运动神经元病患者脑白质病变的扩散张量成像研究

段莉琴， 刘 园， 彭 海△

1浙江省中医药大学附属第一医院神经内科，杭州 310006 2华中科技大学同济医学院附属协和医院神经内科，武汉 430022

运动神经元病患者脑白质病变的扩散张量成像研究

段莉琴1， 刘 园2， 彭 海2△

1浙江省中医药大学附属第一医院神经内科，杭州 3100062华中科技大学同济医学院附属协和医院神经内科，武汉 430022

目的利用扩散张量成像技术(DTI)定量评估运动神经元病患者的脑白质病变，探究可能的发病机制。方法15例临床诊断为运动神经元病患者作为实验组，16例年龄、性别匹配的无神经系统疾病的志愿者为对照组。行DTI及常规磁共振扫描，应用基于纤维束的空间统计方法(TBSS)对全脑白质进行分析，提取异常区域的部分各项异性(FA值)、平均弥散率(MD值)、特征值(λ1、λ2、λ3)。结果实验组与对照组相比，左侧皮质脊髓束FA值显著下降(P=0.034)，特征值λ2(P=0.124)、λ3(P=0.064)有升高趋势，右侧皮质脊髓束FA值有下降趋势(P=0.050)。两组λ1、MD值未见明显差异。结论DTI能够定量显示运动神经元病患者皮质脊髓束损害，并且该病变可能是脱髓鞘所致。

运动神经元病； 扩散张量成像； 皮质脊髓束

运动神经元病(motor neuron disease，MND)是一种以运动神经元受累为主的慢性进行性神经变性疾病。迄今，尚无早期确诊的方法，诊断除依靠典型临床表现外，主要依赖电生理检测。传统影像学技术如头颅CT、MRI等主要用于排除其他疾病，但不能有效检测出责任病灶[1]。随着影像学的快速发展，扩散张量成像技术(diffusion tensor imaging，DTI)能够定量检测三维空间内水分子的弥散特性。通过检测不同组织内水分子弥散差异分辨不同组织及病变。大脑白质，尤其是皮质脊髓束(corticospinal tract，CST)，是运动神经元病重要病变部位，检测纤维束中水分子弥散特征的改变能够显示纤维束的微观改变。采用基于纤维束示踪的空间统计方法(tract-based spatial statistics，TBSS)对DTI图像进行处理，能够有效消除技术员的选择偏倚，并有助于各个研究之间的比较[2]。本研究采用TBSS技术对DTI数据进行处理，定量评估运动神经元病白质病变，探究其可能的病理机制。

1 资料与方法

1.1 临床资料

收集2013年7月至2016年6月间于武汉协和医院神经内科就诊，具有构音障碍、肌无力、肌萎缩等临床表现，初步考虑为运动神经元病的患者。这些患者经神经专科医生系统的体格检查，并常规行肌电图及神经传导速度、头颈磁共振等检查。部分患者行肿瘤标志物、甲状腺功能、肌酸激酶、血沉、ENA全套、腰穿、肺部CT、神经重复电刺激、新斯的明试验等检查排除其他疾病。依据修订版El Escorial标准[3]对入选患者进行分级。排除脊髓型颈椎病或腰椎病、既往有脑血管病等中枢神经系统疾病或虽无明确脑血管病病史但常规磁共振扫描皮质脊髓束走行区域内可见较大缺血灶或软化灶、呼吸衰竭及不能配合完成扫描的患者。依据《北京大学左右利手判断标准》对所有受检者进行评估，确定左右利手。本研究经过华中科技大学同济医学院附属协和医院生物医学伦理委员会批准，检测前均取得受试者口头同意。

1.2 扫描方法

由武汉协和医院西门子3T Trio磁共振仪扫描获取，所有受检者扫描前被告知扫描禁忌事项。DTI数据使用8通道磁共振头部正交线圈，层厚为2 mm，层间距1 mm，共44层，TR 6 000 ms，TE 93 ms，翻转角90°。视野是256×256，矩阵大小为128×128，体素大小为2×2×3，b值为1 000 s/m2，共30个方向。重复2次扫描，时长为6.30 min。

1.3 数据处理

1.3.1 数据转换 使用dcm2nii将每个被试dicom数据转换到nii.gz格式(FSL可处理格式)。

1.3.2 数据涡流校正 使用FSL软件，利用FDT工具箱内Eddy correct对DTI数据进行涡流校正。

1.3.3 DTI参数获取 将校正后的数据导入FDT工具箱DTIFit，计算出每个被试的FA、MD、V1-3(特征方向)，λ1-3(特征值)等DTI参数。

1.3.4 TBSS处理 TBSS处理是一种基于白质模板全脑统计分析方式，较传统体素配准模板分析，精确度和可信度大大提高。主要分为以下4个步骤。

第1步：配准，每个被试FA图像配准对齐到MNI152标准脑空间模板(FMRIB58_FA，1 mm×1 mm×1 mm)。

第2步：白质骨架提取，配准后FA图像叠加至一个4D数据，然后图像平均得到均值FA图像，此图像利用FA白质骨架提取技术得到均值FA白质骨架模板。

第3步：阈值分析，使用阈值0.3，将FA白质骨架模板去除灰质影响，然后将前面中4D all_FA图像(包含每个被试对齐后的FA图像)配准到均值FA白质骨架模板上，得到all_FA_skeleton图像。对于MD、λ1-3特征值，由于FA配准以及骨架提取已经完成，可以使用其配准及提取方式，将3个特征值自动配准以及骨架提取得到all_MD、all_λ1-3以及均值骨架模板及all_MD_skeleton、all_λ1-3_skeleton。

第4步：统计分析，主要分析对象为all_X_skeleton图像，使用FSL软件包工具Rondmosie，使用最大聚类空间分布多重比较检验，结果展示以FWE校正结果为准。

1.4 统计学方法

使用SPSS 20.0统计软件进行数据分析，两组均数的比较采用t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

本研究共纳入15例患者，如表1所示。其中男性7例，女性8例。左利手1例，右利手13例，混合利手1例。年龄39～80岁，平均年龄(55.8±13.4)岁。同时招募16位无中枢神经系统疾病的自愿者为对照组，包括男性8例，女性8例。左利手1例，右利手14例，混合利手1例。年龄37～81岁，平均年龄(55.8±12.3)岁。两组之间性别(P=0.859)、年龄(P=0.998)、左右利手(P=1.000)差异无统计学意义。

利用TBSS比较两组DTI参数结果显示，病变主要位于皮质脊髓束，从第一运动皮质延伸至内囊水平。实验组与对照组相比，左侧皮质脊髓束FA值显著下降(P=0.034)，右侧皮质脊髓束FA值有下降趋势，但差异无统计学意义(P=0.050)。左侧皮质脊髓束λ2(P=0.124)、λ3(P=0.064)有升高趋势，但λ1、MD值无改变。提取CST异常区域的FA值、MD值，如表2所示。

取P=0.050，利用TBSS获得实验组与对照组FA值、λ2、λ3存有差异的区域，如图1所示。FA值有差异的区域与λ值有差异的区域基本一致。增大P值可见有差异区域重叠范围增大。

3 讨论

DTI通过检测组织内水分子弥散特性，能够反映组织的微观改变，尤其是对有固定排列的组织如纤维束的检测有独特的优势。常用参数包括部分各项异性(FA)、平均弥散系数(MD)、特征值(λ1、λ2、λ3)等。FA是指扩散张量的各向异性部分与整个扩散张量的比值，是张量的特征值。当水分子扩散在易于扩散的方向上受到限制时，FA值下降[4]。脑白质FA值受髓鞘完整性、纤维束致密及平行性的影响。MD值是λ1、λ2、λ3的平均值。在纤维束中，λ1反映平行于纤维束走行方向的弥散率；λ2、λ3反映垂直纤维束走行的弥散率。

表1 运动神经元病患者的临床特征Table 1 Clinical features of patients with motor neuron disease

*“临床拟诊”即“实验室支持-临床拟诊”；#患者行DTI扫描时仅出现延髓节段症状，在随访中发现右上肢无力;PMA：进行性脊肌萎缩；PLS：原发性侧索硬化

表2 CST异常区域FA值、MD值Table 2 FA and MD value of CST abnormal area

运动神经元病患者的病理学研究显示：中央前回不同程度萎缩，锥体细胞部分或完全消失，残余的锥体细胞深染固缩，胶质细胞增生，淋巴细胞浸润，皮质脊髓束变性，细胞外基质扩张等。可能存在的微观改变包括：细胞结构不稳定，因髓鞘及轴突变性引起细胞膜破坏，离子环境出现改变，血流阻滞、轴索流下降。上述改变均能引起水分子弥散特性的改变[5]。

本研究发现MND患者左侧皮质脊髓束FA值显著降低，且下降区域主要集中在运动皮质至内囊水平，而右侧皮质脊髓束FA值有下降趋势，但差异无统计学意义。FA值降低意味着该区域内限制水分子各向异性扩散的屏障受损或纤维走行一致性下降。在纤维束中，水分子扩散主要受轴膜、髓鞘限制，因此FA值下降可能与轴索变性、脱髓鞘改变有关。皮质脊髓束是运动皮质的下行纤维束，在内囊水平，纤维高度致密，走行一致性高。皮质脊髓束FA值下降，尤其是内囊水平FA值下降，提示MND患者皮质脊髓束受损。这与先前的研究结果一致[6-7]。以往许多研究采用基于感兴趣区(ROI)分析方法并将双侧皮质脊髓束的FA值平均后进行探讨，认为这能消除双侧大脑半球白质纤维的不对称性对结果的影响[6]。但双侧大脑半球白质纤维是否具有不对称性尚无统一定论[8]，并且无大样本研究显示皮质脊髓束存在这种不对称性[8-9]。运动神经元病患者症状多呈不对称性，简单对双侧皮质脊髓束取平均值进行探讨可能会消除这种不对称性对结果的影响，不能正确反映病变。本研究采用TBSS方法对全脑白质纤维束进行比较，发现左侧皮质脊髓束而非右侧皮质脊髓束的FA值有显著差异。结合病史分析，入选患者多为右侧症状严重，与上述差异一致。这在一些纵向研究中可以证实，随着病情加重FA值下降[10]。

图中显示的是实验组与对照组FA值、λ2、λ3有差异的区域。黄色代表皮质脊髓束CST，橙色代表FA值有差异的区域，蓝色代表λ有差异的区域。可见FA值有差异的区域与λ值有差异的区域基本一致。增大P值，重叠范围增大。图1 实验组与对照组FA值、λ2、λ3对照Fig.1 Comparison of FA，λ2，λ3 value between experimental group and control group

除上述改变外，本研究还发现左侧皮质脊髓束λ2、λ3有升高趋势，λ1、MD无改变。λ2、λ3升高而λ1无改变的共同结果是FA值下降。如图1所示，皮质脊髓束FA值异常区域与λ2、λ3异常区域基本一致，但后者范围较前者稍小，增大P值，重叠范围增大。这与Chapman等[11]的研究结果不太一致。他们的研究结果显示RD值(radial diffusivity，垂直弥散率，类似于λ2、λ3)异常区域较FA值异常区域广。分析可能原因是Chapman的研究平行弥散率值(axial diffusivity，AD，类似于λ1)也有升高，而本研究λ1值无改变。但两研究一致的是RD值(或λ2、λ3)较AD值(或λ1)变化明显[11]。MD为λ1、λ2、λ3三者的平均值，因此检测MD值的变化可能不如检测λ1、λ2、λ3值的变化敏感。这和先前的一些研究结论一致[12]。结合DTI数据及相应的组织病理结果显示RD值(或λ2、λ3)升高可能反映脱髓鞘改变，而AD值(或λ1)升高可能与轴索受损有关。FA值、MD值不能分辨这2种病变。这在动物实验中得到证实[13]。先前的研究显示皮质脊髓束FA值下降一致性高，而MD值可无改变或升高。Graham等[14]将自己的研究与Ellis[6]、Toosy[15]等的研究对比后认为，这种差异与入选患者的病程不同有关，并推测疾病初期FA值下降，MD值升高，但随着胶质细胞增生导致细胞致密性增高，MD值可假正常化。因此MD结论不同是入选的患者上运动神经元病变阶段不同。早期FA下降，MD升高；晚期FA下降，MD不升高。但也有研究认为在轴索变性早期阶段，在细胞完整性受损、细胞外间隙增高之前，FA值可降低，而MD值无改变[16]。本研究入选患者总的平均病程38.3个月；其中ALS平均病程21.4个月，PMA 57个月，PLS 132个月。ALS亚型的平均病程明显短于Graham等的研究(平均病程30.7个月，最小9个月，最大142个月)，也比Toosy的研究(平均23个月，最小7个月，最大84个月)短。结合病理结果及先前的研究，我们推测：发病初期，髓鞘脱失但轴索保留，λ2、λ3升高，λ1无改变，FA值下降，MD值无改变；随着病情进展，轴索变性，λ1升高，FA值仍可下降，MD逐渐升高；随着胶质增生、炎性细胞浸润，FA值改变不明显，MD值也恢复正常。该假说是否成立，还需动物实验及前瞻性研究证实。

本研究存在一定的局限性。该研究是个小样本研究，入选的部分患者尚不能确定为MND，尚需要随访证实。因患者经济条件等原因限制，并非所有患者都详细排除了其他疾病，而且部分患者没有复诊，神经专科医生无法对患者体征进行再评估，单纯电话随访可能产生偏倚。

综上所述，本研究显示DTI能够定量显示运动神经元病患者上运动神经元病变，尤其是皮质脊髓束的损害，并且该病变可能与髓鞘脱失有关。DTI在MND中的应用尚处于初级阶段，但在其病理生理机制、病变检测、病情监测、预后等方面的探究已取得一定进展，随着DTI图像获取、图像处理等技术的革新，同时结合质子波普成像、磁共振功能成像等其他影像学技术，相信DTI能够让我们对MND有更深刻的认识。

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DiffusionTensorImagingofChangesofWhiteMatterinPatientswithMotorNeuronDisease

Duan Liqin1，Liu Yuan2，Peng Hai2△

1DepartmentofNeurology，TheFirstAffiliatedHospitalofZhejiangUniversityofTraditionalChineseMedicine，Hangzhou310006，China2DepartmentofNeurology，UnionHospital，TongjiMedicalCollege，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430022，China

ObjectiveTo quantitatively assess the changes of white matter in 15 patients with motor neuron disease by diffusion tensor imaging(DTI)and to explore the possible pathogenesis.MethodsFifteen patients with a diagnosis of motor neuron disease and sixteen age- and sex-matched controls without disorders affecting the central nervous system

3.0T DTI；whole-brain white matter damage was examined using tract-based spatial statistics(TBSS)，and fractional anisotropy(FA)，mean diffusivity(MD)，λ1，λ2，λ3were extracted from the damage region.The data were analyzed byt-test to disclose the differences of white matter between patients and controls.ResultsAs compared with the control group,FA was significantly decreased (P=0.034) in the left corticospinal tract (CST),while λ2(P=0.124) and λ3(P=0.064) had a trend to increase,but FA (P=0.050) in the right CST had a trend to decrease in the experimental group.However,λ1and MD were not significantly different between the two groups.ConclusionDTI can quantitatively evaluate CST degeneration in patients with motor neuron disease，which may be caused by demyelination.

motor neuron disease； diffusion tensor imaging； corticospinal tract

段莉琴，女，1988年生，住院医师，医学硕士，E-mail：694397745@qq.com

△通讯作者，Correspondina author，E-mail：penghai493@126.com

R445.2

10.3870/j.issn.1672-0741.2017.06.016

(2017-04-24 收稿)