弥散张量纤维束成像对多发性硬化看似正常脑白质损伤定量分析

李俊敏¹⁾ 卢 宏¹⁾ 王建平¹⁾ 彭 涛¹⁾ 田 田¹⁾ 徐海波²⁾ 梅元武^2)△

1)郑州大学第一附属医院，河南郑州 450052  2)华中科技大学附属协和医院，湖北武汉 430022

基金项目：NSFC-河南联合基金(编号：U1804171)

作者简介：李俊敏，Email：lijunminljm@126.com

△通信作者：梅元武，Email：meiyuanwudoctor@126.com

 

【摘要】 目的 分析复发缓解型多发性硬化(MS)患者看似正常白质(NAWM)纤维束微结构变化。方法  17例MS患者与年龄、性别匹配健康志愿者参与研究。使用TrackVIS软件持续纤维跟踪成像方法重建白质纤维束，记录白质纤维束的部分各向异性(FA)、表观弥散系数(ADC)和纤维束容积值，进行数据分析。结果  MS及健康对照组各男8例，女9例。与健康对照组相比，MS患者通过胼胝体压部和整个胼胝体神经纤维束的容积下降，两者相比差异有统计学意义(P＜0.05)。MS患者通过胼胝体膝部、压部及整个胼胝体纤维束的FA值下降(P＜0.05)。与病灶对侧NAWM相比，通过MS患者病灶的纤维束容积更小，FA值降低，ADC值升高(P＜0.05)。较之健康对照组，通过患者病灶对侧NAWM的纤维束FA值降低(P＜0.05)。结论 弥散张量纤维成像技术可用于早期NAWM微小损伤的评估，FA值可作为NAWM纤维束损伤的敏感指标。

【关键词】 多发性硬化；看似正常白质；磁共振；弥散张量成像；纤维束成像

【中图分类号】  R743    【文献标识码】  A    【文章编号】  1673-5110(2020)16-1393-05  DOI：10.12083/SYSJ.2020.16.029

 

Quantitative  evaluation  of  normal  appearing  white  matter  in  multiple  sclerosis  by  diffusion  tensor  tractography  technique 

LI  Junmin¹⁾，LU  Hong¹⁾，WANG  Jianping¹⁾，PENG  Tao¹⁾，TIAN  Tian¹⁾，XU  Haibo  ²⁾，MEI  Yuanwu²⁾

1)  The  First  Affiliated  Hospital  of  Zhengzhou  University，Zhengzhou  450052，China；2)  Union  Hospital  Affiliated  to  Tongji  Medical  College  of  Huazhong  University  of  Science  and  Technology，Wuhan  430022，China

【Abstract】  Objective  To  analyze  microstructural  damage  of  normal  appearing  white  matter  (NAWM)  in  relapsing-remitting  multiple  sclerosis  (MS)  patients.Methods  Seventeen  multiple  sclerosis  patients  and  their  age，sex  matched  health  controls  were  enrolled  in  this  study.The  fiber  tracking  was  performed  manually  with  the  TrackVIS  software  by  continuous  tractography  method.Volume，fractional  anisotropy  (FA)  and  apparent  diffusion  coefficient  (ADC)  values  of  the  fiber  tracts  were  recorded  and  analyzed  statistically.Results  The  MS  and  healthy  control  groups  both  have  eight  males  and  nine  females.Volume  of  fibers  through  splenium  of  corpus  callosum  and  the  whole  corpus  callosum  decreased  in  MS  patients  compared  with  the  healthy  controls(P＜0.05)．Compared  to  the  healthy  controls，FA  value  of  fibers  through  genu，splenium  of  corpus  callosum  and  the  whole  corpus  callosum  decreased  in  MS  patients  (P＜0.05)．Decreased  volume  and  FA  value  and  increased  ADC  value  were  observed  in  fibers  through  lesion  location  in  comparison  with  NAWM  opposite  to  the  lesion  site  (P＜0.05)．FA  value  decreased  in  fibers  through  NAWM  opposite  to  the  lesion  site  compared  with  the  corresponding  site  of  healthy  controls(P＜0.05)．Conclusion  Diffusion  tension  fiber  tractography  can  be  used  to  evaluate  the  early  stuble  damage  in  NAWM.FA  value  is  sensitive  in  evaluating  the  microstructural  damage  of  NAWM.

【Key  words】  Multiple  sclerosis；Normal  appearing  white  matter；Magnetic  resonance  imaging；Diffusion  tension  imaging；Fiber  tractography

 

多发性硬化(multiple  sclerosis，MS)是中枢神经系统(central  nervous  system，CNS)慢性炎性脱髓鞘疾病，主要影响年轻患者^[1]。髓鞘脱失、轴突缺失、髓鞘再生和炎症是MS主要的病理改变^[1-2]。MS主要累及白质纤维，即便在常规磁共振(magnetic  resonance  imaging，MRI)检查中看似正常白质(normal  appearing  white  matter，NAWM)也有损伤^[3]。由于MRI的敏感性、无创性及可重复性，MRI是显示MS病灶的有用方法^[4]。然而，常规MRI方法不能检测白质纤维的微小损伤和微结构的完整性^[5]。弥散张量MRI技术通过利用水分子扩散的性能，能够体内无创检测神经组织微结构的完整性^[6]。

弥散张量纤维束成像技术以体素-体素为基础，通过检测水分子沿不同方向的扩散，重建轴突的投射^[7]。弥散参数包括部分各向异性(fractional  anisotropy，FA)和表观弥散系数(apparent  diffusion  coefficient，ADC)等，可对特定体素进行检测。FA检测扩散张量各向异性的程度，ADC检测分子的平均运动，不管扩散的方向性^[8]。

为了检测MS患者常规MRI看不到的看似正常白质的损伤，本研究采用弥散张量纤维束成像技术检测看似正常胼胝体、MS病灶对侧对称部位NAWM及健康对照相应部位白质纤维束的变化。采用纤维束容积、FA和ADC值来评估纤维束的损伤。

 

1．1  一般资料 根据McDonald修订标准确诊^[4]的19例复发缓解型MS患者参与该研究，由于其中2      例患者胼胝体有病灶，分析中予以剔除，17例患者纳入分析。年龄、性别相匹配的17例健康志愿者参与该研究。所有受试者均知情同意该研究。MS及健康对照组各17例，均男8例，女9例。MS患者平均年龄32.59岁，健康对照平均年龄33.12岁，2组年龄相比差异无统计学意义(P＞0.05)。见图1。

Table  1  Comparison  of  age  in  MS  and  normal  groups

 

1．2  MRI和DTI数据获取和处理  3D  T₁加权影像获取的参数为：Fov  250  mm，Fov  phase  87%；TR  1  900  ms，TE  2.26  ms，层厚1  mm。DTI扫描使用3.0  T  西门子MRI获取。单次激发平面回波弥散加权成像所用参数为：Fov  256  mm，Fov  phase  100%；TR  6  000  ms；TE  93  ms；层厚2  mm，Nex  2。在64个方位上使用扩散敏感梯度，b＝1  000  s/mm²，其中搜集的一张图像没有扩散梯度(b0＝0  s/mm²)。

1．3  胼胝体及病灶的纤维成像 白质纤维束重建使用TrackVIS软件持续纤维跟踪成像方法。选取胼胝体(corpus  callosum，CC)膝部和压部的兴趣区(region  of  interest，ROI)，参考轴状位图像，在正中矢状面上重建DTI图像。每个区域使用TrackVIS软件提供的一个半径2  mm小球，产生一个穿越该区域的白质纤维束。对于选择整个CC区域，使用TrackVIS软件，在正中矢状面画出ROI。病灶和对侧看似正常脑白质  ROI的选择，参照同1天扫描的T₂图像的病灶部位，在T₂加权(b＝0)图像中选取。将FA  和ADC图像载入TrackVIS软件中，记录白质纤维束的FA，ADC和纤维束容积值，进行数据分析。

1．4  统计学分析 使用SPSS  13.0软件进行统计分析。(1)所有数据使用Kolmogorov-Smirnov  Z检验其正态分布。(2)独立样本t检验检测患者和健康对照之间年龄差异。(3)配对样本t检验，检验通过患者和健康对照CC膝部、压部、整个CC白质纤维束参数之间的差异。配对样本t检验分析病灶部位、病灶对侧对称部位、健康对照对应部位纤维束直接的差异。P＜0.05为差异有统计学意义。

 

2．1  MS患者与健康对照组胼胝体参数比较分析 与健康对照相比，MS患者通过胼胝体压部和整个胼胝体神经纤维束的容积下降，两者相比差异有统计学意义(P＜0.05)。MS患者通过胼胝体膝部、压部及整个胼胝体纤维束的部分各向异性下降(P＜0.05)，表观弥散系数未见明显变化(P＞0.05)(图2)。

 

  

图2  MS患者及健康对照胼胝体膝部、压部及整个胼胝体纤维束参数比较(^*P＜0.05)

Figure  2  Measures  of  fiber  tracts  through  genu  of  corpus  callosum，splenium  of  corpus  callosum  and  corpus  callosum  in  MS  patients  and  healthy  controls(^*P＜0.05)

 

2．3  MS病灶、病灶对侧NAWM及健康对照对应部位纤维束 选取RRMS患者及健康对照b＝0  s/mm²的轴位图像。选取MS病灶的ROI，然后在病灶对侧对称部位的NAWM选取ROI。在健康对照轴位图像上，选取与MS病灶部位、大小、形状一样的对照ROI。可看到通过MS患者病灶部位的纤维束破坏(黄色箭头所示，图3)。

Figure  3  Fiber  tracts  throng  lesion，NAWM  in  MS  patient  and  control  ROI  in  healthy  control.A-B：Axial  b＝0  s/mm²  image  of  an  RRMS  patient  (left)  and  the  paired  healthy  control  (right)，the  red  arrow  showed  the  lesion  of  the  patient.C：ROI  in  MS  patient.D：Control  ROI  in  healthy  control.E：Fiber  tracts  through  the  lesion  and  opposite  NAWM，the  yellow  arrow  showed  the  fiber  destruction.F：Fiber  tracts  through  the  symmetrical  site  of  lesion  in  the  paired  healthy  control

 

2．4  MS病灶、病灶对侧NAWM及健康对照对应部位纤维束比较 与病灶对侧NAWM相比，通过MS患者病灶的纤维束容积更小，FA降低，ADC增高(P＜0.05)。较之健康对照对应部位，通过患者病灶部位纤维束的容积和FA降低(P＜0.05)。较之健康对照组，通过患者病灶对侧NAWM的纤维束FA降低(P＜0.05)(图4)。

图4  通过病灶、病灶对侧对称部位及健康对照对应部位纤维束参数比较(^*P＜0.05)

Figure  4  Measures  of  fiber  tracts  through  lesion，normal  appearing  white  matter  and  control  site  of  the  healthy  controls  (^*P＜0.05)

 

MS是一种伴轴突变性的慢性炎性脱髓鞘疾病，多发于20～40岁年轻女性，复发缓解类型最常见，致残率高^[9-10]。MS患者主要的病理改变为多发的白质斑块，特点为局部脱髓鞘、伴不同程度髓鞘再生，炎性浸润及多发轴突破坏^[11-12]。MRI是显示MS斑块的敏感手段，被广泛用于脱髓鞘病变诊断中。然而越来越多研究发现常规MRI上看似正常白质(NAWM)并非正常。由于NAWM在临床症状早期阶段即出现，并与MS运动障碍、认知障碍、脑萎缩程度相关，从而参与MS临床症状发生及疾病进展^[13-14]。FILIPPI等^[3]的研究也发现MS脑组织有广泛的病理改变，而并非局限于病灶部位。即便在NAWM病理损伤仍然存在。这些病理损伤包括脱髓鞘、炎性细胞浸润、血脑屏障破坏、巨噬细胞、小胶质细胞激活，以及轴突减少^[15-16]。NAWM的轴突密度减少，可能是一个独立的过程也可能由于局部病灶轴突断裂后华勒变性引起^[3]。

由于可参与疾病发生、预后和病程，检测MS患者NAWM微结构变化至关重要。弥散张量技术是在MRI技术上发展起来的相对新技术，通过检测组织中水分子的移动来显示脑组织微结构的变化^[17]，可用来检测脑白质轴突和髓鞘微结构的完整性^[18]。部分各向异性(FA)是DTI中最常用的指标，主要描述在一个体素中水分子扩散的方向性，范围为0～1。如水分子完全无序运动FA值为0，水分子只向同一方向扩散FA值为1。由于任何轴突变性都会导致水分子扩散方向的变化，使得FA值对纤维束微结构完整性变化非常敏感，是反映轴突完整性的指标之一^[19]。表观弥散系数(ADC)检测水分子的平均运动，不管扩散的方向性。ADC值降低与肿瘤、炎性细胞浸润、细胞毒性水肿和出血相关，ADC值增高主要与血管源性水肿有关^[20]。在视神经炎患者中发现FA值降低，较之常规MRI能更敏感反映白质微结构变化^[21]。而在弥散张量技术上发展的纤维束成像(DTT)技术，还可以直观看到神经纤维束的走向及变化，纤维束参数变化与MS病灶数和临床症状密切相关，对于MS白质结构变化更为敏感^[22]。本研究中我们使用弥散张量纤维束成像技术分别对MS患者病灶部位、看似正常白质纤维束进行分析。研究结果发现，MS患者看似正常胼胝体压部和整个胼胝体纤维束容积减少，提示有轴突损伤存在。较之正常对照组，通过胼胝体膝部、压部及胼胝体纤维束的FA值减低(P＜0.05)，2组ADC值未见明显差异。尽管FA和ADC都受脱髓鞘及轴突损伤影响^[23]，研究发现较之ADC值，FA对于检测看似正常胼胝体微小损伤更为敏感。

弥散张量纤维成像技术是观察轴突的非侵入性技术。除了可以直观观察纤维束，DTI指标还可以反应神经组织的微细结构^[7，24-25]，因此对于检测MS患者看似正常白质结构有特别的优势。在纤维束重建图像中发现穿过MS病灶部位纤维束容积明显减少。与病灶对侧看似正常白质相比，病灶部位纤维束FA值低、ADC值高。与健康对照相比，MS患者看似正常白质纤维束FA值也降低，提示FA值是反应白质微小损伤的敏感指标。

由于每个患者的个体差异，纤维束成像技术最大的困难在于精确定位纤维束。尽管使用两个ROI的方法可以更精确的显示连接两个ROI区域的纤维束^[26]，但由于MS脑组织中有多发部位的病灶，如果在两个ROI区域之间任何部位出现病灶，均会导致损伤纤维束的排除，使得研究偏差较大。本研究中使用球体重建纤维束，检测穿过球体部位白质纤维束的变化，对于脑组织中的定位更为简捷，也更容易操作，不受多发部位病灶的影响。弥散张量纤维成像技术除了可以直观观察纤维束走形及容积变化，还可以通过弥散张量参数检测纤维束轴突、髓鞘微结构的变化，为MS患者看似正常白质微结构变化提供更多信息。FA值是最常用的弥散张量参数之一，对纤维束的华勒变性高度敏感^[27]。通过检测病灶对侧相应部位看似正常白质以及看似正常胼胝体纤维束变化，研究发现两者都有FA值的降低，提示FA可用于早期神经纤维微结构损伤的评估。

  MS患者早期有NAWM的损伤，弥散张量纤维束成像技术作为一种无创性检测技术，可用于早期NAWM微小损伤的评估，FA值在评估微小损伤方面尤其有帮助。

  

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(收稿2020-07-01)

本文责编：关慧

本文引用信息：李俊敏，卢宏，王建平，彭涛，田田，徐海波，梅元武．弥散张量纤维束成像对多发性硬化看似正常脑白质损伤定量分析[J]．中国实用神经疾病杂志，2020，23(16)：1393-1397.DOI：10.12083/SYSJ.2020.16.029