基于彌散張量成像技術的腦白質病變患者認知功能障礙與腦結構網絡變化的關系

高文藍，周連姬，鐘玲玲，黃水蘭，何奇檀，覃浩強

梧州市人民醫院神經內科，廣西 梧州543000

腦白質病變（WML）是一種中樞神經系統病變類型，起病隱匿，病情進展慢，患者可由早期的輕度認知功能障礙，逐漸進展為癡呆。WML患者認知功能障礙的診斷以認知功能評價量表為主，診斷準確度受患者配合度、文化水平等因素的影響，不適用于長期監測［1］。采用影像學手段觀察腦組織結構、病理改變及神經損傷情況，可為認知功能評估提供客觀依據。彌散張量成像（DTI）是基于磁共振彌散加權成像的一種成像技術，可利用不同組織水分子彌散運動特性差異反映神經走向、受損情況等微觀結構改變［2］。既往關于腦影像學與認知功能的相關研究主要集中于腦灰質，而隨著研究深入，學者逐漸關注到了腦白質在認知功能中的作用。但國內少有腦白質影像學改變與WML患者認知功能障礙的相關研究，僅有的報道所采用的方法敏感度、客觀性均不佳，且無定量評價［3-5］。本研究采用DTI技術對WML患者腦結構網絡變化進行定量分析，并分析其與認知功能障礙的關系，詳述如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

納入2017年1月～2022年5月我院120例WML患者作為研究對象。納入標準：符合WML神經影像學診斷標準［6］，Fazekas評分［7］≥1分；漢密爾頓焦慮量表評分［8］≤7分，漢密爾頓抑郁量表［9］<8分；無磁共振檢查禁忌證；近期未服用可能影響認知功能的藥物；對本研究知情同意且自愿配合。排除標準：腦炎、一氧化碳中毒、多發性硬化等其他原因所致WML；有腦卒中、精神病、癲癇、顱腦外傷、藥物或酒精依賴史；合并嚴重的視力、聽力、言語障礙；合并嚴重的內科疾病。脫落標準：未能配合完成量表評估、磁共振檢查，或磁共振成像質量不佳。本研究已通過醫院倫理委員會批準。

1.2 資料收集

收集患者一般資料（年齡、性別、文化程度）及臨床基本信息（病史、飲酒史、吸煙史）。

1.3 神經心理學評估

在獨立、安靜的房間內，由受過專業培訓的醫師進行評估。采用蒙特利爾認知評估（MoCA）量表［10］進行認知功能篩查，量表包含8個認知領域的11個項目，總分為30分，分值越低則認知功能越差，總分<26分提示認知功能損傷。對有認知功能損傷的患者采用臨床癡呆評定量表［11］進一步評估，參照美國國立神經病與腦卒中研究所/瑞士神經科學研究國際協會制定的相關標準［12］將患者分為認知功能正常組（NC組，n=48）、輕度認知功能障礙（MCI組，n=44）組、癡呆組（D組，n=28）。3組患者性別、年齡、文化水平及高血壓、糖尿病、高脂血癥發生率差異均無統計學意義（P>0.05），NC組、MCI組、D組MoCA評分依次降低（P<0.05，表1）。

1.4 磁共振檢查

1.4.1 圖像采集 采用Achieva 3.0T TX磁共振儀（荷蘭Philips），8通道頭部線圈進行圖像采集。分別采用三維加速場回波T1WI、三維快速自旋回波（3D-TSE）液體衰減反轉恢復（FLAIR）序列進行全腦掃描。掃描參數：T1WI：TR 9.8 ms，TE 4.6ms，翻轉角8°，視野256 mm×256 mm，層厚1 mm，層數192，體素大小1 mm×1 mm×1 mm，掃描時間6 min 43 s。3D FLAIR：TR 4800 ms，TE 283 ms，TI 1650 ms，視野250 mm×259 mm，層厚0.5 mm，層數321層，體素大小1.11 mm×1.11 mm×0.56 mm，掃描時間5 min 2 s。

采用自旋回波平面回波成像序列進行DTI掃描定位框覆蓋全腦，中線與胼胝體體部走行平行，選取胼胝體顯示最清晰的層面進行圖像采集。掃描參數：TR 9156 ms，TE 55ms，視野224 mm×224 mm，層厚2.5 mm，層數55層，采集體素2 mm×2 mm×2.5 mm，重建體素1 mm×1 mm×2.5 mm，彌散敏感度梯度方向32個，掃描時間6 min 27 s。

1.4.2 圖像后處理 由2位經驗豐富的影像學醫師進行盲法獨立閱片。采用W2MHS工具包對FLAIR白質高信號體積進行計算；采用PANDA及GRETNA軟件包進行DTI預處理、矩陣構建及圖論分析，獲取全局效率、局部效率、最短路徑長度、聚類系數等參數。小世界屬性參數值：標準化聚類系數（γ）、近似標準特征路徑長度（λ）以及小世界屬性值（σ，σ=γ/λ），σ值越大，提示該網絡小世界屬性越強。

1.5 觀察指標

比較3組患者腦室旁、深部及總白質高信號體積，腦結構網絡參數（全局效率、局部效率、最短路徑、集聚系數、γ、λ、σ），并采用Pearson相關性分析腦結構網絡參數與MoCA評分的相關性。

1.6 統計學分析

采用SPSS22.0軟件進行統計學處理。符合正態分布的計量資料以均數±標準差表示，3組間比較采用單因素方差分析；計數資料采用n(%)表示，組間比較采用χ2檢驗，等級資料的比較采用秩和檢驗；相關性分析采用Pearson檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 三組患者白質高信號體積比較

NC組、MCI組、D組腦室旁、深部白質高信號體積及總體積均依次增加，組間差異均有統計學意義（P<0.05，表2）。

表2 三組患者白質高信號體積比較Tab.2 Comparison of white matter high-signal volume among the three groups(mm3,Mean±SD)

2.2 三組患者腦結構網絡參數比較

D組全局效率、局部效率、集聚系數、γ、λ、σ均小于NC組、MCI組，最短路徑大于NC組、MCI組，差異均有統計學意義（P<0.05，表3）。

表3 三組患者腦結構網絡參數比較Tab.3 Comparison of brain structure network parameters among the three groups(Mean±SD)

2.3 腦結構網絡參數與MoCA評分相關性分析

Pearson相關性分析顯示，MoCA評分與最短路徑呈負相關關系，與全局效率、局部效率、集聚系數、γ、λ、σ呈正相關關系（P<0.05，表4）。

表4 白質高信號體積、腦結構網絡參數與MoCA 評分相關性分析Tab.4 Correlation analysis of white matter high-signal volume,brain structural network parameters and MoCA score

3 討論

研究發現，WML與認知功能損傷之間存在一定關系，且腦白質病變達到一定程度時才會出現認知及功能損害，但這一閾值目前尚未明確［13］。隨著醫學影像技術的發展，WML的評估方法越來越多，主要可總結為定性、定量兩種，定性評估雖簡單易操作，但主觀性較強，準確度低［14］。

既往研究以CT和磁共振成像腦白質高信號反映WML患者認知功能損傷程度，與量表評價相比，計算機自動測量的方法信度和效度相對更高［15］。本研究采用FLAIR序列自動測量腦室旁和深度白質高信號體積，操作簡單，臨床實用性強。本研究結果顯示，NC組、MCI組、D組腦室旁、深部白質高信號體積及總體積均依次增加，組間差異有統計學意義。既往研究亦認為WML合并有認知障礙者的深部白質高信號體積以及額葉靠近腦室白質高信號的較高，表明白質高信號體積與WML患者認知功能障礙存在一定關聯［16-17］。但計算機自動測取白質高信號體積未排除腦干、腦脊液高信號，導致測量值較實際值偏大，故該方法存在一定局限性。DTI通過對成像體素水平的多個方向施加彌散梯度，獲得多個方向的彌散值，經模型轉換為彌散橢球，可追蹤神經纖維走行。人腦是一個復雜的網絡，各腦區結構、功能上互相連接，而人腦連接組在腦網絡中各腦區內通外達中發揮重要作用，這為神經退行性病變的研究提供了新的方向［18］。隨著神經影像學發展，定量網絡拓撲分析被應用于腦結構網絡研究中，也即是對全腦網絡屬性進行分析，包括全局效率、最短路徑、集聚系數等整體屬性，局部效率、節點聚類系數等節點屬性［19］。

全局效率是指各節點距離的調和平均數的倒數，反映腦網路信息傳輸及綜合處理能力，本研究顯示，D組全局效率與局部效率小于NC組、MCI組，提示WML癡呆患者腦結構網絡信息傳輸能力下降。最短路徑是指腦結構網絡中任意兩節點距離最短的路徑，反映網絡信息傳遞及處理速度，集聚系數是腦網絡各節點聚類系數的均值，可反映節點間聯系的疏密程度［20］。本研究顯示，D 組患者集聚系數更小，最短路徑更長。既往研究［21］結果亦與上述研究結論一致，表明基于DTI呈現的WML患者的腦結構網絡似乎具有小世界特征。Pearson分析顯示，MoCA評分與最短路徑呈負相關關系，與全局效率、局部效率、集聚系數呈正相關關系，證實上述參數與WML患者認知功能存在相關性。小世界網絡是兼具隨機網絡與規則網絡拓撲優勢的網絡模式，具有更高的局部與全局信息傳遞效率［22］。以隨機網絡為基準，在最短路徑相似的情況下，若集聚系數更高，則提示就有更明顯的小世界屬性，γ、λ、σ為小世界屬性的評價指標。小世界屬性體現了腦網絡神經連接的高效性。本研究結果顯示，D組γ、λ、σ均小于NC組、MCI組，與既往研究［23］一致，提示癡呆患者腦網絡小世界屬性降低。進一步的Pearson相關性分析顯示，MoCA評分與γ、λ、σ呈正相關關系，提示WML患者認知功能障礙與基于DTI構建的腦結構網絡小世界屬性密切相關。

綜上所述，本研究基于DTI構建WML患者腦結構網絡，發現患者腦結構網絡效率下降及小世界屬性降低可能與認知功能障礙有關。本研究的局限性在于未對局部網絡進行分析，未來還需結合腦功能網絡研究，以更全面、準確地了解認知功能障礙與腦網絡之間的關系。