擴散峰度成像與擴散張量成像診斷帕金森病患者腦白質(zhì)損傷的比較研究

周智君, 夏建國, 陳錦華, 田為中

(江蘇省泰州市人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科, 江蘇 泰州, 225300)

輕度認(rèn)知障礙(MCI)是帕金森病(PD)的一種明確的非運動表現(xiàn)，其特征是執(zhí)行和視空間功能障礙以及注意力和短期回憶缺陷等[1]。新近診斷為PD的患者發(fā)生MCI的概率是健康老年人的2倍，其中20%～57%的PD患者在診斷后的3～5年可受到MCI的影響[2-3]。與PD認(rèn)知功能未受損(PD-Cu)的患者相比, PD-MCI患者發(fā)生癡呆的風(fēng)險更高[4-5]。一項長期研究[6]表明，大多數(shù)PD患者在確診后存活10年以上時就會發(fā)展為癡呆。PD所致癡呆對患者生活質(zhì)量、照顧者負(fù)擔(dān)和健康相關(guān)成本可產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此在早期診斷PD至關(guān)重要。

隨著功能磁共振技術(shù)的飛速發(fā)展，研究[7-9]報道PD的病理改變不僅存在于腦黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)中，也可累及白質(zhì)纖維，引起PD患者腦形態(tài)學(xué)的異常改變。擴散張量成像(DTI)是一種評估腦白質(zhì)異常的有效工具，可用于評估患者的疾病進展及治療反應(yīng)[10-11]。各向異性分?jǐn)?shù)(FA)是DTI得到的參數(shù)，主要用于檢測白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化[12-13], 而白質(zhì)變化多與FA值減少相關(guān)。擴散峰度成像(DKI)技術(shù)是DTI的擴展，其生成的平均峰度(MK)與微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性有關(guān)，不僅對腦白質(zhì)病理變化具有敏感性，對腦灰質(zhì)也具有一定的敏感性[14]。既往研究[4]表明PD患者黑質(zhì)MK明顯增高, MK被認(rèn)為是早期診斷PD的敏感指標(biāo)。本研究比較DKI與DTI診斷早期PD患者異常腦白質(zhì)損害的價值，現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年2月—2021年10月在泰州市人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科就診的PD患者58例為研究對象。納入標(biāo)準(zhǔn)參照英國PD學(xué)會腦庫[15]的臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)。排除標(biāo)準(zhǔn): ① 患有帕金森綜合征及帕金森疊加綜合征的患者; ② 有其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病史、精神疾病史的患者; ③ 不能配合檢查或有代謝性疾病的患者。按照上述標(biāo)準(zhǔn)剔除3例合并腦外傷軟化灶患者、5例繼發(fā)性帕金森病綜合征患者、5例頭動過大患者，最后共有45例PD患者納入本研究。采用簡易智力狀況檢查量表(MMSE)進行認(rèn)知功能損傷的篩查，排除伴有癡呆不能配合檢查的患者; 采用蒙特利爾認(rèn)知評估量表(MoCA)評估認(rèn)知障礙情況，其中合并MCI者25例(PD-MCI組)，無認(rèn)知障礙者20例(PD-Cu組)。另選取25例健康人群作為對照組。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，入組前獲得了所有受試者的書面知情同意。

1.2 檢查方法

采用德國西門子Verio 3.0 T超導(dǎo)型磁共振掃描儀采集磁共振成像(MRI)數(shù)據(jù)，應(yīng)用8通道標(biāo)準(zhǔn)頭線圈。所有受試者均行矢狀位高分辨率結(jié)構(gòu)像t1-mpr-sag-iso序列: 重復(fù)時間(TR) 1 900 ms, 恢復(fù)時間(TE) 2.19 ms, 翻轉(zhuǎn)角(FA) 90 °, 層厚1 mm, 層數(shù)176層，視野(FOV) 256 mm×256 mm, 矩陣256×215, 獲取解剖圖像。DTI掃描設(shè)置: TR 3 600 ms, TE 95 ms, FA 90 °, 層厚3 mm, 層數(shù)42層, FOV 640 mm×640 mm, 矩陣128×128; DTI序列擴散敏感系數(shù)b值取0、1 000 s/mm2, 擴散敏感梯度場施加方向為30個。DKI掃描設(shè)置: TR 8 500 ms, TE 98 ms, FA 90 °, 層厚3 mm, 層數(shù)42層, FOV 640 mm×640 mm, 矩陣128×128; DKI 序列擴散敏感系數(shù)b值取0、1 000、2 000 s/mm2, 擴散敏感梯度場施加方向為60個。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將DICOM格式的DTI數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作站，運用dcm2nii 軟件將DICOM 格式轉(zhuǎn)換為可供FMRIB′s Software Library(FSL)軟件分析使用的NIFTI格式[9]。處理步驟有: ① 數(shù)據(jù)預(yù)處理。使用FMRIB′s Diffusion toolbox (FSLFDT)對轉(zhuǎn)換的圖像數(shù)據(jù)進行頭動校正、渦流校正，提取出要研究的腦實質(zhì)，生成個體DTI相關(guān)參數(shù)FA。② 數(shù)據(jù)圖像配準(zhǔn)。應(yīng)用非線性配準(zhǔn)、自由形變的算法，將每個個體的FA圖配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)化的模板上，再將FA圖從原始空間變換到標(biāo)準(zhǔn)的蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所(MNI)空間模板上。③ 生成平均FA圖和纖維骨架圖。通過基于完成配準(zhǔn)的FA圖制作平均FA模板，生成平均 FA的纖維骨架圖，設(shè)定FA閾值為0.2, 排除纖維骨架周圍其他組織的干擾。④ 利用擴散峰度估計器(DKE)計算DKI相關(guān)標(biāo)量MK值, MK平均模板及骨架圖的創(chuàng)建同上。⑤ 個體投射到骨架圖。將所有受試者標(biāo)準(zhǔn)化的FA、MK圖投射到平均FA、MK纖維束骨架圖內(nèi)，生成各自的FA、MK骨架。⑥ 基于纖維束的空間統(tǒng)計分析(TBSS)。應(yīng)用TBSS對FA、MK骨架進行分析。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

病例數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進行分析，偏態(tài)分布的計量資料以中位數(shù)(四分位數(shù))表示，計數(shù)資料以例數(shù)表示; 數(shù)據(jù)的組間比較采用Man-WhitneyU檢驗; 計數(shù)資料比較采用χ2檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。圖像數(shù)據(jù)采用FSL基于統(tǒng)計參數(shù)排列的隨機化統(tǒng)計軟件進行組間雙樣本t檢驗，采用無閾值聚類增強(TFCE)方法[16]進行多重校正比較，以校正后P<0.05的區(qū)域為差異有統(tǒng)計學(xué)意義的部位。將最終結(jié)果配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)模板上，確定在標(biāo)準(zhǔn)MNI空間中的解剖位置[17], 并以圖像方式顯示。

2 結(jié) 果

2.1 PD-MCI組、PD-Cu組、對照組患者臨床資料比較

PD-MCI組、PD-Cu組、對照組患者的年齡、性別分布比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05); PD-Cu 組與PD-MCI組患者的病程、Hoehn-Yahr分級(H-Y分級)情況比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05), 而2組患者的MMSE評分、MoCA 評分比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05), 見表1。

表1 PD-MCI組、PD-Cu組及對照組臨床資料比較[中位數(shù)(四分位數(shù))]

2.2 各組患者腦白質(zhì)纖維束FA骨架圖的比較

與對照組比較, PD-Cu組腦白質(zhì)纖維束FA值降低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05), 具體部位包括胼胝體膝部，壓部，雙側(cè)前、上、后放射冠，雙側(cè)丘腦后輻射，以及雙側(cè)扣帶回，見表2。與PD-Cu組比較, PD-MCI組腦白質(zhì)纖維束FA值降低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05), 具體部位包括胼胝體膝部、壓部、雙側(cè)后放射冠、左側(cè)外囊、雙側(cè)丘腦后輻射、左側(cè)前放射冠，見表3、圖1。

表3 PD-MCI組相較于PD-Cu組的腦白質(zhì)纖維束FA降低區(qū)域

A、B、C: PD-Cu與對照組在冠狀位(A)、矢狀位(B)及軸位(C)上FA值差異腦區(qū)比較; D、E、F: PD-MCI與PD-Cu組在冠狀位(D)、矢狀位(E)及軸位(F)上FA值差異腦區(qū)比較; 綠色線條代表腦白質(zhì)正常的纖維骨架成分,藍色區(qū)域為腦白質(zhì)纖維骨架上FA值降低的腦區(qū)。圖1 PD-Cu與對照組、PD-MCI與PD-Cu組的FA值差異比較

2.3 各組患者腦白質(zhì)纖維束MK骨架圖的比較

與對照組比較, PD-Cu組患者腦白質(zhì)纖維束MK值降低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05), 其不僅包括了FA骨架圖的異常腦區(qū)，還增加了小腦中腳、穹隆、右側(cè)皮質(zhì)脊髓束、雙側(cè)小腦下腳、雙側(cè)小腦、上腳、雙側(cè)外囊、雙側(cè)上縱束、雙側(cè)鉤束，見表4。與PD-Cu組比較, PD-MCI組患者腦白質(zhì)纖維束MK值降低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),其不僅包括了FA骨架圖的異常腦區(qū)，還增加了雙側(cè)前、后放射冠，以及小腦中腳、雙側(cè)丘腦后輻射、右側(cè)外囊、雙側(cè)扣帶回、雙側(cè)上縱束、雙側(cè)矢狀層(包括下長肌束和下額枕束)，見表5、圖2。

表4 PD-Cu組相較于對照組的腦白質(zhì)纖維束MK降低區(qū)域

表5 PD-MCI組相較于PD-Cu組的腦白質(zhì)纖維束MK降低區(qū)域

A、B、C: PD-Cu與對照組在冠狀位(A)、矢狀位(B)及軸位(C)上MK值差異腦區(qū)比較; D、E、F: PD-MCI與PD-Cu組在冠狀位(D)、矢狀位(E)及軸位(F)上MK值差異腦區(qū)比較; 綠色線條代表腦白質(zhì)正常的纖維骨架成分,藍色區(qū)域為腦白質(zhì)纖維骨架上MK值降低的腦區(qū)。圖2 PD-Cu與對照組、PD-MCI與PD-Cu組的MK值差異比較

3 討 論

研究[18]證實PD患者的胼胝體、雙側(cè)鉤束、后扣帶束、上縱束、小腦等廣泛區(qū)域存在腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的損傷，或可導(dǎo)致PD患者的認(rèn)知功能障礙。本研究中，與PD-Cu組比較, PD-MCI組胼胝體膝部、壓部、雙側(cè)后放射冠、左側(cè)外囊、雙側(cè)丘腦后輻射、左側(cè)前放射冠等區(qū)域的FA值顯著降低，而MK值不僅在上述腦區(qū)有顯著降低，而且在兩側(cè)扣帶回、兩側(cè)上縱束等腦區(qū)也存在異常變化。

FA值是一種空間值，與纖維的排列和密度有關(guān)，如髓鞘的完整性、纖維密度和纖維的平行度。FA值降低通常意味著腦白質(zhì)連通性的降低，并被認(rèn)為是腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)異常的一種標(biāo)志。當(dāng)髓鞘完整性和纖維密度發(fā)生改變時, FA值就會降低。本研究結(jié)果顯示, PD患者胼胝體膝部、壓部FA值減低，基于胼胝體通過半球傳遞感覺、認(rèn)知和運動信息的特點，胼胝體的擴散分析可以評估半球間連接的退化過程[19]。研究[20-21]表明，腦白質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量隨著年齡的增長而降低，作為一種代償機制，老年人在運動時需要雙側(cè)皮層的激活，這種代償被歸咎于胼胝體完整性的降低，左、右腦半球之間的交流減少，這表明認(rèn)知在復(fù)雜運動任務(wù)中具有關(guān)鍵的作用。

研究[22-23]發(fā)現(xiàn)PD伴MCI患者累及的腦區(qū)更為廣泛，不僅僅局限于本研究DTI所得到的異常腦區(qū)，而更接近于本研究中DKI所顯示出的異常腦區(qū)。本研究結(jié)果顯示, PD患者雙側(cè)前放射冠、內(nèi)囊、大腦腳MK值降低，表明白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的損傷，這就意味著包括皮質(zhì)延髓束、皮質(zhì)脊髓束、皮質(zhì)腦橋束以及皮質(zhì)紋狀體束等運動下行傳導(dǎo)通路上的投射纖維結(jié)構(gòu)被損壞，除經(jīng)典的錐體外系受累外，還提示PD患者運動系統(tǒng)錐體系亦可能受累，這可能與PD初級運動皮層的皮質(zhì)可塑性變化有關(guān)[24]。本研究發(fā)現(xiàn)PD患者的雙側(cè)上縱束、右側(cè)外囊、矢狀層、雙側(cè)扣帶束等聯(lián)絡(luò)纖維以及連合纖維穹窿的MK值都顯著降低，說明上述腦區(qū)都存在白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的損傷，這些與邊緣系統(tǒng)相關(guān)的纖維束，多數(shù)在阿爾茨海默病(AD)患者中表現(xiàn)有微觀結(jié)構(gòu)損傷[25-26], 這提示PD患者存在的認(rèn)知功能損傷癥狀可能與這些白質(zhì)纖維束微結(jié)構(gòu)損傷有關(guān)。有研究[27-30]證實, PD癡呆患者和AD患者的基底前腦膽堿能系統(tǒng)神經(jīng)元的缺失是導(dǎo)致其認(rèn)知功能損傷的病理生理機制，而扣帶束、外囊等聯(lián)絡(luò)纖維是Meynert基底核神經(jīng)元向大腦皮層輸送乙酰膽堿的通路，這些纖維束微觀結(jié)構(gòu)的損傷被認(rèn)為是導(dǎo)致PD患者發(fā)生認(rèn)知功能損害的可能原因之一。

本研究存在的不足: ① 樣本量相對過小(由于部分PD患者合并腦外傷軟化灶以及有震顫癥狀、圖像移動偽影明顯等而被排除); ② 未對DKI和DTI的其他指標(biāo)進行統(tǒng)計分析。后續(xù)研究應(yīng)加大樣本量，增加其他指標(biāo)的統(tǒng)計分析。

綜上所述, DKI和DTI對早期診斷PD認(rèn)知障礙的均有一定的潛在價值，但相較于DTI技術(shù), DKI技術(shù)或可更為敏感地檢測出PD患者相關(guān)白質(zhì)纖維束的損害。