彌散張量成像在缺血性卒中患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后評(píng)估中的研究進(jìn)展

趙永瑞，劉展會(huì)

缺血性卒中具有高發(fā)病率、高致殘率等特點(diǎn)[1]，卒中后運(yùn)動(dòng)功能障礙將嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[2]。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后有助于科學(xué)地制訂個(gè)體化治療、康復(fù)方案。為了更好地早期預(yù)測(cè)缺血性卒中患者的預(yù)后，越來(lái)越多的可能預(yù)測(cè)因素正在被逐漸探索[3]。目前常用的臨床量表如NIHSS、Fugl-Meyer運(yùn)動(dòng)功能評(píng)定（Fugl-Meyer motor assessment，F(xiàn)MA）等，對(duì)輕、中度偏癱患者預(yù)后只有中等預(yù)測(cè)價(jià)值[4]，對(duì)重度偏癱患者的預(yù)測(cè)價(jià)值有限[5]。彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）通過(guò)測(cè)量腦組織中水分子的彌散運(yùn)動(dòng)差異，可以顯示出卒中后受損的白質(zhì)纖維束及沃勒變性[6]，是目前唯一可無(wú)創(chuàng)追蹤腦白質(zhì)纖維束的技術(shù)。目前，DTI已廣泛用于卒中、癲癇、創(chuàng)傷性腦損傷等多種疾病的研究[7]。本文就DTI對(duì)缺血性卒中患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后價(jià)值方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 彌散張量成像概述

DTI是Basser等[8]在傳統(tǒng)MRI技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的新的成像方式。彌散運(yùn)動(dòng)是指分子在各個(gè)方向上所做的等概率運(yùn)動(dòng)。對(duì)于分布均勻的介質(zhì)，水分子可在其各個(gè)方向上做等距離運(yùn)動(dòng)，稱為各向同性運(yùn)動(dòng)[9]。腦組織中因細(xì)胞膜、鞘膜以及細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的存在，水分子在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)距離不等，稱為各向異性運(yùn)動(dòng)[9]。對(duì)于神經(jīng)纖維而言，因髓鞘的存在，水分子在沿著纖維束的方向上運(yùn)動(dòng)更加容易；與之相反，在垂直纖維束方向上則不容易進(jìn)行彌散運(yùn)動(dòng)。DTI正是利用水分子在人體內(nèi)呈各向異性運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)在6個(gè)以上的非線性方向上施加梯度磁場(chǎng)，定量檢測(cè)出每個(gè)體素內(nèi)水分子向各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)情況。由于人體組織內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)主要是各向異性擴(kuò)散，所以只要測(cè)定出單位體積內(nèi)的各向異性數(shù)據(jù)，即可分析出人體組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化[10]。

目前廣泛使用的DTI參數(shù)包括各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）、平均擴(kuò)散率（mean diffusivity，MD）、徑向擴(kuò)散率（radial diffusivity，RD）和軸向擴(kuò)散率（axial diffusivity，AD）。為了便于理解彌散張量，可將其視為橢球體。彌散張量中的3個(gè)相互垂直的本征量可視為橢球體中相互垂直的軸，即1個(gè)長(zhǎng)軸和2個(gè)分別代表深度和寬度的短軸。AD代表沿著橢球體長(zhǎng)軸平均擴(kuò)散率，RD代表沿著橢球體中垂直于長(zhǎng)軸的2個(gè)短軸方向上的平均擴(kuò)散率。FA是最常使用的DTI參數(shù)，它可以定量分析各向異性，進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)受損程度。FA值的取值范圍為0～1，F(xiàn)A值趨近于1，可視為橢球體被無(wú)限拉長(zhǎng)，表明水分子所做的彌散運(yùn)動(dòng)在垂直纖維束的方向上越受限制，從而反映出神經(jīng)纖維束的結(jié)構(gòu)越完整，信號(hào)傳導(dǎo)能力越好；FA值趨近于0，可視橢球體為球體，表明水分子所做的彌散運(yùn)動(dòng)越不受限制，反映出神經(jīng)纖維束受損越嚴(yán)重，信號(hào)傳導(dǎo)能力越差。

2 DTI評(píng)估卒中后皮質(zhì)脊髓束受損情況及預(yù)測(cè)患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后

皮質(zhì)脊髓束（corticospinal tract，CST）是人體運(yùn)動(dòng)的主要傳出神經(jīng)纖維束，人體的運(yùn)動(dòng)功能依賴于CST的完整性[11-12]，CST損傷則限制了運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。傳統(tǒng)的MRI序列難以檢測(cè)到卒中后CST的受損程度，但DTI能夠清楚地顯示出CST的微觀結(jié)構(gòu)改變。目前，DTI主要通過(guò)以下3方面反映卒中后CST的受損情況：①卒中病灶遠(yuǎn)隔部位FA值；②卒中病灶穿過(guò)的纖維束數(shù)量；③計(jì)算CST-病灶負(fù)荷。

2.1 卒中病灶遠(yuǎn)隔部位FA值 一些研究證實(shí)，以CST的走形為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量卒中病灶遠(yuǎn)隔區(qū)域（如放射冠、內(nèi)囊后肢、大腦腳等）的FA值可以反映卒中后皮質(zhì)脊髓束的損傷程度和運(yùn)動(dòng)功能障礙[13-14]。有研究發(fā)現(xiàn)，卒中病灶以及病灶同側(cè)的大腦腳、放射冠、內(nèi)囊后肢、初級(jí)皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)的FA值較對(duì)側(cè)降低[15]。張麗華等[16]對(duì)36例卒中（其中包括25例缺血性卒中）患者進(jìn)行DTI成像，發(fā)現(xiàn)大腦腳、腦橋、內(nèi)囊后肢層面CST的FA值均與康復(fù)治療8周的FMA評(píng)分及金子翼上肢功能評(píng)分呈正相關(guān)，且內(nèi)囊后肢的FA值與金子翼上肢功能評(píng)分相關(guān)性最強(qiáng)（r=0.67）。劉建華等[17]的研究也得出相似的結(jié)論。但在缺血性卒中急性期，有研究顯示CST的FA值降低僅對(duì)3個(gè)月的運(yùn)動(dòng)功能有較小的預(yù)測(cè)價(jià)值，這可能與沃勒變性需要一定的時(shí)間有關(guān)[18]。Lee等[19]對(duì)70例缺血性卒中亞急性期患者進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，卒中發(fā)病2周時(shí)CST的FA值與患者3個(gè)月的上肢功能顯著相關(guān)（R2=0.320，P＜0.001）。Jin等[20]的薈萃分析結(jié)果也顯示CST的FA值可以作為缺血性卒中亞急性期患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的預(yù)測(cè)指標(biāo)。

有學(xué)者認(rèn)為，除CST外，還存在其他替代運(yùn)動(dòng)通路與患者運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)。Soulard等[21]對(duì)29例缺血性卒中亞急性期患者進(jìn)行了2年的隨訪，發(fā)現(xiàn)卒中1個(gè)月時(shí)患側(cè)CST、患側(cè)皮質(zhì)-網(wǎng)狀脊髓束以及對(duì)側(cè)小腦上腳處的FA值與發(fā)病2年的步態(tài)評(píng)分顯著相關(guān)。還有研究顯示，胼胝體的FA值也可以預(yù)測(cè)缺血性卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后[22]。Takenobu等[23]對(duì)10例缺血性卒中患者進(jìn)行了縱向研究，分別收集患者發(fā)病2周、1個(gè)月、3個(gè)月的DTI參數(shù)及運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分，結(jié)果顯示3個(gè)月時(shí)患側(cè)紅核及背側(cè)腦橋的FA值顯著升高，大腦腳、放射冠及胼胝體體部等部位的FA值顯著降低，相關(guān)性分析顯示，背側(cè)腦橋、紅核、胼胝體體部、扣帶回處的FA值與患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)呈正相關(guān)。作者認(rèn)為包括紅核脊髓束在內(nèi)的下行運(yùn)動(dòng)纖維束和半球之間胼胝體連接的白質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變可能在卒中后的運(yùn)動(dòng)損傷中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

總而言之，CST的FA值可以作為缺血性卒中亞急性期患者的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)功能預(yù)測(cè)指標(biāo)。目前有研究顯示一些替代運(yùn)動(dòng)通路在小腦上角、胼胝體、紅核等部位的FA值也可以預(yù)測(cè)卒中患者的步態(tài)恢復(fù)，但相關(guān)研究較少，仍需后續(xù)進(jìn)一步深入探索。

2.2 卒中病灶穿過(guò)的纖維束數(shù)量 對(duì)卒中患者進(jìn)行DTI檢查并將所得參數(shù)進(jìn)行后期處理，呈現(xiàn)出神經(jīng)纖維束的走形即彌散張量纖維束示蹤成像（diffusion tensor tractography，DTT）。有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)量CST的纖維束數(shù)量同樣可以反映皮質(zhì)脊髓束的受損程度，并可以預(yù)測(cè)卒中患者發(fā)病90 d至1年的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后[24-25]。有研究顯示，在缺血性卒中的急性期，患者健側(cè)、患側(cè)的CST纖維束數(shù)量差值與肢體肌力顯著相關(guān)（r=-0.554，P=0.026）[26]。Bigourdan等[25]通過(guò)對(duì)117例缺血性卒中患者的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)病24～72 h測(cè)量的初始CST纖維束比（initial fiber number ratio，iFNr）是評(píng)估CST完整性的良好替代標(biāo)志物。同時(shí)iFNr可以獨(dú)立預(yù)測(cè)卒中患者發(fā)病1年的運(yùn)動(dòng)功能，特別是與重癥患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)呈很強(qiáng)的相關(guān)性（R2=0.56，P＜0.0001），而且iFNr比僅使用FMA評(píng)分的預(yù)測(cè)能力有顯著提高。對(duì)于缺血性卒中慢性期的患者，薛倩等[27]同樣發(fā)現(xiàn)患側(cè)CST的纖維束數(shù)量較健側(cè)減少，并且發(fā)現(xiàn)患側(cè)CST纖維束數(shù)量與FMA評(píng)分呈正相關(guān)（r=0.651，P＜0.001），與mRS呈負(fù)相關(guān)（r=-0.645，P＜0.001）。Jang等[28]的回顧性研究也得出了相同的結(jié)論。還有學(xué)者認(rèn)為，iFNr可以評(píng)估缺血性卒中患者在急性期、亞急性期及慢性期等各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后，其中對(duì)慢性期的預(yù)測(cè)更為顯著[24]。上述研究表明，CST的纖維束數(shù)量可以預(yù)測(cè)不同時(shí)期缺血性卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后，對(duì)重癥患者也有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值，同時(shí)相較于臨床評(píng)分，其預(yù)測(cè)能力也有一定優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，運(yùn)動(dòng)功能的預(yù)后與CST的具體纖維束數(shù)量之間的關(guān)系，目前仍沒(méi)有明確的共識(shí)，還需后續(xù)進(jìn)一步研究。

2.3 計(jì)算皮質(zhì)脊髓束-病灶負(fù)荷 在DTT圖像上可以宏觀的顯示出CST與梗死灶的空間位置關(guān)系，可分為相鄰、部分穿過(guò)、完全穿過(guò)，進(jìn)而反映CST的不同受損程度。CST與梗死灶之間的位置關(guān)系同樣可以預(yù)測(cè)卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后。研究顯示，卒中后CST與梗死灶的空間位置關(guān)系可以預(yù)測(cè)患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后，且相較入院時(shí)NIHSS對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)估更加準(zhǔn)確[29]。不過(guò)，依據(jù)CST與梗死灶的空間位置關(guān)系僅能粗略地評(píng)估CST的受損程度。高鑫潔等[30]在此基礎(chǔ)上以健康人群CST作為模板，使卒中病灶與CST模板重疊，將病灶與健康人群CST模板重疊體素與健康人群CST模板體素百分比記為“CST-病灶負(fù)荷”，以此來(lái)量化CST的受損程度。該研究發(fā)現(xiàn)卒中慢性期患者的CST損傷值與腕（r=-0.660，P=0.007）、手（r=-0.813，P＜0.001）和腕+手（r=-0.795，P＜0.001）的FMA評(píng)分均呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于缺血性卒中急性期的患者，F(xiàn)eng等[31]認(rèn)為CST-病灶負(fù)荷同樣可以預(yù)測(cè)發(fā)病3個(gè)月后的運(yùn)動(dòng)結(jié)局，對(duì)嚴(yán)重偏癱的患者也具有一定的預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)。CST-病灶負(fù)荷量量化了CST的受損程度，并且對(duì)卒中急性期和慢性期的運(yùn)動(dòng)功能都有較好的預(yù)測(cè)作用，這也為評(píng)估卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后提供了新的研究方向。

3 DTI評(píng)估卒中后腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性及預(yù)測(cè)患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后

腦白質(zhì)高信號(hào)（white matter hyperintensity，WMH）被認(rèn)為是腦白質(zhì)終末性病變或結(jié)構(gòu)完整性喪失[32]。在急性缺血性卒中患者中，腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的損傷也會(huì)增加患者的長(zhǎng)期預(yù)后不良[33-34]。有研究顯示W(wǎng)MH負(fù)擔(dān)的增加可以預(yù)測(cè)急性缺血性卒中后長(zhǎng)期的功能不良預(yù)后[33-35]。WMH僅代表一小部分總腦白質(zhì)的影像學(xué)上的損傷，正常腦白質(zhì)（normalappearing white matter，NAWM）微觀結(jié)構(gòu)完整性特征能否提供急性缺血性卒中的預(yù)后信息是目前的研究熱點(diǎn)。

有研究者通過(guò)DTI評(píng)價(jià)NAWM的微觀結(jié)構(gòu)完整性，并用于預(yù)測(cè)卒中患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后。Ingo等[36]發(fā)現(xiàn)急性缺血性卒中組的NAWN的FA值較對(duì)照組明顯降低，且與患者的運(yùn)動(dòng)功能存在顯著正相關(guān)，認(rèn)為NAWM的微觀結(jié)構(gòu)完整性能較好地反映卒中患者運(yùn)動(dòng)功能損傷的嚴(yán)重程度。有研究也支持NAWM的DTI參數(shù)可以評(píng)估卒中患者的早期運(yùn)動(dòng)能預(yù)后[37]。Sagnier等[38]對(duì)急性缺血性卒中發(fā)病72 h內(nèi)的DTI檢測(cè)數(shù)據(jù)及卒中1年后的mRS隨訪結(jié)果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)NAWM的FA值是卒中發(fā)病1年mRS的預(yù)測(cè)因子（β=-0.24，P=0.04），同時(shí)附加路徑分析顯示NAWN的FA值對(duì)mRS有直接影響（β=-0.241，P=0.001），而介導(dǎo)WMH的間接影響較小。Etherton等[39]同樣發(fā)現(xiàn)急性缺血性卒中病灶對(duì)側(cè)NAWM的FA值降低與90 d時(shí)的mRS獨(dú)立相關(guān)。上述研究表明，早期測(cè)量NAWM的DTI參數(shù)可以評(píng)估缺血性卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后，可用其監(jiān)測(cè)疾病的早期進(jìn)展。目前，卒中后NAWM微觀結(jié)構(gòu)完整性改變的機(jī)制仍處于研究中，有學(xué)者提出“梗死后神經(jīng)機(jī)能聯(lián)系不能導(dǎo)致梗死附近及其遠(yuǎn)隔區(qū)域白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性損害”的假說(shuō)，但仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。的影響；③感興趣區(qū)繪制存在誤差；④對(duì)交叉纖維束及有分支的纖維束顯示較差；⑤無(wú)法完全確定存活組織的功能。針對(duì)上述DTI的局限性，有學(xué)者提出了相應(yīng)的解決方法，如通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)及深度學(xué)習(xí)以縮短掃描時(shí)間，降低圖像偽影[40]；使用基于纖維束示蹤空間統(tǒng)計(jì)分析（tract-based spatial statistics，TBSS）及健康人群的CST模型以減少感興趣區(qū)繪制的誤差[41]；使用擴(kuò)散光譜成像可以更清楚地顯示交叉纖維及小纖維。不過(guò)這些解決方案仍需后續(xù)進(jìn)一步的驗(yàn)證。

綜上所述，用DTI無(wú)論是評(píng)估CST的受損程度還是NAWM的微觀結(jié)構(gòu)完整性，都可以預(yù)測(cè)缺血性卒中患者的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能預(yù)后。這將有助于醫(yī)護(hù)人員為患者確定康復(fù)時(shí)間及未來(lái)康復(fù)目標(biāo)，同時(shí)也有助于醫(yī)護(hù)人員為患者制訂個(gè)體化的康復(fù)治療方案。DTI作為評(píng)估卒中患者運(yùn)動(dòng)功能預(yù)后的指標(biāo)仍存在一定的局限性，有研究顯示將DTI與經(jīng)顱磁刺激誘發(fā)電位相結(jié)合可以更好地對(duì)卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)估[24]，但仍需多中心、大樣本、高質(zhì)量的研究進(jìn)行驗(yàn)證。

4 總結(jié)與展望

DTI雖然可以顯示出纖維束的走行及形態(tài)，仍存在一些局限性，主要表現(xiàn)為：①掃描時(shí)間長(zhǎng)，圖像存在噪聲及偽影；②部分容積效應(yīng)