多種MRI技術(shù)在輕型顱腦損傷中的應用研究進展

作者單位：

1. 中南大學湘雅二醫(yī)院放射科，湖南長沙，410011

2. 中南大學湘雅醫(yī)院放射科，湖南 長沙，410013

通訊作者：

劉軍，Email：lj75832003@aliyun.com

收稿日期：2014-12-21

接受日期：2015-02-13

文獻標識碼：A

DOI: 10.3969/j.issn.1674-8034.2015.03.016

秦燕, 周順科, 劉軍. 多種MRI技術(shù)在輕型顱腦損傷中的應用研究進展. 磁共振成像, 2015, 6(3): 235-240.

[摘要] 隨著社會、經(jīng)濟等的迅猛發(fā)展，創(chuàng)傷性顱腦損傷(traumatic brain injury，TBI)的發(fā)生率逐年升高，其中最常見的輕型顱腦損傷(mild traumatic brain injurym，mTBI)由于其臨床表現(xiàn)相對主觀，相關(guān)輔助檢查陽性率不高，生活中往往存在責任爭議等而越來越受到各界學者的高度關(guān)注。作者通過回顧性分析文獻，就多種MRI技術(shù)如磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)以及靜息態(tài)功能MRI(resting state function magnetic resonance imaging，rs-fMRI)在mTBI中的應用進展進行綜述。

A review of the application of multiple MRI techniques in mild traumatic brain injury

QIN Yan 1, 2, ZHOU Shun-ke 1, LIU Jun 1*

1Department of Radiology, The Second Xiangya Hospital of Central South University, Changsha 410011, China

2Department of Radiology, Xiangya Hospital Central South University, Changsha 410013, China

*Correspondence to: Liu J, Email: lj75832003@aliyun.com

Received 21 Dec 2014, Accepted 13 Feb 2015

Abstract With the rapid development of society and economy, the incidence of TBI has increased year by year. Among which most common mTBI due to its ralatively subjective clinical manifestation, low positive rate of related auxiliary examination, and existence of responsibility controversy during life, it has received more and more attention from scholars of all walks of life. In this paper, the author reviews the application progress of magnetic resonance including SWI、DTI and rs-fMRI in mTBI by literature’s retrospective analysis.

Key words Mild traumatic brain injury; Susceptibility weighted imaging; Diffusion tensor imaging; Resting state function magnetic resonance imaging

創(chuàng)傷性顱腦損傷是指各種原因致使顱腦受到鈍性或利性的開放性或閉合性損傷。隨著中國現(xiàn)代化的進程，交通、建筑事業(yè)的高速發(fā)展以及運動損傷、意外事故和自然災害等致傷因素的存在致使腦外傷發(fā)生率越來越高。新西蘭學者Feigin [1]教授及其團隊最新研究顯示：腦外傷的發(fā)生率約為每年790人/10萬人，年齡標準化發(fā)生率為每年811人/10萬人，據(jù)此，研究團隊推測，全世界每年有5400～6000萬人患有TBI，其中5180～5640萬人為輕度損害，這意味著每一秒，世界上有兩人新發(fā)TBI。同時，研究還發(fā)現(xiàn)34歲以下的年輕人，占所有TBI患者的近70%，男性TBI較女性常見。農(nóng)村居民中的中度或重度TBI是城鎮(zhèn)居民的2倍 [1]。外傷造成的神經(jīng)功能障礙(如頭痛、記憶力減退、性格改變等)給患者的學習、工作及生活帶來不同程度的影響。而且，創(chuàng)傷性顱腦損傷已成為當今社會的嚴重公害，并已引起國內(nèi)外醫(yī)學界的廣泛關(guān)注。但是mTBI因其臨床表現(xiàn)輕重不一，相關(guān)輔助檢查陽性率不高，部分預后欠理想及存在責任爭議等等，容易被患者及醫(yī)學工作者忽略，可能導致醫(yī)療糾紛及患者致殘。此時，mTBI除結(jié)合相對主觀的臨床病史之外，影像學資料的佐證尤其MRI檢查對輕型顱腦外傷的診斷顯得尤為重要。隨著MRI新技術(shù)的發(fā)展以及掃描時間的縮短，一些新的成像技術(shù)(如SWI、DTI及fMRI)較其他影像學方法能明顯地顯示更多的微小出血灶及神經(jīng)解剖損傷，能對腦損傷功能區(qū)更準確地定位，從而正確全面評估顱腦損傷的嚴重程度，極大地提高了顱腦損傷的早期診斷準確率。與此同時，輕型顱腦外傷患者一般情況較好，可以耐受MRI檢查，SWI、DTI及fMRI逐漸顯現(xiàn)出其無可替代的地位，為早期診斷顱腦損傷提供了可靠的影像學依據(jù)，并為臨床顱腦損傷的正確治療及判斷預后提供幫助。本文主要探討MR SWI、DTI及fMRI成像技術(shù)在mTBI中的應用，以進一步了解mTBI的損傷機制，病理生理表現(xiàn)及預后，探索新的診斷評估指標以及采取更準確有效的治療和康復措施。

1　輕型顱腦損傷定義及診斷標準

輕型顱腦損傷(mTBI)是臨床上最常見的顱腦損傷，約占全部顱腦損傷的95%，跌倒和機械力損傷是輕度腦外傷最常見的病因。相當多的患者也涉及斗毆因素 [1]。美國康復醫(yī)學委員會顱腦外傷學組提出的輕型顱腦損傷分型標準如下：(1)至少出現(xiàn)以下癥狀之一：神經(jīng)錯亂或定向障礙，外傷后出現(xiàn)意識喪失(loss of consciousness，LOC)在30 min以內(nèi)，外傷后失憶在24 h以內(nèi)，和(或)其他短暫的神經(jīng)功能異常，比如癲癇發(fā)作和不需要外科手術(shù)的顱內(nèi)病變；(2)外傷后30 min內(nèi)Glasgow昏迷量表(GCS)評分在13～15分 [2]。研究表明，即使輕型顱腦損傷也能引起軀體感覺障礙、軀體癥狀、認知功能障礙、神經(jīng)行為紊亂等一系列腦震蕩后遺癥癥狀(post concussion symptom，PCS)，其中認知功能損傷是mTBI后發(fā)生率高、持續(xù)時間不一、變化幅度較大的后遺癥癥狀 [3-6]。mTBI患者主觀或客觀的癥狀量表評估皆存在主觀性，部分患者可能存在夸大癥狀的可能性，患者的合作及努力程度等主觀因素都會影響臨床評估的結(jié)果。為了盡可能避免主觀性的影響，客觀的輔助檢查顯得尤為重要。以往有研究者曾利用腦電圖(electroencephalo-graph，EEG)，CT及常規(guī)MRI檢查等對mTBI及其后遺癥狀進行無創(chuàng)性神經(jīng)電生理及影像學評估等，已為mTBI的早期診斷及干預治療奠定基礎(chǔ) [7]。

2　輕型顱腦損傷MR磁敏感成像

2.1 磁敏感加權(quán)成像(SWI)的基本原理

磁敏感加權(quán)成像(SWI)是近年來一種利用組織磁敏感性的不同產(chǎn)生獨特對比作用的新的MRI技術(shù)，最初被稱作“高分辨率血氧水平依賴靜脈血管成像”(high resolution BOLD venographic imaging，HRBV) [8]。1997年以后正式命名為SWI [9]。SWI圖像由濾波后的相位圖經(jīng)處理產(chǎn)生相位蒙片，再與強度圖多次加權(quán)疊加輔以最小信號強度投影后形成，更加強調(diào)組織間的磁敏感性的差異 [9]。SWI提供了有別于常規(guī)T1WI、T2WI、質(zhì)子密度及擴散加權(quán)像的另一種對比度，這一特點使其能充分顯示組織內(nèi)在的磁敏感特性的差異。因此即使是微小的解剖結(jié)構(gòu)也可以有很好的對比度和分辨率，如小靜脈、腦深部核團鐵沉積的增加、甚至是白質(zhì)纖維束等，同時灰、白質(zhì)之間的對比度也得以增強。由于出血灶中含有血紅蛋白代謝產(chǎn)物脫氧血紅蛋白、細胞內(nèi)正鐵血紅蛋白和含鐵血黃素等順磁性物質(zhì)，使局部的磁場產(chǎn)生不均勻性，這種差異盡管很小，卻足以使小出血灶與周圍組織產(chǎn)生相位差異，SWI甚至可以檢測到小于1個體素的血管 [9-12]。

2.2 磁敏感加權(quán)成像在輕型顱腦外傷中的應用

學者Tong等 [13]的早期研究表明，MR SWI序列與CT及傳統(tǒng)MRI序列相比，可檢測到更多的腦實質(zhì)性出血性病變，SWI序列顯示的輕型顱腦損傷中出血灶數(shù)量和出血量體積是常規(guī)MRI序列的6.4倍和2倍，SWI序列還能夠顯示其他顯像方法所不能顯示的更有意義的小病變。在Tong等 [14]的另一項研究表明GCS較低或者昏迷時間較長的腦外傷患者出血灶的數(shù)目和出血量明顯更多；預后差的組較預后好的組更多。Spitz等 [15]對69例輕型顱腦損傷患者進行MRI研究，發(fā)現(xiàn)SWI序列在發(fā)現(xiàn)病灶數(shù)目上明顯多于FLIAR序列，其中有23例患者SWI序列發(fā)現(xiàn)了病灶，表現(xiàn)為腦實質(zhì)內(nèi)大小不等斑點狀、圓點狀低信號；而常規(guī)FLAIR序列未見明顯病灶顯示；與此相對，僅僅2例患者FLAIR序列發(fā)現(xiàn)病灶而SWI序列未發(fā)現(xiàn)。除此之外，Spitz等 [15]研究還發(fā)現(xiàn)病變部位多與外傷受力部位有關(guān)，SWI序列在發(fā)現(xiàn)位于較深腦實質(zhì)部位如邊緣葉或皮層下灰質(zhì)等結(jié)構(gòu)的病變方面具有優(yōu)勢，而這些結(jié)構(gòu)的損傷常常與臨床癥狀密切相關(guān)。在隨訪的患者中，SWI序列顯示病灶數(shù)目越多，則臨床癥狀持續(xù)時間越長；病灶越大，則臨床表現(xiàn)越明顯。尤其是在頂葉及腦干病灶，患者起始癥狀較早，預后較差；而發(fā)生在顳葉等其他部位的病灶，患者起始癥狀較輕，臨床表現(xiàn)持續(xù)時間不等。正是SWI序列對較深部位病變的強大顯示能力證實了其可以對顱腦損傷的嚴重程度進行客觀評估。因此，Spitz等 [15]得出結(jié)論，SWI序列在顯示顱腦損傷病變數(shù)目，病變部位及顯示微小，彌散性病變上明顯優(yōu)于FLAIR序列，且對顱腦損傷程度的評估及判斷預后有著重要意義。Kou等 [16]研究發(fā)現(xiàn)SWI序列在顯示顱內(nèi)出血灶、腦室內(nèi)出血及微量蛛網(wǎng)膜下腔出血優(yōu)于CT，SWI序列有助于蛛網(wǎng)膜下腔出血和靜脈的鑒別診斷，能夠提供補充診斷蛛網(wǎng)膜下腔出血的信息，可作為出血量較少在CT上表現(xiàn)不典型或無明顯陽性發(fā)現(xiàn)患者的診斷工具，具有重要的潛在價值。此外本研究還發(fā)現(xiàn)顱腦損傷的好發(fā)部位也有差異，超過90%的患者病灶出現(xiàn)于額葉白質(zhì)，頂顳枕葉白質(zhì)及灰質(zhì)；丘腦、腦干、小腦及基底節(jié)等部位很少受累。當病變累及部位達7個或更多時患者預后往往不好。

Wycliffe等 [17]的一項研究，將SWI序列和常規(guī)TSE、FLAIR、CT和2D-FFE T2WI比較，發(fā)現(xiàn)SWI序列對少量出血有著更高的檢出率，能檢出CT、常規(guī)TSE序列和液體抑制反轉(zhuǎn)恢復序列遺漏或診斷不明確的少量出血，清楚地顯示出血部位、出血灶的數(shù)目及大小，同時還能顯示深部腦血管結(jié)構(gòu)，直接提示腦損傷的部位能更好地指導臨床治療。Akiyama等 [18]學者的研究也證實了此觀點。Shen等 [19]通過外傷性腦損傷大鼠模型的SWI相位信息，顯示SWI可以安全無創(chuàng)地監(jiān)測外傷性腦損傷的腦血流量及氧飽和度，同時可以顯示深部腦血管的結(jié)構(gòu)。

3　輕型顱腦損傷MR擴散張量成像

3.1 MR擴散張量成像的基本原理

擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是通過檢測水分子微觀隨機運動規(guī)律來評價生物組織結(jié)構(gòu)和生理狀態(tài)的新技術(shù)，能反映水分子在白質(zhì)內(nèi)擴散的優(yōu)勢方向，不僅能準確區(qū)別白質(zhì)和灰質(zhì)，還對腦白質(zhì)纖維束走行有很好的成像效果，可了解病變造成的白質(zhì)纖維束受壓移位浸潤與破壞情況，是當今被公認的用來觀察白質(zhì)纖維束的空間方向性和完整性測量水分子的擴散過程的最有前景的無創(chuàng)檢查方法。白質(zhì)的部分異向性(fractional anisotropy，F(xiàn)A)和表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)的大小，可以間接反映髓鞘化程度或纖維束的完整性 [20-21]。在輕型顱腦損傷中，存在著神經(jīng)絲損傷，導致軸漿傳遞效能改變以及局部細胞器的損傷，使得軸索局部腫脹，軸膜的滲透性增加這樣會使垂直于軸索方向的擴散系數(shù)增加，而平行于軸索方向的擴散系數(shù)會降低，CT及常規(guī)MRI檢查對這種情況無法顯示出來，但DTI可定量地分析感興趣區(qū)(region of interest，ROI) FA值及ADC值的變化，有效地預測腦震蕩后綜合征的發(fā)生及神經(jīng)認知功能異常。DTI掃描是一個較為客觀的指標，在臨床中對于頭部外傷的患者初次CT或MRI顱內(nèi)平掃未見異常，且自述有較為明顯的頭痛、頭昏眩暈、嘔吐精神不振者進行頭部的DTI掃描，發(fā)現(xiàn)若FA正常者，自述癥狀多可自行緩解和消失；FA異常者，則需要進行神經(jīng)營養(yǎng)及保護方面的治療，這表明DTI檢查在臨床治療上具有一定的指導意義 [22]。

3.2 MR擴散張量成像在輕型顱腦損傷中的應用

大部分研究顯示TBI易感區(qū)域內(nèi)FA降低，ADC升高，也有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)白質(zhì)區(qū)域內(nèi)FA增加而ADC值降低，出現(xiàn)這些差異的原因可能是后者主要研究的是急性期、亞急性期的mTBI患者軸索未完全斷裂，而細胞毒性水腫已經(jīng)存在，推擠軸索使之FA升高，隨著病情進展，繼發(fā)性軸索斷裂發(fā)生軸膜破裂以及出現(xiàn)血管源性水腫，引起FA降低，ADC值升高。

Krishna等 [23]研究發(fā)現(xiàn)，在輕型顱腦損傷病例中，可檢測到明顯低的FA值及升高的ADC值，提示軸索腫脹，屬于軸索損傷的早期表現(xiàn)，提示預后不良。Aoki等 [24]對13例輕型顱腦損傷患者研究，發(fā)現(xiàn)DTI可檢測到不同纖維束區(qū)域及不同的FA值，少數(shù)存在白質(zhì)纖維束減少及中斷等，與正常對照組相比所有病例胼胝體FA值有顯著意義的下降。Metting等 [25]對18例輕型顱腦損傷患者進行研究發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，DTI檢測到雙側(cè)額葉白質(zhì)區(qū)域內(nèi)FA值顯著下降，而顳頂部平均擴散率(mean diffusivity，MD)則升高；在很多白質(zhì)纖維束區(qū)域，如胼胝體、內(nèi)囊、下額枕束、皮質(zhì)脊髓束及上下縱束區(qū)域，腦出血體積與FA值密切相關(guān)。Nakayama等 [26]對于23例GCS評分為15分，CT及常規(guī)MRI檢測陰性的患者研究，發(fā)現(xiàn)胼胝體及穹窿斷裂，這可能影響患者認知功能，因此認為DTI對于診斷輕型腦損傷非常敏感，在腦震蕩的診斷鑒別及預后評估有十分重要的臨床意義。W?ljas等 [27]報道，即使輕微腦損傷后，DTI可發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)皮質(zhì)和損傷側(cè)海馬的平均FA值有明顯減少，而常規(guī)MRI在損傷后檢測結(jié)果未見異常，這表明DTI比常規(guī)MRI能更早、更準確地顯示出創(chuàng)傷性病灶的軸索損傷信號的改變。

4　輕型顱腦損傷靜息態(tài)功能MRI

4.1 靜息態(tài)功能MRI技術(shù)

近年來，功能MRI技術(shù)(function magnetic resonance imaging，fMRI)受到醫(yī)學界學者的廣泛關(guān)注，已成為影像醫(yī)學的研究熱點，并已廣泛應用于神經(jīng)精神系統(tǒng)類疾病的研究。功能MRI是通過研究實驗對象完成一定任務激活相應腦區(qū)，然后將任務狀態(tài)減去無任務狀態(tài)得到激活信號從而對腦區(qū)進行功能定位，并定量測定局部腦區(qū)激活的體素數(shù)。靜息態(tài)功能MRI(resting state function magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是指實驗對象在靜息狀態(tài)下即不從事任何任務、不做任何思考、閉目的情況下進行的MR掃描。研究發(fā)現(xiàn)在靜息狀態(tài)下人腦亦存在大量自發(fā)的神經(jīng)元活動 [28]，雖然其表現(xiàn)亦為血氧水平依賴(blood oxygenation level depended，BOLD)信號，但在靜息狀態(tài)下僅為低頻波動幅度(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)。ALFF是基于低頻段功率譜平方根積分，用于檢測區(qū)域BOLD信號自發(fā)波動的強度，從能量角度直接地反映大腦各區(qū)域在靜息狀態(tài)下自發(fā)活動水平的高低 [29]。ALFF增強說明腦區(qū)興奮性升高，活動增強；ALFF減弱則顯示神經(jīng)元受抑制，活動減弱。靜息態(tài)網(wǎng)絡分別與注意、運動、視覺、聽覺、語言等功能相關(guān)，各網(wǎng)絡的腦區(qū)與任務狀態(tài)下fMRI的腦區(qū)大體一致，并且腦區(qū)間的功能連接多與解剖連接相一致 [30]。因此可以將rs-fMRI應用于輕型顱腦損傷后患者所導致的認知、行為障礙進行研究。

4.2 靜息態(tài)功能MRI技術(shù)在輕型顱腦損傷中的應用

功能MRI為闡述輕型顱腦損傷后個體潛在的神經(jīng)病學相關(guān)的認知、行為后遺癥提供了無限可能性，尤其與高級功能區(qū)關(guān)系密切 [31]。國外學者Dettwiler等 [32]將15例腦外傷后大學生分別于實驗組外傷后72 h內(nèi)、2周內(nèi)及2個月內(nèi)進行功能MRI檢查，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，腦外傷組雙側(cè)背外側(cè)前額葉皮層三個時期均表現(xiàn)為持久的明顯有意義的腦功能區(qū)激活增加，雙側(cè)下額葉則在第72 h內(nèi)、2周內(nèi)表現(xiàn)為腦功能區(qū)激活增加。這些研究表面腦外傷后實驗組與對照組腦功能激活異常持續(xù)在2個月時間內(nèi)，盡管他們可能表現(xiàn)為某些記憶工作及臨床行為量表正常。這一研究結(jié)果可能提示mTBI后行為學障礙可能滯后于腦功能區(qū)神經(jīng)學損傷。國外學者Talavage等 [33]對22例有腦外傷史的高中足球運動員及10名無外傷史的其他運動員進行靜息態(tài)功能MRI研究發(fā)現(xiàn)，實驗組運動員較對照組運動員有更高數(shù)目的默認系統(tǒng)被激活，在比賽前，比賽中2、3月及比賽后；但是在比賽中1、4月與對照組差不多甚至有些腦功能區(qū)激活更低。無創(chuàng)傷對照組的基線與默認網(wǎng)絡系統(tǒng)沒有統(tǒng)計學意義，這也證實了我們的測量是可靠的。學者Zhou等 [34]對27例mTBI患者進行fMRI研究發(fā)現(xiàn)：與對照組對比，實驗組丘腦，額葉大腦皮層及顳葉的ALFF值明顯減低在靜息態(tài)功能MRI中，這表明腦外傷后患者丘腦功能區(qū)可能存在損傷，這一研究可能對腦外傷后丘腦皮質(zhì)腦功能損傷定位提供精準的影像學依據(jù)。Dettwiler等 [35]對27例亞急性期的輕度腦外傷患者進行靜息態(tài)MRI檢查，其中15例患者在傷后3～5個月接受了復查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輕度腦外傷后默認網(wǎng)絡與任務相關(guān)網(wǎng)絡假設的平衡被打破，導致了患者的精神不集中和認知疲憊，輕度腦外傷患者表現(xiàn)了默認網(wǎng)絡間連接減弱及默認網(wǎng)絡與前側(cè)額葉皮質(zhì)連接的增強。

5　小結(jié)與展望

MR SWI、DTI及rs-fMRI成像技術(shù)在顱腦損傷中的應用具有獨特的優(yōu)勢，其在對損傷病變的定位、定量、發(fā)現(xiàn)微小出血灶，非典型蛛網(wǎng)膜下腔出血及彌漫性神經(jīng)纖維損傷等方面有著CT及常規(guī)MRI序列所不及的優(yōu)勢。雖然MRI在成像時間和圖像分析上還有許多需要改進和完善的地方，但是隨著科技的不斷進步，MRI性能的不斷提高及設備的普及，SWI、DTI及rs-fMRI成像技術(shù)必將在創(chuàng)傷性顱腦損傷病變的臨床診斷及判斷預后中占有不可取代的作用，這將預示著人類對輕型顱腦損傷的認識將達到一個更高更全面的水平。