輕度創(chuàng)傷性腦損傷后腦組織微環(huán)境變化：多模態(tài)磁共振成像研究

張 婕，卓麗華，唐春耕，周 明，姚洪超，黃國(guó)平，劉 陽(yáng)

(綿陽(yáng)市第三人民醫(yī)院·四川省精神衛(wèi)生中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

輕度創(chuàng)傷性腦損傷(mild traumatic brain injury，mTBI)是常見的腦外傷形式，其產(chǎn)生原因很多，包括跌倒、運(yùn)動(dòng)和機(jī)動(dòng)車事故等。由于其CT及常規(guī)MRI均無陽(yáng)性表現(xiàn)，容易被臨床醫(yī)生忽視，但部分mTBI患者存在頭痛、頭暈及不同程度的神經(jīng)功能失調(diào)癥狀，與影像檢查結(jié)果不符[1]。近年來，隨著影像技術(shù)的發(fā)展，mTBI的診斷及預(yù)后逐漸成為臨床研究熱點(diǎn)，越來越多的磁共振研究表明，高達(dá)20%～30%的CT掃描正常的mTBI患者存在明顯的腦組織結(jié)構(gòu)變化[2-4]。擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)可以提供常規(guī)MRI檢查不能顯示的腦組織微觀結(jié)構(gòu)、神經(jīng)纖維束的走向及受損情況[5-6]。發(fā)生mTBI后，受累白質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)和神經(jīng)功能會(huì)發(fā)生一定程度的改變，在DTI上表現(xiàn)為髓鞘的不完整或扭曲以及FA值降低，進(jìn)而反映腦組織受傷的范圍和程度[7]。磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)可以顯示損傷腦組織的代謝產(chǎn)物濃度變化，從而評(píng)估腦組織的損傷情況[8]。磁敏感加權(quán)成像(sensitive weighted imaging，SWI)對(duì)mTBI中微出血灶以及彌漫性軸索損傷較敏感，而這些腦組織損傷在常規(guī)的MRI成像模式中可能被忽視。本研究目的是評(píng)估m(xù)TBI患者在創(chuàng)傷3天內(nèi)DTI、MRS及SWI各圖像及參數(shù)的變化，進(jìn)而評(píng)估m(xù)TBI患者是否存在腦組織結(jié)構(gòu)及代謝方面的變化，為了解mTBI患者的預(yù)后、制定針對(duì)性的治療方案提供參考。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

于2017年2月-2018年10月連續(xù)收集在綿陽(yáng)市第三人民醫(yī)院住院的mTBI患者作為研究組，并在損傷后4～72小時(shí)內(nèi)進(jìn)行CT及MRI掃描。納入標(biāo)準(zhǔn)：符合WHO制定的mTBI診斷標(biāo)準(zhǔn)，損傷后格拉斯哥昏迷量表(Glasgow Coma Scale，GCS)評(píng)分為13～15分，且伴隨至少一項(xiàng)以下內(nèi)容：①意識(shí)障礙<30 min；②創(chuàng)傷后記憶缺失<24 h；③困惑或定向障礙；④短暫性神經(jīng)功能異常(局灶癥狀或癲癇)；⑤不需要手術(shù)治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：①CT及MRI檢查發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)病灶者；②傷前存在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病者；③有CT及MRI禁忌癥者。符合納入標(biāo)準(zhǔn)且不符合排除標(biāo)準(zhǔn)共21例。同期在綿陽(yáng)市第三人民醫(yī)院通過廣告招募接受MRI檢查的健康志愿者為對(duì)照組。納入標(biāo)準(zhǔn)：性別、年齡及受教育程度與mTBI組匹配。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有頭部外傷史、顱內(nèi)疾病史、精神疾病史、酒精或藥物濫用史；②頭顱常規(guī)MRI及CT檢查存在異常者。符合納入標(biāo)準(zhǔn)且不符合排除標(biāo)準(zhǔn)共18例。所有受試者均簽署知情同意書，本研究經(jīng)綿陽(yáng)市第三人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 儀器設(shè)備及掃描參數(shù)

(1)所有患者均使用德國(guó)Siemens Magnetom Skyra 3.0T超導(dǎo)磁共振，20通道頭顱專用線圈掃描。掃描序列包括：橫斷位常規(guī)T1WI、T2WI、FLAIR。掃描參數(shù)：T1WI TE=2.3 ms ，TR=2 100 ms，F(xiàn)OV=250 mm×250 mm，層厚：5 mm，層間距：1.5 mm；T2WI TE=100 ms，TR=4 250 ms，F(xiàn)OV=221 mm×221 mm，層厚：5 mm，層間距：1.5 mm；FLAIR TE=85 ms，TR=5 000 ms，F(xiàn)OV=193 mm×221 mm，層厚：5 mm，層間距：1.5 mm。1H-MRS掃描，應(yīng)用化學(xué)位移成像進(jìn)行多體素采集PRESS序列，掃描范圍包括內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢、額葉白質(zhì)及胼胝體膝部。掃描參數(shù)：TE=2.27 ms，TR=2 100 ms，頻寬：1 200 Hz，Ave：3次，F(xiàn)OV=342 mm×250 mm。DTI掃描參數(shù)：采用單次激發(fā)自旋回波平面成像(SE-EPI)序列，掃描參數(shù)：TR=3 700 ms，TE=95 ms，F(xiàn)OV=221 mm×221 mm，擴(kuò)散敏感梯度方向數(shù)20個(gè)，b=1 000 s/mm2，掃描層厚4 mm，層間距1.2 mm，激勵(lì)次數(shù)為12。SWI掃描參數(shù)：TR=20 ms，TE=27 ms，F(xiàn)OV=200 mm×221 mm，層厚1.5 mm，層間距0 mm，翻轉(zhuǎn)角15°。(2)應(yīng)用西門子128排螺旋CT頭顱自顱底到顱頂掃描，層厚1.25 mm。

1.3 圖像后處理及參數(shù)測(cè)量

將所有原始圖像傳輸至Syngo Via工作站，生成DTI白質(zhì)纖維束圖像并觀察傷側(cè)內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢、胼胝體膝部、胼胝體壓部、扣帶回、半卵圓中心、額葉白質(zhì)及視輻射等區(qū)域的白質(zhì)纖維束變化，并測(cè)量相應(yīng)區(qū)域的部分各向異性(Fractional Anisotropy，F(xiàn)A)值及表觀擴(kuò)散系數(shù)(Apparent Diffusion Coefficient，ADC)值；在MRS系統(tǒng)自帶處理軟件，完成圖像后處理，測(cè)算NAA、Cho及Cr峰下的面積(代謝物濃度)，并換算出NAA/Cr值、Cho/Cr值，以上均采用雙盲法測(cè)量數(shù)據(jù)。感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)放置在信號(hào)均勻的層面，避開腦脊液、顱骨及血管的影響。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，所有數(shù)據(jù)測(cè)量均在同一層面鄰近區(qū)域測(cè)量3次、取其平均值；觀察mTBI組與對(duì)照組SWI圖像是否存在微出血灶。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

運(yùn)用SPSS 17.0對(duì)所有計(jì)量資料進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，為非正態(tài)分布資料，以[M(Q1～Q2)]表示。采用兩獨(dú)立樣本非參數(shù)檢驗(yàn)比較兩組各參數(shù)的差異。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 研究對(duì)象一般資料

mTBI組共21例，其中男性8例，女性13例；年齡20～49歲；顱腦損傷的原因包括道路交通事故11例、意外摔傷4例、暴力襲擊3例、其他3例；臨床癥狀包括頭痛、頭暈、惡心、步態(tài)不穩(wěn)、煩躁、記憶障礙等。

對(duì)照組共18例，其中1例檢查出較大面積腦梗死，1例圖像偽影較重，影響圖像分析及數(shù)據(jù)質(zhì)量，遂予以剔除，最終共對(duì)16例志愿者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中男性9例，女性7例；年齡22～43歲。

2.2 兩組DTI圖像對(duì)比

mTBI組21例患者CT及常規(guī)MRI序列(T1WI、T2WI、FLAIR)均無異常，2例mTBI患者3D纖維束后處理DTI顯示傷側(cè)胼胝體壓部纖維束較對(duì)側(cè)略少。mTBI組胼胝體壓部FA值低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。兩組各感興趣區(qū)ADC值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見表1。

表1 mTBI組傷側(cè)與對(duì)照組各感興趣區(qū)FA值、ADC值比較[M(Q1～Q2)]

2.3 兩組MRS圖像對(duì)比

由于MRS放置感興趣區(qū)面積有限，本研究只選取了內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢、額葉白質(zhì)及胼胝體壓部進(jìn)行分析。mTBI組胼胝體膝部NAA/Cr值低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。mTBI組內(nèi)囊后肢和胼胝體膝部Cho/Cr值均高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05或0.01)。見表2。

表2 mTBI組傷側(cè)與對(duì)照組不同腦組織區(qū)MRS圖像NAA/Cr值、Cho/Cr值比較[M(Q1～Q2)]

2.4 SWI圖像分析

mTBI組與對(duì)照組SWI圖像均無微出血灶。其中3例mTBI患者雙側(cè)基底節(jié)區(qū)SWI序列可見對(duì)稱性分布點(diǎn)結(jié)狀低信號(hào)，考慮為蒼白球鈣化，對(duì)比CT檢查予以證實(shí)。

3 討 論

mTBI患者的腦組織損傷是一個(gè)復(fù)雜的病理生理過程，損傷的腦組織會(huì)發(fā)生神經(jīng)元微觀結(jié)構(gòu)的改變，而DTI能夠靈敏地檢測(cè)微結(jié)構(gòu)改變，F(xiàn)A值和ADC值是最常用的量化指標(biāo)。本研究顯示，mTBI患者胼胝體壓部的FA值低于對(duì)照組，導(dǎo)致FA值降低的病理生理學(xué)基礎(chǔ)可能是軸突的損傷。通常軸突具有足夠的延展性以承受緩慢發(fā)展的拉伸機(jī)制，并且當(dāng)這種力被移除時(shí)能夠恢復(fù)其原始形狀和長(zhǎng)度[9]。然而，由快速的作用力(例如機(jī)動(dòng)車事故及墜落傷等)所造成的變形，會(huì)破壞軸突細(xì)胞骨架，導(dǎo)致軸突細(xì)胞失去彈性，并損害軸突運(yùn)輸功能。在mTBI患者腦損傷的早期，由于神經(jīng)元支架破壞以及軸突腫脹，軸突傳遞神經(jīng)元發(fā)出沖動(dòng)的阻力增大、擴(kuò)散減弱，導(dǎo)致FA值降低。許多學(xué)者也有類似的研究結(jié)果，如Arfanakis等[10]研究表明，在發(fā)生腦損傷的24小時(shí)內(nèi)，mTBI患者內(nèi)囊和胼胝體的FA值低于對(duì)照組，Miles等[11-13]也發(fā)現(xiàn)mTBI患者內(nèi)囊、胼胝體和部分邊緣系統(tǒng)的FA值降低。

本研究中，兩組胼胝體膝部及內(nèi)囊區(qū)的FA值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與本研究病例較少有關(guān)。兩組ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是由于ADC值僅提供了一個(gè)方向的水分子運(yùn)動(dòng)情況，由于各向異性的影響，單一方向的擴(kuò)散不能完全代表擴(kuò)散的特性[7]。因此，根據(jù)研究結(jié)果可以推測(cè)，F(xiàn)A值比ADC值更能準(zhǔn)確反映mTBI患者的神經(jīng)組織受損情況，且胼胝體可能為mTBI患者最容易受損的腦組織結(jié)構(gòu)。

MRS可以反映神經(jīng)代謝物濃度變化，以此提示神經(jīng)細(xì)胞損傷的相關(guān)信息。軸索損傷、炎癥、水腫、細(xì)胞凋亡、興奮性毒性和線粒體功能障礙等均可引起繼發(fā)性損傷，使腦組織代謝物波譜線發(fā)生變化[14]。NAA是神經(jīng)細(xì)胞完整性的標(biāo)志物，彌漫性軸索損傷及神經(jīng)軸突斷裂可使其濃度降低，而Cho濃度與髓鞘損傷和修復(fù)有關(guān)。為了彌補(bǔ)腦損傷嚴(yán)重程度和個(gè)體差異的影響，本研究使用代謝物濃度比[15]。與對(duì)照組相比，mTBI組胼胝體膝部NAA/Cr值較低、Cho/Cr值較高，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05或0.01)，這一結(jié)果與DTI結(jié)果相互印證了mTBI患者胼胝體發(fā)生損傷的可能性。胼胝體膝部NAA水平的降低和Cho水平的增加導(dǎo)致NAA/Cr減低和Cho/Cr升高，與Govind等[16-18]研究一致。在腦損傷后，細(xì)胞外谷氨酸(Glu)會(huì)快速且病理性聚集，使得NAA值降低。此外，NAA與突觸前III型代謝型谷氨酸受體結(jié)合可限制Glu的進(jìn)一步釋放，因此也會(huì)使NAA降低[19]。本研究中mTBI組內(nèi)囊后肢Cho/Cr值比對(duì)照組更高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但兩組NAA/Cr值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。此現(xiàn)象的發(fā)生可能是mTBI患者內(nèi)囊后肢腦組織損傷未引起明顯的能量代謝障礙，使線粒體NAA合成無明顯下降，而同時(shí)細(xì)胞膜受損、膠質(zhì)細(xì)胞增生引發(fā)Cho增多可能更明顯。George等[14-15]也發(fā)現(xiàn)，mTBI患者均存在NAA降低及Cho升高，與本研究結(jié)果相似。因此，說明神經(jīng)細(xì)胞代謝物濃度改變?cè)趍TBI的早期階段(<3 d)就已經(jīng)發(fā)生，在數(shù)小時(shí)內(nèi)的腦損傷會(huì)影響白質(zhì)完整性及微觀結(jié)構(gòu)變化。

與CT和其他MR成像技術(shù)相比，SWI對(duì)微出血的敏感性更高[20-24]。本研究中21例mTBI患者均未發(fā)現(xiàn)微出血灶，可能是由于這些患者僅存在輕微的腦損傷或不存在器質(zhì)性腦損傷，因此可以推測(cè)這部分患者可能具有良好的預(yù)后，需進(jìn)一步隨訪研究。

本研究的局限性在于：首先，本研究樣本量不大，未對(duì)不同損傷模式的mTBI患者以及不同程度的mTBI進(jìn)行亞組分析；其次，不同患者損傷后的掃描時(shí)間不同，本研究結(jié)果的外推性可能會(huì)受到一定的限制；此外，未對(duì)同一mTBI患者不同時(shí)期的各參數(shù)進(jìn)行縱向分析，以評(píng)估其腦損傷后腦組織結(jié)構(gòu)的恢復(fù)和改變情況。因此，下一步研究的重點(diǎn)是追蹤mTBI患者在不同時(shí)期的DTI、MRS各參數(shù)及腦組織結(jié)構(gòu)變化，以及是否遺留有與腦損傷相關(guān)的神經(jīng)認(rèn)知障礙。