彌散張量成像在缺血性卒中患者運動功能預后評估中的研究進展

趙永瑞，劉展會

缺血性卒中具有高發病率、高致殘率等特點[1]，卒中后運動功能障礙將嚴重影響患者的生活質量[2]。精準預測患者的運動功能預后有助于科學地制訂個體化治療、康復方案。為了更好地早期預測缺血性卒中患者的預后，越來越多的可能預測因素正在被逐漸探索[3]。目前常用的臨床量表如NIHSS、Fugl-Meyer運動功能評定（Fugl-Meyer motor assessment，FMA）等，對輕、中度偏癱患者預后只有中等預測價值[4]，對重度偏癱患者的預測價值有限[5]。彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）通過測量腦組織中水分子的彌散運動差異，可以顯示出卒中后受損的白質纖維束及沃勒變性[6]，是目前唯一可無創追蹤腦白質纖維束的技術。目前，DTI已廣泛用于卒中、癲癇、創傷性腦損傷等多種疾病的研究[7]。本文就DTI對缺血性卒中患者運動功能預后價值方面的研究進展進行綜述。

1 彌散張量成像概述

DTI是Basser等[8]在傳統MRI技術基礎上發展的新的成像方式。彌散運動是指分子在各個方向上所做的等概率運動。對于分布均勻的介質，水分子可在其各個方向上做等距離運動，稱為各向同性運動[9]。腦組織中因細胞膜、鞘膜以及細胞內部結構的存在，水分子在各個方向上的運動距離不等，稱為各向異性運動[9]。對于神經纖維而言，因髓鞘的存在，水分子在沿著纖維束的方向上運動更加容易；與之相反，在垂直纖維束方向上則不容易進行彌散運動。DTI正是利用水分子在人體內呈各向異性運動的特點，通過在6個以上的非線性方向上施加梯度磁場，定量檢測出每個體素內水分子向各個方向的運動情況。由于人體組織內水分子的運動主要是各向異性擴散，所以只要測定出單位體積內的各向異性數據，即可分析出人體組織內部微觀結構的變化[10]。

目前廣泛使用的DTI參數包括各向異性分數（fractional anisotropy，FA）、平均擴散率（mean diffusivity，MD）、徑向擴散率（radial diffusivity，RD）和軸向擴散率（axial diffusivity，AD）。為了便于理解彌散張量，可將其視為橢球體。彌散張量中的3個相互垂直的本征量可視為橢球體中相互垂直的軸，即1個長軸和2個分別代表深度和寬度的短軸。AD代表沿著橢球體長軸平均擴散率，RD代表沿著橢球體中垂直于長軸的2個短軸方向上的平均擴散率。FA是最常使用的DTI參數，它可以定量分析各向異性，進而評估結構受損程度。FA值的取值范圍為0～1，FA值趨近于1，可視為橢球體被無限拉長，表明水分子所做的彌散運動在垂直纖維束的方向上越受限制，從而反映出神經纖維束的結構越完整，信號傳導能力越好；FA值趨近于0，可視橢球體為球體，表明水分子所做的彌散運動越不受限制，反映出神經纖維束受損越嚴重，信號傳導能力越差。

2 DTI評估卒中后皮質脊髓束受損情況及預測患者運動功能預后

皮質脊髓束（corticospinal tract，CST）是人體運動的主要傳出神經纖維束，人體的運動功能依賴于CST的完整性[11-12]，CST損傷則限制了運動功能的恢復。傳統的MRI序列難以檢測到卒中后CST的受損程度，但DTI能夠清楚地顯示出CST的微觀結構改變。目前，DTI主要通過以下3方面反映卒中后CST的受損情況：①卒中病灶遠隔部位FA值；②卒中病灶穿過的纖維束數量；③計算CST-病灶負荷。

2.1 卒中病灶遠隔部位FA值 一些研究證實，以CST的走形為基礎，通過測量卒中病灶遠隔區域（如放射冠、內囊后肢、大腦腳等）的FA值可以反映卒中后皮質脊髓束的損傷程度和運動功能障礙[13-14]。有研究發現，卒中病灶以及病灶同側的大腦腳、放射冠、內囊后肢、初級皮質運動區的FA值較對側降低[15]。張麗華等[16]對36例卒中（其中包括25例缺血性卒中）患者進行DTI成像，發現大腦腳、腦橋、內囊后肢層面CST的FA值均與康復治療8周的FMA評分及金子翼上肢功能評分呈正相關，且內囊后肢的FA值與金子翼上肢功能評分相關性最強（r=0.67）。劉建華等[17]的研究也得出相似的結論。但在缺血性卒中急性期，有研究顯示CST的FA值降低僅對3個月的運動功能有較小的預測價值，這可能與沃勒變性需要一定的時間有關[18]。Lee等[19]對70例缺血性卒中亞急性期患者進行的研究發現，卒中發病2周時CST的FA值與患者3個月的上肢功能顯著相關（R2=0.320，P＜0.001）。Jin等[20]的薈萃分析結果也顯示CST的FA值可以作為缺血性卒中亞急性期患者運動功能恢復的預測指標。

有學者認為，除CST外，還存在其他替代運動通路與患者運動功能相關。Soulard等[21]對29例缺血性卒中亞急性期患者進行了2年的隨訪，發現卒中1個月時患側CST、患側皮質-網狀脊髓束以及對側小腦上腳處的FA值與發病2年的步態評分顯著相關。還有研究顯示，胼胝體的FA值也可以預測缺血性卒中患者的運動功能預后[22]。Takenobu等[23]對10例缺血性卒中患者進行了縱向研究，分別收集患者發病2周、1個月、3個月的DTI參數及運動功能評分，結果顯示3個月時患側紅核及背側腦橋的FA值顯著升高，大腦腳、放射冠及胼胝體體部等部位的FA值顯著降低，相關性分析顯示，背側腦橋、紅核、胼胝體體部、扣帶回處的FA值與患者運動功能恢復呈正相關。作者認為包括紅核脊髓束在內的下行運動纖維束和半球之間胼胝體連接的白質微結構改變可能在卒中后的運動損傷中發揮關鍵作用。

總而言之，CST的FA值可以作為缺血性卒中亞急性期患者的長期運動功能預測指標。目前有研究顯示一些替代運動通路在小腦上角、胼胝體、紅核等部位的FA值也可以預測卒中患者的步態恢復，但相關研究較少，仍需后續進一步深入探索。

2.2 卒中病灶穿過的纖維束數量 對卒中患者進行DTI檢查并將所得參數進行后期處理，呈現出神經纖維束的走形即彌散張量纖維束示蹤成像（diffusion tensor tractography，DTT）。有研究發現，通過測量CST的纖維束數量同樣可以反映皮質脊髓束的受損程度，并可以預測卒中患者發病90 d至1年的運動功能預后[24-25]。有研究顯示，在缺血性卒中的急性期，患者健側、患側的CST纖維束數量差值與肢體肌力顯著相關（r=-0.554，P=0.026）[26]。Bigourdan等[25]通過對117例缺血性卒中患者的研究發現，發病24～72 h測量的初始CST纖維束比（initial fiber number ratio，iFNr）是評估CST完整性的良好替代標志物。同時iFNr可以獨立預測卒中患者發病1年的運動功能，特別是與重癥患者運動功能恢復呈很強的相關性（R2=0.56，P＜0.0001），而且iFNr比僅使用FMA評分的預測能力有顯著提高。對于缺血性卒中慢性期的患者，薛倩等[27]同樣發現患側CST的纖維束數量較健側減少，并且發現患側CST纖維束數量與FMA評分呈正相關（r=0.651，P＜0.001），與mRS呈負相關（r=-0.645，P＜0.001）。Jang等[28]的回顧性研究也得出了相同的結論。還有學者認為，iFNr可以評估缺血性卒中患者在急性期、亞急性期及慢性期等各個階段的運動功能預后，其中對慢性期的預測更為顯著[24]。上述研究表明，CST的纖維束數量可以預測不同時期缺血性卒中患者的運動功能預后，對重癥患者也有一定的預測價值，同時相較于臨床評分，其預測能力也有一定優勢。不過，運動功能的預后與CST的具體纖維束數量之間的關系，目前仍沒有明確的共識，還需后續進一步研究。

2.3 計算皮質脊髓束-病灶負荷 在DTT圖像上可以宏觀的顯示出CST與梗死灶的空間位置關系，可分為相鄰、部分穿過、完全穿過，進而反映CST的不同受損程度。CST與梗死灶之間的位置關系同樣可以預測卒中患者的運動功能預后。研究顯示，卒中后CST與梗死灶的空間位置關系可以預測患者的運動功能預后，且相較入院時NIHSS對運動功能的評估更加準確[29]。不過，依據CST與梗死灶的空間位置關系僅能粗略地評估CST的受損程度。高鑫潔等[30]在此基礎上以健康人群CST作為模板，使卒中病灶與CST模板重疊，將病灶與健康人群CST模板重疊體素與健康人群CST模板體素百分比記為“CST-病灶負荷”，以此來量化CST的受損程度。該研究發現卒中慢性期患者的CST損傷值與腕（r=-0.660，P=0.007）、手（r=-0.813，P＜0.001）和腕+手（r=-0.795，P＜0.001）的FMA評分均呈負相關。對于缺血性卒中急性期的患者，Feng等[31]認為CST-病灶負荷同樣可以預測發病3個月后的運動結局，對嚴重偏癱的患者也具有一定的預測優勢。CST-病灶負荷量量化了CST的受損程度，并且對卒中急性期和慢性期的運動功能都有較好的預測作用，這也為評估卒中患者的運動功能預后提供了新的研究方向。

3 DTI評估卒中后腦白質結構的完整性及預測患者運動功能預后

腦白質高信號（white matter hyperintensity，WMH）被認為是腦白質終末性病變或結構完整性喪失[32]。在急性缺血性卒中患者中，腦白質結構的損傷也會增加患者的長期預后不良[33-34]。有研究顯示WMH負擔的增加可以預測急性缺血性卒中后長期的功能不良預后[33-35]。WMH僅代表一小部分總腦白質的影像學上的損傷，正常腦白質（normalappearing white matter，NAWM）微觀結構完整性特征能否提供急性缺血性卒中的預后信息是目前的研究熱點。

有研究者通過DTI評價NAWM的微觀結構完整性，并用于預測卒中患者運動功能預后。Ingo等[36]發現急性缺血性卒中組的NAWN的FA值較對照組明顯降低，且與患者的運動功能存在顯著正相關，認為NAWM的微觀結構完整性能較好地反映卒中患者運動功能損傷的嚴重程度。有研究也支持NAWM的DTI參數可以評估卒中患者的早期運動能預后[37]。Sagnier等[38]對急性缺血性卒中發病72 h內的DTI檢測數據及卒中1年后的mRS隨訪結果進行了分析，發現NAWM的FA值是卒中發病1年mRS的預測因子（β=-0.24，P=0.04），同時附加路徑分析顯示NAWN的FA值對mRS有直接影響（β=-0.241，P=0.001），而介導WMH的間接影響較小。Etherton等[39]同樣發現急性缺血性卒中病灶對側NAWM的FA值降低與90 d時的mRS獨立相關。上述研究表明，早期測量NAWM的DTI參數可以評估缺血性卒中患者的運動功能預后，可用其監測疾病的早期進展。目前，卒中后NAWM微觀結構完整性改變的機制仍處于研究中，有學者提出“梗死后神經機能聯系不能導致梗死附近及其遠隔區域白質結構完整性損害”的假說，但仍需進一步研究驗證。的影響；③感興趣區繪制存在誤差；④對交叉纖維束及有分支的纖維束顯示較差；⑤無法完全確定存活組織的功能。針對上述DTI的局限性，有學者提出了相應的解決方法，如通過機器學習及深度學習以縮短掃描時間，降低圖像偽影[40]；使用基于纖維束示蹤空間統計分析（tract-based spatial statistics，TBSS）及健康人群的CST模型以減少感興趣區繪制的誤差[41]；使用擴散光譜成像可以更清楚地顯示交叉纖維及小纖維。不過這些解決方案仍需后續進一步的驗證。

綜上所述，用DTI無論是評估CST的受損程度還是NAWM的微觀結構完整性，都可以預測缺血性卒中患者的運動動能預后。這將有助于醫護人員為患者確定康復時間及未來康復目標，同時也有助于醫護人員為患者制訂個體化的康復治療方案。DTI作為評估卒中患者運動功能預后的指標仍存在一定的局限性，有研究顯示將DTI與經顱磁刺激誘發電位相結合可以更好地對卒中患者的運動功能進行評估[24]，但仍需多中心、大樣本、高質量的研究進行驗證。

4 總結與展望

DTI雖然可以顯示出纖維束的走行及形態，仍存在一些局限性，主要表現為：①掃描時間長，圖像存在噪聲及偽影；②部分容積效應