鼻咽癌放療后雙側(cè)顳葉白質(zhì)及海馬結(jié)構(gòu)早期損傷的擴(kuò)散峰度成像研究

陳紅，何浩強(qiáng)，呂曉飛，韓路軍，楊雅迪，李晶，文戈

鼻咽癌(nasopharyngeal carcinoma，NPC)是好發(fā)于我國南方的惡性腫瘤，放射治療是鼻咽癌的主要治療方式，而放射治療難以避開臨近的雙側(cè)顳葉、海馬等結(jié)構(gòu)，放射性腦損傷已成為嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量的并發(fā)癥之一[1]。晚期放射性腦損傷為不可逆性，治療效果較差，故早期監(jiān)測放射性腦損傷尤為重要。既往擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)對放射性腦損傷研究集中于白質(zhì)，且DTI是假設(shè)分子呈高斯運動，而生物組織由于受到細(xì)胞膜、細(xì)胞器、細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的影響，分子運動呈非高斯擴(kuò)散[2]。擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)作為DTI技術(shù)的延伸，適用于研究腦組織灰白質(zhì)，能夠反映非高斯運動的擴(kuò)散特性，更接近組織中分子真實擴(kuò)散情況，從而反映腦組織微觀結(jié)構(gòu)變化[3-6]。近年來，DKI已在輕微腦損傷、注意力缺陷多動障礙、阿爾茨海默病、乳腺癌、前列腺癌、腦膠質(zhì)瘤等有初步運用，但其在鼻咽癌顳葉白質(zhì)及海馬早期隱匿性放射性腦損傷的研究鮮見。本研究旨在采用DKI技術(shù)探討鼻咽癌早期放射治療后雙側(cè)顳葉及海馬微觀結(jié)構(gòu)變化的非高斯擴(kuò)散特點，評價DKI在早期放射性腦損傷的運用價值，以期為其臨床早期發(fā)現(xiàn)及監(jiān)測提供客觀依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究共納入鼻咽癌組(NPC組)及正常對照組(NC組)兩組被試。NPC組為2015年10月至2018年1月在中山大學(xué)腫瘤防治中心就診的29例NPC患者，男21例，女8例，年齡(40.28±9.45)歲，教育年限(12.29±2.98)年，鼻咽癌分期：AJCC第7版TNM I-IVb期。

納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)經(jīng)活檢病理證實，且未接受手術(shù)、誘導(dǎo)化療、放療等抗腫瘤治療的鼻咽癌初診患者；(2)擬按臨床計劃行適型調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)；(3)年齡18～60歲，右利手；(4)無遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移及明顯顱內(nèi)侵犯征象；(5)常規(guī)MRI檢查顱內(nèi)無明顯實質(zhì)性病變(包括腦實質(zhì)腫瘤、腦組織炎癥、腦血管病變、腦白質(zhì)病變)；(6)既往無顱腦外傷及手術(shù)史，無神經(jīng)及精神疾病史。

排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)對磁共振檢查禁忌者；(2)糖尿病、高血壓患者及合并其他系統(tǒng)疾??；腫瘤復(fù)發(fā)再次放療或不能堅持及完成IMRT治療者；(3)文盲、智力或視力低下不能完成量表測試者。

NC組為同時期收集的20例正常被試者，男13例，女7例，年齡(41.00±10.04)歲，教育年限(12.15±3.48)年。所有正常被試均無不適臨床癥狀；無顱內(nèi)病變；無嚴(yán)重血管疾病及腫瘤病史；無本人及家族性精神疾病史；無高血壓及糖尿?。粺o其他全身性或系統(tǒng)性疾?。粺o藥物濫用史；均為漢族、右利手。

所有NPC被試于治療前及放療后3個月時、所有NC被試均接受顱腦MRI檢查。被試在MRI檢查當(dāng)天行蒙特利爾認(rèn)知評估量表(Montreal cognitive assessment，MoCA)量表測試，完成量表評價的NPC組治療前被試26例、NPC組放療后3個月被試18例、NC組被試20例。本研究通過中山大學(xué)腫瘤防治中心倫理委員會審核批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號：GZR2014-073)，所有被試在檢查前均簽署了知情同意書。

1.2 鼻咽癌治療方法和劑量

1.2.1 放射治療

鼻咽癌患者均行根治性IMRT，選用大孔徑CT以3 mm層距進(jìn)行平掃及增強(qiáng)掃描，掃描范圍從頭到胸鎖關(guān)節(jié)下2 cm，參照ICRU50[7]和62號[8]文件勾畫鼻咽大體腫瘤體積(GTVp)、頸部轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)體積(GTVnd)、臨床靶區(qū)體積1(CTV1)及臨床靶區(qū)體積2(CTV2)，GTVp、GTVnd、CTV1、CTV2靶區(qū)處方劑量分別為：66～72 Gy、64～70 Gy、60～63 Gy、54～56 Gy[9]，劑量分割次數(shù)為30～33次。對雙側(cè)顳葉和海馬結(jié)構(gòu)在逐個CT圖像層面上勾畫進(jìn)行劑量評價，通過Eclipse或Monaco計劃系統(tǒng)將鼻咽癌患者劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行收錄匯總。雙側(cè)顳葉及海馬最大劑量/平均劑量分別如下，左側(cè)顳葉：(7009.8±690.4) cGy/(1928.9±572.8) cGy；右側(cè)顳葉：(7019.4±710.6) cGy/(2029.7±668.3) cGy；左側(cè)海馬：(4911.7±1495.4) cGy/(2150.1±816.4) cGy；右側(cè)海馬：(4983.9±1460.9) cGy/(2160.3±890.1) cGy。

1.2.2 化療

鼻咽癌化療方案相近，鼻咽癌患者均經(jīng)過1～3程誘導(dǎo)化療或/和同期放化療，化療方案包括TPF (多西他賽+順鉑+5-氟尿嘧啶)、TP (紫杉醇+順鉑)、DDP (順鉑)、力樸素、尼妥珠單抗等化療方案。

1.3 MRI數(shù)據(jù)采集

采用GE Discovery MR750 3.0 T掃描儀和32通道頭線圈。掃描序列包括常規(guī)MR序列(矢狀位3D-T1WI、T2FLAIR)和DKI序列。掃描參數(shù)如下，矢狀位3D-T1WI：矩陣256×256，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，層厚1 mm，層間距0，F(xiàn)A=8°，TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，TI 800 ms，掃描層數(shù)176層。DKI：25個方向擴(kuò)散敏感度，b值分別為：0、1000、2000 s/mm2，矩陣128×128，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚3 mm，層間距0，TR 5300 ms，TE 77.1 ms，NEX為1，掃描層數(shù)46層。

1.4 圖像后處理

圖1 DKI參數(shù)測量的ROI示意圖。1為右側(cè)顳葉白質(zhì)ROI，2為左側(cè)顳葉白質(zhì)ROI，3為右側(cè)海馬ROI，4為左側(cè)海馬ROI；勾畫過程參考b0圖。A；b0圖；B：MK彩圖Fig. 1 The ROI maps for measurement of DKI parameters. ROI 1 represents the white matter of the right temporal lobe. ROI 2 represents the white mater of the temporal lobe. ROI 3 represents the right hippocampus. ROI 4 represents the left hippocampus. ROIs were drawn referred to b0 and MK maps. A: b0 map. B: MK map.

使用ADW4.6工作站對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到7個參數(shù)圖：各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)圖、平均擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusivity，MD)圖、軸向擴(kuò)散張量(axial diffusivity，Da)圖、徑向擴(kuò)散張量(radial diffusivity，Dr)圖、平均峰度(mean kurtosis，MK)圖、軸向峰度(axial kurtosis，Ka)圖、徑向峰度(radial kurtosis，Kr)圖，于雙側(cè)顳葉白質(zhì)、雙側(cè)海馬手動勾畫ROI (region of interest)，ROI放置于靠近側(cè)腦室下角的雙側(cè)顳葉白質(zhì)、雙側(cè)海馬最大面積層面，應(yīng)盡量避開腦溝、腦室以及鄰近的血管等結(jié)構(gòu)。勾畫過程參考b0圖及DKI彩圖，同時將ROI投射到其他DKI參數(shù)圖上(圖1)。ROI的勾畫參考以往文獻(xiàn)[10-11]，由2名醫(yī)師(具有3年經(jīng)驗的住院醫(yī)師及11年經(jīng)驗的副主任醫(yī)師)共同討論決定，并測量3次后取平均值。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 23.0軟件包對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先采用kolmogorov-smimov法對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，數(shù)據(jù)符合正態(tài)性分布時采用配對或兩獨立樣本t檢驗。ROI測量的各DKI參數(shù)值以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)形式表示。采用兩獨立樣本t檢驗比較NPC組治療前和NC組的年齡、教育年限間的差異，采用χ2檢驗比較NPC組和NC組的性別差異。采用兩獨立樣本t檢驗對NPC組治療前與NC組基線DKI各參數(shù)值及MoCA量表評分差異進(jìn)行比較，采用配對樣本t檢驗對NPC組治療前及3個月后各DKI參數(shù)值及MoCA量表評分差異進(jìn)行比較，DKI相關(guān)參數(shù)的比較采用同側(cè)分別進(jìn)行比較。在NPC組內(nèi)，采用兩獨立樣本t檢驗對放療前后有統(tǒng)計學(xué)差異的左右側(cè)顳葉DKI參數(shù)值的變化程度進(jìn)行比較；對NPC組內(nèi)放療前后差異有統(tǒng)計學(xué)意義的DKI參數(shù)值，采用偏相關(guān)分析，以年齡、性別、教育年限作為協(xié)變量，分析其放療前后差值變化與MoCA量表評分差值變化、與所在同側(cè)顳葉/海馬的最大/平均劑量之間的相關(guān)關(guān)系。上述P＜0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖2 NPC組治療前與放療后雙側(cè)顳葉白質(zhì)及右側(cè)海馬的DKI參數(shù)變化。Temp_R：右側(cè)顳葉白質(zhì)；Temp_L：左側(cè)顳葉白質(zhì)；HIPP_R：右側(cè)海馬；pre_NPC：鼻咽癌組治療前；3m_NPC：鼻咽癌組放療后3個月；NC：正常對照組；ns：無統(tǒng)計學(xué)差異Fig. 2 Changes of DKI related parameters of the bilateral temporal lobe white matter and the right hippocampus before and after treatment in NPC group. Temp_R: white matter of right temporal lobe, Temp_L: white matter of left temporal lobe. HIPP_R: right hippocampus. pre_NPC: pretreatment in NPC group. 3m_NPC: 3 months after radiotherapy in NPC group. NC: normal control. ns: not significant.

表1 NPC組和NC組雙側(cè)顳葉白質(zhì)、雙側(cè)海馬ROI各參數(shù)比較Tab. 1 Comparisons of the parameters of each ROI within bilateral temporal lobe white matter and bilateral hippocampus between NPC group and NC group

圖3 NPC組左側(cè)顳葉白質(zhì)治療前與放療后3個月MK、Kr的差值(△MK、△Kr)與左側(cè)顳葉放療最大劑量(Temp_L_max)呈顯著正相關(guān)Fig. 3 The different values of MK and Kr (△MK, △Kr) in white matter of the left temporal lobe show significant a positive correlation with the maximum irradiation dose of the left temporal lobe (Temp_L_max), respectively.

2 結(jié)果

2.1 臨床資料

NPC組和NC組臨床資料無統(tǒng)計學(xué)差異(年齡：t=0.66，P=0.36；教育年限：t=0.21，P=0.89；性別：χ2=0.30，P=0.58)。

2.2 雙側(cè)顳葉及海馬各DKI參數(shù)值比較

2.2.1 雙側(cè)顳葉白質(zhì)

與NPC組治療前比較，NPC組放療后3個月雙側(cè)顳葉白質(zhì)的FA(左側(cè)：P=0.009；右側(cè)：P=0.001)、MK(左側(cè)：P=0.027；右側(cè)：P=0.034)、Kr值(左側(cè)：P=0.007；右側(cè)：P=0.007)均顯著減低(表1，圖2)；左右顳葉白質(zhì)的放療前后FA、MK、Kr值的變化程度、雙側(cè)顳葉白質(zhì)的MD、Da、Dr、Ka值治療前與放療后3個月的改變均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P值均大于0.05)。NPC組治療前與NC組基線雙側(cè)顳葉白質(zhì)的各DKI參數(shù)值均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異。

2.2.2 雙側(cè)海馬

與NPC組治療前比較，NPC組放療后3個月右側(cè)海馬的MK值(P=0.033)、Kr值(P=0.031)顯著升高(表1，圖2)；左側(cè)海馬的MK、Kr值、雙側(cè)海馬的MD、Da、Dr、Ka值的改變均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異。NPC組治療前與NC組基線雙側(cè)海馬各DKI參數(shù)值均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異。

2.3 MoCA量表評分值比較及相關(guān)性分析

NPC組放療后3個月的MoCA評分[(27.47±2.04)分]較治療前MoCA評分[(28.94±1.20)分]顯著減低(t=2.58，P=0.02)。NPC組治療前與NC組的MoCA評分[(28.90±0.91)分]統(tǒng)計學(xué)分析無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(t=0.32，P=0.75)。偏相關(guān)分析結(jié)果表明，NPC組治療前與放療后MoCA量表的差值與雙側(cè)顳葉放療最大/平均劑量、與雙側(cè)海馬放療最大/平均劑量、與雙側(cè)顳葉白質(zhì)放療前后FA、MK、Kr差值、與右側(cè)海馬放療前后MK、Kr差值的相關(guān)性均無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P值均大于0.05)。

2.4 DKI差異參數(shù)的變化與放療最大/平均劑量相關(guān)性分析

在NPC組內(nèi)，左側(cè)顳葉白質(zhì)治療前與放療后3個月MK、Kr的差值(△MK、△Kr)與左側(cè)顳葉放療最大劑量呈顯著正相關(guān)(P=0.044，r=0.407；P=0.006，r=0.530)(圖3)，與左側(cè)顳葉放療平均劑量無顯著相關(guān)(P＞0.05)。右側(cè)顳葉白質(zhì)治療前與放療后3個月MK、Kr的差值與右側(cè)顳葉放療最大/平均劑量、右側(cè)海馬治療前與放療后3個月MK、Kr的差值與右側(cè)海馬放療最大/平均劑量、雙側(cè)顳葉白質(zhì)治療前與放療后3個月FA的差值與右側(cè)顳葉放療最大/平均劑量均無統(tǒng)計學(xué)差異(P值均大于0.05)。

3 討論

3.1 DKI參數(shù)在放射性腦損傷中的運用

放射性腦損傷是NPC患者嚴(yán)重影響生活質(zhì)量的并發(fā)癥，根據(jù)放療時間和臨床癥狀，放射性腦損傷分為三個階段：急性反應(yīng)期(放療后數(shù)天到數(shù)周內(nèi))，亞急性期或早期延遲反應(yīng)期(放療3個月后)，晚期延遲反應(yīng)期(放療后6個月到數(shù)年)[12-13]。早期放射性腦損傷的臨床癥狀表現(xiàn)為嗜睡、頭痛、惡心等，這些通常是短暫可逆的，晚期延遲反應(yīng)期癥狀包括不同程度的漸進(jìn)性神經(jīng)認(rèn)知功能損害，甚至最終不可逆性的放射性腦壞死[14]，因而放射性腦損傷的臨床早期檢測顯得尤為重要。

DKI在DTI模型的基礎(chǔ)上引入了概率與四階峰度，可以評價腦組織白質(zhì)和灰質(zhì)水分子擴(kuò)散的受限程度及擴(kuò)散的不均質(zhì)性，顯示DTI難以顯示的纖維交叉、彎曲等復(fù)雜微觀環(huán)境的結(jié)構(gòu)特征[15]。DKI可同時獲得衍生的DTI擴(kuò)散度量(FA、MD、Da、Dr)及DKI度量指標(biāo)(MK、Ka、Kr)[5]。FA常用來評價腦白質(zhì)水分子沿纖維束方向的擴(kuò)散，MD用于反映分子整體擴(kuò)散水平和擴(kuò)散阻力的整體情況，Da及Dr分別代表與軸突方向平行和垂直的水分子的擴(kuò)散。MK是定義為峰度在所有方向峰度的平均值，被認(rèn)為是組織微結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的指標(biāo)，Ka是指沿著擴(kuò)散橢球軸向的峰度值，Kr代表擴(kuò)散正交方向上的峰度值，因擴(kuò)散受限主要在徑向，Kr較Ka較為突出[5]。

3.2 顳葉白質(zhì)的DKI參數(shù)改變及其意義

本研究中，NPC組雙側(cè)顳葉白質(zhì)放療后3個月FA值較治療前顯著減低，這與以往的人體及動物實驗研究結(jié)果相似[14，16-19]。在放療后早期延遲反應(yīng)期，由于白質(zhì)軸突的脫髓鞘過程，會導(dǎo)致FA值的減低，并且由于放療后早期的炎癥反應(yīng)，充填在軸突周圍的膠質(zhì)細(xì)胞增生及周圍血管的水腫，軸突密度的減低，這也會導(dǎo)致顳葉白質(zhì)的FA值減低[14，16-17，19]。還有一種說法認(rèn)為，由于水腫的存在，軸突組織變得疏松，其組織排列變得不規(guī)則，組織一致性減低，導(dǎo)致了FA值的減低[2]。本研究中NPC組放療后3個月雙側(cè)顳葉白質(zhì)MK值較放療前顯著減低，可能是由于雙側(cè)顳葉白質(zhì)放療后軸突完整性破壞，細(xì)胞減少，軸突密度減低，導(dǎo)致了腦組織復(fù)雜程度減低[3-4，12，15]。在以往潘海賓等[20]的橫斷面研究中，亦發(fā)現(xiàn)了鼻咽癌放療結(jié)束后早期出現(xiàn)顳葉白質(zhì)MK值降低，但他們的研究并未進(jìn)一步探討Kr及Ka值的變化。我們進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)顳葉白質(zhì)放療后Kr值減低，說明水分子垂直于軸突方向的擴(kuò)散受限程度減低，進(jìn)一步說明了NPC組放療后顳葉白質(zhì)早期延遲反應(yīng)期脫髓鞘過程的存在[15]。而本研究中反映髓鞘完整的DTI衍生參數(shù)Dr在鼻咽癌放療前后并未有顯著差異，與之相似的是，Cheung等[21]的研究發(fā)現(xiàn)Kr值較Dr值能更敏感探測神經(jīng)組織徑向的改變，本研究結(jié)果表明Kr值能比DTI衍生參數(shù)Dr值能夠更敏感反映NPC放療后顳葉白質(zhì)髓鞘的丟失。

3.3 海馬的DKI參數(shù)改變及其意義

海馬是對放療后早期損傷效應(yīng)尤為敏感的腦區(qū)。本研究首次探討了海馬放療后早期的擴(kuò)散峰度改變，我們發(fā)現(xiàn)NPC組放療后3個月右側(cè)海馬的MK值及Kr值顯著升高。海馬是以灰質(zhì)為主的顳葉解剖結(jié)構(gòu)，MK值的升高可能是由于放療后早期神經(jīng)元胞體細(xì)胞和細(xì)胞器腫脹，且伴隨著膠質(zhì)細(xì)胞的增生，導(dǎo)致腦灰質(zhì)組織的復(fù)雜程度升高所致。而右側(cè)海馬放療后3個月的Kr值升高，可能是由于NPC放療后早期延遲反應(yīng)期神經(jīng)元細(xì)胞及細(xì)胞器腫脹，膠質(zhì)細(xì)胞增生，導(dǎo)致了水分子擴(kuò)散受限程度升高[15]。放療后早期顳葉海馬擴(kuò)散峰度參數(shù)改變模式的機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

3.4 DKI的參數(shù)改變與放療劑量相關(guān)關(guān)系及其意義

劑量依賴性的改變在放射性腦損傷相關(guān)研究常有報道[13，22-25]，而擴(kuò)散峰度參數(shù)的變化與劑量間的關(guān)系鮮有研究。本研究中NPC組左側(cè)顳葉白質(zhì)治療前和放療后3個月的MK、Kr值差值和左側(cè)顳葉放療最大劑量值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，提示NPC組顳葉白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)改變與放療劑量密切相關(guān)。與之相似的是，以往的臨床和動物實驗研究究表明放射性腦損傷與放療劑量有關(guān)[22-25]。而右側(cè)顳葉白質(zhì)、右側(cè)海馬治療前后的MK、Kr差值與相關(guān)放療劑量無顯著統(tǒng)計學(xué)差異，可能是由于本研究樣本量不夠大所致。

3.5 MoCA量表值的改變及其意義

本研究發(fā)現(xiàn)NPC組放療后3個月的MoCA量表值減低，表明了NPC組放療后早期延遲反應(yīng)期患者的神經(jīng)認(rèn)知功能下降。有研究認(rèn)為放療引起的學(xué)習(xí)及記憶功能減退與海馬的損傷有關(guān)[26]。海馬被認(rèn)為負(fù)責(zé)言語記憶的形成，其功能障礙可能會導(dǎo)致患者記憶能力下降[10，27]。放療可能會引起血管的損傷從而導(dǎo)致海馬結(jié)構(gòu)功能障礙，有臨床試驗表明放療時保護(hù)海馬能使患者早期意識功能障礙的受損程度減低[28]。但本研究MoCA量表評分值的改變與DKI參數(shù)值的改變沒有顯著相關(guān)性，這可能是由于MoCA量表評估的簡單性及不敏感性引起的，以往的研究顯示MoCA量表在評價被試的執(zhí)行功能、語言和視覺記憶、注意力方面并不非常敏感[29]。

本研究仍存在一些不足：(1)本研究樣本量偏小，今后將擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步研究；(2) MoCA量表是簡易神經(jīng)認(rèn)知評估量表，有待進(jìn)一步采用精細(xì)量表評估神經(jīng)認(rèn)知功能；(3)盡管本研究表明顳葉白質(zhì)損傷與放療關(guān)系密切，但所有NPC組患者均進(jìn)行誘導(dǎo)化療或(和)同期放化療，化療藥物對腦組織結(jié)構(gòu)的損傷仍未能排除[30]，進(jìn)一步研究單純放射治療患者的顳葉損傷可以排除化療影響；(4)本研究采用手動勾畫ROI方式獲得DKI參數(shù)值，其可重復(fù)性較差，今后采用基于體素的全腦研究可以克服這一局限性。

綜上所述，本研究顯示了鼻咽癌放療后早期雙側(cè)顳葉白質(zhì)和海馬的隱匿性微觀結(jié)構(gòu)改變，并表明左側(cè)顳葉白質(zhì)擴(kuò)散峰度參數(shù)呈劑量依賴性改變，采用DKI能較DTI更敏感地發(fā)現(xiàn)這些病變非高斯擴(kuò)散特點。DKI可以作為客觀的影像學(xué)手段監(jiān)測鼻咽癌放療后顳葉白質(zhì)和海馬早期隱匿性放射性腦損傷，為臨床早期發(fā)現(xiàn)及干預(yù)提供客觀影像學(xué)依據(jù)。

利益沖突：無。