基于弥散张量纤维束成像探讨皮质脊髓束损伤对脑卒中运动功能障碍的评估价值①

高鑫洁，唐朝正，徐国军，余秋蓉，杨浩，贾杰，孙莉敏，尹大志，范明霞

1.华东师范大学上海市磁共振重点实验室，上海市200062；2.复旦大学附属华山医院康复医学科，上海市200040；3.北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，北京市100875；4.中国科学院上海生命科学研究院灵长类神经生物学重点实验室，上海市200031。

脑卒中后约75%患者遗留有不同程度运动功能障碍，对患者的生活质量造成巨大影响[1]。皮质脊髓束(corticospinal tract,CST)作为锥体束中最大的下行运动通路，其完整性损伤将造成脑卒中患者的运动功能障碍。基于弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)可实现活体脑皮质脊髓束的三维重建，为观测该神经纤维束形态结构的完整性提供了一种有效途径。

目前探究CST完整性的方法主要包括感兴趣区(region of interest,ROI)分析[2-5]、患者个体水平的CST分析[6-9]和健康对照组CST模板分析[10-12]。然而，ROI法采用人工描绘，存在主观性且不能准确显示CST的损伤[4,13]。患者个体水平CST分析方法，以计算CST的相关参量(如各向异性分数、轴向弥散系数和径向弥散系数)来评估CST完整性[6-7]。然而，脑卒中病灶的存在可能导致DTI神经纤维束追踪中断，且相关参量大小也易被其他因素影响(如周围水肿，白质纤维束构象特征等[14])。故上述ROI分析法和患者个体水平CST分析法在揭示CST完整性损伤程度的准确性上存在较大的局限性，且均无法回答病灶位置对CST完整性的直接影响。而健康对照组CST模板分析法，其基本思路是以健康被试的CST为模板，将脑卒中病灶与模板重叠，通过体素加权计算“CST损伤值”，用以评估脑卒中患者CST完整性损伤程度[10-12]。本研究拟运用弥散张量纤维束成像技术(diffusion tensor tracking,DTT)追踪CST，以健康对照组CST模板计算“CST损伤值”，并对其与患者肢体的运动功能评分进行相关性分析，旨在进一步阐释脑卒中病灶对邻近CST完整性的损伤程度与患者运动功能障碍之间的内在联系。

1 材料与方法

1.1 临床资料

选择2012年3月至2013年6月在上海市华山医院门诊及住院治疗的脑卒中后运动功能障碍患者15例。诊断符合1995年全国第四届脑血管病学术会议通过的各类脑血管病诊断标准，并经头颅CT或MRI检查证实。

纳入标准：①年龄40～80岁；②首次发病且病灶均位于左侧皮质下，以累及基底节区为主；③发病后至少12个月；④只有运动功能障碍；⑤所有患者在进行磁共振扫描之前均进行简易精神状态检查(Mini-Mental State Examination,MMSE)评测，且所有患者MMSE评分≥27。

排除标准：①意识不清，MMSE提示痴呆，并发感觉性失语或精神障碍等，不能配合检查；②并发心、肝、肾和造血系统等严重疾病；③体内有金属植入；④既往有认知障碍、神经精神病史、药物滥用史；⑤重要脏器功能衰竭或病情危重，并发癌症等严重影响生活质量的疾病和状态。

根据患者年龄、性别匹配招募15例健康受试者。

纳入标准：①年龄40~80岁；②所有健康受试者头颅常规MRI扫描未见明显异常病灶；③既往均无精神疾病、无药物或酒精滥用史及脑部肿瘤或梗死等病史。

排除标准同脑卒中组。

最终纳入健康对照组15例，脑卒中组15例。两组年龄和性别无显著性差异(P>0.05)。见表1。所有受试者均为右利手。脑卒中组中缺血性脑卒中6例，出血性脑卒中9例，病灶均位于左侧皮质下，以累及基底节区为主。脑卒中组MMSE评分(28.5±1.3)分，均大于27分。详见表2。

本实验研究经过复旦大学附属华山医院和华东师范大学伦理委员会批准，所有被试均在签署知情同意书后进行磁共振扫描。

表1 两组一般资料比较

1.2 磁共振成像数据采集

扫描采用德国西门子3.0 T超导磁共振成像系统，线圈为标准12通道相控阵头部线圈。扫描时告知被试放松、闭上眼睛，保持头不要动。本研究所需的实验数据扫描顺序依次为：初始定位像、用于分割配准的高分辨T1加权结构像、确认病灶位置的常规T2加权像、弥散张量成像。其扫描参数分别如下。

①高分辨T1加权结构像：磁化准备快速梯度回波序列(magnetization prepared rapid gradient echo,MPRAGE)，矢状位192层，层厚1 mm，层间距0.5 mm，重复时间(repetition time,TR)1900 ms，回波时间(echo time,TE)3.42 ms，反转时间(time of inversion,TI)900 ms，视野(field of view,FOV)240 mm×240 mm，倾倒角(filp angle)9°，采集矩阵(matrix)256×256 mm。

②T2加权像：快速自旋回波序列，横断位30层，层厚5 mm，无层间距，TR 6000 ms，TE 93 ms，FOV 220 mm×220 mm，倾倒角90°，采集矩阵320×320 mm。

③弥散张量成像：单激发平面回波序列，横断位40层，层厚3 mm，无层间距，TR 6100 ms，TE 110 ms，FOV 256 mm×256 mm，累加次数为2，采用30个非共线的弥散梯度方向(b=1000 s/mm2)和1个无弥散梯度(b=0 s/mm2)图像，并且使用并行采集技术(加速因子为2)。

表2 脑卒中组的临床资料

1.3 数据处理

1.3.1 感兴趣区

依照参考文献[10]，确定CST的感兴趣区为中央前回，内囊后肢(posterior limb of internal capsule,PLIC)和脑桥。中央前回通过自动解剖标记(anatomical automatic labeling,AAL)模板提取，需把标准MNI空间中的中央前回转换到个体空间。从标准MNI空间转化到个体空间的步骤：①将被试的DTI像通过线性配准到其T1像，得到转换矩阵N；②将个体的T1像线性和非线性配准到标准MNI空间，得到转换关系M；③利用转换关系M，将配准后在结构空间的DTI像变换到标准MNI空间。利用转换矩阵N的逆变换N-1和转换关系M的逆变换M-1将标准MNI空间的ROI转换到个体空间，得到被试个体空间上的ROI。内囊后肢和脑桥由一名经验丰富的放射科医生运用MRIcro软件在每个被试的各项异性分数图上确定。

1.3.2 病灶图

采用MRIcro在标准化后的高分辨T1加权像上确定病灶。每个患者的病灶由一名经验丰富的放射科医生确定，逐层手动描绘高分辨T1加权像信号异常部位轮廓，得到每个患者在MNI空间的病灶mask。

1.3.3 数据分析

本研究使用FSL(htt://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)工具包进行数据分析。DTI数据处理流程包括去除非脑组织、头动及涡流矫正、白质弥散参数的获取，使用蒙特卡洛抽样重建每个体素在各方向的弥散参数分布以及选取种子点做概率性示踪图谱[15]。

1.3.4 健康被试CST模板

利用DTT追踪健康被试组的CST，首先将种子点确定为中央前回，同侧内囊后肢为途径点，同侧脑桥为目标脑区，追踪结果为CST1；然后将脑桥作为种子区，同侧内囊后肢为途径点，同侧中央前回为目标脑区，追踪结果为CST2；CST1和CST2的重叠部分作为该健康被试的CST，重叠的目的是为了确保得到通过三个ROI的CST[16]。将每个健康被试的CST变换到标准空间并重叠，阈值设置为8(15个健康被试)得到组水平的CST[10-12]，这就是健康被试CST模板(图1A)。

1.3.5 脑卒中患者CST损伤值测定

每例脑卒中患者病灶与健康被试CST模板的重叠体素与健康被试CST模板体素的比值，作为CST损伤值[12]。

其中，“0.00%”表示病灶与CST模板无重叠，CST损伤值越大表明病灶与CST模板重叠部分越大，即患者CST受病灶影响越大，意味着CST的完整性损伤越严重。本研究15例脑卒中患者CST损伤值见表2。

1.3.6 统计学分析

采用SPSS 17.0统计软件进行分析。计量资料采用(xˉ±s)表示，组间比较采用t检验，计数资料采用χ2检验；对脑卒中组CST的损伤值、病灶体积大小与临床手、腕、腕+手、上肢、下肢和上肢+下肢FMA评分做Spearman相关性分析。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 皮质脊髓束受累程度结果

基于DTT追踪出15个健康被试的左侧和右侧CST模板(图1A)。脑卒中组CST损伤值范围为0.00%~29.6%，其中损伤值为0.00%和29.6%的两例患者，其病灶与CST受累的关系见图1(B)和(C)。

2.2 皮质脊髓束受累程度与运动障碍的关系

脑卒中组CST损伤值与腕FMA评分(r=-0.660,P=0.007)、手FMA评分(r=-0.813,P<0.001)及腕+手FMA评分(r=-0.795,P<0.001)均呈强负相关；与上肢FMA评分(r=-0.614,P=0.015)和上肢+下肢FMA评分(r=-0.563,P=0.029)呈较强负相关；与下肢FMA评分无明显相关性(r=-0.270,P=0.331)。

此外，脑卒中病灶体积大小与各运动功能评分(腕、手、“腕+手”、上肢、“上肢+下肢”及下肢)均无明显相关性(r=-0.365,P=0.181;r=-0.493,P=0.062;r=-0.449,P=0.094;r=-0.383,P=0.159;r=-0.338,P=0.218;r=-0.341,P=0.214)。

图1 健康对照组CST模板及病灶与CST模板重叠病例

3 讨论

本研究采用DTT追踪出一组健康被试的CST作为参照模板，并在此基础上计算单侧皮质下脑卒中患者病灶对CST损伤值，评估CST的完整性。结果发现，脑卒中病灶对邻近CST损伤程度与上肢运动功能评分(尤其是手腕部)呈明显负相关，与下肢运动功能评分无显著相关性。此外，病灶体积大小与上下肢各项运动功能评分亦无显著相关性。

基底节区病灶会对CST结构完整性造成直接损伤。为了立体直观地明确病灶与CST的关系，Konishi等[17]对13例豆纹动脉供血区急性脑梗死患者进行研究，并率先制定评估CST受累程度的量化标准，结果发现CST受累状况与运动功能损伤程度密切相关。简而言之，CST没有明显受累表现的患者(CST与梗死灶的空间关系表现为CST紧挨着病灶边缘穿行)，其运动功能损伤较轻；CST有明显受累表现的患者(CST全部穿过梗死灶，病灶将该神经束包绕)，其运动功能损伤严重。虽然该研究通过肉眼观察患者CST与病灶重叠图像，能定性评估CST与病灶的空间关系[18]，却不能定量计算出CST完整性受病灶的累及程度大小。Zhu等[10]率先以健康被试的CST为模板，通过脑卒中病灶与模板重叠体素加权计算“CST损伤值”，用以评估脑卒中患者CST完整性损伤。

创立该模板的好处主要有两个方面：一是由于病灶的存在，在病灶处和病灶周围追踪时会中断，如以健康被试的CST模板为基础来研究患者CST的完整性损伤，就可以排除CST中断带来的负面影响；二是进一步通过病灶与CST模板重叠体素与CST模板体素之比来评估CST的完整性损伤，可以更直观、定量评估CST受病灶累及程度。目前这种基于健康被试CST模板研究CST完整性的方法已经在国外不少研究中得到应用[10,12,19-20]，结果表明采用“CST损伤值”评估CST完整性可以较好地预测患者的运动功能损害水平。

本研究采用健康被试CST模板研究发现，脑卒中患者CST完整性损伤与上肢，尤其是手和腕的运动功能障碍密切相关，这说明CST完整性损伤明显影响脑卒中患者手腕精细动作的完成。Carter等[12]采用基于正常人的CST模板评估脑卒中患者CST完整性损伤，结果也表明，其与上肢，尤其是腕部运动功能有极强的相关性，这可能意味着CST完整性损伤可以预测脑卒中患者上肢运动功能障碍。同时该研究也显示，CST的完整性损伤与下肢运动功能障碍有微弱的相关性，这与本研究结果有些差异。可能与研究对象病程不同有关：其研究对象为处在急性和亚急性早期(发病4周内)的脑卒中患者，而在磁共振成像T1WI序列上确定梗死病灶时，由于病灶周围水肿的存在会夸大了病灶范围，进而有可能影响对CST完整性损伤评估的准确可靠性。

本研究选择的脑卒中患者发病在12个月以上，从而避免了选择早期患者时由于其病灶周围并发水肿，造成的可能夸大病灶对CST完整性损伤的影响。因此，从一定程度上讲，本研究入组的慢性期患者的研究结果应该更客观真实地反映病灶本身对CST完整性的损伤。Ahn等[21]研究一组慢性期脑卒中患者CST的完整性，并与下肢的运动功能进行相关性研究，也发现下肢的运动功能与CST的完整性无关，这与本研究结果一致。已有哺乳类动物实验[22-23]表明，下肢的运动功能与健侧交叉过来的运动通路密切相关。这可能提示本研究探测患侧CST的完整性损伤与运动功能障碍的关系时，忽略了健侧CST在运动功能障碍中所起的作用。灵长类动物的下肢运动需要有脊髓外侧部分的参与，其有利于双下肢自发运动的恢复[24]。而本研究涉及的是脑卒中患者颅内CST，未涉及脊髓外侧部分。此外，一些潜在的下行运动神经通路，比如网状脊髓束和前庭脊髓束等也参与下肢运动[25-26]。由此可见，仅仅依据CST的完整性损伤来评估下肢运动功能障碍是不够的。

本研究还发现，病灶体积大小对脑卒中患者的运动功能障碍严重程度影响不大。如第15例患者的病灶体积(971 mm3)远远大于第6例患者的病灶体积(481 mm3)，但前者的病灶未累及邻近CST(CST损伤值0.00%)，而后者的病灶累及邻近CST明显(CST损伤值29.6%)。因此，后者各项运动功能评分明显低于前者。Zhu等[10]对一组脑卒中病程6个月以上患者的研究也发现，病灶体积大小与患者运动功能评分无明显相关性，这或许说明测定CST完整性损伤更有助于临床评估脑卒中患者运动功能障碍的严重程度。

综上所述，本研究结果表明，通过DTT定量评估CST完整性损伤或许可作为评估脑卒中患者上肢，尤其是手腕部运动功能障碍的一个潜在重要参考指标。下一步研究有必要选择更大样本的脑卒中患者进行纵向动态研究，进一步探索CST的完整性损伤与临床运动功能预后的关系，这将有利于临床依据患者白质结构完整性的保留程度制定更加有效的运动康复方案。