應用磁共振動脈自旋標記技術對不同運動亞型帕金森病患者腦灌注改變的研究

陳紅日，楊文蕊，李青潤，徐耀，張洪英*

帕金森病(Parkinson's disease，PD)作為一種常見于中老年人的中樞神經系統變性疾病，其特征性病理改變為黑質致密部多巴胺能神經元變性丟失，進而引起以運動癥狀為主的臨床改變。臨床上依據PD 患者運動癥狀的不同，將其分為震顫為主型(tremor dominant，TD)和姿勢不穩/步態障礙型(postural instability gait difficulty，PIGD)兩種運動亞型。不同運動亞型的PD患者疾病進展和預后存在差異，且PIGD 亞型患者往往伴有更嚴重的認知功能下降[1]，因此對不同運動亞型的PD患者進行神經影像學研究，以求發現兩者的差異，進而探索該技術在臨床應用中的價值。以往研究證實多巴胺能神經元附著于腦內微血管，腦血流(cerebral blood flow，CBF)隨神經元的變性及死亡導致的代謝減少而改變[2]，而此基礎病理改變是否體現在PD不同運動亞型患者的腦血流灌注上，截至目前還未見研究證實。動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)技術以動脈血中的水質子作為內源性的示蹤劑，對腦血流量進行定量分析，可以反映腦組織的代謝活動，相較于單光子發射計算機斷層掃描(single-photon emission computed tomography，SPECT)和正電子發射計算機斷層掃描(positron emission tomography，PET)具有無創、快速、可重復性高、無電離輻射等優點。此外，多項研究證明ASL 測量的腦血流量改變與PET的腦葡萄糖代謝模式具有一致性[3]。本研究采用3D偽連續脈沖快速自旋回波讀取動脈自旋標記方法對帕金森病患者腦血流進行研究，為了解PD 不同運動亞型神經病理機制及臨床診療提供新思路。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

本研究為前瞻性研究，收集蘇北人民醫院2018年7月至2020年1月間神經內科門診收治的PD患者53 例，病例均符合2015 年國際運動障礙協會(Movement Disorder Society，MDS) PD 的診斷標準[4]，均為右利手。所有患者在停用所有抗PD藥物至少12 h 進行臨床評估及MRI 掃描。采用帕金森病統一評分量表(Unified Parkinson's disease Rating Scale，UPDRS)的第Ⅲ部分評定PD 患者運動癥狀，用Hoehn-Yahr 評分分級(H&Y 分級)評價帕金森病患者運動癥狀嚴重程度，通過簡易智能精神狀態檢查量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)來評價患者的認知功能。PD 運動分型標準按照平均震顫評分與平均姿勢不穩/步態障礙評分相比，比值≥1.5，則為震顫型，比值≤1.0 則為姿勢不穩/步態障礙型[5]。最終納入TD 組26 例，PIGD 組27 例，同時征集年齡、性別、受教育程度相匹配35 名正常對照者(NC 組)進入分析。

排除標準：(1)震顫或步態障礙癥狀嚴重而無法完成檢查的患者；(2)有多系統萎縮、進行性核上性麻痹等帕金森疊加綜合征的患者；(3)對左旋多巴治療無反應；(4)影響步態的其他疾病如運動系統疾病或腦卒中等；(5)基于2015 年MDS 的PD 診斷標準排除嚴重認知障礙的患者；(6)所有受試者均行頸部彩超檢查排除頸部大血管狹窄、閉塞。本研究經我院倫理委員會批準(批準文號：J-2014066)，所有受試者或其家屬簽署知情同意書。

1.2 MR圖像采集方法

采用美國GE 公司Discovery MR750 3.0 T(Milwaukee，USA)磁共振掃描儀，使用8 通道相控陣頭顱線圈，首先進行常規頭顱MRI 檢查，以排除重要腦區的器質性病變。然后行3D-T1WI以及三維偽連續動脈自旋標記(three-dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling，3D-pCASL)掃描。掃描參數見表1。

表1 磁共振掃描參數Tab.1 MRIscanning parameters

1.3 數據處理

提取MRI 主機自動生成的全腦CBF 圖，采用SPM12 軟件對CBF 圖進行預處理。(1)將每個受試者的ASL 功能像與各自的3D-T1WI 結構像對齊；(2)將對齊后的3D-T1WI 圖像分割為灰質、白質和腦脊液，然后將分割后的結構像配準到MNI 空間標準模板；(3)將第二步配準過程中產生的配準參數寫入CBF 功能像，圖像體素大小重采樣為2×2×2。(4)為消除掃描參數及個體標記效率不同的影響，提高數據的正態性，進行歸一化處理得到Z 變換后的rCBF 圖像。(5)以8 mm 半高全寬的高斯核進行平滑，最終到預處理后的rCBF圖像。

1.4 統計學分析

使用SPSS 20.0 軟件對受試者的一般資料及臨床量表資料運用進行統計分析，三組間性別采用卡方(χ2)檢驗，計數資料以頻數表示，對于定量資料先行正態檢驗(Kolmogorov-Smirnov 檢驗)和方差齊性檢驗，正態分布的資料以表示，三組間比較采用單因素方差分析，兩組間采用兩樣本t檢驗；非正態分布資料以M (P25，P75)表示，三組間比較采用非參數統計中的Kruskal-Wallis 檢驗，兩組間采用兩樣本非參數t檢驗，P＜0.05表示差異有統計學意義。

在基于Matlab 平臺SPM12 (http：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)工具包對三組CBF 統計圖進行單因素協方差分析(ANCOVA)，為進一步獲取組間差異采用雙樣本t檢驗，使用ANCOVA 結果中差異有統計學意義的腦區作為腦灰質蒙板(mask)，將年齡、性別、受教育年限以及灰質體積作為協變量加入分析。多重比較校正采用FWE校正，初始高度閾值CDT=0.001，并且cluster 水平上P＜0.05 認為差異具有統計學意義。最后將結果在標準CH2模板上顯示，參照自動解剖標記(anatomical automatic labeling，AAL)分區模板記錄差異有統計學意義的腦區，及其對應的MNI坐標、聚叢大小及t值。

在Matlab R2013b 中應用DPABI 軟件(V4.1)分別提取組間比較差異具有統計學意義的腦區的rCBF值，采用SPSS 25.0軟件的Pearson相關方法對TD組與NC組差異腦區的rCBF值與TD評分的相關性，PIGD組與NC組差異腦區的rCBF值與PIGD評分的相關性，以及PD 不同亞型差異腦區的rCBF 值與MMSE 評分的相關性，P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 臨床資料分析

三組間年齡、性別和教育年限差異均無統計學意義(P＞0.05)；TD 組與PIGD 組TD 評分、PIGD 評分差異具有統計學意義(P＜0.001)；TD 組與PIGD 組UPDRSⅢ評分及H&Y 分級差異均無統計學意義(P＞0.05)；TD 組與PIGD 組的MMSE 評分差異無統計學意義。詳見表2。

表2 三組間臨床信息比較Tab.2 Results of clinical information comparison among the three groups

2.2 組間統計分析

TD 組、PIGD 組及NC 組組間協方差分析(ANCOVA)結果顯示在雙側額葉、顳葉、丘腦、小腦等區域差異具有統計學意義(FWE校正，P＜0.05)。

組間雙樣本t檢驗顯示，TD組與HC組相比左側海馬旁回、左側梭狀回、左側中央前回、左側中央后回、雙側丘腦、雙側小腦灌注增高；右側顳極顳中回、右側顳極顳上回、右側額中回灌注減低(FWE校正，P＜0.05)(表3，圖1)；PIGD組與HC組相比，左側海馬旁回、左側海馬、左側殼核、左側梭狀回、左側中央前回、左側中央旁小葉、雙側丘腦灌注增高；左側顳下回、左側緣上回、右側額中回灌注減低(FWE 校正，P＜0.05) (表4，圖1)；TD組與PIGD組相比，右側小腦灌注增高，左側中央前回灌注減低(FWE校正，P＜0.05)(表5，圖1)。

表3 TD組與NC組相比具有顯著灌注差異的腦區Tab.3 Brain regions with significant perfusion differences in the TD group compared with the NC group

表4 PIGD組與NC組相比具有顯著灌注差異的腦區Tab.4 Brain regions with significant perfusion differences in the PIGD group compared with the NC group

表5 TD組與PIGD組相比具有顯著灌注差異的腦區Tab.5 Brain regions with significant perfusion differences between the TD group and the PIGD group

圖1 自上而下分別為：TD 組與HC 組、PIGD 組與HC 組以及TD 組與PIGD 組相比腦血流灌注存在差異的腦區(暖色代表灌注增高，冷色代表灌注減低)Fig.1 From top to bottom,the brain regions with cerebral blood flow perfusion difference between TD group and HC group,PIGD group and HC group,and TD group and PIGD group respectively (warm color represents increased perfusion,cool color represents decreased perfusion).

2.3 PD不同亞型rCBF值和臨床數據的相關性分析

經Pearson 相關分析顯示，TD 組左側中央前回、右側小腦8區rCBF值與TD評分呈正相關(r值分別為0.397、0.541，P值分別為0.04、0.00，見圖2)；PIGD組左側顳極顳中回rCBF 值與MMSE 評分(r=0.411，P=0.04)呈正相關(見圖2)，兩組rCBF值與其他臨床數據如病程、H&Y分級、UPDRS-Ⅲ評分均無相關性。

圖2 A：TD組左側中央前回rCBF值與TD評分呈正相關(r=0.397，P=0.04)；B：TD組右側小腦8區rCBF值與TD評分呈正相關(r=0.541，P=0.00)；C：PIGD組左側顳極顳中回rCBF值與MMSE評分呈正相關(r=0.411，P=0.04)Fig.2 A:The rCBF value of left precentral gyrus in the TD group was positively correlated with the TD score (r=0.397, P=0.04);B:The rCBF value of right cerebellum 8 region in the TD group was positively correlated with the TD score (r=0.541, P=0.00);C:The rCBF value of left middle temporal gyrus in PIGD group was positively correlated with MMSE score(r=0.411,P=0.04).

3 討論

ASL 技術以血液中自由擴散的水分子作為內源性對比劑，無需注射對比劑，具有快速、安全、可重復性高等優點[6]，臨床應用日益廣泛。腦血流灌注和葡萄糖代謝均與神經元活動密切相關，是反映腦功能改變的重要指標，多項研究證實ASL成像的腦血流灌注與PET顯像的葡萄糖代謝水平具有較好的一致性[2-3]。本研究采用3D-pCASL 技術對TD 組、PIGD 組以及正常對照組的灌注模式進行評估，結果顯示TD 組在小腦丘腦皮層環路相關腦區存在灌注異常，PIGD 組則在紋狀體-丘腦-皮層環路相關腦區產生灌注改變，并且TD組與PIGD組間的組間差異主要存在于小腦。本研究為了解帕金森病兩種運動亞型不同臨床表現的潛在神經病理學機制提供了有效的影像依據。

3.1 TD組腦血流灌注的改變

TD組雙側小腦半球、丘腦、左側中央前回和中央后回與NC組相比灌注增高，且右側小腦的CBF 值與TD 評分呈正相關。內側蒼白球通過運動皮層驅動的小腦-丘腦-皮層環路(cerebello thalamo cortical，CTC)，是被廣泛接受的解釋PD 患者震顫癥狀的模型，其中小腦為此環路中的重要結構，接受來自丘腦的信號傳入，并向丘腦和皮質投射，是協調和控制人體運動的重要中樞[7-8]。Mure等[9]通過葡萄糖代謝顯像發現了一個特征性的 PD 震顫相關模式(PD-related tremor pattern，PDTP)，即在小腦齒狀核、初級運動皮層、尾狀核、殼核代謝增高，且PDTP表達值與震顫評分呈顯著相關。近年來有學者發現丘腦亦參與震顫癥狀的產生，臨床上選取丘腦底核(subthalamic nucleus，STN)進行深部腦刺激(deep brain stimulation，DBS)，可顯著改善PD患者腦血流量，緩解震顫癥狀[10-11]。本研究利用ASL 技術發現TD型PD 患者腦灌注的異常主要涉及CTC 環路，證明小腦、丘腦在震顫的產生和調節中發揮重要作用。

3.2 PIGD組腦血流灌注的改變

PIGD 組在左側殼核、左側中央前回及左側中央旁小葉、雙側丘腦相較于NC 組灌注增高，左側顳下回、左側緣上回、右側額中回灌注減低，與既往研究發現PD 患者特異性腦葡萄糖代謝模式(PD-related pattern，PDRP)基本符合，這種代謝模式的產生與基底節-丘腦-皮層通路的(striatal thalamo cortical，STC)的異常有關。PD 的基本病理機制是黑質致密部的多巴胺能神經元變性丟失，造成基底節中直接通路的抑制性活動減弱、間接通路的興奮性活動增強，進而導致對運動皮質功能的反饋抑制作用過強而產生運動相關的癥狀[12-13]。多項研究證明PDRP 表達值與患者運動功能評分具有相關性，同時，與震顫評分無關[14-15]。在選用不同技術進行相關研究時亦得到類似的結果，王敏等[16]基于血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent，BOLD)信號的局部一致性研究發現PIGD組在左側殼核、左側蒼白球、雙側丘腦及皮層腦區出現ReHo 值的改變，Shen 等[17]選取雙側殼核為種子點進行PD不同運動亞型患者功能連接分析表明，PIGD 組殼核和感覺運動皮層連通性與PIGD 評分呈負相關。因此，本研究與以往研究結果一致，提示STC環路的損傷與PIGD亞型密切相關。

3.3 TD組與PIGD組腦灌注之間的差異以及與臨床資料的相關性

與PIGD組相比，TD組灌注增高的區域主要存在于右側小腦，并且TD 組右側小腦8 區的rCBF 值與TD 組震顫得分呈正相關，驗證了小腦的異常與震顫癥狀相關聯，這種異常高灌注可能是對小腦功能受損的補償機制[18]。TD 組左側中央前回較PIGD 組灌注減低，并且其灌注值與TD 評分呈正相關，中央前回是軀體運動區的關鍵腦區，主要參與復雜運動的產生與協調，提示中央前回亦可能與震顫癥狀的產生有關。

相較于正常對照組，PIGD 組左側顳下回、緣上回、右側額中回灌注減低，TD組右側顳極顳上回、右側顳極顳中回、右側額中回灌注減低，上述腦區涉及默認網絡(default mode network，DMN)的關鍵區域，DMN與情景記憶、自我意識、持續的認知及執行能力有密切的關系[19]，也提示PD患者在出現臨床認知功能下降之前即存在認知相關網絡的損傷，并且PIGD 組左側顳極顳中回的灌注值與MMSE 評分呈正相關，驗證了PIGD型帕金森病患者相較于TD型存在更快的認知功能下降。同時PIGD 組在左側梭狀回、左側舌回，TD組在左側梭狀回出現高灌注，梭狀回與視覺信息的處理有關，如面孔識別及近似物體的識別[20]，舌回也參與視覺加工及視覺記憶。推測這種高灌注可能是帕金森病患者視覺集合能力下降的一種代償反應。

本研究尚存在一些不足之處。(1)ASL 對腦血流灌注的檢測結果易受到PLD 時間、層厚、矩陣等多參數影響，且不同年齡階段的人群需要的PLD時間也有所不同，本研究選擇的2025 ms PLD 時間符合2014 年專家共識對于大多數成年人pCASL 單個PLD時間的要求，以最大限度地降低其影響[21]。(2)雖然患者均在檢查前12 h 停用抗帕金森病相關藥物，但是難以完全消除藥物對腦微血管的影響，對研究結果可能會造成一定干擾。(3)若能結合PET 或SPECT等其他影像學方法進行多模態對比研究，將會進一步提高ASL技術的可靠性。

綜上，本研究通過ASL 技術對不同運動亞型PD患者進行腦灌注改變的研究，證明PIGD 型患者主要涉及STC通路改變，而TD型患者的CTC通路更多地參與震顫癥狀的發生。二者不同的皮層及皮層下灌注模式，可以解釋不同PD 運動亞型在解剖和臨床的癥狀上的差異，為帕金森病神經病理機制的研究、臨床診斷和治療提供影像學支持。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。