磁共振弥散张量成像(DTI)在脑梗死皮质脊髓束损伤与运动功能转*归相关性中的应用研究

广州中医药大学中山附属医院放射科(广东 中山 528400）

刘树学 王本国 莫雪玲 唐玉德王 耿 张雄彪 洪云恒 罗丽好陈志明 李水连 肖 铮

磁共振弥散张量成像(DTI)在脑梗死皮质脊髓束损伤与运动功能转*归相关性中的应用研究

广州中医药大学中山附属医院放射科(广东 中山 528400）

刘树学 王本国 莫雪玲 唐玉德王 耿 张雄彪 洪云恒 罗丽好陈志明 李水连 肖 铮

目的 利用磁共振弥散张量成像（DTI）研究脑梗死各向异性特征，结合扩散张量纤维束重建（DTT）评价脑梗死后皮质脊髓束损伤与运动功能转归的相关性。方法对10名正常成人志愿者及57名脑梗死患者进行常规磁共振成像及磁共振弥散张量成像，测量双侧大脑脚、内囊后肢、梗死灶及其对侧对称区域的部分各向异性系数（FA值），并进行比较分析；对双侧皮质脊髓束进行扩散张量纤维束重建（DTT），并分级；在DTI检查前及治疗后，对患者进行美国国立卫生研究院卒中评分（NIHSS)及简式Fugl-Meye运动功能评分(FMS)，将脑梗死病灶区域FA值降低率与NIHSS及CST的DTT分级与治疗后运动功能评分(FMS)进行Pearson相关性分析。结果志愿者双侧大脑脚、内囊后肢及半卵圆中心平均FA值双侧对比均无统计学差异（P>0.05）；脑梗死病例病灶区域平均FA值与对侧比较，无论急性期、亚急性期和慢性期病例均具有明显统计学意义（P<0.05），FA值降低率与NIHSS评分呈正相关（Pearson相关系数为0.500,p=0.001）；脑梗死病例大脑脚及内囊后肢FA值与对侧比较，急性期病例无统计学意义（P>0.05），而亚急性期及慢性期病例均具有统计学意义（P<0.05）；DTT显示CST纤维束分级与康复治疗后运动功能评分(FMS)呈负相关（Pearson相关系数为-0.899,p=0.000）。结论DTI能较好的评价脑梗死后白质纤维束的损伤程度；皮质脊髓束的损害程度与患者的运动功能恢复具有明显相关性。

弥散张量成像；脑梗死；皮质脊髓束；运动功能

弥散张量成像（DTI）是在磁共振弥散加权成像（DWI）基础上发展起来的一种成像方法，它利用组织中水分子扩散运动存在各向异性的原理，从多个方向上获得弥散加权图像，根据组织内水分子弥散的内在方向性探测组织微观结构，可定量分析病变组织与正常组织的弥散特征，在神经系统的应用上有较高的敏感性和特异性，同时是一种非侵入性检查[1]，是目前人体功能成像研究的热点之一，本研究旨在探讨脑梗死弥散张量成像（DTI）特征及其与运动功能损害的相关性。

材料和方法

1.1 病例选择本院2008年4月-2010年3月在康复科（神经内科）住院治疗的符合以下入选条件的病例：①患者发病具有明显引起运动功能障碍；②常规MRI检查及DWI显示大脑中动脉供血区脑梗死病灶；③排除能够或可疑引起相同症状（引起运动功能障碍）的脑内其它病变（如脑出血、脑肿瘤等）。另外选择10名符合下列条件的成人志愿者：①年龄在35岁-65岁；②无临床症状；③常规磁共振检查脑内未见异常病变。

1.2 临床资料患者57例，男37例,女20例，年龄31岁-85岁，平均年龄62岁，均因出现不同程度运动功能障碍住院,所有病例均接受常规磁共振（MR）、DWI及DTI检查，按照脑梗死的分期[2]，分为急性期（6小时-72小时）11例，亚急性期（4天-11天）34例，慢性期（>11天）12例，住院期间病人接受改善脑循环（抗凝药物治疗）、营养脑神经、被动肢体训练、针灸按摩等康复治疗，对治疗前后进行美国国立卫生研究院卒中评分（NIHSS)及简式Fugl-Meye运动功能评分（FMS），治疗前及治疗后分别记录为NIHSS1、FMS1及 NIHSS2、FMS2。

1.2 磁共振检查方法使用GE公司生产的1.5T Signa Twinspeed ExciteⅡ型MRI扫描仪，采用8通道高密度头颅线圈，常规检查采用：横轴位T1FLAIR(2000/750/25ms）、FRFSE T2WI（3000/102ms）,DWI采用单次激发平面回波成像（EPI），B值=1000s/mm2，以上3个序列扫描位置一致（复制定位线），层厚6mm,层间距1mm；DTI使用采用单次激发平面回波成像（EPI），B值=1000s/mm2，层厚4mm，层间距0mm，30层，15个方向，视野24×24cm，扫描时间2分58秒。

1.3 数据后处理

1.3.1采用GE-AW4.4工作站functool软件对DTI数据进行后处理，重建出平均扩散系数（average diffusion coefficient, ADC）图,各向异性系数(fractional anisotropy,FA)图,各向同性图（Isotropic image），容积比各向异性(Volume ratio Aniso)图；分别在大脑脚、内囊后肢及病灶区域[正常志愿者选择大脑半卵圆中心（放射冠）]选取感兴趣区（ROI）。ROI选取原则：在大脑脚及内囊后肢区域，通过手工调节，结合彩色结构图(show structural view）,使ROI范围尽量包括完整大脑脚、内囊后肢，以上各ROI面积约80mm2-110mm2，分别复制各ROI，利用functool软件的对称轴，并结合手动调节，确定对侧(正常侧)ROI位置，分别测量双侧大脑脚、内囊后肢及病灶处（志愿者放射冠处）FA值并记录；以大脑脚ROI为种子，利用扩散张量纤维束重建（diffusion tensor tractography, DTT）软件，分别重建双侧皮质脊髓束(cortical spinal tract，CST)（图 1、2），按照病变侧CST走行方向、与梗死灶的空间位置关系及纤维束的完整性对纤维束进行分级：1级：CST不穿过梗死灶，形态、走行完好；2级：CST穿过梗死灶，形态、走行完好（图2）；3级：CST穿过梗死灶，存在纤维束破坏中断（图5-8）。

1.3.2 采用SPSS11.5统计分析软件对正常志愿者及病人的患侧与健侧FA值采取配对t检验进行分析，以P<0.05作为检验水准；将脑梗死病灶区域FA值降低率与NIHSS1进行Pearson相关性分析；对患侧皮质脊髓束DTT分级与FMS2进行进行Pearson相关性分析，以P<0.05作为检验水准。

结 果

表1 正常志愿者DTI数据（FA值）

表2 脑梗死患者DTI数据（平均FA值）

2.1 10名无临床症状志愿者双侧大脑脚、内囊后肢及半卵圆中心（放射冠）FA值见表1，大脑脚：t值=-0.383、P=0.706；内囊后肢：t值=-0.267、P=0.792；放射冠：t值=-0.493、P=0.628，各部位双侧FA值对比均无统计学差异（P>0.05）。

图1，DTT显示正常成人双侧白质纤维束对称分布，纤维束连续（a.双侧纤维束前后方向图;b.单侧纤维束侧位图）。图2a：DWI显示右侧内囊后肢急性期脑梗死病灶；图2b：DTT显示CST穿过梗死灶，形态连续、无中断（2级）。图3a：DWI显示右侧放射冠脑梗死，呈高信号; 图3b：DTT显示皮质脊髓束（CST）穿过病灶，并出现纤维束放射冠区的中断（3级）。图4a：DWI显示左侧半卵圆中心脑梗死，呈高信号; 图4b DTT显示皮质脊髓束（CST）穿过病灶，并出现纤维束的扭曲、破坏及中断（3级）。

表3 脑梗死不同时期白质纤维束分级

2.2 脑梗死病例DTI表现急性期、亚急性期及慢性期脑梗死病例病灶区域、内囊后肢及大脑脚平均FA值与对侧对应区域平均FA值见表2，急性期：大脑脚：t值=-0.141、P=0.890，P>0.05 无统计学意义；内囊后肢：t值=-0.634、P=0.534，P>0.05 无统计学意义；病灶区域：t值=-2.418、P=0.026，P<0.05有统计学意义。

亚急性期：大脑脚：t值=-2.016、P=0.048，P<0.05 有统计学意义；内囊后肢：t值=-2.626、P=0.011，P<0.05 有统计学意义；病灶区域：t值=-7.597、P=0.000，P<0.05 有统计学意义。

慢性期：大脑脚：t值=-2.434、P=0.024，P<0.05 有统计学意义；内囊后肢：t值=-2.147、P =0.044，P<0.05 有统计学意义；病灶区域：t值=-6.814、P=0.000，P<0.05有统计学意义。

病灶FA值的降低率与NIHSS1呈正相关（Pearson相关系数为0.500，p=0.001，P<0.05）：FA值降低程度越大，NIHSS评分越大。

不同时期脑梗死DTT显示CST纤维束分级见表3，急性期病例分布于1-3级，亚急性期及慢性期病例多为1级及3级；纤维束分级与FMS2比较具有负相关（Pearson相关系数为-0.899，p=0.000，P<0.05）：DTT分级越高，治疗后FM评分越低（运动功能恢复越差）。

讨 论

3.1 弥散张量成像（DTI）的基本原理弥散张量成像(DTI）是在磁共振弥散加权成像（DWI)基础上发展起来的一种成像方法，其基本原理是水分子在不均质组织中具有弥散各向异性的特征，从三维立体的角度分解、量化了弥散各向异性的信号数据，是组织微结构的显示更加微细准确[3]。由于神经纤维轴突膜与髓鞘的存在作为弥散的屏障，在平行于纤维方向的弥散速度远远大于垂直方向，此种有很强的方向依赖性弥散就称之为各向异性。部分各向异性(FA)是描述脑白质纤维各向异性特征的主要参数之一，是指水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例[4]，FA值变化于0-1之间，0代表最大各向同性弥散，1代表最大各向异性弥散,FA值大小与髓鞘的完整性、纤维致密性及平行性有密切关系，能够反映白质纤维是否完整，FA值越大，神经传导能力越强[5]。可以通过扩散张量纤维束重建(DTT)显示大脑白质纤维束，测定白质纤维束的走行方向和结构的完整性，可以立体直观地观察卒中病灶与白质纤维之间的关系。

3.2正常成人脑组织DTI特征本研究通过对10名正常志愿者脑组织进行DTI成像，重建FA图和三维彩色编码张量图清晰勾画出脑内白质纤维束的走行和分布，测量显示双侧对称区域——大脑脚、内囊后肢及半卵圆中心的FA值无统计学差异,显示出双侧脑组织各向异性程度基本对称，双侧白质纤维束对称分布，纤维束连续、无中断（图1、2）。

3.3 脑梗死的DTI特征本组病例研究显示：脑梗死急性期、亚急性期及慢性期病例病灶区域FA值与对侧对比均具有明显统计学意义(P<0.05)，FA值降低越多，患者的卒中症状越明显(NIHSS值越大)，并且随时间的延长，FA值降低率显著增加。本组病例中有7例急性或亚急性期病例间隔2周(14天±3天)后行DTI复查，显示病灶区域FA值进一步降低,考虑随时间延长，脑缺血区细胞结构的破坏、神经纤维髓鞘的脱失逐渐加重，导致组织微观结构正常顺序进一步丧失，进而发展为组织的坏死，表现为白质区各向异性(FA值)显著降低；脑梗死病例大脑脚及内囊后肢与对侧比较，急性期病例不具有统计学意义（P>0.05)，而亚急性期及慢性期病例病侧具有统计学意义(P<0.05），考虑脑梗死后随时间的延长，卒中灶远端锥体束存在不同程度华勒氏变性，与文献报道[6,7]相符。

3.4 脑梗死后皮质脊髓束损伤与运动功能恢复的关系皮质脊髓束主管肢体运动功能，大多数患者脑梗死后出现肢体肌力减退症状，主要是病变累及皮质脊髓束所致[8]。通过白质纤维束重建(DTT)对CST与梗死病灶的空间位置关系显示清晰，并可较好观察白质束的形态和完整性(图3-8)，从而对纤维束进行分级。本组研究显示急性期病例纤维束分级随机分布于1-3级，亚急性期及慢性期病例主要分布于1级及3级，在本组进行了DTI复查7例病例中，2例原片显示纤维束穿过病灶，但形态完好、无中断(2级)，复查均显示纤维束出现中断(3级)，考虑这种纤维束分级的变化动态地反映出脑缺血后白质纤维的髓鞘崩解、脱失、及坏死的病理过程，随时间延长，梗死灶进一步发展，脑组织坏死、软化，白质纤维束中断，可初步解释脑梗死晚期病例白质纤维束分级多分布于1级及3级原因。但对早期脑梗死病例中存在的2级纤维束多少会发展成3级，因本组复查病例数目较少，有待于更大组病例进一步研究；通过纤维束分级与肢体运动功能评分(FMS2)进行对比分析显示患者运动功能恢复与CST的DTT分级有相关性，DTT分级越高，治疗后FM评分越低（运动功能恢复越差），伴有纤维束破坏、中断（3级纤维束）的患者(图5-8)治疗后运动功能恢复不佳。

综上所述，笔者认为脑梗死的分子扩散各向异性特征(FA值)的改变可以用于评价白质束的损伤程度；DTT分级显示皮质脊髓束的损伤程度更加准确、直观；DTT分级与与皮质脊髓束损伤程度、患侧运动功能减弱程度呈正相关。故磁共振弥散张量（DTI）检查为脑梗死患者的康复治疗提供有利的影像学依据，具有较大的应用价值。

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Study on the Application of DTI to the Relativity between Impairment of Corticospinal Tract and *Motor Function Recovery after Cerebral Infarction

LIU Shu-xue, WANG ben-guo, MO Xue-ling, et al. Department of Radiology, Affiliated Zhongshan Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Zhongshan 528400 Guangdong, China

ObjectiveTo study the characteristics of anisotropy of cerebral infarction by diffusion tensor imaging (DTI) and to evaluate the relativity between impairment of cortical spinal tract and motor recovery after cerebral infarction by diffusion tensor tractography(DTT).MethodsConventional MRI and DTI were performed to ten healthy volunteers and fifty-seven patients with cerebral infarction. The fractional anisotropy (FA) values of bilateral cerebral peduncles, posterior limbs of internal capsule, infarction focus and its contralateral side were measured, compared and analyzed; Diffusion tensor tractogeaphy(DTT) were performed to the cortical spinal tract (CST). The changes of CST were classified.Those patients were evaluated by the National Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS)and the Fugl-Meyer Motor Scale(FMS) before DTI and after treatment. Pearson correlation analysis was performed to the FA reduction ratio of infarction focus, the DTT classification of CST, NIHSS and FMS after treatment.ResultsThe average FA values of bilateral cerebral peduncles£¬posterior limbs of internal capsule and centrum semiovale of volunteers were not have statistical differences (P>0.05); the average FA values of infarction focus and its contralateral side had statistical differences, no mater in acute stage, subacute stage or chronic stage (P <0.05), and the FA reduction ratio of infarction focus had positive correlation with the NIHSS (Pearson's correlation coefficient was 0.500, p=0.001); the FA values of bilateral cerebral peduncles and posterior limbs of internal capsule of patients with cerebral infarction were not have statistic differences in acute stage (P >0.05), but had statistic differences in subacute stage and chronic stage (P<0.05). DTT showed that the grades of CST had negative correlation with FMS after treatment£¨Pearson's correlation coefficient was -0.899, p=0.000).ConclusionThe injury of white matter fiber bundles after cerebral infarction could be well evaluated by DTI; the motor function recovery had significant correlation with the degree of injury of cortical spinal tract.

Diffusion tensor imaging(DTI);Cerebral infarction; Cortical spinal tract(CST);Motor function;

R445.2；R54

A

中山市科研基金立项（项目编号：20082A083）

10.3969/j.issn.1672-5131.2011.05.009

刘树学，男，医学影像副主任医师，副教授，放射科副主任，主要研究方向为神经及骨关节影像诊断。

刘树学

2011-06-07