擴散峰度與擴散張量成像對比評估兔周圍神經急性擠壓傷

萬齊，余煜棟，包盈瑩，夏曉穎，王鵬，彭玉，劉潔瓊，謝曉斌，李新春

擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是傳統擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術上的延伸，可用于反映組織內非高斯分布水分子擴散情況[1]。目前DKI已逐步應用于中樞神經系統且在部分中樞神經系統疾病中被證明能較DTI提供額外信息[2-4]；但目前使用DKI評估周圍神經創傷的相關報道很少。與DTI相比，DKI能否在評估周圍神經急性創傷時亦提供額外信息目前尚不明確。本研究使用DKI及DTI對兔坐骨神經擠壓傷模型進行監測，以期明確DKI在周圍神經損傷評估的可行性及對比兩者在評估周圍神經病變的價值。

材料與方法

1.模型建立

選用清潔級新西蘭大白兔27只(廣東省動物實驗中心提供)，雌雄不限，體重1.8～2.3 kg。速眠新肌注誘導麻醉后，經耳緣靜脈注射3%戊巴比妥鈉麻醉，常規消毒備皮。實驗兔取左側臥位，于右側大腿上段沿股骨背側長軸縱向切口約2 cm，鈍性分離股二頭肌與股直肌及內收長肌間隙，暴露坐骨神經，速眠新肌間隙內滴注局部麻醉，合上血管鉗輕輕提起坐骨神經遠端并用自制扁嘴鉗夾持坐骨神經30 s，見神經纖細變薄但未離斷，然后以絲線分層縫合切口。左后肢行假手術，以相同方式暴露坐骨神經并滴注速眠新后直接縫合創口。

2.MRI掃描及測量

采用超導型3.0T MR機(Achieva，Philips)及兔專用線圈，分別于術前、1天、3天、1、2、4、6、8周行MRI掃描。掃描序列：T2WI/SPAIR：TR 3000 ms，TE 66 ms，NSA 2，層厚2 mm，采集矩陣172×137，重建矩陣528×528，FOV 120×120。DKI序列：TR 1129 ms，TE 111 ms。層厚/層間距：2 mm/0 mm，b值(0，750，1500)s/mm2，擴散編碼方向medium(15方向)，FOV 120 mm×120 mm，采集矩陣80×79，體素1.4×1.4 mm。DTI序列：TR 1092 ms，TE 106 ms。層厚/層間距：2 mm/0 mm，b值(0，1000)s/mm2，采集矩陣80×79，體素1.4 mm×1.4 mm，擴散編碼方向medium，FOV 120 mm×120 mm。

DKI及DTI圖像后處理采用IMAge/enGINE Beta V2.0.3(Vusion Tech,Hefei,China.)由2名有經驗的影像科醫師協商一致后在損傷側神經手動勾畫感興趣區(ROI)行數據測量(圖1)，然后將ROI 復制到假手術側神經進行測量。MRI數據分析采用在各時間點均有完整數據的11只兔進行分析。

圖1 DTI及DKI定量參數測量ROI放置示意圖。a)T2WI-SPAIR；b)DTI圖(b=1000 s/mm2；c)FADKI偽彩圖；d)ADC圖；e)MK圖。測量ROI的放置與神經走行保持一致(箭)，面積約15mm2，避開周圍脂肪、肌肉等組織。

3.病理檢查

于各時間點隨機選取2只兔子，使用過量麻醉將兔處死并解剖兔的下肢。兔取側臥位雙大腿屈曲，取股骨下橫向切口為入口，沿肌間隙鈍性分離，暴露、游離坐骨神經，取損傷段神經一段立即置于4%戊二醛磷酸緩沖液中預固定，l%四氧化鋨后固定，系列乙醇脫水，Epon812 環氧樹脂包埋，LKB-Ⅲ型超薄切片機切半薄切片定位，再切超薄切片，片厚50 nm，經醋酸鈾和檸檬酸鉛雙重染色后用Hitachi H-600電子顯微鏡觀察。

4.統計學分析

結 果

1.坐骨神經損傷后常規MRI表現

兔坐骨神經擠壓傷后1天，T2WI/SPAIR序列顯示兔子坐骨神經信號增高，神經所在肌間隙增寬，神經及周圍軟組織水腫；3天～1周損傷段神經腫脹加重，信號進一步增高，邊界模糊，神經及周圍軟組織水腫持續存在；至損傷后2周，神經腫脹增粗及信號增高較前稍改善。損傷后4～8周，損傷段神經形態、信號逐漸恢復，水腫基本消退。假手術側神經在損傷后1天，T2WI信號稍增高，神經所在間隙稍增寬，周圍軟組織少許水腫，損傷后3天～2周神經信號逐步恢復，周圍軟組織少許水腫基本消退，其后各時間點對照側神經形態信號未見明確異常(圖2)。

圖2 兔坐骨神經擠壓傷前后T2WI/SPAIR信號改變系列圖像。a)損傷前坐骨神經在T2WI/SPAIR上表現為均勻線狀高信號影；b)損傷后1天，損傷段(箭)坐骨神經信號稍模糊，遠端神經腫脹，周圍軟組織水腫；假手術側神經亦稍模糊，周圍見少許高信號影；c)3天，損傷側神經走行稍扭曲呈條狀高信號影，粗細不均，周圍軟組織高信號增多；假手術側神經信號升高，邊界較清; d)1～2周，損傷側神經高信號影走行變直，神經中段見明顯膨隆，軟組織高信號影逐漸吸收；假手術側坐骨神經信號較前減低，形態均勻，趨于正常; e)2周，損傷側神經局部仍腫脹，對照側神經信號基本恢復正常；f)4～8周，損傷側神經水腫逐步減輕，信號逐漸減低；g)6周，損傷側神經水腫進一步減輕；h)8周，神經信號進一步降低。

2.坐骨神經損傷后DTI及DKI各參數值變化

DTI參數：損傷后第1天，損傷側FADTI下降至最低點；3天～8周各時間點FA值逐步回升，至8周上升至最高點，各時間點FADTI值與假手術側差異有統計學意義(P<0.001)。雙側ADC值于損傷后第1天明顯升高，差異無統計學意義。損傷側第3天-第6周ADC值逐漸降低，第8周時稍升高；假手術側第3天-第8周ADC值逐漸降低。第8周兩側ADC值差異有統計學意義(P=0.038)，余時間點差異均無統計學意義。

DKI參數：術后第1天損傷側及假手術側神經MK值明顯下降，此后開始緩慢、曲折上升趨勢，損傷側與假手術側MK值在術后第2周(P=0.022)、第4周(P=0.018)、第6周(P=0.016)及第8周(P=0.016)差異有統計學意義。雙側FADKI值于損傷后第1天均明顯下降，損傷側 FADKI值下降幅度明顯大于假手術側，差異有統計學意義(P=0.001)；3天-8周雙側FADKI值呈逐漸上升趨勢，以假手術側上升較損傷側快，各時間點差異均有統計學差異(P=0.001、0.004、0.000、0.000、0.001、0.000)。雙側RK值在第1天明顯下降，其后各時間點RK值波動較大，第6周雙側神經RK值差異有統計學意義(P=0.018)。雙側AK值損傷后各時間點差異均無統計學意義(圖3、表1～3)。

表1 DKI參數(FADKI與MK)在損傷側與假手術側不同時間點的比較

圖3 坐骨神經損傷側及對照側DTI及DKI各時間點參數值變化；a)FADTI值；b)ADC值；c)MK值；d)FADKI值；e)RK值；f)AK值。*P<0.05，**P<0.005。

3.電鏡改變

正常神經髓鞘結構完整，髓鞘呈層板狀，軸索排列整齊，走行平直、分布均勻。損傷后第1天、第3天有髓神經呈脫髓鞘狀的洋蔥皮樣改變，軸索輕度萎縮，見大量神經微絲，線粒體腫脹、空化。施萬細胞胞質見溶酶體，同時見大量自噬體形成，核染色質凝集、邊集。損傷后第1周、第2周，有髓神經結構較前改善，髓鞘輕度皺縮，軸索見大量神經微絲，部分軸索輕度萎縮，見少量蜂窩狀結構形成，周圍見少量新生薄髓神經。損傷后第4周，軸索開始增生,雪旺細胞開始增生，并見神經外膜與神經束膜之間炎癥細胞浸潤減少。損傷后第6周，髓鞘逐漸增厚, 髓鞘菲薄且不均勻，再生軸索較前明顯并成熟，雪旺細胞廣泛增生，板層結構稍紊亂，周圍大量新生薄髓纖維。損傷后第8周，軸索密度、直徑較前增加，髓鞘明顯較前增厚，板層結構逐漸恢復接近正常，厚薄欠均勻(圖4)。

表2 DKI參數(RK與AK)在損傷側與假手術側不同時間點的比較

表3 DTI參數(FADTI與ADC)在損傷側與假手術側不同時間點比較

圖4 兔坐骨神經擠壓傷后各時間點電鏡檢查(×10000)。a)正常兔坐骨神經髓鞘結構完整，髓鞘呈層板狀，軸索排列整齊，走行平直、分布均勻；b)損傷后第1天，有髓神經呈脫髓鞘狀的洋蔥皮樣改變，軸索輕度萎縮，見大量神經微絲，線粒體腫脹、空化；c)損傷后第3天，神經髓鞘明顯破壞，見大量炎性細胞聚集；d)損傷后第1周，神經髓鞘輕度皺縮，軸索見大量神經微絲，部分軸索輕度萎縮；e)損傷后第2周，見少量蜂窩狀結構形成，周圍見少量新生薄髓神經；f)損傷后第4周，見部分新生軸索,雪旺細胞增生,神經外膜與神經束膜之間炎癥細胞浸潤減少；g)損傷后第6周，髓鞘較前增厚,不均勻，再生軸索較前明顯并成熟，大量新生薄髓纖維；h)損傷后第8周，軸索較前增加,髓鞘明顯較前增厚，板層結構逐漸恢復接近正常。

討 論

擴散峰度成像是一種可量化組織內水分子非高斯運動的一種新的擴散成像技術，是對傳統DTI技術的擴展與補充，其對組織某些特性如異質性更加敏感[1,5]。研究表明 DKI在評估輕度腦外傷疾病[6]、急性腦梗塞[7]、阿爾茲海默病[3]等中樞系統疾病時能比DTI顯示更多的組織信息及微觀改變；然而目前兩者在周圍神經系統對比研究較少。

本研究中損傷側和假手術側神經的ADC值在各時間點幾乎均無統計學意義，說明手術與假手術側造成的水腫與消退的變化在各時間點幾乎一致。本研究結果顯示無論DTI還是DKI，其所得FA值具有類似的時間變化曲線。FA值均在術后第1天明顯降低至最低值，這可能是由于神經內部結構的破壞，神經局部炎性反應及水腫造成周圍神經水分子擴散各向異性降低[8]。損傷后第3天-第8周，損傷段FA值持續升高，這一方面可能與損傷后的大量微絲、微管及施萬細胞的增殖以及炎性細胞對崩解殘余物質的清除、水腫消退有關；另一方面，2周后神經內逐漸出現軸突的增生、新生薄髓神經增多并成熟，原受損的有髓神經的修復，這使得各向異性增加，FA值升高所致[9]。這與其他DTI評估周圍神經損傷的文獻中在神經退變時FA值減低而神經再生時FA值升高一致[10-12]。

MK值為平均擴散峰度，其大小與感興趣區域內組織結構的復雜程度有關。組織結構越復雜，平均峰度的數值越大，反之亦然。本研究術后第一天，損傷側及假手術側MK值明顯下降，這與兩側神經都出現了明顯水腫有關；另外神經損傷后發生脫髓鞘改變也會降低MK值[13]。此后MK值開始緩慢、曲折上升的趨勢，僅在2周后各時間點與假手術側差異具有統計學意義，這可能與微絲、微管及施萬細胞的增殖及有髓神經的修復導致受損神經結構的復雜性增加有關。我們發現與FA值相比MK在評估周圍神經方面未能優于FA；這與之前的一項周圍神經的研究[14]相似，但與中樞神經系統的研究[15]不同。這可能是由于MK對于復雜纖維排列區域(如大腦)的異常更為敏感，而周圍神經(如坐骨神經)的結構相對簡單直接，故MK在周圍神經的應用可能并無優勢。

RK、AK值分別反應縱向和軸向方向上的平均擴散峰度，兩者分別量化了平行和垂直方向上的非高斯擴散受限程度。在損傷后第1天，損傷側與假手術側RK值較損傷前顯著下降，這說明在垂直方向上的水分子非高斯擴散受限程度明顯降低；但同一時間點兩組間RK值并無明顯差異，這可能是由于損傷側與假手術側神經及其周圍間隙都出現了明顯水腫所致。此后，損傷側與假手術側RK值逐漸恢復，其中假手術側恢復明顯更快，但兩組RK值差異仍無統計學差異，這可能是由于RK值具有較大的標準差所致，這也反映出RK值具有較大的變異度。這一方面可能是由于高b值彌散圖像的噪音對參數計算產生影響[16]；另一方面可能由于兔坐骨神經較為細小，測量容易受到部分容積效應的影響。

本研究顯示AK值在各時間點出現輕度波動并與病理改變無明顯相關性，這與中樞神經損傷的相關研究[3]中AK值出現下降的情況并不一致。這可能與周圍神經中樞神經的解剖結構有一定差異有關。由于周圍神經存在包括神經內膜、神經束膜和神經外膜在內的多層結構包裹，限制了垂直于軸突長軸方向的水分子的運動，從而使得軸向擴散性增高，這種特點可能會導致軸向方向上非高斯擴散受限程度較低，以至于周圍神經損傷后改變不足以引起明顯的AK值變化。

本研究存在一些局限性。首先，本研究所使用的后處理軟件不支持提供DTI的本征向量值參數；其次，兔坐骨神經較為細小，故定量參數的測量可能受到容積效應的影響；最后，本研究未進行觀察者一致性的評價，需在今后進一步研究中完善。

總之，DKI可用于周圍神經擠壓傷的評估；FA、MK值可作為評價周圍神經擠壓傷后神經損傷和修復的指標；但擴散張量參數FA優于包括MK在內的其他擴散峰度參數。雖然DKI也能提供DTI參數，但與DTI相比，DKI具有更長的成像時間且未能提供額外的價值，故在評估周圍神經急性損傷方面，DTI可能是臨床應用的更好選擇。