基于纤维束空间统计学分析视神经脊髓炎谱系疾病脑白质微结构改变

罗 琦，李咏梅，韩永良，廖 旦，曾 春，王静杰，杜思霖，张小辉>

(重庆医科大学附属第一医院放射科，重庆 400016)

视神经脊髓炎谱系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorders, NMOSD)是一组主要由体液免疫参与、抗原-抗体介导的中枢神经系统炎性脱髓鞘谱系疾病，伴或不伴水通道蛋白4(aquaporin-4, AQP4)阳性，女性高发，男女患病比约1∶(9～11)，为青壮年高复发、高致残性疾病[1]。多数NMOSD患者以视神经炎和脊髓炎为主要特征，但也包括一些非视神经和脊髓病变。常规脑MRI显示NMOSD典型病灶大部分位于室管膜周围AQP4高表达区，但NMOSD仍存在较多非典型白质病灶，且病灶定位与AQP4分布关系亦不明确。本研究在DTI基础上采用基于纤维束骨架的空间统计方法(tract-based spatial statistics, TBSS)分析NMOSD脑白质纤维束的改变。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2014年9月—2016年11月于我院就诊的NMOSD患者20例(NMOSD组)，其中男1例，女19例，年龄23～62岁，平均(39.8±13.2)岁；病程1～26年，中位病程5.5年；平均受教育年限(12.47±3.56)年；MR扫描前，由2名神经科医师根据临床扩展残疾状态量表(expanded disability status scale, EDSS)进行协商评分，得分0～5分，中位数1.5分。纳入标准：①临床表现、实验室检查和影像学特点符合2015年NMOSD诊断标准国际共识[2]；②常规MR检查无脑梗死、肿瘤及脑萎缩；③既往无脑血管病、脑肿瘤等神经系统疾病史；④右利手。同期收集健康志愿者20名为正常对照组，男3名，女17名，年龄21～67岁，平均(38.2±13.8)岁，平均受教育年限(12.95±3.63)年；纳入标准：右利手，既往均无神经精神、神经系统疾病史，无神经系统症状；体检无明确神经系统阳性体征；常规MR检查无异常。本研究经我院医学伦理委员会批准，受试者或其家属均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Signa HDxt 3.0T MR系统，8通道头线圈。采用常规轴位T1W(TR 250 ms，TE 2.86 ms)、T2W(TR 3 600 ms，TE 120 ms)、液体衰减反转恢复(TR 8 000 ms，TE 120 ms)序列，层厚5.0 mm，层数20层；轴位DTI采用单次激发自旋回波-回波平面成像序列，TR 15 000 ms，TE 86.8 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩阵128×128，层厚2.4 mm，层间距0，53层，b值分别为0和1 000 s/mm2，30个不同扩散方向。

数据分析：①格式转换，将所有被试原始DICOM数据导入MRIcron软件(http://www.nitrc.org/projects/mricron)，转化为NIfTI格式；②预处理，采用Funtional MRI Software Library(FSL, Version 5.0.8; http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)对转换后的DTI图像行头动涡流校正、去除多余头皮及骨组织并提取扩散指标，生成FA图、平均弥散(mean diffusion, MD)图、轴向扩散(axial diffusion, AD)图及径向扩散(radial diffusion, RD)图；③配准，通过FSL中非线性配准将被试FA图像配准到FSL自带的标准模板FMRIB58_FA_1mm；④生成平均FA图及骨架图，利用配准后FA图计算平均FA图并生成平均FA骨架图；⑤生成个体FA骨架，设定FA阈值为0.2，生成平均FA骨架mask，将配准后FA图投射到平均FA骨架图，生成个体FA骨架；⑥生成非FA扩散指标骨架，将MD等其他扩散指标写入标准MNI空间。

1.3 统计学分析 采用SPSS 22.0统计分析软件，对2组年龄、受教育年限进行独立样本t检验，性别分布行χ2检验。在FSL软件中设计统计矩阵后，对组间DTI参数采用置换检验行非参数统计分析，置换次数5 000，并在无阈值簇增强(threshold-free cluster enhancement, TFCE)水平行FWE多重比较校正。将TBSS差异结果图与约翰·霍普金斯大学制作的标准白质纤维束图谱模板进行对应，定位异常的白质纤维束；对存在差异的纤维束FA值与EDSS评分进行Spearman相关性分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2组受检者年龄(t=-0.527，P=0.600)、性别(χ2=-0.278，P=0.598)及教育年限(t=0.568，P=0.574)差异均无统计学意义。NMOSD组中，13例APQ4阳性，12例常规MRI显示存在非特异性脑白质病灶，散在分布于脑室旁、半卵圆中心、皮层下，形态大多呈小圆形，直径<5 mm。

与正常对照组比较，NMOSD组大脑及小脑白质区，如胼胝体、穹隆、皮质脊髓束、双侧内囊前后肢、双侧外囊、放射冠、内侧丘系、丘脑后辐射(视辐射)、小脑脚、双侧上纵束、钩束、扣带、下纵束、下额枕束等FA值减低(P<0.05，FWE校正)，见图1。

与正常对照组比较，NMOSD组仅穹隆和左侧内囊豆状核后部MD值升高(P<0.05，FWE校正；图2)，右侧上纵束、双侧扣带束、右侧下纵束、下额枕束、胼胝体、穹隆、外囊、放射冠、右侧丘脑后辐射AD值减低(P<0.05，FWE校正；图3)；双侧上纵束、左侧钩束、扣带束、双侧下纵束、下额枕束、胼胝体、穹隆、皮质脊髓束、内囊前后肢、放射冠、内侧丘系、丘脑后辐射RD值增高(P<0.05，FWE校正；图4)；未见MD值减低、AD值增高或RD值减低区域。

NMOSD患者左侧钩束、右侧外囊、左侧小脑下脚及双侧内囊前肢、内侧丘系FA值与EDSS评分呈不同程度负相关，见表1。

3 讨论

DTI是一种可无创显示活体组织水分子扩散特性的成像技术，可用于评价脑白质纤维完整性。TBSS克服了人工勾划ROI的主观性强、可重复性差以及基于体素分析方法校准和平滑不足的局限性，对脑白质定位更准确[3]。常规脑MR检查显示无明显病灶的阿尔茨海默病[4]、终末期肾病[5]等，采用TBSS均可检出不同程度脑白质微结构异常。

表1 NMOSD主要纤维束与EDSS的相关性

视神经脊髓炎(neuromyelitis optica, NMO)是不同于多发性硬化的中枢神经系统炎性脱髓鞘疾病。2015年NMOSD诊断标准国际共识将NMO纳入NMOSD。脑MRI显示约30%～60%的NMOSD患者存在脑白质广泛病变[6]，不仅位于脑干、最后区、间脑以及脑室旁等，也存在于AQP4正常表达的广泛脑白质区，这些病灶小、不连续且位置非特异[7]，与本研究脑白质病变特点基本一致。尽管多数NMOSD病灶可能解释为该区域血脑屏障薄弱，通过高表达AQP4并特异性结合相关抗体导致病变，但NMOSD非特异性白质病变的病因、机制以及存在何种程度脑结构损害尚未明确。

本研究结果显示除MD值外，NMOSD患者全脑存在广泛不均匀FA值、AD值降低以及RD值升高，与von Glehn等[8]研究结果一致，提示NMOSD患者存在广泛脑白质微结构损害。Jeong等[9]采用髓鞘水成像序列显示，NMOSD患者全脑看似正常白质髓鞘水分数较对照组显著减低，表明全脑白质区存在广泛的髓鞘脱失。尽管运动感觉系统通路(如脊髓—小脑传入传出纤维、大脑脚、皮质脊髓束等)及视放射通路(如丘脑后辐射等)相关扩散参数改变可提示存在继发于脊髓或视神经病灶的顺行或逆行性变性[10]，但仍不能除外NMOSD本身病理改变损伤髓鞘导致的参数改变。本研究NMOSD患者MD值显著增加的区域仅局限于穹隆及左侧内囊豆状核后部。穹隆是海马的主要传出纤维，内囊豆状核后部是内囊视放射部分通路，提示NMOSD患者除视放射损伤显著外，亦存在穹隆损伤。既往研究[11]发现NMO患者海马萎缩与白质完整性相关，且可预测患者认知表现，提示本研究部分患者可能存在海马萎缩和NMOSD相关的认知功能损害。

图1 NMOSD组与正常对照组FA值存在差异脑区图 与正常对照组比较，NMOSD组额顶叶放射冠、胼胝体体部等FA值减低(A),穹隆、胼胝体、其他额顶叶纤维束FA值减低(B),前放射冠、内外囊、丘脑后辐射等FA值减低(C),小脑半球、小脑脚、内侧丘系及颞叶纤维束FA值减低(D) (底图为标准脑T1图，绿色为全脑纤维骨架图，红色为差异区)

图2 NMOSD组与正常对照组MD值差异脑区图 与正常对照组比较，NMOSD组穹隆MD值增加(A),左侧内囊豆核后部局部MD值增加(B) (绿色为全脑纤维骨架图，红色为差异区)

AD值代表与轴突方向平行的水分子扩散度，AD值减低提示急性轴突丢失或损伤[12]；RD值代表与轴突方向垂直的水分子扩散度，RD值增加提示髓鞘脱失以及髓鞘完整性破坏[13]。本研究发现NMOSD患者FA值增加与RD值增加范围基本重合，与AD值变化范围差异较大，提示FA值减低可能为髓鞘损伤而不是沃勒变性，与Rueda等[14]研究结果相符。此外，本研究显示NMOSD患者右侧上纵束、双侧扣带、右侧下纵束、下额枕束、胼胝体、穹隆、外囊、放射冠等AD值减低，并未发现AD值增加区域，与Liu等[15]研究不符，后者发现NMOSD患者AD值增加，并推测可能存在继发于纤维重组、细胞膜渗透性增加、细胞内成分破坏等细微组织改变导致的水分子非既定扩散方向扩散加快。而Pache等[16]研究显示NMOSD与正常对照组AD值无显著差异，可能因NMOSD纤维束轴突损伤处于不同时期、状态，相应病理改变存在差异，提示AD值可能对预测NMOSD患者纤维轴突损伤状态有重要提示意义。

图3 NMOSD组与正常对照组AD值差异脑区图 与正常对照组比较NMOSD组右侧额顶叶放射冠、胼胝体体部AD值减低(A),右侧胼胝体压部及额顶叶纤维束局部AD值减低(B),右侧前放射冠、外囊、丘脑后辐射等AD值减低(C),右侧颞叶部分纤维束AD值减低(D)

图4 NMOSD组与正常对照组RD值差异脑区图 A.额顶叶放射冠、胼胝体体部散在RD值增加； B.穹隆、胼胝体、额顶叶纤维束RD值增加； C.前放射冠、内外囊、丘脑后辐射等RD值增加； D.左侧小脑半球、双侧小脑脚、内侧丘系以及左侧颞叶纤维束RD值增加

EDSS评分是临床最普遍的残疾程度测评量表，残疾程度越严重，评分越高。本研究结果显示，大部分纤维束FA值与EDSS评分存在负相关，以运动感觉系统纤维束为主，证实纤维骨架FA值改变与患者临床残疾症状有关。本研究左右侧运动纤维与EDSS评分相关性存在差异，提示NMOSD病理损伤可能存在偏侧倾向。EDSS评分与扣带束、穹隆、胼胝体等无显著相关性，提示NMOSD脑白质可能存在更为复杂的病理改变，也可能因本研究患者EDSS评分较低，未显示出与这些纤维束的相关性，还需进一步增大样本量并加入其他临床相关量表进行分析；此外，还不能除外当前病理与影像学尚未发现的隐匿性改变。

总之，本研究采用TBSS方法对DTI数据进行分析，发现NMOSD患者除运动感觉系统及视觉系统损伤外，还存在其他广泛白质微结构损伤。但本组样本量小，未涉及具体亚型分类，且未与更多临床信息相关联，还需进一步扩大样本量，收集更多神经心理学测试等信息，联合功能MRI进行纵向研究。

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