多模態(tài)MRI觀察頸椎源性疼痛患者全腦結(jié)構(gòu)異常

楊 倩，張 明，王 淵

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，陜西 西安 710061)

頸椎源性疼痛(cevical spondylotic pain, CSP)是由頸椎骨質(zhì)增生、頸椎間盤退變等因素刺激鄰近脊神經(jīng)根或脊髓而引起的臨床綜合征，主要表現(xiàn)為頸肩部和上臂放射樣疼痛,偶爾伴前臂麻木或無力[1]。CSP性質(zhì)類似于慢性腰背痛，終將導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變[2]。既往關(guān)于CSP的研究[3-4]多關(guān)注大腦功能改變。本研究采用基于體素的形態(tài)學(xué)(voxel based morphometry, VBM)技術(shù)和擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)觀察CSP患者全腦灰質(zhì)和白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，分析相應(yīng)腦體積與臨床特征的相關(guān)性，以期為探索CSP疼痛機(jī)制和潛在治療靶點(diǎn)提供客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2018年6月—2019年7月于西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院就診的慢性CSP患者31例(CSP組)，男20例，女11例，年齡26～55歲，平均(41.2±9.3)歲；病程2～180個(gè)月，平均(40.74±8.09)個(gè)月；視覺模擬量表(visual analogue scale, VAS)評(píng)分1～8分，平均(4.48±1.93)分。納入標(biāo)準(zhǔn)：①頸肩部疼痛，伴或不伴上臂放射性疼痛及前臂麻木，疼痛持續(xù)時(shí)間>2個(gè)月；②X線片提示頸椎骨質(zhì)退行性變征象，未見感染性、腫瘤性或風(fēng)濕性病變；頸椎MRI示頸椎間盤退變、膨出或突出，排除脊髓炎癥、脊髓腫瘤、脊髓空洞征等器質(zhì)性病變；③年齡25～55歲，右利手，視覺模擬量表(visual analogue scale, VAS)評(píng)分>3分。排除標(biāo)準(zhǔn)：①其他部位病變所致慢性疼痛史；②神經(jīng)或精神疾?。虎鬯幬锛熬凭蕾囀?；④MR檢查禁忌證。同期招募性別、年齡、受教育程度匹配的30名健康成人作為對(duì)照組，男20名，女10名，均為右利手。對(duì)2組受試者行情緒異常和認(rèn)知障礙評(píng)分，包括漢密爾頓焦慮量表(Hamilton anxiety scale, HAMA)、漢密爾頓抑郁量表(Hamilton depression scale, HAMD)、蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表(Montreal cognitive assessment, MoCA)評(píng)分。本研究經(jīng)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)：2018倫審科字第G-3號(hào))，受試者或親屬均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Signa HDxt 3.0 T超導(dǎo)型MRI儀，8通道正交頭線圈，以橡膠墊固定受試者頭部，予佩戴耳塞以降低噪音。先行常規(guī)全腦MR檢查，而后采集全腦高分辨T1結(jié)構(gòu)圖像(3D-T1WI)，采用快速擾相梯度回波序列，TR 10.9 ms，TE 4.9 ms，翻轉(zhuǎn)角15°，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，層間隔0，層數(shù)140。之后采集軸位DTI，采用SE-EPI序列，TR 10 000 ms，TE 90.6 ms，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，矩陣 128×128，層厚 4 mm，層間隔0 mm，層數(shù)35，b值0、1 000 s/mm2，30個(gè)擴(kuò)散方向。

1.3 圖像分析

1.3.1 VBM數(shù)據(jù)處理與分析 以dcm2nii軟件對(duì)3D-T1WI進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。采用Matlab 13.0和基于SPM 8軟件將原始空間的3D結(jié)構(gòu)像空間標(biāo)準(zhǔn)化為蒙特利爾神經(jīng)科學(xué)研究所(Montreal Cognitive Assessment, MNI)制作的大腦結(jié)構(gòu)平面圖像，按照組織概率圖(tissue probability maps, TPM)模板對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化圖像進(jìn)行分割，獲得灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液圖像。對(duì)灰質(zhì)圖像進(jìn)行調(diào)制，使其體素值代表局部灰質(zhì)體積，以8 mm半高全寬高斯核進(jìn)行空間平滑。

1.3.2 DTI數(shù)據(jù)處理與分析 采用dcm2nii軟件將DTI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，以FSL軟件進(jìn)行渦電流校正，對(duì)齊到b=0的DTI并去除頭皮組織，擬合擴(kuò)散張量模型，計(jì)算擴(kuò)散張量參數(shù)，包括各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy, FA)、平均擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusivity, MD)、軸向擴(kuò)散系數(shù)(axial diffusivity, AD)及徑向擴(kuò)散系數(shù)(radial diffusivity, RD)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料。采用χ2檢驗(yàn)及t檢驗(yàn)分別比較2組性別及年齡、情緒異常和認(rèn)知障礙評(píng)分的差異。以兩樣本t檢驗(yàn)比較組間腦灰質(zhì)體積和白質(zhì)參數(shù)的差異；設(shè)定體素水平P<0.001、簇水平P<0.05為組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；采用Spearman相關(guān)分析觀察差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)與疼痛水平(VAS評(píng)分)、情緒異常(HAMA和HAMD評(píng)分)及認(rèn)知障礙(MoCA評(píng)分)的關(guān)系。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 CSP組與對(duì)照組一般資料比較(±s)

表1 CSP組與對(duì)照組一般資料比較(±s)

組別男/女年齡(歲)HAMA評(píng)分HAMD評(píng)分MoCA評(píng)分CSP組20/1141.2±9.39.52±1.308.16±0.9025.94±2.72對(duì)照組20/1040.3±10.14.93±0.764.47±0.6926.80±1.73χ2/t值0.030.373.023.24-1.48P值0.840.71<0.01<0.010.15

圖1 VBM分析結(jié)果(藍(lán)色代表CSP組體積減少腦區(qū)) A. 二維圖像顯示組間腦灰質(zhì)體積差異； B. 三維圖像組間腦灰質(zhì)體積差異

2 結(jié)果

2.1 一般資料比較 2組性別、年齡及MoCA評(píng)分差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，HAMA和HAMD評(píng)分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。見表1。

2.2 腦灰質(zhì)體積及腦白質(zhì)參數(shù)比較 CSP組全腦總體積[1 412±114)cm3]，白質(zhì)體積[(515±56)cm3]，腦脊液體積[(230±36)cm3]，對(duì)照組分別為1 426±113)cm3、(502±52)cm3、(224±33)cm3，組間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-0.68、0.67、0.57，P=0.37、0.48、0.50)。CSP組右側(cè)楔前葉、右側(cè)顳上回及右側(cè)中扣帶回灰質(zhì)體積較對(duì)照組減少(圖1)。CSP組左、右側(cè)上縱束FA值(0.33±0.03、0.28±0.03，t=-3.12、-2.62，P均<0.05)相比對(duì)照組(0.37±0.05、0.31±0.04)減低(圖2)，而全腦MD、AD及RD值[(7.5±0.19×10-4)mm2/s、(11.6±0.24×10-4)mm2/s、(5.7±0.12×10-4)mm2/s]差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[對(duì)照組分別為(7.4±0.17×10-4)mm2/s、(11.4±0.22×10-4)mm2/s、(5.6±0.10×10-4)mm2/s，t=1.07、1.10、1.25，P均>0.05]。

2.3 CSP組腦灰質(zhì)體積異常及白質(zhì)微結(jié)構(gòu)異常腦區(qū)參數(shù)與臨床指標(biāo)的相關(guān)性 CSP組右側(cè)楔前葉(rs=-0.397，P=0.045)、右側(cè)顳上回(rs=-0.402，P=0.034)及右側(cè)中扣帶回(rs=-0.338，P=0.045)灰質(zhì)體積均與VAS評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，與HAMA、HAMD和MoCA評(píng)分均無明顯相關(guān)(P均>0.05)，見圖3。CSP組左側(cè)上縱束FA值與VAS評(píng)分呈負(fù)相關(guān)(rs=-0.460，P=0.014)，見圖4；其右側(cè)上縱束FA值與VAS評(píng)分及雙側(cè)上縱束FA值與HAMA、HAMD和MoCA評(píng)分均無明顯相關(guān)(P均>0.05)。

圖2 CSP組FA值相比對(duì)照組減少腦區(qū)(藍(lán)色)

圖3 CSP患者體積減少腦區(qū)灰質(zhì)與VAS評(píng)分相關(guān)性的散點(diǎn)圖 A.右側(cè)楔前葉； B.右側(cè)顳上回； C.右側(cè)中扣帶回 圖4 CSP患者左側(cè)上縱束FA值與VAS評(píng)分相關(guān)性的散點(diǎn)圖

3 討論

VBM是一種自動(dòng)識(shí)別全腦結(jié)構(gòu)變化的后處理技術(shù)，可基于體素水平分析腦內(nèi)結(jié)構(gòu)異常。將全腦各項(xiàng)灰白質(zhì)參數(shù)加以有機(jī)整合，有助于全面分析CSP腦結(jié)構(gòu)層面改變，為評(píng)估病情和檢測(cè)療效提供影像學(xué)依據(jù)。本研究分析慢性CSP患者全腦結(jié)構(gòu)水平是否存在可塑性改變，以及相應(yīng)影像學(xué)指標(biāo)與疼痛程度、情緒異常和認(rèn)知障礙的相關(guān)性。

本研究結(jié)果顯示，相比健康對(duì)照，慢性CSP患者右側(cè)楔前葉、右側(cè)顳上回和右側(cè)中扣帶回灰質(zhì)體積不同程度減少，有關(guān)楔前葉結(jié)果與WOODWORTH等[5]的結(jié)論相似。楔前葉是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)之一，參與心理活動(dòng)、情感處理和對(duì)先前經(jīng)歷的回憶，有抵抗傷害刺激的作用[6]。經(jīng)典疼痛矩陣是與疼痛感知、傳導(dǎo)、處理及伴隨情緒活動(dòng)密切相關(guān)的腦區(qū)，相對(duì)離散而又互相影響，主要包括導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)、丘腦、杏仁核、島葉、前額葉皮質(zhì)、扣帶回前部及中部、第一及第二軀體感覺皮質(zhì)等，共同構(gòu)成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，是處理傷害感受性刺激的主要場(chǎng)所[7]。楔前葉雖不屬于經(jīng)典疼痛矩陣的關(guān)鍵腦區(qū)，但慢性疼痛時(shí)其結(jié)構(gòu)可發(fā)生改變[8]。本研究發(fā)現(xiàn)楔前葉灰質(zhì)體積與VAS評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，提示強(qiáng)烈傷害性刺激對(duì)CSP患者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)破壞更嚴(yán)重。

本研究結(jié)果顯示CSP患者同時(shí)存在顳上回灰質(zhì)體積減少，與TANG等[9]結(jié)果相符。椎間盤源性下腰痛所致腦結(jié)構(gòu)異常包括顳上回體積萎縮[10]。顳上回與傳出復(fù)制有關(guān)，主要監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)感覺與實(shí)際感覺間的不匹配。有關(guān)慢性疼痛研究較少提及顳上回萎縮，可能源于對(duì)該區(qū)疼痛調(diào)節(jié)的解釋有限。既往研究[8]指出，顳上回可能參與處理痛覺信息，提示CSP時(shí)傷害性傳出抑制失敗與該區(qū)灰質(zhì)體積減少有關(guān)。顳上回灰質(zhì)體積與疼痛嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)，表明該區(qū)體積萎縮可能導(dǎo)致患者對(duì)頸椎疼痛的感知存在偏差[7]。

CSP患者右側(cè)中扣帶回亦存在灰質(zhì)體積萎縮現(xiàn)象，該現(xiàn)象也可見于三叉神經(jīng)痛[8]、顳下頜關(guān)節(jié)紊亂綜合征[11]患者。中扣帶回是痛覺矩陣的核心腦區(qū)之一，參與多維調(diào)節(jié)痛覺信息，包括痛覺、負(fù)面影響和認(rèn)知控制[12]，同時(shí)與疼痛致恐懼回避、環(huán)境監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)定向有關(guān)[13]，屬于邊緣葉的一部分，與疼痛經(jīng)歷中的有效處理有關(guān)[14]。IVO等[15]認(rèn)為中扣帶回萎縮將促進(jìn)從急性疼痛過渡到慢性疼痛狀態(tài)。本研究CSP組中扣帶回灰質(zhì)體積與VAS評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，提示嚴(yán)重疼痛可能導(dǎo)致CSP患者在痛覺感知、情緒調(diào)節(jié)和逃避反應(yīng)方面產(chǎn)生障礙。

DTI技術(shù)能在體顯示組織內(nèi)水分子擴(kuò)散特征，評(píng)估腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化。FA值反映白質(zhì)髓鞘的完整性、致密性及平行性，F(xiàn)A值減低是腦白質(zhì)纖維束變性的敏感指標(biāo)[16]；MD值可更客觀地反映水分子的擴(kuò)散程度，RD值升高常提示髓鞘完整性破壞及髓鞘脫失，AD值升高則提示反應(yīng)性神經(jīng)膠質(zhì)增生[17]。本研究發(fā)現(xiàn)CSP組出現(xiàn)雙側(cè)上縱束FA值對(duì)稱性減低，此亦可見于三叉神經(jīng)痛患者[18]。上縱束是額葉、頂葉、顳葉和枕葉皮層的聯(lián)合纖維系統(tǒng)，起源于額葉皮質(zhì)，經(jīng)過鰓蓋，止于外側(cè)裂后部；該處有許多神經(jīng)元向枕葉皮質(zhì)發(fā)出纖維輻射，而其他神經(jīng)元于殼核周圍向前下方旋轉(zhuǎn)，向顳葉皮質(zhì)發(fā)出纖維輻射[19]。WANG等[20]指出，上縱束是上行痛覺傳導(dǎo)通路的重要組成部分，CSP患者雙側(cè)上縱束FA值均減低，推測(cè)痛覺傳入神經(jīng)纖維的髓鞘完整性破壞，但需結(jié)合神經(jīng)解剖和神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。本研究中CSP患者灰白質(zhì)微結(jié)構(gòu)與其他臨床指標(biāo)無明顯相關(guān)，可能由于慢性頸肩痛所致情緒異常、認(rèn)知障礙程度的累積效應(yīng)尚不足。

綜上所述，CSP患者右側(cè)楔前葉、右側(cè)顳上回及右側(cè)中扣帶回灰質(zhì)體積減少，伴雙側(cè)上縱束FA值對(duì)稱性減低；聯(lián)合應(yīng)用VBM技術(shù)及DTI可評(píng)估頸椎源性疼痛患者全腦灰白質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變。