基于彌散張量纖維束成像探討皮質(zhì)脊髓束損傷對腦卒中運(yùn)動功能障礙的評估價值①

高鑫潔，唐朝正，徐國軍，余秋蓉，楊浩，賈杰，孫莉敏，尹大志，范明霞

1.華東師范大學(xué)上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市200062；2.復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海市200040；3.北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市100875；4.中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院靈長類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市200031。

腦卒中后約75%患者遺留有不同程度運(yùn)動功能障礙，對患者的生活質(zhì)量造成巨大影響[1]。皮質(zhì)脊髓束(corticospinal tract,CST)作為錐體束中最大的下行運(yùn)動通路，其完整性損傷將造成腦卒中患者的運(yùn)動功能障礙?；趶浬埩砍上?diffusion tensor imaging,DTI)可實(shí)現(xiàn)活體腦皮質(zhì)脊髓束的三維重建，為觀測該神經(jīng)纖維束形態(tài)結(jié)構(gòu)的完整性提供了一種有效途徑。

目前探究CST完整性的方法主要包括感興趣區(qū)(region of interest,ROI)分析[2-5]、患者個體水平的CST分析[6-9]和健康對照組CST模板分析[10-12]。然而，ROI法采用人工描繪，存在主觀性且不能準(zhǔn)確顯示CST的損傷[4,13]?；颊邆€體水平CST分析方法，以計算CST的相關(guān)參量(如各向異性分?jǐn)?shù)、軸向彌散系數(shù)和徑向彌散系數(shù))來評估CST完整性[6-7]。然而，腦卒中病灶的存在可能導(dǎo)致DTI神經(jīng)纖維束追蹤中斷，且相關(guān)參量大小也易被其他因素影響(如周圍水腫，白質(zhì)纖維束構(gòu)象特征等[14])。故上述ROI分析法和患者個體水平CST分析法在揭示CST完整性損傷程度的準(zhǔn)確性上存在較大的局限性，且均無法回答病灶位置對CST完整性的直接影響。而健康對照組CST模板分析法，其基本思路是以健康被試的CST為模板，將腦卒中病灶與模板重疊，通過體素加權(quán)計算“CST損傷值”，用以評估腦卒中患者CST完整性損傷程度[10-12]。本研究擬運(yùn)用彌散張量纖維束成像技術(shù)(diffusion tensor tracking,DTT)追蹤C(jī)ST，以健康對照組CST模板計算“CST損傷值”，并對其與患者肢體的運(yùn)動功能評分進(jìn)行相關(guān)性分析，旨在進(jìn)一步闡釋腦卒中病灶對鄰近CST完整性的損傷程度與患者運(yùn)動功能障礙之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選擇2012年3月至2013年6月在上海市華山醫(yī)院門診及住院治療的腦卒中后運(yùn)動功能障礙患者15例。診斷符合1995年全國第四屆腦血管病學(xué)術(shù)會議通過的各類腦血管病診斷標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)頭顱CT或MRI檢查證實(shí)。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡40～80歲；②首次發(fā)病且病灶均位于左側(cè)皮質(zhì)下，以累及基底節(jié)區(qū)為主；③發(fā)病后至少12個月；④只有運(yùn)動功能障礙；⑤所有患者在進(jìn)行磁共振掃描之前均進(jìn)行簡易精神狀態(tài)檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評測，且所有患者M(jìn)MSE評分≥27。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①意識不清，MMSE提示癡呆，并發(fā)感覺性失語或精神障礙等，不能配合檢查；②并發(fā)心、肝、腎和造血系統(tǒng)等嚴(yán)重疾病；③體內(nèi)有金屬植入；④既往有認(rèn)知障礙、神經(jīng)精神病史、藥物濫用史；⑤重要臟器功能衰竭或病情危重，并發(fā)癌癥等嚴(yán)重影響生活質(zhì)量的疾病和狀態(tài)。

根據(jù)患者年齡、性別匹配招募15例健康受試者。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡40~80歲；②所有健康受試者頭顱常規(guī)MRI掃描未見明顯異常病灶；③既往均無精神疾病、無藥物或酒精濫用史及腦部腫瘤或梗死等病史。

排除標(biāo)準(zhǔn)同腦卒中組。

最終納入健康對照組15例，腦卒中組15例。兩組年齡和性別無顯著性差異(P>0.05)。見表1。所有受試者均為右利手。腦卒中組中缺血性腦卒中6例，出血性腦卒中9例，病灶均位于左側(cè)皮質(zhì)下，以累及基底節(jié)區(qū)為主。腦卒中組MMSE評分(28.5±1.3)分，均大于27分。詳見表2。

本實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)過復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院和華東師范大學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，所有被試均在簽署知情同意書后進(jìn)行磁共振掃描。

表1 兩組一般資料比較

1.2 磁共振成像數(shù)據(jù)采集

掃描采用德國西門子3.0 T超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)，線圈為標(biāo)準(zhǔn)12通道相控陣頭部線圈。掃描時告知被試放松、閉上眼睛，保持頭不要動。本研究所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)掃描順序依次為：初始定位像、用于分割配準(zhǔn)的高分辨T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像、確認(rèn)病灶位置的常規(guī)T2加權(quán)像、彌散張量成像。其掃描參數(shù)分別如下。

①高分辨T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像：磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列(magnetization prepared rapid gradient echo,MPRAGE)，矢狀位192層，層厚1 mm，層間距0.5 mm，重復(fù)時間(repetition time,TR)1900 ms，回波時間(echo time,TE)3.42 ms，反轉(zhuǎn)時間(time of inversion,TI)900 ms，視野(field of view,FOV)240 mm×240 mm，傾倒角(filp angle)9°，采集矩陣(matrix)256×256 mm。

②T2加權(quán)像：快速自旋回波序列，橫斷位30層，層厚5 mm，無層間距，TR 6000 ms，TE 93 ms，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，傾倒角90°，采集矩陣320×320 mm。

③彌散張量成像：單激發(fā)平面回波序列，橫斷位40層，層厚3 mm，無層間距，TR 6100 ms，TE 110 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，累加次數(shù)為2，采用30個非共線的彌散梯度方向(b=1000 s/mm2)和1個無彌散梯度(b=0 s/mm2)圖像，并且使用并行采集技術(shù)(加速因子為2)。

表2 腦卒中組的臨床資料

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 感興趣區(qū)

依照參考文獻(xiàn)[10]，確定CST的感興趣區(qū)為中央前回，內(nèi)囊后肢(posterior limb of internal capsule,PLIC)和腦橋。中央前回通過自動解剖標(biāo)記(anatomical automatic labeling,AAL)模板提取，需把標(biāo)準(zhǔn)MNI空間中的中央前回轉(zhuǎn)換到個體空間。從標(biāo)準(zhǔn)MNI空間轉(zhuǎn)化到個體空間的步驟：①將被試的DTI像通過線性配準(zhǔn)到其T1像，得到轉(zhuǎn)換矩陣N；②將個體的T1像線性和非線性配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)MNI空間，得到轉(zhuǎn)換關(guān)系M；③利用轉(zhuǎn)換關(guān)系M，將配準(zhǔn)后在結(jié)構(gòu)空間的DTI像變換到標(biāo)準(zhǔn)MNI空間。利用轉(zhuǎn)換矩陣N的逆變換N-1和轉(zhuǎn)換關(guān)系M的逆變換M-1將標(biāo)準(zhǔn)MNI空間的ROI轉(zhuǎn)換到個體空間，得到被試個體空間上的ROI。內(nèi)囊后肢和腦橋由一名經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)生運(yùn)用MRIcro軟件在每個被試的各項異性分?jǐn)?shù)圖上確定。

1.3.2 病灶圖

采用MRIcro在標(biāo)準(zhǔn)化后的高分辨T1加權(quán)像上確定病灶。每個患者的病灶由一名經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)生確定，逐層手動描繪高分辨T1加權(quán)像信號異常部位輪廓，得到每個患者在MNI空間的病灶mask。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

本研究使用FSL(htt://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。DTI數(shù)據(jù)處理流程包括去除非腦組織、頭動及渦流矯正、白質(zhì)彌散參數(shù)的獲取，使用蒙特卡洛抽樣重建每個體素在各方向的彌散參數(shù)分布以及選取種子點(diǎn)做概率性示蹤圖譜[15]。

1.3.4 健康被試CST模板

利用DTT追蹤健康被試組的CST，首先將種子點(diǎn)確定為中央前回，同側(cè)內(nèi)囊后肢為途徑點(diǎn)，同側(cè)腦橋?yàn)槟繕?biāo)腦區(qū)，追蹤結(jié)果為CST1；然后將腦橋作為種子區(qū)，同側(cè)內(nèi)囊后肢為途徑點(diǎn)，同側(cè)中央前回為目標(biāo)腦區(qū)，追蹤結(jié)果為CST2；CST1和CST2的重疊部分作為該健康被試的CST，重疊的目的是為了確保得到通過三個ROI的CST[16]。將每個健康被試的CST變換到標(biāo)準(zhǔn)空間并重疊，閾值設(shè)置為8(15個健康被試)得到組水平的CST[10-12]，這就是健康被試CST模板(圖1A)。

1.3.5 腦卒中患者CST損傷值測定

每例腦卒中患者病灶與健康被試CST模板的重疊體素與健康被試CST模板體素的比值，作為CST損傷值[12]。

其中，“0.00%”表示病灶與CST模板無重疊，CST損傷值越大表明病灶與CST模板重疊部分越大，即患者CST受病灶影響越大，意味著CST的完整性損傷越嚴(yán)重。本研究15例腦卒中患者CST損傷值見表2。

1.3.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析。計量資料采用(xˉ±s)表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，計數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)；對腦卒中組CST的損傷值、病灶體積大小與臨床手、腕、腕+手、上肢、下肢和上肢+下肢FMA評分做Spearman相關(guān)性分析。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 皮質(zhì)脊髓束受累程度結(jié)果

基于DTT追蹤出15個健康被試的左側(cè)和右側(cè)CST模板(圖1A)。腦卒中組CST損傷值范圍為0.00%~29.6%，其中損傷值為0.00%和29.6%的兩例患者，其病灶與CST受累的關(guān)系見圖1(B)和(C)。

2.2 皮質(zhì)脊髓束受累程度與運(yùn)動障礙的關(guān)系

腦卒中組CST損傷值與腕FMA評分(r=-0.660,P=0.007)、手FMA評分(r=-0.813,P<0.001)及腕+手FMA評分(r=-0.795,P<0.001)均呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)；與上肢FMA評分(r=-0.614,P=0.015)和上肢+下肢FMA評分(r=-0.563,P=0.029)呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)；與下肢FMA評分無明顯相關(guān)性(r=-0.270,P=0.331)。

此外，腦卒中病灶體積大小與各運(yùn)動功能評分(腕、手、“腕+手”、上肢、“上肢+下肢”及下肢)均無明顯相關(guān)性(r=-0.365,P=0.181;r=-0.493,P=0.062;r=-0.449,P=0.094;r=-0.383,P=0.159;r=-0.338,P=0.218;r=-0.341,P=0.214)。

圖1 健康對照組CST模板及病灶與CST模板重疊病例

3 討論

本研究采用DTT追蹤出一組健康被試的CST作為參照模板，并在此基礎(chǔ)上計算單側(cè)皮質(zhì)下腦卒中患者病灶對CST損傷值，評估CST的完整性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腦卒中病灶對鄰近CST損傷程度與上肢運(yùn)動功能評分(尤其是手腕部)呈明顯負(fù)相關(guān)，與下肢運(yùn)動功能評分無顯著相關(guān)性。此外，病灶體積大小與上下肢各項運(yùn)動功能評分亦無顯著相關(guān)性。

基底節(jié)區(qū)病灶會對CST結(jié)構(gòu)完整性造成直接損傷。為了立體直觀地明確病灶與CST的關(guān)系，Konishi等[17]對13例豆紋動脈供血區(qū)急性腦梗死患者進(jìn)行研究，并率先制定評估CST受累程度的量化標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CST受累狀況與運(yùn)動功能損傷程度密切相關(guān)。簡而言之，CST沒有明顯受累表現(xiàn)的患者(CST與梗死灶的空間關(guān)系表現(xiàn)為CST緊挨著病灶邊緣穿行)，其運(yùn)動功能損傷較輕；CST有明顯受累表現(xiàn)的患者(CST全部穿過梗死灶，病灶將該神經(jīng)束包繞)，其運(yùn)動功能損傷嚴(yán)重。雖然該研究通過肉眼觀察患者CST與病灶重疊圖像，能定性評估CST與病灶的空間關(guān)系[18]，卻不能定量計算出CST完整性受病灶的累及程度大小。Zhu等[10]率先以健康被試的CST為模板，通過腦卒中病灶與模板重疊體素加權(quán)計算“CST損傷值”，用以評估腦卒中患者CST完整性損傷。

創(chuàng)立該模板的好處主要有兩個方面：一是由于病灶的存在，在病灶處和病灶周圍追蹤時會中斷，如以健康被試的CST模板為基礎(chǔ)來研究患者CST的完整性損傷，就可以排除CST中斷帶來的負(fù)面影響；二是進(jìn)一步通過病灶與CST模板重疊體素與CST模板體素之比來評估CST的完整性損傷，可以更直觀、定量評估CST受病灶累及程度。目前這種基于健康被試CST模板研究CST完整性的方法已經(jīng)在國外不少研究中得到應(yīng)用[10,12,19-20]，結(jié)果表明采用“CST損傷值”評估CST完整性可以較好地預(yù)測患者的運(yùn)動功能損害水平。

本研究采用健康被試CST模板研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者CST完整性損傷與上肢，尤其是手和腕的運(yùn)動功能障礙密切相關(guān)，這說明CST完整性損傷明顯影響腦卒中患者手腕精細(xì)動作的完成。Carter等[12]采用基于正常人的CST模板評估腦卒中患者CST完整性損傷，結(jié)果也表明，其與上肢，尤其是腕部運(yùn)動功能有極強(qiáng)的相關(guān)性，這可能意味著CST完整性損傷可以預(yù)測腦卒中患者上肢運(yùn)動功能障礙。同時該研究也顯示，CST的完整性損傷與下肢運(yùn)動功能障礙有微弱的相關(guān)性，這與本研究結(jié)果有些差異?？赡芘c研究對象病程不同有關(guān)：其研究對象為處在急性和亞急性早期(發(fā)病4周內(nèi))的腦卒中患者，而在磁共振成像T1WI序列上確定梗死病灶時，由于病灶周圍水腫的存在會夸大了病灶范圍，進(jìn)而有可能影響對CST完整性損傷評估的準(zhǔn)確可靠性。

本研究選擇的腦卒中患者發(fā)病在12個月以上，從而避免了選擇早期患者時由于其病灶周圍并發(fā)水腫，造成的可能夸大病灶對CST完整性損傷的影響。因此，從一定程度上講，本研究入組的慢性期患者的研究結(jié)果應(yīng)該更客觀真實(shí)地反映病灶本身對CST完整性的損傷。Ahn等[21]研究一組慢性期腦卒中患者CST的完整性，并與下肢的運(yùn)動功能進(jìn)行相關(guān)性研究，也發(fā)現(xiàn)下肢的運(yùn)動功能與CST的完整性無關(guān)，這與本研究結(jié)果一致。已有哺乳類動物實(shí)驗(yàn)[22-23]表明，下肢的運(yùn)動功能與健側(cè)交叉過來的運(yùn)動通路密切相關(guān)。這可能提示本研究探測患側(cè)CST的完整性損傷與運(yùn)動功能障礙的關(guān)系時，忽略了健側(cè)CST在運(yùn)動功能障礙中所起的作用。靈長類動物的下肢運(yùn)動需要有脊髓外側(cè)部分的參與，其有利于雙下肢自發(fā)運(yùn)動的恢復(fù)[24]。而本研究涉及的是腦卒中患者顱內(nèi)CST，未涉及脊髓外側(cè)部分。此外，一些潛在的下行運(yùn)動神經(jīng)通路，比如網(wǎng)狀脊髓束和前庭脊髓束等也參與下肢運(yùn)動[25-26]。由此可見，僅僅依據(jù)CST的完整性損傷來評估下肢運(yùn)動功能障礙是不夠的。

本研究還發(fā)現(xiàn)，病灶體積大小對腦卒中患者的運(yùn)動功能障礙嚴(yán)重程度影響不大。如第15例患者的病灶體積(971 mm3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第6例患者的病灶體積(481 mm3)，但前者的病灶未累及鄰近CST(CST損傷值0.00%)，而后者的病灶累及鄰近CST明顯(CST損傷值29.6%)。因此，后者各項運(yùn)動功能評分明顯低于前者。Zhu等[10]對一組腦卒中病程6個月以上患者的研究也發(fā)現(xiàn)，病灶體積大小與患者運(yùn)動功能評分無明顯相關(guān)性，這或許說明測定CST完整性損傷更有助于臨床評估腦卒中患者運(yùn)動功能障礙的嚴(yán)重程度。

綜上所述，本研究結(jié)果表明，通過DTT定量評估CST完整性損傷或許可作為評估腦卒中患者上肢，尤其是手腕部運(yùn)動功能障礙的一個潛在重要參考指標(biāo)。下一步研究有必要選擇更大樣本的腦卒中患者進(jìn)行縱向動態(tài)研究，進(jìn)一步探索CST的完整性損傷與臨床運(yùn)動功能預(yù)后的關(guān)系，這將有利于臨床依據(jù)患者白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性的保留程度制定更加有效的運(yùn)動康復(fù)方案。