常规MRI表现正常的AIDS患者脑白质弥散张量成像TBSS分析

李瑞利米海峰李宏军* 任美吉赵晶员达王伟

(1.首都医科大学附属北京佑安医院放射科，北京 100069； 2.首都医科大学附属北京同仁医院放射科， 北京 100730)



· 感染与炎性反应放射学 ·

常规MRI表现正常的AIDS患者脑白质弥散张量成像TBSS分析

李瑞利1米海峰2李宏军1*任美吉赵晶员达王伟

(1.首都医科大学附属北京佑安医院放射科，北京 100069； 2.首都医科大学附属北京同仁医院放射科， 北京 100730)

目的 采用弥散张量成像(diffusion tensor imaging， DTI)及基于纤维束追踪的空间统计(track-based spatial statistics， TBSS)观察常规磁共振成像(magnetic resonance imaging， MRI)表现正常的获得性免疫缺陷综合征(acquired immunodeficiency syndrome， AIDS)患者脑白质微结构变化。方法对性别、年龄相匹配的22例常规MRI表现正常的AIDS患者(患者组)及23例健康志愿者(对照组)行DTI检查，采用TBSS分析所有受试者脑白质DTI的各相关参数指标的改变，包括各向异性分数(fractional anisotropy， FA)、平均弥散度(mean diffusivity， MD)、组间轴向弥散(axial diffusivity， AD)值和径向弥散(radial diffusivity， RD)值，进一步提取组间差异有统计学意义脑区的患者组的DTI参数值并与CD4+进行相关性分析。结果与正常对照组相比，患者组多个脑区MD值升高，主要包括胼胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部、双侧前辐射冠、上辐射冠、后辐射冠、上纵束、左侧内囊前肢、外囊和扣带回(P<0.05， TFCE及FWE校正)。患者组多个脑区AD值升高，主要包括胼胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部、双侧前辐射冠、上辐射冠、后辐射冠、上纵束、内囊前肢、外囊和扣带回(P<0.05， TFCE及FWE校正)。左侧白质改变多于右侧，胼胝体及双侧前辐射冠是损伤范围较大的脑区。两组各脑区FA值和RD值差异均无统计学意义(P>0.05， TFCE及FWE校正)。与对照组相比，患者组中差异有统计学意义脑区的MD值与患者CD4计数呈负相关(r=-0.435，P=0.043)。结论常规MRI表现正常的AIDS患者大脑多个区域白质微结构损伤，其病理特征可能是轴索异常改变，损伤区域主要涉及记忆、智能、认知控制等相关脑区。DTI和TBSS技术可以敏感地发现常规MRI表现正常的AIDS患者脑损伤白质微观结构变化。

艾滋病；弥散张量成像；脑白质；基于纤维束追踪空间统计分析

自1981年首次报道人类获得性免疫缺陷综合征(acquired immunodeficiency syndrome， AIDS，以下简称艾滋病) 以来，该病已在全球广泛流行，目前艾滋病仍是全球重大的社会公共卫生问题之一。截至2015年10月31日，中国疾病预防控制中心统计中国现存活艾滋病毒(human immunodeficiency virus， HIV)感染者/AIDS患者574 775人[1]。HIV-1具有嗜神经性，早期即可侵入脑组织，造成常规磁共振成像(magnetic resonance imaging， MRI)不能识别的脑损伤，进一步发展为以认知、行为和运动障碍为特征的综合征，即HIV-1相关性脑痴呆(HIV-1 associated dementia complex， HAD)[2]。常规MRI不能为HIV-1感染早期脑损伤提供有价值的信息[3]，弥散张量成像(diffusion tensor imaging， DTI)对组织显微结构的完整性很敏感，能提供常规MRI无法反映的解剖细节，无创性检测活体脑白质微细结构的变化情况。常用的DTI数据处理方法是人工勾划感兴趣区(region of interest， ROI)[4]和基于体素分析(voxel-based analysis， VBA)[5]等方法，前者费时、可重复性及可比性差，后者存在平滑任意性、配准不齐等不足。基于纤维束示踪的空间统计分析(tract-based spatial statistics， TBSS) 是一种基于纤维束示踪的配准算法，可克服以上局限性。本文采用TBSS 方法观察常规MRI表现正常的AIDS患者脑白质变化，以期进一步揭示AIDS患者脑白质的微观结构改变。

1　材料和方法

1.1研究对象

首都医科大学附属北京佑安医院感染科2014年8月至2015年12月AIDS患者22例，其中，男性20例，女性2例，平均年龄(36.1±10.5)岁。23例年龄性别相匹配的健康志愿者为对照组，其中，男性19例，女性4例，平均年龄(34.4±9.9)岁。

AIDS患者入组标准：HIV-1确诊实验阳性；艾滋病期；均未接受任何抗反转录病毒治疗(antiretroviral therapy， ART)；常规MRII的T1WI及T2WI表现正常。

排除标准：年龄<18 岁，患有慢性神经系统疾病，目前或过去曾有中枢神经系统的其他机会性感染，MRI检查禁忌证。所有研究对象均签署知情同意书。

患者组HIV的感染途径：13例为性传播，其中同性接触10例，异性接触3例；2例外伤史；1例输血史；6例感染途径不详。磁共振(magnetic resonance， MR)检查前后2周内CD4+细胞数(190.2±219.1)/mm3。临床表现：9例健忘、记忆力减退；3例步态不稳；4例患者感情淡漠。

1.2影像学检查及分析

1.2.1数据采集

受试对象均接受德国Siemens公司Magnetom Trio Tim System (3.0T， 32 通道)磁共振扫描仪进行颅脑扫描，梯度场强40 mT/m，梯度切换率200 mT·m-1·ms-1。先行常规MRI检查，包括横断面快速自选回波-T1WI序列：重复时间(repetition time， TR)250 ms，回波时间(echo time， TE)2.46 ms和T2WI(TR 4 570 ms， TE 95 ms)序列；DTI检查采用并行采集技术单次激发自旋平面成像序列(echo-planar imaging， EPI)，扩散敏感因子b值分别取0、1 000 s/mm2，TR/TE 3 300/90 ms，层厚4 mm，层间距1.2 mm，扫描野 230 mm×230 mm，采集矩阵128×128，空间分辨率1.8 LP/mm×1.8 LP/mm×1.8 LP/mm，激励次数3，扩散敏感梯度方向20个，采集时间为3.39 min。

1.2.2数据处理

应用英国牛津大学脑功能磁共振成像中心开发的(FMRIB Image Analysis Group， Oxford， UK， http：//www.fmrib.ox.ac.uk/fsl) 数据处理软件，对患者组及正常对照组2组DTI数据进行TBSS处理。主要步骤如下：①数据预处理，将数据转换为nii格式；对DTI图像进行头动和涡流伪影矫正；去除头皮和颅骨；计算DTI参数图，包括各向异性分数(fractional anisotropy， FA)、平均弥散度(mean diffusivity， MD)、组间轴向弥散(axial diffusivity， AD)值和径向弥散(radial diffusivity， RD) 图。②所有被试的FA数据非线性对齐到蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)标准空间；③计算所有被试FA的均值，制作骨架；④骨架化处理，即将所有被试FA标准到骨架上。MD 、AD、RD数据也经过FA配准生成各自的参数图，并将之投射到平均FA纤维束骨架上。白质图集选用约翰·霍普金斯大学的 (JHU)-ICBM-DTI-81。

1.3统计学方法

利用SPSS17.0软件，AIDS患者组和正常对照组年龄比较采用独立样本t检验，性别构成比采用χ2检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

组间FA值、MD值、AD值、RD值比较， 采用FSL自带统计软件，一般线性模型构造检验统计量，对患者组及正常对照组2组被试数据(FA、MD 、AD、RD)分别进行两样本t检验和置换检验，置换次数设为 5 000，统计结果显示于平均FA骨架图上。

基于TBSS统计分析结果，对有差异的脑区，进一步提取每一被试患者该脑区的平均FA、MD 、AD、RD值，将这些指标分别与CD4+进行相关分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1人口学结果

两组被试年龄、性别信息见表1，年龄及性别组间差异无统计学意义(P>0.05)。

表1　研究对象的人口特征

M： male； F： female.

2.2TBSS结果

与对照组相比，AIDS患者组多个区域MD值升高，包括胼胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部、双侧前辐射冠、上辐射冠、后辐射冠、上纵束、左侧内囊前肢、外囊和扣带回(P<0.05， TFCE及FWE校正)。AIDS患者组多个脑区AD值升高，主要包括胼胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部、双侧前辐射冠、上辐射冠、后辐射冠、上纵束、内囊前肢、外囊和扣带回(P<0.05， TFCE

图1　AIDS患者组及正常对照组MD图及AD图的TBSS分析

Areas in red are regions where MD， AD were significantly higher (P<0.05， corrected by TFCE and FWE) in AIDS patient group compared with control group. The number below each brain image indicatesZcoordinate in Montreal Neurological Institute (MNI) space. AIDS： acquired immunodeficiency syndrome； MD： mean diffusivity； AD： axial diffusivity；TBSS： track-based spatial statistics； DTI： diffusion tensor imaging； TFCE： threshold-free cluster enhancement； FWE： family-wise error.

表2　AIDS患者白质MD值及AD值显著升高的

AIDS： acquired immunodeficiency syndrome；L： left； R： right； JHU-WM atlas： the ICBM-DTI-81 white matter atlas； MD： mean diffusivity； AD： axial diffusivity； GCC： genu of corpus callosum； BCC： body of corpus callosum； SCC： splenium of corpus callosum； ALIC： anterior limb of internal capsule； ACR： anterior corona radiate； SCR： superior corona radiate； PCR： posterior corona radiate； EC： external capsule； CIN-CG： cingulum (cingulate gyrus)； SLF： superior longitudinal fasciculus. The underline： clusters>1 000 voxels.

及FWE校正)(图1、表2)。所有受累的区域，左侧均大于右侧。胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部、双侧前辐射冠是损伤范围较大的脑区，体素个数均>1 000。两组各脑区FA值和RD值比较，差异均无统计学意义(P>0.05， TFCE及FWE校正)。

2.3相关性分析

AIDS患者组中差异有统计学意义脑区的MD值与患者CD4计数呈负相关(r=-0.435，P=0.043，图2)。AIDS患者组中有差异脑区的AD值与患者CD4计数的相关性差异无统计学意义(r=-0.395，P=0.069)。

图2　AIDS患者组中有差异脑区的MD值与

MD values were significantly negatively correlated with CD4+counts(r=-0.435，P=0.043). AIDS： acquired immunodeficiency syndrome； MD： mean diffusivity.

3　讨论

常规MRI能发现中晚期HIV-1患者的颅内改变，如白质高信号(HIV感染后所导致的炎性反应或脱髓鞘)和灰质萎缩，但不能为HIV-1感染早期脑损伤提供有价值的信息[5]。DTI是利用组织内水分子的扩散运动在不同方向上的信号差异来探测组织微观结构的一种成像方法，由于研究方法不同，既往DTI对HIV-1脑损伤早期诊断的研究[4-5]结果差异较大。传统的DTI分析方法是人工勾划ROI 方法和 VBA 等方法，二者均存在局限性，无法反映真实情况。ROI方法，依赖预定的假设对感兴趣区域进行测量分析，虽然具有目的性强、操作直接、简单等优点，但ROI的位置及大小的选择是主观的，缺乏明确统一的标准，可重复性差，而且仅能显示局部脑区的弥散异常情况，不利于研究之间进行比较[4]。VBA方法完全依赖统计参数计算，克服了ROI 方法的不足，在DTI 研究方面已逐渐得到应用，但对于各向异性差异较大的图像，SPM软件中无法标准化算法，可能出现假阳性结果；图像空间配准准确率不高，部分FA值有明显差异的区域可误配准至灰质区；以及平滑处理时具有明显主观性等不足[5]。目前最新的方法是基于纤维束追踪的空间统计(track-based spatial statistics， TBSS) 方法，该方法是一种基于纤维束追踪的配准算法，可对不同被试者进行主要纤维束的对齐，将所有被试的DTI数据投射到标准空间内，形成FA骨架，进而进行统计学运算，该方法克服了VBA 的校准和平滑等过程存在的不足，配准以及对脑白质异常区域的定位更加准确，产生假阳性结果的可能性明显下降[3]。

本研究采用TBSS，分析多种DTI参数(FA、MD、AD、RD)，进一步探究AIDS患者早期脑白质微结构变化，本研究结果与 Zhu 等[6]相似，和正常对照组相比，AIDS患者组多个大脑白质区域MD值升高，包括胼胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部、双侧前辐射冠、上辐射冠、后辐射冠、上纵束、左侧内囊前肢、外囊和扣带回。MD值反映的是分子整体的弥散水平，只表示弥散程度，与弥散的方向无关[7]。MD值增加提示神经细胞退行性改变导致的细胞膜密度减低，细胞外水分子弥散增加。与对照组相比，患者组中有差异脑区的MD值与患者CD4计数呈负相关(r=-0.435，P=0.043)。即患者CD4越低，脑内白质MD值越高，受损越重。提示DTI不仅为AIDS患者脑损伤白质微观结构变化提供定性信息，还能定量的评估疾病的严重性。和正常对照组相比，AIDS患者组多个脑区AD值升高，主要包括胼胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部、双侧前辐射冠、上辐射冠、后辐射冠、上纵束、内囊前肢、外囊和扣带回。AD值反映的是与轴索平行方向上的弥散情况，AD值升高反映了水分子平行纤维束方向的扩散增加，提示反应性轴索增生，病变处于慢性期[8]。AD值减少反映了水分子平行纤维束方向的扩散减少，提示轴索破坏，病变处于急性期[9]。本研究发现AIDS患者左侧MD值、AD值增加脑区多于右侧，提示左侧脑半球的白质更易受到损害，Wang等[10]在AIDS患者中也发现这一不对称现象。这可能与本研究被试均为右利手有关。

MD值与AD值增加累及脑区的体素个数比较发现：1)胼胝体及双侧前辐射冠是损伤范围较大的脑区。累及体素个数均>1 000，这些部位是后髓鞘化形成区域，比早髓鞘化形成的纤维更易受损[11]。胼胝体是脑内最大的白质联合纤维，即连接左右大脑半球皮质的横行纤维。其主要作用是传递双侧大脑半球信息，与记忆力、智力、注意力和表达等认知相关的能力有关。胼胝体体部纤维和双侧额上回侧部和后部互相连接，胼胝体体部的周边小纤维和额下回右喙侧相连，相关性分析[12]显示，工作记忆与胼胝体体部纤维相连的背外侧前额叶皮质完整有关。辐射冠是内囊上部层面两侧侧脑室周围呈放射状分布的白质，属于由内囊到大脑皮层的投射纤维。前辐射冠位于额叶，额叶为神经系统的上级中枢，与大脑其他部位(如顶叶、颞叶、丘脑等)具有广泛神经联系，几乎涉及所有的认知功能(语言、记忆、执行等多个方面)，前额叶-皮质下环路为认知功能的主要传导环路，额叶的微结构改变或其与下级神经元间的联系纤维损伤，可以影响记忆、语言功能。2)其次是上辐射冠、双侧上纵束和后辐射冠。上纵束为人脑中最大的联络纤维，是连接额叶与颞顶叶最重要的纤维束，其损害可能导致额叶相关神经环路连接度降低。在脑部高级功能中起着重要作用，尤其语言功能，对人的工作记忆也具有重要的作用[13]，其损害提示AIDS患者空间工作记忆可能已经受损。3)累及范围较少的是内囊前肢、外囊、扣带束。内囊和外囊属于投射纤维。内囊前肢由纵行的纤维束组成，向上呈放射状投射至皮质各部。上行纤维是丘脑内侧核至额叶白质的纤维(丘脑前辐射)，下行纤维是额叶脑桥束(额桥束)，组成了额叶皮层下反馈环路，为高级认知反馈回路，内囊前肢的结构异常可能导致这些环路的功能联系中断，表现出记忆和智能障碍。扣带束是边缘系统纤维最重要的白质纤维束，是连接扣带回与其他脑区灰质结构的唯一通道。在情绪行为、认知功能、情景记忆提取过程中具有重要作用。动物实验[14]发现，后部扣带的损伤会导致记忆功能的损害。

FA值反映的是水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例，间接反映了白质纤维束的完整性。RD值反映的是与轴索垂直方向上的弥散状况，RD值增加可能意味着退行性改变导致的髓鞘的完整性破坏[15-16]，白质脱髓鞘改变。本组病例与对照组相比，各脑区FA值和RD值差异均无统计学意义(P>0.05)。综上所述，本组AIDS患者大脑白质微结构改变(FA值正常、MD值升高，AD值升高、RD值正常)提示：1)MD值可能是DTI参数中较为敏感的指标，与Zhu等[6]研究结果一致。2)本组病例髓鞘正常，轴突存在反应性增生，可能与本组病例均处于HIV感染慢性期，机体代偿有关。3)损伤区域主要涉及记忆、智能、认知控制等相关脑区，与患者临床表现(9例健忘、记忆力减退，3例步态不稳，4例患者感情淡漠)一致。

总之，DTI多参数是一种很有诊断价值的扫描序列，能提供脑的生理病理状态信息，能敏感的发现常规MRI表现正常的AIDS患者白质微结构变化。本研究也有一定的局限性，样本量偏小，未对患者进行系统、详细的神经量表评估，未涉及AIDS患者白质结构的随访观察，这有待于今后的进一步研究。

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编辑慕萌

Diffusion tensor imaging in brain white matter of AIDS patients with normal appearance on conventional MRI by using tract-based spatial statistics

Li Ruili1， Mi Haifeng2， Li Hongjun1*， Ren Meiji1， Zhao Jing1， Yuan Da1， Wang Wei1

(1.DepartmentofRadiology，BeijingYouanHospital，CapitalMedicalUniversity，Beijing100069，China;2.DepartmentofRadiology，BeijingTongrenHospital,CapitalMedicalUniversity，Beijing100730，China)

ObjectiveTo analyze the microscopic changes of white matter (WM) in acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) patients with normal appearance on conventional magnetic resonance imaging (MRI) by diffusion tensor imaging (DTI) and tract-based spatial statistics (TBSS). MethodsTwenty-two acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) patients with normal appearance on conventional MRI (patient group) and 23 healthy volunteers (control group) with matched age and sex were recruited. Siemens 3.0T magnetic resonance scanner was used for DTI data acquisition. DTI parameters of WM, including fractional anisotropy (FA), mean diffusivity (MD), axial diffusivity (AD) and radial diffusivity (RD) were compared between the two groups with TBSS. DTI indices with significant difference were further extracted from AIDS patients, correlation analysis was used between DTI indices and CD4+T cell counts. ResultsCompared with the control group, significantly increased MD were found in several white matter regions including the genu of corpus callosum (GCC), body of corpus callosum (BCC), splenium of corpus callosum (SCC), bilateral anterior corona radiation (ACR), superior corona radiation (SCR), posterior corona radiation (PCR), the left anterior limb of internal capsule (ALIC), external capsule (EC) and cingulate gyrus (CIN-CG) in patient group (P<0.05, corrected by TFEC and FWE); Significantly increased AD were found in the GCC, BCC, SCC, bilateral ACR, SCR, PCR, ALIC, EC and CIN-CG in patient group (P<0.05, corrected by TFEC and FWE). There was more white matter impairment in left hemisphere than that in the right. Corpus callosum and bilateral corona radiata were the larger brain damage regions. The differences of FA values and RD values in every region were not significant between the two groups (P>0.05, corrected by TFEC and FWE). In patient group, significantly negative correlation was found between MD values and CD4+T cell counts in significant clusters (r=-0.457,P=0.034). ConclusionWhite matter integrity was significantly reduced in extensive regions among AIDS patients with normal appearance on conventional MRI. The pathological features may be the abnormalities in axonal. The involved brain areas mainly related to memory, intelligence and cognitive controls. DTI and TBSS analysis can sensitively discover the white matter microstructure injury in AIDS patients with normal appearance on conventional MRI.

acquired immunodeficiency syndrome (AIDS)； diffusion tensor imaging； white matter； tract-based spatial statistics

国家自然科学基金(81571634)，北京市属医院科研培育项目(PX2016036)，北京市医院管理局临床医学发展专项经费资助(扬帆计划)(ZYLX201511)。This study was supported by National Natural Science Foundation of China(81571634)， Beijing Municipal Administration of Hospitals Incubating Program(PX2016036)， Beijing Municipal Administration of Hospitals Clinical Medicine Development of Special Funding (ZYLX201511).

10.3969/j.issn.1006-7795.2016.04.008]

R 512.91

2016-06-03)

*Corresponding author， E-mail：lihongjun00113@126.com

网络出版时间：2016-07-2021∶16网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3662.r.20160714.2116.028.html