磁共振波譜檢測肌萎縮側(cè)索硬化的上運動神經(jīng)元損害

翦凡 崔麗英 潘華 邢巖 李曉光 劉明生

磁共振波譜檢測肌萎縮側(cè)索硬化的上運動神經(jīng)元損害

翦凡 崔麗英 潘華 邢巖 李曉光 劉明生

目的 探討質(zhì)子磁共振波譜(proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)檢測肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)的上運動神經(jīng)元損害(upper motor neuron，UMN)的特點和診斷準確性。方法 收集ALS患者31例和健康對照32名，采用1H-MRS檢測腦中央前回皮質(zhì)下、內(nèi)囊后肢和大腦腳感興趣區(qū)代謝產(chǎn)物N-乙酰天冬氨酸(NAA)、膽堿(Cho)、肌酸(Cr)的水平，計算NAA/Cr、NAA/(Cho+Cr)、Cho/Cr比值，采用受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線分析1H-MRS對ALS患者UMN損害的診斷價值。結(jié)果 ALS患者各錐體束走行部位和部位組合的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)較對照組顯著降低(P<0.05)。NAA比值預測ALS的 UMN損害的ROC曲線下面積(area under the curve，AUC)為0.67～0.91，其中內(nèi)囊后肢、大腦腳兩部位的平均NAA/(Cho+Cr)和三部位的平均NAA/(Cho+Cr)的AUC、靈敏度、特異度分別為0.91、0.828、0.906和0.90、0.769、0.875。結(jié)論1H-MRS可檢出ALS患者錐體束走行的生化代謝異常，是評估ALS的UMN損害的客觀影像學指標，其診斷準確性中等，多水平檢測和綜合指標的選擇有助于提高其診斷效力。

肌萎縮側(cè)索硬化；錐體束；磁共振波譜；ROC曲線

肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)是一種進行性神經(jīng)系統(tǒng)變性病，以上、下運動神經(jīng)元損害和錐體束變性為特征。常規(guī)肌電圖檢查即可證實下運動神經(jīng)元的臨床病損和臨床下病變。而上運動神經(jīng)元(upper motor neuron，UMN)損害，除查體外，尚缺乏客觀有效的檢測指標。質(zhì)子磁共振波譜(proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)利用磁共振現(xiàn)象和化學位移作用，能無創(chuàng)性檢測活體組織中的N-乙酰天冬氨酸(N-acetylaspartate，NAA)、膽堿(Choline，Cho)、肌酸(Creatine，Cr)等代謝物濃度，通過測量神經(jīng)組織的生化代謝改變有可能揭示疾病的病理生理過程，將其應用于評估ALS患者的UMN損害已成為國內(nèi)外的研究熱點。本文對ALS患者和對照組在錐體束走行多部位行1H-MRS檢測，分析MRS指標與臨床的相關(guān)性，應用受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線評估MRS檢出UMN損害的準確性，以期對MRS指標的選擇和在ALS中的臨床應用價值進行探討。

1 對象和方法

1.1 對象 收集2004-06—2006-03在北京協(xié)和醫(yī)院和北京天壇醫(yī)院就診的散發(fā)型ALS患者31例，根據(jù)修訂的El Escorial診斷標準[1]，符合確診或擬診的ALS患者。其中男24例，女7例，年齡27～74歲，平均(48.7±11.1)歲，病程3～59個月，平均18個月；延髓起病者4例，肢體起病者27例。排除標準：腦血管病或其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病史，顱腦手術(shù)或精神藥物服用史。對照組為健康志愿者32名，男21名，女11名，年齡31～68歲，平均(50.0±10.4)歲，排除標準同前，無腦干及以上部位UMN受損的癥狀體征。兩組間年齡、性別比較無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。

1.2 方法

1.2.1 臨床評分：ALS患者均有UMN受損體征，采用Ellis反射評分[2]評估UMN受累情況，雙側(cè)上下肢腱反射、Hoffmann征、足跖反射及下頜反射總分55分，評分越高提示UMN損害越重。以ALS功能評分量表(ALS functional rating scale，ALSFRS)[3]評價疾病的嚴重程度，總分40分，分值越低，神經(jīng)功能損害越嚴重。

1.2.2 MRI檢查：所有研究對象在知情同意前提下行顱腦MRI檢查(GE Signa Excite 3.0T磁共振系統(tǒng))。影像學檢測醫(yī)師不了解受檢者的臨床情況。常規(guī)MRI包括軸位及矢狀位T1WI、軸位T2WI和T2 FLAIR。2D1H-MRS采用點分辨自旋回波波譜(point-resolved echo spin spectro-scopy，PRESS)序列，自動勻場和水抑制，TR 1000 ms，TE 144 ms，矩陣16×16，視野16 cm，多體素掃描，體素厚10 mm。將大小為7.5 mm×7.5 mm×10 mm的感興趣區(qū)分別置于雙側(cè)中央前回皮質(zhì)下、內(nèi)囊后肢和大腦腳等錐體束走行部位[4]，MRS譜線上主要觀察的代謝物NAA、Cho、Cr的化學位移分別為2.02×10-6、3.22×10-6、3.03×10-6，機器軟件自動完成基線校正、信號平均、代謝物識別及峰下面積的計算，結(jié)果以NAA/Cr、NAA/(Cho+ Cr)、Cho/Cr比值表示。中央前回、內(nèi)囊后肢和大腦腳雙側(cè)測量值的平均值構(gòu)成各部位的MRS指標，三個部位的平均值和任兩個部位的平均值構(gòu)成錐體束走行的綜合MRS指標。

1.3 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計學分析，符合正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗；MRS指標與病程、臨床評分之間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析；采用ROC曲線下面積(area under the curve，AUC)比較各MRS指標預測ALS的 UMN損害的效能，計算AUC及95%CI、靈敏度和特異度，在兼顧靈敏度和特異度并優(yōu)先保證較高特異度的原則下獲取最佳截斷點。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.11H-MRS檢查結(jié)果比較 ALS組與對照組各部位Cho/Cr比較差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，結(jié)果見表1。而ALS患者錐體束走行各部位和各部位組合的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)均較對照組顯著降低(P<0.05)，結(jié)果見表2、表3。

表1 兩組腦1H-MRS檢查不同部位Cho/Cr比較(±s)

注：1H-MRS：質(zhì)子磁共振波譜，ALS：肌萎縮側(cè)索硬化，Cr：肌酸，Cho：膽堿；下表同

2.2 相關(guān)性分析 ALS患者錐體束走行各部位和各部位組合的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)與病程無相關(guān)性(均P>0.05)。ALS患者的Ellis反射評分為(35.10±11.46)分，ALSFRS評分為(31.06±6.86)分，ALS患者中央前回的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)與Ellis評分呈負相關(guān)(r=-0.544，P=0.005；r=-0.412，P=0.037)。各部位和各部位組合的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)與ALSFRS評分無相關(guān)性(均P>0.05)。

表2 兩組1H-MRS檢查腦錐體束走行各部位和部位組合的NAA/Cr比較(±s)

注：NAA：N-乙酰天冬氨酸，a包括中央前回、內(nèi)囊后肢和大腦腳；下表同

表3 兩組1H-MRS檢查腦錐體束走行各部位和部位組合的NAA/(Cho+Cr)比較(±s)

表4 各部位及部位組合的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)的AUC和相應統(tǒng)計學參數(shù)

注：AUC：ROC曲線下面積

圖1 1H-MRS檢測腦錐體束走行各部位(A)和各部位組合(B)的NAA/Cr診斷ALS的ROC曲線

2.3 ROC曲線分析 錐體束走行各部位和部位組合的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)的ROC曲線分析結(jié)果見表4和圖1、2。內(nèi)囊后肢的AUC較高，各部位組合的AUC較單部位提高，3部位的平均NAA/(Cho+Cr)和內(nèi)囊后肢、大腦腳兩部位的平均NAA/(Cho+Cr)的AUC超過0.9，特異度和靈敏度較高。

圖2 1H-MRS檢測腦錐體束走行各部位(A)和各部位組合(B)的NAA/(Cho+Cr)診斷ALS的ROC曲線

3 討論

上、下運動神經(jīng)元同時受累和進行性病程是ALS的特征和診斷要點[1，5]。下運動神經(jīng)元損害通過肌電圖檢查很容易確認，而UMN受累的評定依靠臨床癥狀體征并不可靠，ALS患者下運動神經(jīng)元損害突出可以掩蓋UMN體征，而頸椎間盤突出、頸椎管狹窄引起的上下肢病理征和下肢腱反射增高又易誤判為ALS征象。因此，尋找客觀準確的UMN評價指標成為臨床的迫切需要，有利于明確診治及鑒別下運動神經(jīng)元綜合征、頸椎病等易混淆疾病，有利于篩選早期病例進入新藥臨床試驗，有利于建立客觀敏感的療效評價指標。經(jīng)顱磁刺激運動誘發(fā)電位可以檢測中樞運動傳導通路錐體束的功能，但用于早期發(fā)現(xiàn)ALS患者的UMN損害的敏感性不高[6]。新的神經(jīng)影像技術(shù)MRS和彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)的出現(xiàn)，給ALS的UMN損害的生物標記物的研究注入了新的活力。

DTI通過測量水分子的彌散及其各向異性來反映微觀組織結(jié)構(gòu)的完整性。研究結(jié)果顯示，采用DTI 技術(shù)可發(fā)現(xiàn)ALS患者中央前回皮質(zhì)下白質(zhì)、內(nèi)囊后肢、大腦腳等錐體束走行部位的部分各向異性值顯著降低[4，7]，提示ALS患者的錐體束存在組織結(jié)構(gòu)異常；部分各向異性值用于輔助診斷ALS的UMN損害的準確性較高[7-8]。利用MRS檢測NAA、Cho、Cr等代謝物濃度可揭示神經(jīng)組織的生化代謝改變。NAA僅存在于成熟神經(jīng)元及其突起中，是神經(jīng)元的標志物，其降低提示神經(jīng)元缺失或功能障礙；Cho是細胞膜磷脂代謝的成分并反映膜的更新，其升高見于膠質(zhì)增生、損傷修復和脫髓鞘等情況；Cr是高能磷酸鍵的儲備以及三磷酸腺苷和二磷酸腺苷的緩沖劑，存在于星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元中，普遍均勻地分布于腦組織，其在疾病中維持一定的穩(wěn)定性，常作為參照峰，計算其他代謝物與Cr的比值。本研究結(jié)果顯示，ALS患者中央前回皮質(zhì)下、內(nèi)囊后肢、大腦腳等沿錐體束走行部位的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)較對照組顯著降低，這與國內(nèi)外報道[9-10]結(jié)果一致；另外中央前回的NAA比值與Ellis評分呈負相關(guān)，提示ALS患者的運動皮質(zhì)和錐體束纖維存在UMN缺失或功能障礙，這與DTI檢查發(fā)現(xiàn)ALS患者錐體束微觀結(jié)構(gòu)異常的結(jié)果相符，表明MRS是評估ALS的UMN損害的有效方法。NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)兩種NAA比值中，從組間差異和ROC曲線來看NAA/(Cho+Cr)可能更有效。ALS患者的組織病理中除運動神經(jīng)元及其軸索變性缺失外還存在膠質(zhì)增生、細胞膜破壞和繼發(fā)性脫髓鞘[11]，NAA/(Cho+Cr)改變不僅來源于NAA的降低，還來源于Cho的增高[12-13]，從而NAA/(Cho+Cr)顯示出更高的錐體束損害檢測效力，尤其在內(nèi)囊后肢和大腦腳等纖維束集中部位。ALSFRS評分主要受下運動神經(jīng)元損害導致的功能障礙影響[14]，NAA比值與ALSFRS評分無相關(guān)性與以往的研究結(jié)果[9-10]一致，其直接來源于對腦內(nèi)錐體束的檢測，不受下運動神經(jīng)元的干擾，是監(jiān)測UMN微觀生化代謝改變的指標。

通過利用MRS對ALS患者和對照組的研究，促進了人們對ALS的UMN損害的病理生理機制的理解，其可能是有臨床應用前景的影像學標記物。但在將其應用于個體患者的診治前，尚需對其檢測效力進行評估[14]，但目前這方面的研究非常少[10]。ROC曲線通過計算AUC，可將靈敏度和特異度結(jié)合起來全面準確地評估診斷試驗的診斷價值[15]。本研究結(jié)果顯示：錐體束走行的各部位和各部位組合的NAA/Cr和NAA/(Cho+Cr)的AUC為0.67～0.91，MRS指標輔助診斷ALS的準確性中等，其AUC數(shù)值未能超越作者既往有關(guān)DTI的研究[8]。綜合ROC曲線和AUC分析，內(nèi)囊后肢NAA比值降低輔助診斷UMN損害的價值較好。分析其原因之一為：本研究采用多體素MRS掃描，空間分辨率好，可以將較小的感興趣區(qū)放置于內(nèi)囊后肢錐體束走行位置而不受周圍組織的干擾，而在中央前回皮質(zhì)下測量時，卻因為體素小而存在信息獲取不足的問題。多部位組合的AUC和診斷效力優(yōu)于單部位，其中內(nèi)囊后肢、大腦腳兩部位的平均NAA/(Cho+Cr)和三部位的平均NAA/(Cho+Cr)的AUC超過0.9，顯示較高的診斷準確性。ALS的病損特征即是廣泛性UMN損害和錐體束變性，在錐體束走行進行多水平檢測和綜合評估，更易排除其他病引起的局灶性的NAA比值降低，將ALS廣泛而全程的錐體束損害鑒別出來。最近報道的全腦MRS研究[13,16]支持這一觀點，全錐體束的代謝物和代謝物比值與對照組間差異大。全腦MRS將由雙側(cè)運動皮層至腦干的顱內(nèi)錐體束全程進行整體測量，避免了體素放置的主觀性和測量評估的不連續(xù)性，個體內(nèi)和個體間的變異小，穩(wěn)定性高，還可以檢測代謝物的絕對濃度，是ALS的MRS研究的新方向。

綜上所述，1H-MRS檢查可發(fā)現(xiàn)ALS患者錐體束走行的功能代謝異常，是評估ALS的UMN損害的客觀影像學指標，但其診斷準確性中等。進行多水平檢測、綜合指標的選擇以及檢測方法、評估方法的改進，將促使其向臨床應用方向更近一步。

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(本文編輯：時秋寬)

Magnetic resonance spectroscopy in the diagnosis of upper motor neuron involvement in amyotrophic lateral sclerosis

JIANFan,CUILiying*,PANHua,XINGYan,LIXiaoguang,LIUMingsheng.

*DepartmentofNeurology,PekingUnionMedicalCollegeHospital,ChineseAcademyofMedicalScience,Beijing100730,China

CUI Liying, Email: pumchcuily@sina.com

Objective To evaluate the feature and diagnostic accuracy of proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) in detecting upper motor neuron (UMN) involvement in amyotrophic lateral sclerosis (ALS).Methods The study included 31 ALS patients and 32 healthy controls and measured the concentration of N-acetylaspartate(NAA), choline(Cho) and creatine(Cr) by1H-MRS in subcortical white matter of precentral gyrus, posterior limb of internal capsule (PLIC) and cerebral peduncle (CP).Ratios of NAA/Cr, NAA/(Cho+Cr) and Cho/Cr were calculated from these measurements.The diagnostic value of NAA ratios for ALS lesions was analyzed by receiver operating characteristic (ROC) curves. Results Compared with the controls, ALS group had significantly decreased NAA/Cr and NAA/(Cho+Cr) ratios at the three levels along the corticospinal tract (CST) (P<0.05).In ROC analysis, areas under the curves (AUC) ranged from 0.67 to 0.91.The average NAA/(Cho+Cr) ratio of PLIC and CP showed the best performance with an AUC of 0.91, a sensitivity of 0.828 and a specificity of 0.906, followed by the average NAA/(Cho+Cr) ratio of all the three levels, with the corresponding data as 0.90, 0.769 and 0.875.Conclusions1H-MRS can reveal metabolite abnormalities in the intracranial CTS of ALS patients and serve as a neuroimaging biomarker for UMN involvement.Regarding its moderate diagnostic accuracy, multilevel measurements and synthetically using parameters will help to improve its efficacy.

amyotrophic lateral sclerosis; corticospinal tract; magnetic resonance spectroscopy; ROC curve

10.3969/j.issn.1006-2963.2017.01-008

100050首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)病學中心(翦凡、潘華)；100730 中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科(崔麗英、李曉光、劉明生)；100012 航空總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科(邢巖)

崔麗英，Email: pumchcuily@sina.com

R744.8

A

1006-2963(2017)01-0029-05

2016-11-30)