磁共振彌散張量成像在2型糖尿病患者腦白質(zhì)損傷中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉春林 郭志勇

1)新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第五臨床學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000 2)新鄉(xiāng)市第一人民醫(yī)院，河南 新鄉(xiāng) 453000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一類由多種因素導(dǎo)致的以血糖升高為基本特征的慢性代謝性疾病，長(zhǎng)期高血糖狀態(tài)可引起全身各個(gè)器官及組織慢性進(jìn)行性病變、功能障礙及衰竭[1]。主要分為1型糖尿病和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)，最常見的是2型糖尿病，占90.0%～95.0%。2型糖尿病是由于胰島素抵抗(insulin resistance，IR)伴隨相對(duì)胰島素分泌不足，或胰島素分泌缺陷伴或不伴胰島素抵抗所引起[2]。近年來，在全球各個(gè)地區(qū)，糖尿病的罹患率、發(fā)病率及患病人群數(shù)量急劇上升。據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(IDM)統(tǒng)計(jì)2016年全世界糖尿病人數(shù)已達(dá)4.3億，較2010年增長(zhǎng)近30%，其中約80%在不發(fā)達(dá)國(guó)家[3]。隨著我國(guó)人民生活水平的快速提高、生活方式的改變及老齡化進(jìn)程加速，肥胖及超重人口增加，我國(guó)DM患者數(shù)量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，2013年全國(guó)調(diào)查中2型糖尿病患病率為10.4%，男性高于女性(11.1% vs 9.6%)，且未診斷的糖尿病患者比例較高，約占總數(shù)的63%。2型糖尿病是一種終身疾病，易引起各種并發(fā)癥，以往調(diào)查顯示，在所有糖尿病相關(guān)并發(fā)癥中，以微血管并發(fā)癥和大血管并發(fā)癥對(duì)機(jī)體損害最突出，其中中樞神經(jīng)系統(tǒng)是易受累部位之一，約占12.6%[4]。T2DM患者易出現(xiàn)顱內(nèi)血管損害及大腦白質(zhì)病變(white matter lesions，WML)。大腦白質(zhì)病變?cè)贑T上表現(xiàn)為低密度影，在常規(guī)MRI序列上主要表現(xiàn)為白質(zhì)長(zhǎng)T1、長(zhǎng)T2信號(hào)及程度不等的大腦白質(zhì)萎縮。然而，T2DM引起的腦白質(zhì)損害是一個(gè)慢性、逐漸累積的過程。傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查方法，如CT及常規(guī)MRI對(duì)于腦白質(zhì)損害的特異性相對(duì)較差，較難檢測(cè)到早期WML的部位及程度。這就需要我們應(yīng)用更加敏感的技術(shù)，如磁共振彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)觀測(cè)早期大腦白質(zhì)纖維完整性的情況[5]。

1 DTI簡(jiǎn)介

DTI是一種以擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted image，DWI)為基礎(chǔ)，基于水分子在不均勻組織中具有擴(kuò)散各向異性特點(diǎn)的磁共振成像方法，由BASSER等[6]于1994年首次提出，此后逐漸在研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖及功能中應(yīng)用。DTI能非侵襲性地顯示活體腦白質(zhì)纖維束，通過多個(gè)參數(shù)反映白質(zhì)纖維束中水分子擴(kuò)散的程度及方向，是一種無創(chuàng)的跟蹤腦內(nèi)白質(zhì)纖維并顯示腦內(nèi)病變對(duì)白質(zhì)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)直接或間接的影響的檢查方法[7]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，水分子的運(yùn)動(dòng)受多種因素(如髓鞘、細(xì)胞膜、白質(zhì)纖維束)的影響，故水分子擴(kuò)散的方向及程度存在差異。由于神經(jīng)纖維的這種特性，DTI較常規(guī)MRI來說，更容易檢測(cè)到大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的異常。與常規(guī)的 MRI圖像相比，DTI相關(guān)參數(shù)的異常能夠直接反映出大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的完整性[8]。目前，DTI在腦梗死、糖尿病腦白質(zhì)病變、脫髓鞘性疾病、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病、帕金森病、顱腦外傷、阿爾茨海默病、大腦發(fā)育等多種疾病及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的相關(guān)研究中已取得顯著成就[9-16]。

2 DTI的基本原理和參數(shù)

2．1彌散彌散是自然界中的物質(zhì)分子一種隨機(jī)擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)，即布朗運(yùn)動(dòng)。在無障礙環(huán)境下，水分子朝各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)速度相同，稱為各向同性擴(kuò)散(isotropic diffusion)，在神經(jīng)纖維中，水分子在某一個(gè)方向上的彌散速率與其他方向不一致，稱各向異性擴(kuò)散(anisotropy diffusion)[17]。因此，從微觀層面來看，不同的細(xì)胞成分及解剖結(jié)構(gòu)(如軸突和髓鞘)可引起彌散各向異性的改變。

2．2基本參數(shù)DTI是一種基于水分子在不均勻組織中具有擴(kuò)散各向異性特點(diǎn)的成像方法，其主要通過本征向量與本征值反映水分子的彌散特征。本征向量用V1、V2、V3表示，本征值用λ1、λ2、λ3表示，其中λ1>λ2>λ3[6-7]。基本參數(shù)：部分各向異性(fractional anisotropy FA)、平均彌散率(mean diffusivity，MD)、軸向彌散率(anxial diffusivity，AD)、徑向彌散率(radical diffusivity，RD)等。其中FA值和MD值是最常用，具有較高敏感度的DTI參數(shù)。FA值用來描述水分子在體內(nèi)擴(kuò)散的程度、規(guī)模及方向性，是水分子在組織中擴(kuò)散各向異性成分在全部擴(kuò)散中所占的比例。FA值0～1，主要反映大腦白質(zhì)纖維束的完整性。MD值體現(xiàn)了每個(gè)體素內(nèi)沿著軸索方向和垂直于軸索方向的水分子平均彌散速率，代表每一體素的平均彌散系數(shù)(average diffusion coefficient，DCavg)，與ADC相比，其能更加客觀完整地反映彌散運(yùn)動(dòng)的速度。FA值降低和MD值增高，表明區(qū)域內(nèi)大腦白質(zhì)纖維微結(jié)構(gòu)完整性受到損傷。已有研究證實(shí)，AD的改變可能與傳導(dǎo)束軸索損傷相關(guān)，而RD值的改變則與神經(jīng)脫髓鞘有關(guān)[18-20]。因此，綜合多種參數(shù)進(jìn)行研究可以更全面地對(duì)病變進(jìn)行分析。

2．3彌散張量纖維束成像(diffusiontensortractography，DTT)DTT是一種利用DTI數(shù)據(jù)在人體上三維顯示大腦白質(zhì)纖維束的一種無創(chuàng)性MRI成像技術(shù)。因該技術(shù)能夠無創(chuàng)顯示神經(jīng)纖維束的走形及完整性，被廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的組織形態(tài)學(xué)和病理學(xué)研[21]。

3 DTI在糖尿病腦損傷中的應(yīng)用

T2DM患者大腦腔隙性梗死灶和大腦白質(zhì)T2WI高信號(hào)的發(fā)生率較高。YAU等[22]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)FA值明顯下降，結(jié)果顯示，T2DM患者主要為額葉、顳葉及顳干白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的異常，且患者瞬時(shí)情感記憶與顳干FA值密切相關(guān)，提示DTI可以檢測(cè)出T2DM患者大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)完整性的改變。陳菁等[23]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者雙側(cè)大腦半球白質(zhì)纖維束廣泛受累，且受累區(qū)域大腦白質(zhì)的FA值降低和MD值上升，部分纖維束RD值升高。此外，其在評(píng)價(jià)T2DM患者腦白質(zhì)纖維束損傷時(shí)FA值和MD值較AD值和RD值更加敏感，且糖化血紅蛋白對(duì)DTI參數(shù)影響最大。許洪敏等[24]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者大腦白質(zhì)纖維存在廣泛損傷改變，其中雙側(cè)枕葉、雙側(cè)額葉及雙側(cè)顳葉白質(zhì)受累明顯，且糖化血紅蛋白水平是導(dǎo)致腦白質(zhì)DTI參數(shù)的主要因素，與陳菁等[23]研究結(jié)果一致。FALVEY等[25]研究顯示，糖尿病患者全腦白質(zhì)FA值降低及海馬、左側(cè)扣帶回后部、額葉皮層前部背外側(cè)、右側(cè)殼核MD值顯著增高，表明T2DM會(huì)導(dǎo)致大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的損傷。REIJMER等[26-27]一系列DTI研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者局部大腦白質(zhì)纖維完整性FA值下降及MD值增高，提示可能存在腦白質(zhì)受損情況，且T2DM患者有不同程度信息處理速度緩慢，表明大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)受損可能引起認(rèn)知功能障礙，與YAP等[28]研究結(jié)果一致。ZHANG等[29]對(duì)38例T2DM患者和34例相匹配的健康成人應(yīng)用DTI研究T2DM與大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)及認(rèn)知功能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)T2DM組胼胝體、丘腦輻射、左側(cè)內(nèi)囊前肢和外囊等多部位FA值下降及MD值升高，表明T2DM患者出現(xiàn)廣泛的大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)損傷，其中以胼胝體的損傷最明顯，提示FA值和MD值的異?？梢悦舾械胤从炒竽X白質(zhì)微結(jié)構(gòu)完整性的改變，且T2DM患者出現(xiàn)不同程度的執(zhí)行力、注意力和記憶力下降。因此，認(rèn)知功能下降與T2DM患者早期大腦白質(zhì)纖維脫髓鞘相關(guān)。HSU等[30]對(duì)40例T2DM患者和97例健康成人進(jìn)行全腦 DTl分析顯示，T2DM組大腦白質(zhì)FA值、MD值、AD值、TD值明顯異常，表明大腦白質(zhì)纖維完整性受損，且發(fā)現(xiàn)FA值下降和MD值增高與RD值的增高相關(guān)。因此，認(rèn)為這是由大腦纖維脫髓鞘性改變引起水分子運(yùn)動(dòng)方向和速率發(fā)生變化導(dǎo)致的。ZHANG等[31]對(duì)22例T2DM合并抑郁患者和28例重度抑郁患者進(jìn)行腦部DTI掃描發(fā)現(xiàn)右側(cè)內(nèi)囊前肢有FA值顯著降低、RD值明顯增加的趨勢(shì)，提示右側(cè)內(nèi)囊前肢的白質(zhì)完整性明顯受損。這一發(fā)現(xiàn)與先前關(guān)于右側(cè)內(nèi)囊前肢完整性下降的研究結(jié)果一致[32]。雖然抑郁癥和糖尿病之間無顯著相關(guān)性，但結(jié)果顯示高抑郁評(píng)分和高糖化血紅蛋白的患者右側(cè)內(nèi)囊前肢FA值最低。此外，發(fā)現(xiàn)糖尿病嚴(yán)重程度與左側(cè)內(nèi)囊前肢FA值呈顯著負(fù)相關(guān)。CUI等[33]研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者全腦FA值下降，且T2DM患者記憶力、判斷推理、執(zhí)行力和信息處理能力降低，與相關(guān)研究[26-27，29，31]結(jié)果一致。另有神經(jīng)影像學(xué)研究顯示，T2DM患者額葉、顳葉和頂葉區(qū)域大腦白質(zhì)纖維束常出現(xiàn)異常改變，主要為FA值的降低。且大腦白質(zhì)纖維的改變與認(rèn)知功能障礙有關(guān)[34]。譚欣等[35]DTI研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者背側(cè)丘腦后部及內(nèi)側(cè)部FA值下降及MD值增高，主要是投射纖維至皮層的特定邊緣區(qū)、感覺區(qū)或運(yùn)動(dòng)區(qū)及背側(cè)丘腦內(nèi)纖維連接，其與AD病變腦區(qū)相似，提示兩者關(guān)系十分密切。XIONG等[36]對(duì)糖尿病伴輕微認(rèn)知功能障礙組和健康對(duì)照組全腦DTI研究顯示，患者組FA值降低和MD值增高，提示大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的異常，且認(rèn)為在糖尿病伴輕微認(rèn)知功能障礙組的這些改變主要由RD速率上升引起，證實(shí)FA值減低和MD值升高與認(rèn)知功能相關(guān)。KODL等[37]研究證明了DTI可以檢測(cè)到1型糖尿病患者腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的異常，且發(fā)現(xiàn)患者神經(jīng)認(rèn)知功能的下降與大腦白質(zhì)纖維FA值下降相關(guān)。這些相關(guān)研究進(jìn)一步表明利用DTI檢測(cè)T2DM患者早期大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)損傷是一種敏感、可行的方法。

DTI是一種較為先進(jìn)的能夠客觀定量反映T2DM患者腦白質(zhì)纖維束完整性遭受破壞的技術(shù)。其主要體現(xiàn)在DTI各個(gè)輸出參數(shù)的異常改變，其中以FA值和MD值的改變最為重要。在T2DM患者無臨床急性腦血管事件、癲癇、顱腦外傷等發(fā)生的情況下，應(yīng)用DTI觀察腦白質(zhì)纖維束完整性可客觀了解T2DM患者顱內(nèi)腦組織改變情況，從而指導(dǎo)臨床醫(yī)師對(duì)與糖尿病相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷進(jìn)行早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療。

大腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的損傷可能是T2DM患者大腦損傷的早期標(biāo)志。聯(lián)合應(yīng)用結(jié)構(gòu)和功能MRI檢查(如DKI、IVIM、MRS等)可以為T2DM患者提供更敏感的指標(biāo)，并且更多先進(jìn)的MRI檢查方法將有利于T2DM患者大腦白質(zhì)損傷的檢出[38]。目前大多研究主要集中在T2DM患者認(rèn)知功能異常與腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)損傷的相關(guān)性，并認(rèn)為長(zhǎng)期高血糖狀態(tài)可引起腦深部微小血管內(nèi)皮功能改變。導(dǎo)致T2DM患者早期出現(xiàn)彌漫性腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)損傷，如神經(jīng)纖維脫髓鞘、平行性及數(shù)量減少引起神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)速度減慢[39]。因此，應(yīng)用先進(jìn)的影像學(xué)檢查方法評(píng)估T2DM患者腦損害已然成為一種趨勢(shì)。DTI是一種新興技術(shù)，大腦白質(zhì)纖維聯(lián)絡(luò)非常復(fù)雜，因其在顯示大腦白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的特殊性，在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)越來越多地成為評(píng)價(jià)腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變的一種可靠方法。

4 小結(jié)與展望

利用DTI對(duì)T2DM患者腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)完整性的研究是一個(gè)有重要意義的研究熱點(diǎn)，大腦中有很多復(fù)雜的纖維結(jié)構(gòu)，T2DM或許和中樞神經(jīng)退行性變及血管病變關(guān)系密切，與正常的衰老相比，T2DM患者可能更容易出現(xiàn)嚴(yán)重的大腦微結(jié)構(gòu)異常及認(rèn)知能力下降，且常規(guī)的檢查方法很難顯示出這些改變。而新興的磁共振技術(shù)如DTI則可以無創(chuàng)、靈敏地顯示腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)病變。DTI各個(gè)參數(shù)的異常則可以敏感地反映T2DM患者腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的改變，如T2DM組FA值、MD值、AD值、TD值明顯異常，對(duì)了解糖尿病患者早期大腦白質(zhì)完整性改變具有重要意義，可以對(duì)無神經(jīng)功能缺損癥狀的人群進(jìn)行早期的動(dòng)態(tài)觀察和干預(yù)治療。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)DTI某些缺陷的改進(jìn)，以及聯(lián)合DTI和其他功能磁共振成像應(yīng)用于大樣本的T2DM患者腦白質(zhì)損傷的縱向研究，必將取得更多成果。