彌散張量成像對急性缺血性腦卒中患者運動功能預后預測的研究進展

王 譽 張曉雷

山西醫科大學第五臨床醫學院，山西 太原 030000

急性缺血性腦卒中（acute ischemic stroke，AIS）是威脅人類生命健康的常見腦血管疾病，起病急、發展迅速，呈現出“三高”的特點。AIS是成年人死亡和長期殘疾的主要原因，造成嚴重的社會經濟影響。人類預期壽命不斷增加，AIS發病率有高度年齡依賴性，故預計AIS存活人數將大幅增加［1］。在這種情況下，及時、準確、有效地識別AIS患者運動功能恢復能力至關重要。因此，尋找能夠評估臨床療效、準確預測運動功能恢復結局的生物標志物的研究越來越多，目前以神經生物標志物效度最佳［2-4］。皮質脊髓束（corticospinal tract，CST）是人腦中負責運動功能的主要神經束，CST損傷是AIS患者肢體運動功能障礙的主要原因［5］。彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是目前研究活體腦白質（white matter，WM）纖維形態結構的唯一無創性方法，根據水分子彌散的各向異性特點進行WM纖維束追蹤并對其形態和結構完整性進行評估，是研究AIS后運動損傷的主要評估工具，研究表明DTI生物標志物與運動障礙之間有顯著相關性［2，6］。目前在腦血管病、腦腫瘤、帕金森病［7］、孤獨癥譜系障礙［8］、多發性硬化［9］等方面的研究中取得了一定進展。本文就DTI 的基本原理、CST 完整性與運動功能的關系以及DTI 對AIS 患者運動功能預后預測等方面作簡單綜述。

1 DTI簡述

1.1 原理DTI是1994年Basser等［10］基于彌散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）發展起來的一種新型成像方式，根據腦內水分子在磁場中進行彌散運動時存在的方向和速度差異進行成像。水分子在均勻介質中各個方向的位移相等，稱為各向同性；由于人體組織細胞內部結構和自身特點的影響，水分子在各方向的運動距離不盡相同，稱為彌散的各向異性。在WM 中，由于軸突排列的有序性及髓鞘的約束性，水分子在各個方向的彌散不同，通常更傾向于沿神經束走行方向進行彌散，很少垂直于其方向彌散。如果從磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）上獲得兩個具有不同b值的圖像，則可計算出彌散系數（diffusion coefficient，DC），表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）可反映D值，但只能代表磁場施加方向上的彌散狀況，不能詳細、正確地評價分子彌散的各向異性，故引入彌散張量的概念—建立彌散信號模型，分解為特征值（λ）和特征向量（ε），用來表征體素內的水位移信號。每個特征向量表示一個主導擴散軸，其擴散的大小由相應的特征值決定。張量的計算通常基于一個3×3對稱矩陣，至少需要一個b0（非彌散加權）和6 個彌散加權采集的非共線方向，才能用DTI最低限度進行描述。一般來說，非共線方向越多越好。如彌散是各向同性的，則特征值具有近似相同的大小（λ1≈λ2≈λ3），可以用球體來表示；相比之下，如果彌散有優先方向，則第一個特征值大于其他兩個特征值（λ1＞λ2、λ3），可以用橢球來表示。可根據水分子彌散的各向異性特點進行WM纖維束追蹤并評估其形態和結構完整性［11-14］。

1.2 常用參數各向異性分數（fractional anisotropy，FA）、平均彌散率（mean diffusivity，MD）、徑向擴散率（radial diffusivity，RD）和軸向擴散率（axial diffusivity，AD）。FA用于描述各向異性的程度，與髓鞘完整性、纖維致密性和平行性呈正相關，反映了WM 的完整性，取值在0（各向同性）到1（最大各向異性）之間。最大值被認為在神經束中心，灰質和腦脊液中觀察到接近0的低FA值。MD為三個特征值的均數，反映某一區域水分子彌散水平的整體情況，只與彌散速度有關，與彌散方向無關。最大值被認為在心室。RD表示垂直于第一個特征向量的平均彌散率，由軸突的髓鞘形成所調節；AD表示沿主特征向量的彌散率。研究認為AD 主要與軸突變性有關，而RD 主要與脫髓鞘過程有關［2，15-16］。

1.3 分析方式

1.3.1 感興趣區域分析：感興趣區域（region of interest，ROI）一種常用的DTI數據定量分析方法，對感興趣參數的微小變化具有高敏感性。ROI 為圖像的一個選定區域，可由經驗豐富的觀察者手動繪制或半自動化分割獲得，所選區域可以是幾何形狀（即球體、立方體），也可以根據感興趣的解剖結構的形狀決定，從中提取DTI 指標，作為同側/對側位置的絕對值或兩者之間的比值以供進一步分析。第一種方法更快但精度較低，第二種方法更耗時但更準確［14］。選擇多個ROI 時，建議多次比較校正以減少假陽性［17-18］。

1.3.2 纖維示蹤成像：纖維示蹤成像（diffusion tensor tractography，DTT）是DTI 三維重建技術，顯示具有相似彌散特性的體素連接的纖維束。從起始區域或“種子”區域，根據每個體素中彌散張量給出的主特征向量（與纖維主方向一致），推斷兩體素之間纖維路徑的連續性跟蹤整個白質路徑，并在活體內投射出虛擬纖維路徑的三維軌跡［19］。軌跡基于多個ROI的放置，為神經束內的單一重建路徑，并不表示實際的神經纖維或神經束。路徑重構主要受三方面限制：“種子”區域、傳播路徑和終止區域。DTI 指標可從整個重構神經束中提取，也可從神經束的一個部分（ROI）中提取［14］。

1.3.3 全腦分析：全腦分析是通過使用MRI 解剖數據集（位于與DTI數據相同的圖像空間）中的大腦分割或DTT 的方法選擇納入分析的體素，然后從包含腦白質的所有體素中獲得定量的DTI測量值的一種探索性方法，可用于研究全局WM 變化及其變化的異質性，包括全腦體素的直方圖分析、基于體素的分析（voxel-based analysis，VBA）以及基于區域的空間統計分析（tract-based spatial statistics，TBSS）［14，20］。

2 CST

CST 是人腦中對運動功能有重要意義的下行通路，是負責運動功能的最重要神經束之一，其主要與遠端肢體的運動有關，特別是手部的精細運動［19，21-23］。CST與下肢運動的關系仍處于研究中，但許多研究表明CST與下肢運動相關［19，24］。CST受損是AIS患者肢體運動功能障礙的主要原因，其完整性對AIS患者運動功能的良好恢復至關重要。因此，DTI對AIS患者運動功能預后大多集中于CST 的完整性，在微觀結構水平上對運動功能受損的發病機制和恢復機制進行研究。目前報道的恢復機制包括正常CST 通路、病灶周圍區域重組、受損CST 的皮層起源區從其他區域轉移到初級運動皮層［25］。

皮質脊髓側束是大腦中最主要的下行纖維束，占CST的75%～90%。許多研究證明CST與運動功能之間關系如下：（1）手指和腳踝的遠端肌肉主要由皮質脊髓側束控制，而近端肌肉主要由其他神經束控制，如皮質網狀脊髓束和皮質脊髓前束；（2）皮質脊髓側束對上肢運動功能的影響大于對下肢的影響；（3）手指伸肌反映皮質脊髓側束功能最準確；（4）手功能必須有皮質脊髓側束參與，相較于行走功能，皮質脊髓側束與手功能有更強相關性［26-27］。Jang 等［28］對26 例首次脈絡膜前動脈（anterior choroidal artery，AChA）梗死后手完全無力的患者進行回顧性研究，結果表明皮質脊髓側束的完整性可能是影響AChA梗死患者運動功能預后的一個重要因素。Plantin等［29］研究表明，卒中后CST 的完整性是手的精準握力控制恢復的主要決定因素，這與Pennati 等［30］研究結果一致。皮質脊髓前束、Barne 前外側束功能尚未明確。有研究報道皮質脊髓前束主要支配近端肌肉，如頸部、軀干和上肢近端肌肉；另外，皮質脊髓前束可能在下肢運動恢復中發揮作用［31］。

CST 的運動纖維來自額頂皮質不同大小的神經元，以初級運動皮層（primary motor cortex，M1）、輔助運動皮層（supplementary motor area，SMA）、前運動皮層（premotor cortex，PMC）和扣帶回運動區（cingulate motor area，CMA）的神經元為主。M1參與運動執行，PMC和CMA參與運動的規劃和執行，SMA有助于伸展運動前的肌肉激活。就CST的各種功能和運動恢復機制而言，不同腦源受損時的運動受損表現與該區功能密切相關，來自不同腦源的CST 纖維可以補償受損CST纖維的功能，如PMC激活增強可能與AIS患者的運動恢復有關［23，32］。

3 DTI對AIS后運動功能預后預測

3.1 FA值的預測作用Berndt等［33］研究了165例顱內前循環大血管急性閉塞并在7 d 內接受機械取栓和DTI 的AIS 患者，結果顯示急性期同側內囊后肢（posterior limb of internal capsule，PLIC）內FA 值降低，提示CST完整性受損，與DTI時美國國立衛生研究院卒中量表（National Institutes of Health stroke scale，NIHSS）分值呈弱負相關、NIHSS運動分項指數得分（NIHSS motor subindex scores，mNIHSS）呈正相關。此外，急性期PLIC內FA值與外周梗死90 d的臨床結果顯著相關，而與基底神經節梗死（basal ganglia infarction，BGI）未發現顯著相關。這表明PLIC 內CST 完整性受損對臨床結果有負面影響，FA值顯著介導梗死嚴重程度和臨床轉歸之間的關系。Xia 等［34］對34 例病變局限于內囊及鄰近區域的輕中度AIS患者發病第1、4、12周的DTI數據進行研究，結果顯示卒中后第1周同側CST-FA下降，后12周內呈縱向增加，這與Lu等［35］研究結果一致。卒中后第1～4 周，腦半球間功能連接（functional connectivity，FC）和同側CST-FA的增加均與運動功能恢復明顯相關；卒中后第4～12周，僅同側CST-FA增加與運動功能恢復顯著相關。Lin 等［36］研究顯示卒中后3～12 個月同側CST-FA 顯著改善，并與運動功能恢復密切相關，期間腦半球間FC 無明顯變化。上述結果表明卒中后存活腦組織發生結構和功能的動態重組，結構重組可能與亞急性晚期、慢性期的運動恢復更為相關。

3.2 rFA的預測作用Darwish 等［37］對30 例 幕 上AIS 患者在入院時及腦卒中后1 個月行DTI 檢查，并在1、6、9 個月后采用NIHSS 評分評估肢體無力的嚴重程度，結果發現卒中后1 個月腦橋同側CST 的FA比 值（fractional anisotropy ratio，rFA）與6 個 月 時NIHSS 評分呈顯著負相關。Shaheen 等［38］對34 例大腦中動脈（middle cerebral artery，MCA）區AIS患者卒中后7 d 內和6 個月行DTI 檢查并采用NIHSS、改良Rankin 量表（modified Rankin scale，mRS）、病死率指數（mortality index，MI）等進行臨床評估，結果表明患側基線FA 比值和rFA 與6 個月時NIHSS、mRS 均呈顯著負相關，與MI呈顯著正相關。

3.3 MD的預測作用Etherton 等［39］對42 例伴中重度白質高信號（white matter hyperintensity，WMH）的AIS患者卒中后12 h和3～5 d分別進行DTI掃描以評估正常白質（normal-appearing white matter，NAWM）微觀結構完整性與早期神經系統改善（early neurological improvement，ENI）的關系，結果顯示NFI+組NAWMMD明顯低于NFI-組，認為在多變量Logistic回歸中，NAWM-MD是ENI的獨立預測因子。Liu等［40］研究了33 例急性皮質下梗死累及幕上區的患者，在卒中后第1、4、12 周采用DTI 和FM 評分分別對小腦下腳（inferior cerebellar peduncle，ICP）的完整性和下肢（lower limbs，LL）運動功能進行評估，結果顯示患側FM-LL 評分的變化與對側ICP 的FA 值變化呈正相關，與MD 變化呈負相關，表明對側ICP 的MD 和FA值均與下肢運動功能相關，這與Kim 等［41］研究結果一致。

3.4 AD的預測作用Liu等［42］研究了22例AIS患者發病后第1、4、12周的梗死灶上下方運動纖維通路的DTI 數據，發現第1 周患側同側初級運動區（primary motor area，PMA）和大腦腳（cerebral peduncle，CP）的AD 均降低，第4～12 周患側CP 的AD 相對穩定，而患側PMA的AD顯著升高，并強調指出患側PMA的AD對FM評分的影響更為顯著，認為患側PMA的AD與運動改善呈強正相關。然而，卒中后12 周內運動改善的唯一預測因素是初始損傷或病變體積。卒中后梗死灶上下方運動纖維通路的AD均降低，考慮系病變直接受損纖維的順向或逆向變性，即梗死區運動纖維因直接軸索損傷引起的細胞內黏度增加導致軸向擴散阻礙增加，AD 下降，后擴展至神經纖維遠端。Moulton 等［43］對17 例輕至重度AIS 溶栓患者發病24 h 的CST-AD 與卒中后3 個月運動結局的關系進行評估，結果表明CST 損傷比初始損傷的預測價值更高。卒中后24 h CST-AD 的急性變化是輕至重度AIS患者運動和失語結局的獨立預測因子，CST的AD 比值（axial diffusivity ratio，rAD）可預測長期運動恢復，突出其作為急性期有效生物標志物的潛力。同樣，Bernhardt等［44］對10例AIS患者發病后3～7 d進行DTI 掃描，并在第2、6 個月評估運動功能，發現及時調整初始損傷和病變體積，CST-AD的早期降低與慢性運動預后仍高度相關。

基于DTI獲取的AIS的FA值、rFA、MD、AD均是能夠評估臨床療效、準確預測運動功能恢復結局的潛在生物標志物，在確定預后相關性方面具有實用性，能夠為患者的治療方案、康復目標以及預后結局提供有價值的信息。然而，許多研究仍有樣本量小、范圍局限、隨訪時間短、圖像分辨率低、數據處理缺乏嚴格評價體系等局限性，所以目前對能夠預測運動功能預后的最優生物標志物尚未達成明確共識，仍需要更多大樣本、高質量數據的臨床研究。