基于DTI的三叉神經(jīng)痛腦白質結構異常及其與臨床特征的相關性

李 丹，卜 崗，張 明，王 淵*

(1.西安交通大學第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，2.醫(yī)學影像科，3.疼痛科，陜西 西安 710061)

三叉神經(jīng)痛(trigeminal neuralgia, TN)表現(xiàn)為一側顏面部三叉神經(jīng)分布區(qū)的突發(fā)性電擊樣、燒灼樣劇痛[1]，嚴重影響患者生活質量。依據(jù)發(fā)病機制，臨床上將其分為原發(fā)性TN(primary TN, PTN)和繼發(fā)性TN(secondary TN, STN)，其中PTN約占85%，表現(xiàn)為橋前池內(nèi)異常血管襻與三叉神經(jīng)入腦干區(qū)(root entry zone, REZ)相互接觸，由此引發(fā)三叉神經(jīng)一系列病理學改變，包括髓鞘脫失乃至軸索損傷[2-3]。DTI可以測定水分子的擴散運動，間接反映神經(jīng)纖維束的完整性。研究[4]表明TN患者疼痛側三叉神經(jīng)FA值明顯低于、ADC值高于非疼痛側和對照組。由于頻繁的疼痛信號由受累神經(jīng)傳入高級中樞，PTN患者痛覺傳導通路的腦白質微結構也可能存在異常。本研究以DTI為基礎，采用基于纖維束的空間統(tǒng)計方法(tract-based spatial statistics, TBSS)分析PTN患者全腦白質各項擴散參數(shù)改變及其與臨床表現(xiàn)的相關性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2012年9月—2015年12月38例PTN患者(PTN組)，男16例，女22例，年齡40～67歲，平均(55.8±8.3)歲，受教育年限(12.54±3.66)年；均符合國際頭痛協(xié)會發(fā)布的PTN診斷標準：①突發(fā)頭面部疼痛，持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分；②疼痛至少有下述4項特征，疼痛只局限于三叉神經(jīng)各支支配區(qū)；突發(fā)、劇烈的針刺痛、燒灼痛、電擊痛；可有固定扳機點，刺激該處可誘發(fā)疼痛；存在發(fā)作間歇期；③無神經(jīng)系統(tǒng)器質性損害；④排除其他引起顏面部疼痛的疾病。

招募同期年齡、性別匹配的38名健康志愿者(對照組)，男16名，女22名，年齡41～68歲，平均(56.1±8.5)歲，受教育年限(12.92±4.13)年。排除患有嚴重軀體或精神疾病者，藥物、酒精依賴者和月經(jīng)期婦女。由1名高年資疼痛科醫(yī)師采用視覺模擬評分(visual analogue scale， VAS)對PTN患者進行痛覺測定，在MR檢查前連續(xù)測定7天，取平均值。本研究經(jīng)過我院醫(yī)學倫理委員會論證并同意，所有受試者均知悉檢查目的、流程和注意事項，并簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Signa HDxt 3.0T超導型MRI系統(tǒng)，8通道正交頭線圈。掃描時以橡膠墊固定受試者頭部，佩戴耳塞以降低噪音。先行常規(guī)全腦MR掃描，采集軸位T1WI和軸位、冠狀位T2WI，以除外腦內(nèi)器質性病變。隨后行覆蓋全腦的高分辨解剖結構成像，采用快速擾相梯度回波序列，TR 10.7 ms，TE 4.9 ms，翻轉角15°，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，無層間隔，共掃描144層。最后行軸位DTI掃描，采用SE-EPI序列，TR 10 000 ms，TE 87 ms，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，矩陣128×128，層厚4 mm，無層間隔，共掃描35層，b值取0、1 000 s/mm2，30個擴散方向。

1.3 DTI數(shù)據(jù)處理及分析 ①格式轉換：采用MRIcron軟件將原始DICOM數(shù)據(jù)轉化為NIfTI格式。②預處理：采用FMRIB Software Library(FSL 5.0)軟件(http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)對NIfTI格式的DTI數(shù)據(jù)進行渦電流校正，再將數(shù)據(jù)對齊到b=0的圖像上，去除磁場不均勻性和頭動偽影。使用BET工具包去除頭皮組織，并應用FDT 3.0工具包擬合擴散張量模型，創(chuàng)建各項擴散張量參數(shù)，包括FA值、平均擴散系數(shù)(mean diffusivity, MD)、3個本征向量(V1、V2、V3)和對應的本征值(λ1，λ2，λ3)，其中λ1即為軸向擴散系數(shù)(axial diffusivity, AD)，λ2和λ3的平均值為徑向擴散系數(shù)(radial diffusivity, RD)。③計算PTN組與對照組各項擴散張量參數(shù)的差異：采用TBSS方法，首先對FA數(shù)據(jù)進行預處理(TBSS_1_preproc)，將所有受試者的FA圖非線性配準(TBSS_2_reg)到FMRIB標準模板(FMRIB58_FA-1mm)，并轉換到蒙特利爾神經(jīng)研究所(montreal neurological institute, MNI)標準空間(TBSS_3_postreg)；之后生成平均FA骨架，閾值設為0.2，將標準空間FA圖投影至骨架上，并將MD等其他擴散張量參數(shù)寫入MNI空間(TBSS_4_prestats)。④PTN組與對照組間差異比較和彌散張量指標提?。簯胷andomize工具對骨架化的FA、MD等數(shù)據(jù)進行逐一體素非參數(shù)統(tǒng)計分析，采用TFCE水平多重比較校正(P<0.05，F(xiàn)EW校正，5 000次置換)。將TBSS組間差異結果與JHU標準白質纖維束模板進行比對，提取差異腦區(qū)中各項擴散張量參數(shù)值。

表1 PTN組與對照組腦白質微結構改變比較(±s，n=38)

表1 PTN組與對照組腦白質微結構改變比較(±s，n=38)

組別全腦白質FAMD(×10-3 mm2/s)骨架化腦白質FAMD(×10-3 mm2/s)PTN組0.216±0.0121.094±0.0710.416±0.0210.795±0.032對照組0.221±0.0071.063±0.0440.424±0.0130.781±0.018t值-2.0452.336-2.1072.313P值0.0440.0210.0390.022

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件。符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，PTN組與對照組間比較采用獨立樣本t檢驗。采用Spearman相關分析評價組間差異腦區(qū)的各項擴散張量指標與患者VAS評分的相關性。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

PTN組與對照組性別完全匹配，年齡(t=-0.014，P=0.989)和受教育年限(t=-0.063，P=0.858)差異均無統(tǒng)計學意義。PTN組左側顏面部疼痛17例，右側21例；病程(7.05±5.32)年，VAS評分(5.79±1.70)分，發(fā)作頻率(5.90±5.83)次/天，每次發(fā)作持續(xù)時間(1.32±0.77)min。

2.1 PTN組與對照組全腦白質微結構對比 PTN組全腦白質、骨架化腦白質的FA值較對照組減低、MD值較對照組升高，差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05，表1)；其中全腦白質、骨架化腦白質FA值下降2.12%和1.99%，MD值增加2.92%和1.73%。

與對照組比較，PTN組FA值減低的白質纖維束包括胼胝體膝部、體部及壓部，前放射冠、后放射冠及上放射冠，左側上縱束、左側下縱束及下額枕束(P均<0.05，F(xiàn)WE校正，圖1A)；PTN組骨架化腦白質MD值(圖1B)和RD值(圖1C)升高的白質纖維束更加廣泛，除上述受累腦區(qū)外，還包括雙側丘腦后輻射、雙側內(nèi)囊前后支、雙側外囊、穹窿、右側上縱束(P均<0.05，F(xiàn)WE校正)；AD值升高白質區(qū)相對局限，包括雙側內(nèi)囊前支、左側內(nèi)囊后支、雙側上放射冠和雙側上縱束(P均<0.05，F(xiàn)WE校正，圖1D)。與對照組比較，PTN組骨架化腦白質內(nèi)未見FA值升高及MD值、RD值、AD值減低區(qū)域(P均>0.05，F(xiàn)WE校正)。

2.2 PTN患者白質微結構異常與臨床特征的相關性 對PTN組FA值降低和MD、RD、AD值升高重疊白質區(qū)的各項擴散張量指標與VAS進行相關性分析，結果顯示左側上縱束的FA值與VAS呈負相關(r=-0.502，P=0.001，圖2A)，左側上縱束的MD值與VAS呈正相關(r=0.437，P=0.006，圖2B)。

圖1 PTN組與對照組骨架化腦白質中各項擴散張量參數(shù)的組間差異腦區(qū) A.FA值減低的腦區(qū)(藍色)； B～D.分別為MD值(B)、RD值(C)和AD值(D)增高的腦區(qū)(紅色)

圖2 PTN患者左側上縱束的FA值(A)及MD值(B)與VAS的相關分析

3 討論

DTI能無創(chuàng)顯示活體組織水分子的擴散特征，從而間接反映腦內(nèi)白質纖維束的受損情況。TBSS可彌補手動勾畫ROI所致主觀性強、不易重復等缺陷，能用于分析常規(guī)MRI無法顯示的腦白質結構異常，現(xiàn)已廣泛應用于各類神經(jīng)精神疾病中[5-6]。本研究采集38例PTN患者和38名健康志愿者的全腦DTI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)PTN患者腦內(nèi)白質纖維束廣泛受損，其中左側上縱束FA值及MD值與患者顏面部疼痛程度存在一定相關性。

由于多數(shù)PTN患者存在橋前池內(nèi)變異血管與三叉神經(jīng)REZ相接觸，血管對三叉神經(jīng)的慢性壓迫可能產(chǎn)生脫髓鞘、受損髓鞘形成障礙、膠原物質過度沉積等，嚴重時可致軸索損傷[3]，引起神經(jīng)纖維水分子擴散活動異常。Lutz等[7]發(fā)現(xiàn)PTN患者疼痛側三叉神經(jīng)FA值明顯低于非疼痛側，而ADC值無顯著性差異。盡管FA值仍是量化腦白質完整性最為常用的擴散張量參數(shù)，其他指標對分析腦白質病理學改變也有幫助。AD值反映水分子沿神經(jīng)軸突方向的擴散速率，RD值為垂直于軸突方向的擴散速率，MD值為不考慮擴散方向情況下的局部擴散速率。若平行于軸索方向的擴散張量(AD)與垂直于軸索方向的擴散張量(RD)呈等比例變化，此時FA值保持相對穩(wěn)定，但已存在軸索內(nèi)水分子擴散異常[8]。因此，采用多項擴散張量指標能夠全面反映三叉神經(jīng)的微結構改變。DeSouza等[9]發(fā)現(xiàn)，PTN患者疼痛側與非疼痛側三叉神經(jīng)REZ的FA值均顯著低于健康對照組，MD值、RD值、AD值均高于對照組，而僅FA值在患者疼痛側與非疼痛側之間存在差異，故認為三叉神經(jīng)根部FA值可能是診斷PTN和評估病情的良好生物學標記。

PTN患者反復出現(xiàn)顏面部疼痛，這種傷害感受性信息傳入感覺中樞以及負責情緒調(diào)控的相關腦區(qū)，可能導致相應腦區(qū)的白質微結構異常，且中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性變化與外周神經(jīng)損傷密切相關[10]，使PTN患者全腦白質是否發(fā)生結構重塑成為研究重點。本研究結果表明，PTN組胼胝體、放射冠、上下縱束、丘腦輻射和內(nèi)外囊等神經(jīng)纖維存在多項擴散張量參數(shù)異常，提示全腦白質完整性受到廣泛破壞；PTN患者痛覺傳導通路(丘腦后輻射、內(nèi)囊、上放射冠和雙側上縱束)MD和RD值升高，而FA值僅在左側上縱束局部區(qū)域存在異常，丘腦和內(nèi)囊均未發(fā)現(xiàn)組間差異。MD和RD值升高主要反映顏面部疼痛誘發(fā)的髓鞘脫失、神經(jīng)炎性反應和繼發(fā)水腫[11-12]，F(xiàn)A值主要與神經(jīng)纖維軸索損傷有關[11,13]，因而推測PTN患者在痛覺傳導通路上主要表現(xiàn)為白質脫髓鞘及繼發(fā)炎性改變。其他類型頭面部疼痛(顳下頜關節(jié)紊亂綜合征、偏頭痛等)大多同時存在丘腦和內(nèi)囊FA值異常[14-15]，因此發(fā)現(xiàn)丘腦和內(nèi)囊MD和RD值異常但不伴FA值降低可能對輔助診斷PTN具有相對特異性。此外，本研究發(fā)現(xiàn)PTN患者左側上縱束FA值和MD值與VAS評分均存在一定相關性，而痛覺信息大多經(jīng)上縱束傳入主要軀體感覺區(qū)(中央后回和中央旁小葉后部)和第二軀體感覺區(qū)(中央前、后回的最下部與島葉之間)后進行處理和整合，提示作為感覺傳導通路中的重要節(jié)點，上縱束擴散張量參數(shù)有望成為評價患者疼痛水平的重要影像學指標。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)PTN患者雙側胼胝體膝部、體部及壓部以及雙側前后放射冠均表現(xiàn)為FA降低和MD、RD值升高。胼胝體主要負責大腦半球間的信息傳遞，而胼胝體-放射冠之間的白質纖維束與半球內(nèi)部的信息溝通有關[16]，上述結果提示PTN患者半球間和半球內(nèi)的感覺信息傳遞均存在異常。胼胝體膝部、體部及壓部通過前后放射冠連接額頂葉皮質區(qū)，負責多維度感覺信息的整合，包括認知控制、注意以及情緒反應[17]。PTN患者常處在不同程度的抑郁和焦慮狀態(tài)中[18]，其認知能力也有下降趨勢[19]，因此胼胝體和放射冠的擴散張量參數(shù)異?？赡芊从郴颊叽嬖诓煌潭鹊恼J知和情緒障礙。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)PTN患者感覺傳導通路及感覺信息整合相關的白質腦區(qū)均存在異常，其中丘腦和內(nèi)囊的MD和RD值同向升高但不伴FA值降低可能是PTN相對特征的擴散張量表現(xiàn)，而左側上縱束FA值和MD值對評估病情有參考價值。