擴散峰度成像與擴散張量成像技術對輕度顱腦外傷后腦組織微觀結構的診斷價值

腦震蕩和神經系統定位不足的輕度腦損傷很難臨床區分。這兩種通?；煜?，被診斷為輕度腦損傷（mtsi）。隨著經濟的發展，交通事故和事故引發的輕度腦損傷在臨床上越來越常見。mTBI患者常規CT及MRI腦實質內均為陰性表現,但有部分患者出現頭痛、頭暈及某些程度不一的植物神經功能失調癥狀,與影像檢查結果嚴重程度不相符合。如何解決這樣的臨床困惑,尋找一種客觀、準確和定量的評價方法顯得尤為重要。本研究應用擴散張量成像(diffusiontensorimaging,DTI)與擴散峰度成像(diffusionkurtosisimaging,DKI)對比,探討此項技術對mTBI患者腦組織微觀結構改變的診斷價值。搜集本院2012年7月至2013年1月mTBI患者30例,年齡20~50歲。外傷后行MRI檢查的時間為3天以內。符合美國康復醫學會(AmericancongressofRehabilitationMedicine,ACRM)制定的mTBI的診斷標準:(1)GCS評分為13~15分;(2)昏迷時間<30min;(3)傷后遺忘(post-traumaticamncsia,PTA)時間≤24h;(4)輕微頭痛、頭暈等自覺癥狀;(5)神經系統和頭部CT及MRI檢查不能發現腦實質內彌漫性或局灶性損傷征象;(6)有或不伴有顱骨骨折。排除標準:閉合性腦損傷但合并有顱內血腫、硬膜下血腫、硬膜外血腫、蛛網膜下腔出血、腦腫瘤者;具有外科手術指征需立即手術者;各種原因(或禁忌)不能接受MR檢查或不能合作者。入組男22例,女8例,平均35歲,其中交通事故20例,墜落傷5例,打擊及摔傷5例,臨床癥狀包括頭暈、頭痛、注意力集中障礙、煩躁焦慮、神經過敏、失眠。1.2影像學檢查及測量指標年齡、性別與mTBI患者相匹配的健康志愿者40名,其中男31名,女9名,平均年齡37歲,行與mTBI組相同檢查序列。所有對照者均除外精神神經疾病、腦外傷、手術史以及家族史,MRI檢查無明確陽性發現。CT掃描采用PhilipiCT256:自顱頂至顱底0.625層厚連續掃描。MRI檢查采用GEsignaHDxt3.0T超導磁共振掃描儀,頭顱8通道相控振線圈,頭顱常規MRI檢查包括:T1WI、T2WI、FLAIR、DWI,掃描參數:T1WI:TR480ms,TE2.46ms,矩陣320×320,層厚5mm,層間距0mm,視野(FOV)320mm×320mm,單次采集。FLAIR:TR6000ms,TE96ms,TI2026.2ms,翻轉角(FA)130°,矩陣256×256,層厚5mm,層間距0mm,FOV320mm×320mm,單次采集。DWI:TR3100ms,TE78ms,矩陣256×256,層厚5mm,層間距0mm,FOV320mm×320mm。DTI采用單次激發自旋回波平面成像(SE-EPI)序列,掃描參數為TR8000ms,TE85.5ms,矩陣256×256,視野230mm×230mm,擴散敏感梯度方向數25個,b=1000s/mm2,掃描層厚4mm,層間距0mm,激勵次數為2。DKI采用雙自旋回波序列進行掃描,TR2300ms,TE108ms,FOV256mm×256mm,矩陣128×128,層厚4mm,4個b值(兩個0、1000、2000s/mm2),擴散敏感梯度場施加的方向為30個。1.4ki參數測量使用ADW4.5工作站對數據進行分析處理,在DTI參數圖及DKI參數圖上于雙側尾狀核、內囊、丘腦、顳葉皮層、胼胝體膝部、胼胝體壓部放置感興趣區(regionofinterest,ROI),測量三次,取其平均值,均為統一面積15mm2的橢圓。1.5盲法原則的測量由兩位高年資主治以上放射科醫師對mTBI組和正常對照組的性別、年齡及數據來源實行雙盲原則,測量值取兩次測量的平均值。1.6正常組和mbti組fk、dki掃描結果比較統計學軟件采用SPSS17.0,統計數據以均數±標準差表示。對正常組分別進行DTI掃描得到的FA、MD值與DKI掃描得到的FAk、MDk值進行Pearson相關性分析,以P<0.05為差異有統計學意義。對正常組和mTBI組分別進行DTI、DKI掃描,對正常組雙側值取均值,與mTBI組的傷側與鏡像側用one-wayANOVA中的Dunnett法進行對比分析。方差不齊時選擇T2法,以P<0.05為差異有統計學意義。2fak、mdk值的相關性2.1FA圖與FAk圖對比(圖1、2)正常對照組各區域DTI掃描的FA值、MD值分別與DKI掃描的FAk、MDk值有良好的相關性,P<0.05。2.4正常對照組及mTBI組不同區域傷側及鏡像側FA值、MD值、平均峰度(meankurtosis,MK)值、峰度各向異性(kurtosisanisotropy,Ka)值、徑向峰度(radialkurtosis,Kr)值對比(表2)3mtbti的臨床意義顱腦外傷在臨床中屬于常見病。中、重度顱腦外傷導致腦挫裂傷、顱內血腫的臨床表現及CT等影像征象明確,易于診斷;而據文獻報道輕度腦外傷(包括腦震蕩,約占70~90%),約30%的常規CT甚至為陰性,故臨床準確評價困難。因此,mTBI患者常因輕度創傷后出現注意力不集中,認知能力下降以及遺忘癥等再次就診,成為較棘手的公共健康問題。研究證明mTBI也可導致軸索結構等的損傷,而尸檢局部腦組織無腫脹,其病變機制是腦組織剪切傷。故而在臨床工作中僅憑GCS評分及常規CT掃描判斷mTBI患者腦組織有無損傷,可能造成部分患者漏診,耽誤早期積極治療。3.1dki與dti的聯系DTI應用于腦白質完整性的研究已較成熟。中、重度腦外傷的DTI研究較多,近期有研究發現,輕微腦外傷后胼胝體、內囊區FA值降低,提示該區域的神經軸索損傷。DKI是在DTI技術基礎上發展起來的一種新的fMRI技術,其成像基礎相同,都是基于水分子在不同結構的擴散方向和速度的差異。但兩者所探討的側重點不同。DTI是利用一組3D矢量來描述固體物體內的張力,屬二階張量,而DKI為四階三維完全對稱張量。擴散是人體每時每刻最重要的生理活動,而組織內水分子的擴散,是一個隨機的過程。因此,在一定時期內,特定水分子從一個位點到另一個位點擴散的機率受概率分布支配,這是一種具有正態分布的形式,其標準差值與擴散系數成比例;DTI遵循此正態分布理論而設計。但水分子的擴散在活體中是個復雜的過程,被細胞的許多生物學活性限制,使水分子擴散有偏離,呈非正態分布,這使得DTI無法有效、準確地評價相對各向同性的組織。DKI用擴散峰度描述水分子擴散分布偏移自由擴散高斯分布的程度,從而反映出水分子擴散遇到阻礙或者限制的情形,研究表明其對組織微結構的敏感度比傳統DTI定量參數更好。3.2mtbti及mdi對腦、哌葉皮質損傷的影響已有研究證實利用DTI的FA值變化能夠較敏感地檢測出mTBI的白質纖維的損傷情況。本研究采用單因素方差分析對正常對照組與mTBI組傷側及鏡像區分別作對比,結果顯示:內囊、胼胝體膝部、胼胝體壓部,這幾個白質區的FA值正常對照組與傷側比較,差異有統計學意義,與文獻報道相符。而正常組與鏡像區對比,沒有發現差異。尾狀核頭、殼核、丘腦、顳葉皮層的FA值在正常組與傷側及正常組與鏡像區之間對比都沒有明顯差異。頭顱受到外傷時引起腦細胞不同程度的直接損害以及一系列繼發損害,病理生理有血腦屏障、腦血流等生物學改變。動物實驗研究已經證明,輕度腦外傷所致的神經組織損傷無明顯常規病理學改變,而僅表現為超微結構的改變,這種局部神經組織彌漫的亞細胞變化可能導致局灶性神經功能缺損,但有可逆性。本次研究結果顯示mTBI組傷側白質區FA值顯著減低,說明神經軸索受損,平行于軸索方向的水分子擴散受限,其各向異性程度減低,原因為細胞膜的變性以及髓鞘的崩解、脫失。而MD值的改變在內囊、胼胝體膝部、胼胝體壓部也較為明顯。幾個灰質區域的MD值正常對照與傷側、正常對照與鏡像區都未見明確變化。研究證實60min~7d時外傷腦組織MD值持續降低,其病理改變為細胞毒性水腫引起的細胞外水擴散障礙。結果表明mTBI患者3天內白質區傷側的MD值較正常對照組降低,說明mTBI患者腦組織軸漿運輸障礙,細胞毒性水腫使細胞外水分子擴散受到限制。通過DTI證實了mTBI傷側內囊、胼胝體膝部、胼胝體壓部白質纖維束的損傷,說明了mTBI存在神經軸索的破壞。3.3不同向度、不同組織結構、是否導致經皮克氏原螯蝦腦損傷DKI掃描亦可以得到FA值、MD值,為了與DTI區別,稱其為FAk值及MDk值,觀察圖1、2發現FAk圖和FA圖表現相似,方向性強的白質區表現為紅色,腦脊液表現為藍色。對40名正常人尾狀核、內囊、丘腦、顳葉皮層、胼胝體膝部、胼胝體壓部分別測得FA、FAk值及MD、MDk值作相關性分析,發現正常人各個區域的FA與FAk值、MD和MDk值都表現出良好的相關性,說明本研究采用的DKI掃描可以用來評價水分子的擴散,其衍生值不會導致獨立、無意義的測量結果,且有研究指出,其FAk值、MDk值可代替FA值、MD值。鑒于DKI是DTI的擴展技術,有理由認為DKI也能應用在DTI的研究領域。而DKI的主要參數有MK。MK為采用多個b值且方向相同的梯度方向上的平均值。MK的大小取決于感興趣區內組織結構的復雜程度,結構越復雜,非正態分布水分子擴散受限越顯著,MK也越大。Kr指的是在主要擴散正交方向上峰度的平均值,因為水分子擴散受限主要在徑向的垂直方向,當峰度不為零就會在徑向表現得明顯突出。Kr越大表明在該方向非正態分布水分子擴散受限越明顯。Ka與FA相似,Ka越小表明水分子擴散趨向于各向同性擴散,若組織結構越緊密、越規則,Ka越大。正常對照組與傷側對比,尾狀核、內囊、殼核、丘腦、顳葉皮層、胼胝體膝部、胼胝體壓部MK值升高,Ka值升高,尾狀核、內囊、殼核、丘腦、顳葉皮層Kr值降低,差異具有統計學意義。說明DKI診斷輕度腦外傷的腦損害有肯定的意義。腦外傷時,焦點往往集中在傷側,而用DKI觀察時,發現即使是輕度腦外傷,在3天內,發生撞擊的一側與對側顳葉皮層、胼胝體膝部、丘腦都存在損傷。Hall等在對7天內的腦挫裂傷患者研究時發現,雙側胼胝體及丘腦存在神經退變、變性的改變。本研究結果與此結論相符,說明在mTBI發展過程中,雙側大腦半球腦組織都會發生損傷。病理生理證實了反應性星形細胞在腦外傷后保護神經細胞的角色中占有重要的作用。因為星形細胞的反應性增生,周圍雜亂的細胞環境導致水分子擴散受限,使MK值升高。結果顯示mTBI傷側Ka值升高,Kr值降低,這是因為軸突正常結構破壞,水分子軸向擴散能力受到限制,導致了Ka值升高。而髓鞘脫失使更多的自由水在垂直方向發生擴散運動,導致Kr值降低。損傷后的腦組織細胞腫脹,細胞膜通透性明顯增大,軸突的填充密度減小,細胞外間隙的組織增多,更進一步加劇了Ka值升高。因為Ka值顯著增加,減輕了Kr值的減少,所以部分白質區如胼胝體膝部及壓部Kr值改變不明顯,差異沒有統計學意義。而Ka值升高在顳葉皮層、丘腦傷側的鏡像區域仍可以觀察到,說明mTBI時這三個區域更容易受損。丘腦損傷可能會導致神經、心理功能的各種障礙?；颊呖删哂懈鞣N創傷后癥狀,如:易怒、頭痛、記憶障礙,四肢麻木等,而MK值、Ka值、Kr值卻可以提示丘腦的損傷。更進一步說明了DKI對于輕度腦外傷后細胞內外水擴散狀態的改變更為敏感。3.4dki參數對正常組和傷側的影響在DKI圖中,灰質和白質兩者擴散峰度有很大差異,所以DKI對不同的腦組織能夠很好地加以區分,而DTI則達不到這種效果。如圖1、2,DKI和DTI掃描后得到的原始圖像中,DKI圖顯示的灰質紋理細節比DTI圖及DWI圖更為豐富,DKI對于描述像灰質一樣的各向同性組織較有優勢。結果表明正常對照組與傷側的DTI參數FA、MD值在尾狀核頭、殼核、丘腦、顳葉皮層這些灰質結構區沒有統計差異,而DKI參數MK、Ka、Kr在對正常組和傷側的對比研究中均有統計學差異。腦外傷時,當枕部著力時,減速傷往往會導致對沖傷,輕度腦損傷時著力點受傷較輕,但是并不能肯定沒有對沖傷的發生。正常對照組與鏡像區對比,FA值與MD值均未見明確差異,而顳葉皮層、胼胝體膝部、丘腦處MK值升高,Ka值升高,差異有統計學意義,說明DKI對于對沖傷的檢測更為敏感。且研究證實顳部著力時,無論是沖擊點側還是對側腦外傷都較其他部位多,而DTI掃描顳葉皮層并未發現明確差異。說明DTI在證明mTBI對沖傷及皮層灰質結構方面尚有不足。文獻報道50歲之前正常成人諸年齡組間FA值無統計學差異,本研究所有研究對象為年齡20~50歲的成人,所以未