運動神經(jīng)元病患者腦白質(zhì)病變的擴散張量成像研究

段莉琴， 劉 園， 彭 ?！?/p>

1浙江省中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，杭州 310006 2華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，武漢 430022

運動神經(jīng)元病患者腦白質(zhì)病變的擴散張量成像研究

段莉琴1， 劉 園2， 彭 海2△

1浙江省中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，杭州 3100062華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，武漢 430022

目的利用擴散張量成像技術(shù)(DTI)定量評估運動神經(jīng)元病患者的腦白質(zhì)病變，探究可能的發(fā)病機制。方法15例臨床診斷為運動神經(jīng)元病患者作為實驗組，16例年齡、性別匹配的無神經(jīng)系統(tǒng)疾病的志愿者為對照組。行DTI及常規(guī)磁共振掃描，應(yīng)用基于纖維束的空間統(tǒng)計方法(TBSS)對全腦白質(zhì)進行分析，提取異常區(qū)域的部分各項異性(FA值)、平均彌散率(MD值)、特征值(λ1、λ2、λ3)。結(jié)果實驗組與對照組相比，左側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值顯著下降(P=0.034)，特征值λ2(P=0.124)、λ3(P=0.064)有升高趨勢，右側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值有下降趨勢(P=0.050)。兩組λ1、MD值未見明顯差異。結(jié)論DTI能夠定量顯示運動神經(jīng)元病患者皮質(zhì)脊髓束損害，并且該病變可能是脫髓鞘所致。

運動神經(jīng)元??； 擴散張量成像； 皮質(zhì)脊髓束

運動神經(jīng)元病(motor neuron disease，MND)是一種以運動神經(jīng)元受累為主的慢性進行性神經(jīng)變性疾病。迄今，尚無早期確診的方法，診斷除依靠典型臨床表現(xiàn)外，主要依賴電生理檢測。傳統(tǒng)影像學(xué)技術(shù)如頭顱CT、MRI等主要用于排除其他疾病，但不能有效檢測出責任病灶[1]。隨著影像學(xué)的快速發(fā)展，擴散張量成像技術(shù)(diffusion tensor imaging，DTI)能夠定量檢測三維空間內(nèi)水分子的彌散特性。通過檢測不同組織內(nèi)水分子彌散差異分辨不同組織及病變。大腦白質(zhì)，尤其是皮質(zhì)脊髓束(corticospinal tract，CST)，是運動神經(jīng)元病重要病變部位，檢測纖維束中水分子彌散特征的改變能夠顯示纖維束的微觀改變。采用基于纖維束示蹤的空間統(tǒng)計方法(tract-based spatial statistics，TBSS)對DTI圖像進行處理，能夠有效消除技術(shù)員的選擇偏倚，并有助于各個研究之間的比較[2]。本研究采用TBSS技術(shù)對DTI數(shù)據(jù)進行處理，定量評估運動神經(jīng)元病白質(zhì)病變，探究其可能的病理機制。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

收集2013年7月至2016年6月間于武漢協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科就診，具有構(gòu)音障礙、肌無力、肌萎縮等臨床表現(xiàn)，初步考慮為運動神經(jīng)元病的患者。這些患者經(jīng)神經(jīng)?？漆t(yī)生系統(tǒng)的體格檢查，并常規(guī)行肌電圖及神經(jīng)傳導(dǎo)速度、頭頸磁共振等檢查。部分患者行腫瘤標志物、甲狀腺功能、肌酸激酶、血沉、ENA全套、腰穿、肺部CT、神經(jīng)重復(fù)電刺激、新斯的明試驗等檢查排除其他疾病。依據(jù)修訂版El Escorial標準[3]對入選患者進行分級。排除脊髓型頸椎病或腰椎病、既往有腦血管病等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病或雖無明確腦血管病病史但常規(guī)磁共振掃描皮質(zhì)脊髓束走行區(qū)域內(nèi)可見較大缺血灶或軟化灶、呼吸衰竭及不能配合完成掃描的患者。依據(jù)《北京大學(xué)左右利手判斷標準》對所有受檢者進行評估，確定左右利手。本研究經(jīng)過華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)倫理委員會批準，檢測前均取得受試者口頭同意。

1.2 掃描方法

由武漢協(xié)和醫(yī)院西門子3T Trio磁共振儀掃描獲取，所有受檢者掃描前被告知掃描禁忌事項。DTI數(shù)據(jù)使用8通道磁共振頭部正交線圈，層厚為2 mm，層間距1 mm，共44層，TR 6 000 ms，TE 93 ms，翻轉(zhuǎn)角90°。視野是256×256，矩陣大小為128×128，體素大小為2×2×3，b值為1 000 s/m2，共30個方向。重復(fù)2次掃描，時長為6.30 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 使用dcm2nii將每個被試dicom數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到nii.gz格式(FSL可處理格式)。

1.3.2 數(shù)據(jù)渦流校正 使用FSL軟件，利用FDT工具箱內(nèi)Eddy correct對DTI數(shù)據(jù)進行渦流校正。

1.3.3 DTI參數(shù)獲取 將校正后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入FDT工具箱DTIFit，計算出每個被試的FA、MD、V1-3(特征方向)，λ1-3(特征值)等DTI參數(shù)。

1.3.4 TBSS處理 TBSS處理是一種基于白質(zhì)模板全腦統(tǒng)計分析方式，較傳統(tǒng)體素配準模板分析，精確度和可信度大大提高。主要分為以下4個步驟。

第1步：配準，每個被試FA圖像配準對齊到MNI152標準腦空間模板(FMRIB58_FA，1 mm×1 mm×1 mm)。

第2步：白質(zhì)骨架提取，配準后FA圖像疊加至一個4D數(shù)據(jù)，然后圖像平均得到均值FA圖像，此圖像利用FA白質(zhì)骨架提取技術(shù)得到均值FA白質(zhì)骨架模板。

第3步：閾值分析，使用閾值0.3，將FA白質(zhì)骨架模板去除灰質(zhì)影響，然后將前面中4D all_FA圖像(包含每個被試對齊后的FA圖像)配準到均值FA白質(zhì)骨架模板上，得到all_FA_skeleton圖像。對于MD、λ1-3特征值，由于FA配準以及骨架提取已經(jīng)完成，可以使用其配準及提取方式，將3個特征值自動配準以及骨架提取得到all_MD、all_λ1-3以及均值骨架模板及all_MD_skeleton、all_λ1-3_skeleton。

第4步：統(tǒng)計分析，主要分析對象為all_X_skeleton圖像，使用FSL軟件包工具Rondmosie，使用最大聚類空間分布多重比較檢驗，結(jié)果展示以FWE校正結(jié)果為準。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

使用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，兩組均數(shù)的比較采用t檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

本研究共納入15例患者，如表1所示。其中男性7例，女性8例。左利手1例，右利手13例，混合利手1例。年齡39～80歲，平均年齡(55.8±13.4)歲。同時招募16位無中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的自愿者為對照組，包括男性8例，女性8例。左利手1例，右利手14例，混合利手1例。年齡37～81歲，平均年齡(55.8±12.3)歲。兩組之間性別(P=0.859)、年齡(P=0.998)、左右利手(P=1.000)差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

利用TBSS比較兩組DTI參數(shù)結(jié)果顯示，病變主要位于皮質(zhì)脊髓束，從第一運動皮質(zhì)延伸至內(nèi)囊水平。實驗組與對照組相比，左側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值顯著下降(P=0.034)，右側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值有下降趨勢，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.050)。左側(cè)皮質(zhì)脊髓束λ2(P=0.124)、λ3(P=0.064)有升高趨勢，但λ1、MD值無改變。提取CST異常區(qū)域的FA值、MD值，如表2所示。

取P=0.050，利用TBSS獲得實驗組與對照組FA值、λ2、λ3存有差異的區(qū)域，如圖1所示。FA值有差異的區(qū)域與λ值有差異的區(qū)域基本一致。增大P值可見有差異區(qū)域重疊范圍增大。

3 討論

DTI通過檢測組織內(nèi)水分子彌散特性，能夠反映組織的微觀改變，尤其是對有固定排列的組織如纖維束的檢測有獨特的優(yōu)勢。常用參數(shù)包括部分各項異性(FA)、平均彌散系數(shù)(MD)、特征值(λ1、λ2、λ3)等。FA是指擴散張量的各向異性部分與整個擴散張量的比值，是張量的特征值。當水分子擴散在易于擴散的方向上受到限制時，F(xiàn)A值下降[4]。腦白質(zhì)FA值受髓鞘完整性、纖維束致密及平行性的影響。MD值是λ1、λ2、λ3的平均值。在纖維束中，λ1反映平行于纖維束走行方向的彌散率；λ2、λ3反映垂直纖維束走行的彌散率。

表1 運動神經(jīng)元病患者的臨床特征Table 1 Clinical features of patients with motor neuron disease

*“臨床擬診”即“實驗室支持-臨床擬診”；#患者行DTI掃描時僅出現(xiàn)延髓節(jié)段癥狀，在隨訪中發(fā)現(xiàn)右上肢無力;PMA：進行性脊肌萎縮；PLS：原發(fā)性側(cè)索硬化

表2 CST異常區(qū)域FA值、MD值Table 2 FA and MD value of CST abnormal area

運動神經(jīng)元病患者的病理學(xué)研究顯示：中央前回不同程度萎縮，錐體細胞部分或完全消失，殘余的錐體細胞深染固縮，膠質(zhì)細胞增生，淋巴細胞浸潤，皮質(zhì)脊髓束變性，細胞外基質(zhì)擴張等?？赡艽嬖诘奈⒂^改變包括：細胞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因髓鞘及軸突變性引起細胞膜破壞，離子環(huán)境出現(xiàn)改變，血流阻滯、軸索流下降。上述改變均能引起水分子彌散特性的改變[5]。

本研究發(fā)現(xiàn)MND患者左側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值顯著降低，且下降區(qū)域主要集中在運動皮質(zhì)至內(nèi)囊水平，而右側(cè)皮質(zhì)脊髓束FA值有下降趨勢，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義。FA值降低意味著該區(qū)域內(nèi)限制水分子各向異性擴散的屏障受損或纖維走行一致性下降。在纖維束中，水分子擴散主要受軸膜、髓鞘限制，因此FA值下降可能與軸索變性、脫髓鞘改變有關(guān)。皮質(zhì)脊髓束是運動皮質(zhì)的下行纖維束，在內(nèi)囊水平，纖維高度致密，走行一致性高。皮質(zhì)脊髓束FA值下降，尤其是內(nèi)囊水平FA值下降，提示MND患者皮質(zhì)脊髓束受損。這與先前的研究結(jié)果一致[6-7]。以往許多研究采用基于感興趣區(qū)(ROI)分析方法并將雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA值平均后進行探討，認為這能消除雙側(cè)大腦半球白質(zhì)纖維的不對稱性對結(jié)果的影響[6]。但雙側(cè)大腦半球白質(zhì)纖維是否具有不對稱性尚無統(tǒng)一定論[8]，并且無大樣本研究顯示皮質(zhì)脊髓束存在這種不對稱性[8-9]。運動神經(jīng)元病患者癥狀多呈不對稱性，簡單對雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束取平均值進行探討可能會消除這種不對稱性對結(jié)果的影響，不能正確反映病變。本研究采用TBSS方法對全腦白質(zhì)纖維束進行比較，發(fā)現(xiàn)左側(cè)皮質(zhì)脊髓束而非右側(cè)皮質(zhì)脊髓束的FA值有顯著差異。結(jié)合病史分析，入選患者多為右側(cè)癥狀嚴重，與上述差異一致。這在一些縱向研究中可以證實，隨著病情加重FA值下降[10]。

圖中顯示的是實驗組與對照組FA值、λ2、λ3有差異的區(qū)域。黃色代表皮質(zhì)脊髓束CST，橙色代表FA值有差異的區(qū)域，藍色代表λ有差異的區(qū)域?？梢奆A值有差異的區(qū)域與λ值有差異的區(qū)域基本一致。增大P值，重疊范圍增大。圖1 實驗組與對照組FA值、λ2、λ3對照Fig.1 Comparison of FA，λ2，λ3 value between experimental group and control group

除上述改變外，本研究還發(fā)現(xiàn)左側(cè)皮質(zhì)脊髓束λ2、λ3有升高趨勢，λ1、MD無改變。λ2、λ3升高而λ1無改變的共同結(jié)果是FA值下降。如圖1所示，皮質(zhì)脊髓束FA值異常區(qū)域與λ2、λ3異常區(qū)域基本一致，但后者范圍較前者稍小，增大P值，重疊范圍增大。這與Chapman等[11]的研究結(jié)果不太一致。他們的研究結(jié)果顯示RD值(radial diffusivity，垂直彌散率，類似于λ2、λ3)異常區(qū)域較FA值異常區(qū)域廣。分析可能原因是Chapman的研究平行彌散率值(axial diffusivity，AD，類似于λ1)也有升高，而本研究λ1值無改變。但兩研究一致的是RD值(或λ2、λ3)較AD值(或λ1)變化明顯[11]。MD為λ1、λ2、λ3三者的平均值，因此檢測MD值的變化可能不如檢測λ1、λ2、λ3值的變化敏感。這和先前的一些研究結(jié)論一致[12]。結(jié)合DTI數(shù)據(jù)及相應(yīng)的組織病理結(jié)果顯示RD值(或λ2、λ3)升高可能反映脫髓鞘改變，而AD值(或λ1)升高可能與軸索受損有關(guān)。FA值、MD值不能分辨這2種病變。這在動物實驗中得到證實[13]。先前的研究顯示皮質(zhì)脊髓束FA值下降一致性高，而MD值可無改變或升高。Graham等[14]將自己的研究與Ellis[6]、Toosy[15]等的研究對比后認為，這種差異與入選患者的病程不同有關(guān)，并推測疾病初期FA值下降，MD值升高，但隨著膠質(zhì)細胞增生導(dǎo)致細胞致密性增高，MD值可假正?；Ｒ虼薓D結(jié)論不同是入選的患者上運動神經(jīng)元病變階段不同。早期FA下降，MD升高；晚期FA下降，MD不升高。但也有研究認為在軸索變性早期階段，在細胞完整性受損、細胞外間隙增高之前，F(xiàn)A值可降低，而MD值無改變[16]。本研究入選患者總的平均病程38.3個月；其中ALS平均病程21.4個月，PMA 57個月，PLS 132個月。ALS亞型的平均病程明顯短于Graham等的研究(平均病程30.7個月，最小9個月，最大142個月)，也比Toosy的研究(平均23個月，最小7個月，最大84個月)短。結(jié)合病理結(jié)果及先前的研究，我們推測：發(fā)病初期，髓鞘脫失但軸索保留，λ2、λ3升高，λ1無改變，F(xiàn)A值下降，MD值無改變；隨著病情進展，軸索變性，λ1升高，F(xiàn)A值仍可下降，MD逐漸升高；隨著膠質(zhì)增生、炎性細胞浸潤，F(xiàn)A值改變不明顯，MD值也恢復(fù)正常。該假說是否成立，還需動物實驗及前瞻性研究證實。

本研究存在一定的局限性。該研究是個小樣本研究，入選的部分患者尚不能確定為MND，尚需要隨訪證實。因患者經(jīng)濟條件等原因限制，并非所有患者都詳細排除了其他疾病，而且部分患者沒有復(fù)診，神經(jīng)專科醫(yī)生無法對患者體征進行再評估，單純電話隨訪可能產(chǎn)生偏倚。

綜上所述，本研究顯示DTI能夠定量顯示運動神經(jīng)元病患者上運動神經(jīng)元病變，尤其是皮質(zhì)脊髓束的損害，并且該病變可能與髓鞘脫失有關(guān)。DTI在MND中的應(yīng)用尚處于初級階段，但在其病理生理機制、病變檢測、病情監(jiān)測、預(yù)后等方面的探究已取得一定進展，隨著DTI圖像獲取、圖像處理等技術(shù)的革新，同時結(jié)合質(zhì)子波普成像、磁共振功能成像等其他影像學(xué)技術(shù)，相信DTI能夠讓我們對MND有更深刻的認識。

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DiffusionTensorImagingofChangesofWhiteMatterinPatientswithMotorNeuronDisease

Duan Liqin1，Liu Yuan2，Peng Hai2△

1DepartmentofNeurology，TheFirstAffiliatedHospitalofZhejiangUniversityofTraditionalChineseMedicine，Hangzhou310006，China2DepartmentofNeurology，UnionHospital，TongjiMedicalCollege，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430022，China

ObjectiveTo quantitatively assess the changes of white matter in 15 patients with motor neuron disease by diffusion tensor imaging(DTI)and to explore the possible pathogenesis.MethodsFifteen patients with a diagnosis of motor neuron disease and sixteen age- and sex-matched controls without disorders affecting the central nervous system

3.0T DTI；whole-brain white matter damage was examined using tract-based spatial statistics(TBSS)，and fractional anisotropy(FA)，mean diffusivity(MD)，λ1，λ2，λ3were extracted from the damage region.The data were analyzed byt-test to disclose the differences of white matter between patients and controls.ResultsAs compared with the control group,FA was significantly decreased (P=0.034) in the left corticospinal tract (CST),while λ2(P=0.124) and λ3(P=0.064) had a trend to increase,but FA (P=0.050) in the right CST had a trend to decrease in the experimental group.However,λ1and MD were not significantly different between the two groups.ConclusionDTI can quantitatively evaluate CST degeneration in patients with motor neuron disease，which may be caused by demyelination.

motor neuron disease； diffusion tensor imaging； corticospinal tract

段莉琴，女，1988年生，住院醫(yī)師，醫(yī)學(xué)碩士，E-mail：694397745@qq.com

△通訊作者，Correspondina author，E-mail：penghai493@126.com

R445.2

10.3870/j.issn.1672-0741.2017.06.016

(2017-04-24 收稿)