潘征，任忠剛，張志杰

陸軍第八十一集團軍醫院醫學影像科，河北 張家口 075000；*通信作者 呂國士 lament-378@163.com

全球每年約有680萬例發生創傷性腦損傷，其中75%～85%為輕型創傷性腦損傷（mild traumatic brain injury，mTBI）。15%～30%的mTBI患者創傷3個月后才出現認知、感覺等臨床癥狀[1-3]。如癥狀持續超過3個月即被歸為腦震蕩后綜合征，嚴重影響患者的生活和工作。因此，對mTBI早發現、早診斷、及時干預治療，對于提高患者的生活質量具有重要意義。但mTBI無法通過常規CT和MRI反映神經纖維的擴散性和走行方向，通常表現“正常”。擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）可間接量化創傷性腦損傷水腫和腦白質纖維束的完整性，但無法有效、準確地評價相對各向同性的組織。擴散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是在DTI基礎上延伸的一種新興磁共振擴散成像技術，可敏感地反映腦灰白質微結構的復雜程度，尤其是在灰質等組織異質性較高的腦區。目前國內外相關mTBI的DKI研究較少，且大多數局限于白質纖維和丘腦的早期改變，對于灰、白質的動態改變研究鮮有報道[4]。本研究擬應用1.5T MR DKI分析mTBI損傷急性期和慢性期的腦組織微觀結構改變，為臨床早期診斷及預后提供影像學依據。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性分析2018年6月—2020年4月陸軍第八十一集團軍醫院收治的mTBI患者37例，均接受常規CT、MRI、DKI檢查，其中3例復查。37例患者中，男27例、女10例，年齡8～56歲，平均（33.8±14.6）歲；mTBI原因：交通事故25例，墜落傷2例，打擊傷6例，摔傷3例，爆炸傷1例。根據患者外傷后MRI檢查時間將mTBI組分為急性期（傷后<1周）19例和慢性期（傷后5～12周）18例。mTBI符合美國康復醫學會、神經外科學會及腦損傷基金會對輕型創傷性腦損傷的診斷標準[5]：①有明確外傷史，臨床癥狀包括頭暈、頭痛、注意力集中障礙、煩躁焦慮、神經過敏、失眠等自覺癥狀；②傷后24 h內伴有短暫意識喪失或意識改變（<30 min）；③傷后24 h格拉斯哥昏迷量表（GCS）評分≥13分；④常規顱腦CT及MRI檢查未發現腦實質內異常損傷征象；⑤有或不伴有顱骨骨折。排除標準：①具有外科手術指征，需立即手術者；②有顱腦外傷既往史者；③有顱內占位或腫瘤病史者；④因各種原因無法配合檢查者。

同時收集20例正常體檢及研究招募人員納入對照組，并接受常規MR、DKI檢查，其性別、年齡與輕型創傷性腦損傷患者相匹配，其中男16例、女4例，年齡9～59歲，平均（40.7±15.9）歲。對照組納入對象均排除精神神經疾病、腦外傷、手術史以及家族史，且常規MRI無明確陽性發現。本研究獲得醫院倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法 常規頭顱CT平掃采用GE LightSpeed VCT型64排螺旋CT機進行掃描。以樞椎下緣為基準，層厚5 mm。MRI掃描采用GE SignaHDxt 1.5T超導型MR掃描儀，8通道標準頭線圈。頭顱常規MRI檢查包括T1WI、T2WI、FLAIR、DWI。掃描參數：T1WI FLAIR：TR 1 740 ms，TE 20 ms，矩陣320×224，層厚5 mm，層間距1 mm，視野（FOV）320 mm×320 mm；T2W（FSE-XL）：TR 4 420 ms，TE 103 ms，矩陣320×256，層厚5 mm，層間距1 mm，FOV 320 mm×320 mm；FLAIR：TR 8 002 ms，TE 120 ms，TI 2 000 ms，矩陣256×224，層厚5 mm，層間距1 mm，FOV 320 mm×320 mm；DWI：TR 4 650 ms，TE 84 ms，矩陣128×130，層厚5 mm，層間距0 mm，FOV 320 mm ×320 mm。

DKI采用雙自旋回波序列進行掃描，b值分別為0、1000、2000 s/mm2，擴散敏感梯度場施加的方向為30個，TR 8 000 ms，TE 112 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩陣128×128，層厚5 mm，層間距0，采集時間10 min。

1.3 圖像處理 DKI數據均在GE AW4.5工作站上進行分析。將感興趣區（ROI）分別放置在胼胝體膝部、壓部、內囊前后肢、丘腦、額顳頂葉皮層。由2名影像診斷專業主治醫師共同手工勾畫ROI，面積約24 mm2。在mTBI患者受傷側連續2個最佳層面上依次進行測量，每個部位測量3～6次，取平均值。對照組選擇在最佳層面上進行雙側測量后取平均值。分別測量平均擴散峰度（mean kurtosis，MK）、軸向峰度（axial kurtosis，AK）、徑向峰度（radial kurtosis，RK）。

1.4 統計學方法 應用SPSS 20.0進行分析。計量資料以±s表示，采用單因素方差分析比較各測量區外傷后不同時期與對照組之間的MK值、AK值、RK值，兩兩比較采用Bonferroni法。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 常規CT、MRI、DKI及DTT圖像表現 常規CT與MRI掃描均未見明顯異常（圖1A、B）。將DKI數據傳輸到GE AW4.5工作站，應用Functool軟件進行后處理，分別得到MK、AK、RK偽彩圖。圖1C為基于FA值的DTT偽彩圖，其色階顯示范圍為0～0.6。

圖1 男，26歲，輕型創傷性腦損傷。常規CT（A）、MRI（B）示顱腦未見顯著改變；DTT示右側皮質脊髓束較左側顏色淺淡（箭，C）

2.2 DKI數據分析 與對照組對比，mTBI組胼胝體膝部及體部、內囊后肢、丘腦、額葉、顳葉、頂葉早期MK降低，差異有統計學意義（P<0.05）；慢性期MK升高，但胼胝體膝部及體部、丘腦、額葉仍明顯低于對照組，差異有統計學意義（P<0.05）。與對照組對比，mTBI組胼胝體膝部及體部、內囊、丘腦、額葉、顳葉、頂葉在早期RK降低，差異均有統計學意義（P<0.05）；在慢性期RK升高，但胼胝體膝部及體部、丘腦、頂葉仍低于對照組，差異有統計學意義（P<0.05）。與對照組對比，mTBI組胼胝體膝部及體部、內囊后肢、丘腦、額葉、顳葉、頂葉在早期AK升高，其中胼胝體膝部、丘腦、額葉、顳葉差異有統計學意義（P<0.05）；在慢性期AK降低，差異無統計學意義（P>0.05），見表1。

表1 mTBI組與對照組在急性期及慢性期不同區域各參數值比較（±s）

表1 mTBI組與對照組在急性期及慢性期不同區域各參數值比較（±s）

注：MK：平均擴散峰度；AK：軸向擴散峰度；RK：徑向擴散峰度；與對照組比較，aP<0.05

部位對照組急性期組慢性期組MK 1.341±0.191 1.121±0.169a 1.201±0.214a胼胝體膝部 AK 0.750±0.008 0.767±0.036a 0.748±0.056 RK 2.321±0.478 1.854±0.384a 1.942±0.367a MK 1.368±0.015 1.187±0.163a 1.217±0.163a胼胝體體部AK 0.721±0.018 0.730±0.053 0.725±0.065 1.991±0.316a RK 2.318±0.188 1.914±0.602a MK 1.093±0.046 1.030±0.112a 1.067±0.123內囊前肢 AK 0.961±0.011 0.980±0.054 0.958±0.041 RK 1.594±0.113 1.400±0.354a 1.508±0.297 MK 1.249±0.111 1.159±0.734a 1.227±0.108內囊后肢AK 0.776±0.035 0.799±0.053 0.767±0.058 2.237±0.343 RK 2.286±0.343 1.908±0.438a MK 1.056±0.082 0.891±0.161a 0.953±0.079a丘腦 AK 0.938±0.072 0.988±0.068a 0.946±0.109 RK 1.138±0.187 0.840±0.217a 0.972±0.187a MK 1.136±0.035 1.007±0.079a 1.073±0.064a額葉皮層AK 1.016±0.049 1.067±0.080a 1.016±0.083 1.191±0.078 RK 1.230±0.025 1.132±0.139a MK 1.062±0.081 0.945±0.138a 1.028±0.067顳葉皮層 AK 0.944±0.056 1.015±0.101a 0.946±0.096 RK 1.253±0.099 1.040±0.222a 1.168±0.203 MK 1.174±0.074 1.088±0.078a 1.134±0.152頂葉皮層AK 0.943±0.066 0.966±0.078 0.947±0.072 RK 1.420±0.174 1.228±0.193a 1.242±0.112a

3 討論

3.1 創傷性腦損傷的病理變化及DKI的檢查優勢 創傷性腦損傷包括原發性腦損傷和繼發性腦損傷。外力直接作用于中樞神經系統（原發性腦損傷）后立即或數天后出現血管通透性增加、離子平衡改變、氧化應激、興奮性毒素損傷、炎癥等。神經元細胞對此變化極為敏感，進而導致細胞死亡和損傷（繼發性損傷）[6-8]。

DKI可量化組織內水分子非高斯擴散的特性，較傳統擴散加權成像提供更加全面、真實、準確的組織微觀結構信息，其特有的參數是MK、AK、RK[9]。MK指所有方向梯度上的擴散峰度平均值，與組織內結構的復雜程度呈正相關；RK指所有垂直于主本征矢量方向的擴散峰度平均值，主要反映垂直于軸突方向的峰度信息；AK指峰度在擴散主本征矢量中最大的擴散本征值，主要反映沿著軸突方向的峰度信息。另外DKI纖維束成像顯示纖維束交叉、分叉等更復雜的結構，獲取更加真實、豐富的纖維束走向和連接信息，使mTBI患者腦白質纖維束的稀疏、顏色變淺等輕微改變可視化。

3.2 mTBI的DKI參數值變化特點

3.2.1 不同時期MK、AK、RK值的變化特點 mTBI在急性期腦灰白質MK值、RK值均明顯降低，而部分灰白質（胼胝體膝部、丘腦、額葉皮層、顳葉皮層）AK值升高，說明MK值和RK值對腦損傷評估較AK值更具有臨床意義。慢性期MK、RK值升高，AK值降低，其中胼胝體膝部及體部、丘腦的MK、RK值、額葉皮層MK值、頂葉皮層RK值仍明顯低于對照組；而AK值無顯著差異，表明輕型腦外傷后的腦組織超微結構改變所致局灶性神經功能缺損具有一定的可逆性。N?ss-Schmidt等[10]研究發現：mTBI患者在早期丘腦MK減低，3個月后MK升高，甚至可恢復正常，與本研究結果相同。

3.2.2 腦灰白質MK值的變化特點 MK值是DKI最具有代表意義的參數，其優勢在于不依賴于組織的空間方位，在腦灰白質結構中均可使用[11]。mTBI患者在急性期MK值均明顯降低，其原因可能是神經細胞結構丟失，神經突正常結構破壞及髓鞘脫失，出現血管源性水腫，非高斯分布水分子擴散受限程度減輕。慢性期血管源性水腫逐漸減輕，星形膠質細胞增生。在兩者共同作用下，非高斯分布水分子擴散受限程度升高，導致MK值升高，但胼胝體、丘腦仍明顯低于對照組。

丘腦作為感覺傳導的皮質下中樞和中繼站，與大腦皮層之間廣泛地相互連接，密切影響著運動系統、邊緣系統、上行網狀系統和大腦皮質的活動，丘腦損傷與頭痛、睡眠障礙和疲勞等神經功能障礙密切相關[12]。Rune等[13]研究發現：急性期mTBI患者MK值與對照組無顯著差異。非腦震蕩后綜合征患者3個月后丘腦及內囊MK略升高，而腦震蕩后綜合征患者卻明顯減低。與本研究有所不同，可能與前者mTBI組中包括微出血患者及受傷機制以墜落傷為主有關。胼胝體為連接雙側半球間的連合纖維，具有諸多重要功能。胼胝體髓鞘形成率在兒童時期最高，并可一直持續到30歲。無髓鞘軸突易受到創傷性軸突損傷，其損傷程度及預后可能與年齡、解剖特點密切相關[14]。本研究顯示：慢性期胼胝體MK值仍低于對照組，可能與mTBI組年齡偏低有關。

3.2.3 腦灰白質AK、RK值的變化特點 mTBI患者在急性期發現腦灰白質的RK值均明顯降低，而部分灰白質的胼胝體膝部、丘腦、額葉皮層、顳葉皮層AK值升高，其原因可能是創傷后腦組織出現血管源性水腫，神經軸索受損，軸漿運輸障礙，水分子軸向擴散能力受到限制較輕，垂直方向發生擴散運動明顯增多。慢性期血管源性水腫逐漸減輕，導致RK值升高、AK值降低；但胼胝體、丘腦RK值仍明顯低于對照組，而AK值無顯著差異。目前多數研究局限于MK值[10,13,15]；但對RK值、AK值研究較少。本研究顯示RK值對腦損傷評估結果與MK值相似，明顯高于AK值。

本研究的局限性：樣本量少，且研究內容并非同一患者不同臨床時期的動態評估；未將DKI參數值與患者受傷機制進行相關性分析，將在后續研究中進一步探討。

總之，mTBI在急性期發現腦灰白質的MK值、RK值均明顯降低，而部分灰白質（胼胝體膝部、丘腦、額葉皮層、顳葉皮層）AK值升高，慢性期胼胝體、丘腦MK值、RK值仍明顯低于對照組。因此，DKI可以提供豐富的腦組織微觀結構信息，且比DTI參數敏感性更高、更具有特異性[16]。