擴(kuò)散峰度成像對單側(cè)顳葉癲癇患者的初步研究

劉 蘭,劉 筠,許 亮

(1河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院影像學(xué)部,張家口 075000;2天津市人民醫(yī)院影像學(xué)部;*通訊作者,E-mail:bdliulan@163.com)

顳葉癲癇(temporal lobe epilepsy,TLE)是最常見的局灶性癲癇類型,但越來越多的證據(jù)支持TLE是一種能夠引起多個(gè)相關(guān)腦區(qū)代謝、功能連接和微觀結(jié)構(gòu)改變的腦網(wǎng)絡(luò)疾病[1,2]。擴(kuò)散張量成像(diffusional tensor imaging,DTI)已廣泛應(yīng)用于評估TLE患者腦組織微觀結(jié)構(gòu)的損傷,但是基于水分子擴(kuò)散呈高斯分布的假設(shè),尚不能反映真實(shí)水分子的非高斯分布情況。擴(kuò)散峰度成像(diffusional kurtosis imaging,DKI)是DTI的延伸,能夠用于探查非高斯分布水分子的擴(kuò)散特性。已有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)DKI較DTI能夠更好地顯示腦組織微觀結(jié)構(gòu)改變[3-5]。然而,DKI技術(shù)應(yīng)用于TLE的研究尚處在初步探討階段,以往采取根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)在特定腦區(qū)勾畫感興趣區(qū)(region of interest,ROI)的方法,研究范圍比較局限,重復(fù)性和精確性較差[6,7]。本研究采用基于纖維束的空間統(tǒng)計(jì)(tract-based spatial statistics,TBSS)對DTI和DKI進(jìn)行后處理,定量比較DTI和DKI參數(shù)在顯示單側(cè)TLE患者腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)受損情況的差異。

1 資料與方法

1.1 研究對象

TLE組:共收集2015-04～2016-05天津市人民醫(yī)院收治的28例單側(cè)TLE患者,根據(jù)致癇灶的側(cè)別分為左側(cè)顳葉癲癇(L-TLE)患者13例,男7例,女6例,年齡20-65歲,平均(43.62±14.69)歲,病程2-56年,中位數(shù)為22年,發(fā)作頻率1-13次/月,平均(3.15±2.48)次/月。右側(cè)顳葉癲癇(R-TLE)患者15例,男8例,女7例,年齡16-69歲,平均(44.87±16.37)歲,病程1-40年,中位數(shù)為18年,發(fā)作頻率1-8次/月,平均(3.80±3.65)次/月。入組標(biāo)準(zhǔn):①符合國際抗癲癇聯(lián)盟(International League Against Epilepsy,ILAE)和國際癲癇局(International Bureau for Epilepsy,IBE)關(guān)于癲癇的診斷標(biāo)準(zhǔn)[8];②典型的TLE發(fā)作癥狀;③兩次以上常規(guī)、長程或視頻腦電圖示單側(cè)顳部及蝶骨電極示癇樣異常波;④常規(guī)MRI除HS外,均未見其他顱內(nèi)器質(zhì)性病變。排除標(biāo)準(zhǔn):①非癇性發(fā)作性疾病,如暈厥、發(fā)作性睡病、低血糖癥等;②腦腫瘤、腦卒中、腦外傷、血管畸形等病因所致的癲癇;③雙側(cè)TLE患者及致癇灶定側(cè)不明確、不一致的TLE患者;④藥物及酒精成癮者;⑤精神疾病和抑郁、焦慮等情緒障礙疾病;⑥具有MRI禁忌證及檢查不合作者。MRI檢查時(shí)患者均處于發(fā)作間期,檢查前24 h內(nèi)均無癇性發(fā)作。

對照組:選取性別、年齡、利手情況、受教育年限相匹配的健康志愿者15例,男8例,女7例,年齡20-62歲,平均(42.40±11.53)歲。均既往體健,無神經(jīng)系統(tǒng)疾病、頭部外傷史、精神類疾病、情緒障礙疾病。

1.2 數(shù)據(jù)采集

使用Simens Skyra 3.0T超導(dǎo)型磁共振掃描儀,標(biāo)準(zhǔn)20通道頭頸聯(lián)合線圈,受試者頭部用海綿墊固定,耳內(nèi)放置耳塞來減少噪音。對所有患者行常規(guī)T1W1、T2WI、FLAIR、垂直于海馬長軸的斜冠狀位FLAIR T2WI及DKI序列掃描。DKI掃描參數(shù):采用平面回波成像(echo planar imaging,EPI)序列,TR=7 000 ms,TE=88 ms,激勵(lì)次數(shù)為2,矩陣為96×96,FOV=220 mm×220 mm,層厚為3 mm,無層間距,擴(kuò)散敏感梯度方向?yàn)?0個(gè),b值分別取0，1 000，2 000 s/mm2,空間分辨率為2.3 mm×2.3 mm×3.0 mm,總掃描時(shí)間為7分30秒。

1.3 數(shù)據(jù)處理

從DKI原始數(shù)據(jù)中提取b=1 000的數(shù)據(jù)作為DTI數(shù)據(jù)[4]。采用MRIcro軟件將所有受試者的DTI和DKI數(shù)據(jù)的原始DICOM圖像轉(zhuǎn)化為4D NIfTI格式,DTI數(shù)據(jù)經(jīng)FMRIB Software Library 5.0.9(FSL5.0.9)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,包括壓縮圖像、渦流校正、頭動(dòng)校正和去除頭皮和顱骨等非腦組織,獲得全腦mask,計(jì)算每個(gè)體素的擴(kuò)散張量,得到全腦各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy,FA)、平均擴(kuò)散率(mean diffusivity,MD)參數(shù)圖。DKI數(shù)據(jù)采用DKE軟件進(jìn)行預(yù)處理,得到平均峰度(mean kurtosis,MK)、軸向峰度(axial kurtosis,AK)和徑向峰度(radial kurtosis, RK)參數(shù)圖。

DTI和DKI數(shù)據(jù)經(jīng)TBSS方法處理。首先將所有受試者的FA圖對齊到標(biāo)準(zhǔn)FA圖,再配準(zhǔn)到1 mm×1 mm×1 mm蒙特利爾神經(jīng)病研究所(Montreal neurological institute,MNI)標(biāo)準(zhǔn)空間,得到所有被試者的平均FA圖;將所有被試者的FA圖配準(zhǔn)到平均FA圖上,得到平均FA圖和FA圖骨架;最后將受試者的FA圖配準(zhǔn)到平均FA骨架上(FA閾值設(shè)為0.2),再通過基于體素統(tǒng)計(jì)分析得到組間FA纖維骨架差異圖(P<0.05)。各參數(shù)圖TBSS處理過程同F(xiàn)A,分別獲得標(biāo)有差異腦區(qū)的各參數(shù)骨架圖。通過FSL軟件計(jì)算了各參數(shù)異常腦區(qū)體素?cái)?shù)占全腦白質(zhì)纖維骨架體素總和的百分?jǐn)?shù)[6]。將全腦經(jīng)正中矢狀面分割為左、右半球,分別記錄L-TLE和R-TLE患側(cè)和健側(cè)半球差異腦區(qū)體素百分?jǐn)?shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間比較采用t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以頻數(shù)和百分?jǐn)?shù)表示,組間比較采用χ2檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α定為0.05。

2 結(jié)果

2.1 常規(guī)MRI分析結(jié)果

參考Scheltens等[9]提出的內(nèi)側(cè)顳葉萎縮評分標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)海馬高度、側(cè)腦室顳角寬度以及脈絡(luò)裂寬度分為5級(0-4分),對受試者雙側(cè)內(nèi)側(cè)顳葉進(jìn)行評估得到雙側(cè)MTA評分。正常對照組兩側(cè)MTA評分范圍為0-2分,左側(cè)和右側(cè)分別為(0.53±0.04)分和(0.42±0.02)分,雙側(cè)MTA評分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),故將正常對照組的左側(cè)和右側(cè)MTA評分分別與單側(cè)TLE組患側(cè)和健側(cè)MTA評分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)比較。L-TLE組患側(cè)和健側(cè)MTA評分范圍為1-4分[平均(3.00±0.06)分]和0-1分[平均(0.41±0.04)分];R-TLE組患側(cè)和健側(cè)MTA評分范圍分別為2-4分[平均(2.29±0.05)分]和0-2分[平均(0.47±0.02)分]。L-TLE組和R-TLE組患側(cè)MTA評分均顯著高于對照組(均P<0.05),且R-TLE組患側(cè)MTA評分顯著高于健側(cè)(P=0.039),L-TLE雙側(cè)MTA評分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),L-TLE組和R-TLE組健側(cè)MTA評分與對照組差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05,見表1)。

表1 雙側(cè)內(nèi)側(cè)顳葉MTA評分比較Table 1 Comparison of bilateral medial temporal lobe MTA score

2.2 DTI和DKI數(shù)據(jù)分析結(jié)果

與對照組相比,L-TLE組各參數(shù)圖差異腦區(qū)體素?cái)?shù)百分?jǐn)?shù)分別是6.76%(FA)，12.08%(MD)，33.21%(MK)，23.71%(AK)，14.96%(RK)(見圖1),DTI-FA、DTI-MD和DKI-MK、DKI-AK、DKI-RK骨架圖上顯示具有顯著差異的腦白質(zhì)區(qū)域的分布(P<0.05);R-TLE組分別是19.91%(FA)，7.94%(MD)，39.55%(MK)，16.13%(AK)，29.21%(RK)(見圖2)。DTI-FA、DTI-MD和DKI-MK、DKI-AK、DKI-RK骨架圖上具有顯著差異的腦白質(zhì)區(qū)域的分布(P<0.05)。L-TLE組和R-TLE組雙側(cè)半球廣泛的白質(zhì)纖維束均不同程度的受累,包括胼胝體、穹窿、雙側(cè)內(nèi)囊、外囊、放射冠、鉤束、上、下縱束、扣帶束、上、下額枕束等白質(zhì)區(qū)域,但MK骨架圖顯示的差異腦區(qū)除上述腦白質(zhì)區(qū)域外,在廣泛的近皮層腦白質(zhì)區(qū)域和雙側(cè)放射冠白質(zhì)區(qū)域差異腦區(qū)的顯示較其他參數(shù)敏感。

3 討論

DTI技術(shù)利用水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)存在各向異性來反映活體組織的細(xì)微結(jié)構(gòu)的改變,常用的參數(shù)有FA值和MD值,FA值描述了水分子擴(kuò)散各向異性的程度,MD值反映了水分子擴(kuò)散能力,與擴(kuò)散方向無關(guān)。DTI的理論基礎(chǔ)是假設(shè)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)呈高斯分布,但在活體組織內(nèi),水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受細(xì)胞膜、細(xì)胞器、細(xì)胞間質(zhì)黏稠度等多種因素的影響,呈非高斯分布。DKI技術(shù)是在DTI基礎(chǔ)上發(fā)展而來,檢測活體水分子擴(kuò)散情況并真實(shí)反映病理狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)改變的擴(kuò)散MRI技術(shù)。DKI既可以獲得DTI參數(shù)圖,還可以獲得峰度參數(shù)圖,如MK、AK和RK等參數(shù),MK反映了組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,適用于描述腦白質(zhì)和腦灰質(zhì),在研究中應(yīng)用最廣泛,AK和RK分別代表軸向和徑向方向上峰度的平均值。

TBSS作為目前較新穎和精確度較高的DTI和DKI數(shù)據(jù)后處理方法而得到了廣泛應(yīng)用。本研究采用TBSS方法分別處理DTI和DKI數(shù)據(jù),得到各擴(kuò)散和峰度參數(shù)骨架圖。經(jīng)軟件計(jì)算發(fā)現(xiàn),DKI-MK對于顯示單側(cè)TLE患者腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)改變的體素?cái)?shù)百分?jǐn)?shù)均明顯高于其他參數(shù),提示MK能更敏感和全面地檢測出TLE患者腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)變化程度和范圍,對DTI技術(shù)具有補(bǔ)充作用,與DKI應(yīng)用于其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究發(fā)現(xiàn)相一致[6,10,11]。

單側(cè)TLE患者于擴(kuò)散參數(shù)圖(FA和MD)上差異腦區(qū)主要分布在胼胝體、內(nèi)囊、外囊、鉤束、穹窿、放射冠等白質(zhì)纖維束走行一致和連貫的白質(zhì)區(qū)域,與以往研究結(jié)果一致[12,13]。然而,峰度參數(shù)骨架圖(MK、AK及RK)顯示差異腦區(qū)的分布除了上述區(qū)域外,在廣泛纖維束走行復(fù)雜和交叉的腦白質(zhì)區(qū)域,如各腦葉近皮層的白質(zhì)區(qū)域和輻射冠的MK值顯著降低,差異腦區(qū)的顯示更為廣泛,提示了DKI參數(shù)對纖維束走行交叉、復(fù)雜區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)損傷更為敏感,與Zhu等[5]的研究結(jié)果相一致。如前所述,擴(kuò)散和峰度參數(shù)表征水分子擴(kuò)散的不同特征,對微觀結(jié)構(gòu)不同的白質(zhì)區(qū)域的敏感性不同,FA值反映了在特定體素內(nèi)水分子擴(kuò)散方向的各向異性,尚不能評估存在多條不同方向纖維束穿行體素內(nèi)水分子擴(kuò)散的各向異性,而MD值表示水分子整體擴(kuò)散水平和受阻情況,不受擴(kuò)散方向影響,適合評價(jià)纖維束走行一致和連貫的白質(zhì)區(qū)域,如位于深部腦白質(zhì)、胼胝體、內(nèi)囊前肢等白質(zhì)纖維束,但是卻受限于纖維束走行復(fù)雜腦白質(zhì)區(qū)域,如纖維束交叉和皮層下白質(zhì)區(qū)域[14]。而DKI技術(shù)的特征參數(shù)MK測量的是呈非高斯分布水分子的擴(kuò)散程度,更適合評估纖維束走行復(fù)雜的腦白質(zhì)區(qū)域[15],本研究結(jié)果表明DKI參數(shù)能敏感地檢測出TLE患者皮層下白質(zhì)和放射冠等白質(zhì)區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的異常,可以初步認(rèn)為DKI能夠更全面地評估TLE患者腦白質(zhì)受損范圍和程度。

綠色表示平均FA骨架,紅色和藍(lán)色分別表示參數(shù)值顯著升高和降低的區(qū)域

以往有關(guān)TLE的DTI研究沒有關(guān)注致癇灶側(cè)別對研究結(jié)果的影響,但已有相當(dāng)多的證據(jù)支持TLE患者腦白質(zhì)受累范圍和程度受致癇灶側(cè)別的影響。研究發(fā)現(xiàn)L-TLE患者表現(xiàn)出更廣泛的腦白質(zhì)和灰質(zhì)結(jié)構(gòu)受損[16]。Focke等[17]研究發(fā)現(xiàn)左側(cè)TLE患者異常腦區(qū)范圍更為廣泛,并且邊緣系統(tǒng)受損程度更為顯著,其機(jī)制尚不清楚,Focke猜測癲癇異常放電在語言優(yōu)勢半球傳播更為廣泛,癇樣異常放電對左半球造成的腦損害更為顯著和廣泛。與Focke等[17]的研究結(jié)果有所不同,Lemkaddem等[18]利用擴(kuò)散光譜成像(diffusion spectrum imaging,DSI)技術(shù)對比研究發(fā)現(xiàn),R-TLE較L-TLE表現(xiàn)出范圍更為廣泛并呈雙側(cè)分布的結(jié)構(gòu)異常區(qū)域。本研究中兩組單側(cè)TLE患者在年齡、性別、發(fā)病年齡、病程、發(fā)作頻率無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的前提下,發(fā)現(xiàn)R-TLE組表現(xiàn)出受累范圍更為廣泛的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷,與Lemkaddem等[18]的研究結(jié)果相一致。分析造成這種差異的可能原因有:一方面,可能與納入研究對象在年齡范圍、發(fā)病起始年齡、抗癲癇藥物的使用差異有關(guān);另一方面,本研究顯示R-TLE組患側(cè)MTA評分顯著高于L-TLE組,提示R-TLE組患者內(nèi)側(cè)顳葉萎縮程度較L-TLE組明顯,可能影響研究結(jié)果。

綠色表示平均FA骨架,紅色和藍(lán)色分別表示參數(shù)值顯著升高和降低的區(qū)域

本研究發(fā)現(xiàn)無論是L-TLE組還是R-TLE組,擴(kuò)散參數(shù)骨架圖上左半球差異腦區(qū)體素?cái)?shù)百分?jǐn)?shù)均稍高于右半球,與致癇灶的側(cè)別無明顯的相關(guān)性。但MK骨架圖上顯示差異腦區(qū)百分?jǐn)?shù)均以患側(cè)半球稍高于健側(cè),與致癇灶側(cè)別具有相關(guān)性,與以往的研究結(jié)果相一致[12,19]。筆者推測,癇樣異常放電在致癇灶同側(cè)半球傳播更為廣泛,造成的功能和結(jié)構(gòu)損傷更為廣泛和顯著。此外,峰度參數(shù)較擴(kuò)散參數(shù)能夠更加敏感地反映單側(cè)TLE患者腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)損傷的偏側(cè)性改變,再次證實(shí)了DKI技術(shù)的優(yōu)越性,但由于本研究樣本數(shù)量較少,有待今后深入的研究來驗(yàn)證。

綜上所述,單側(cè)TLE患者存在廣泛和雙側(cè)半球分布的腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)損傷。DKI能更加敏感和全面地檢測出單側(cè)TLE患者腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)損傷,特別是在纖維束走行復(fù)雜的區(qū)域,對傳統(tǒng)DTI技術(shù)是一個(gè)有利的補(bǔ)充;此外,DKI能夠較敏感地顯示單側(cè)TLE患者腦白質(zhì)損傷的偏側(cè)性改變,可能有助于致癇灶的定側(cè),有待今后大樣本研究來論證。