DTI各向异性分数与椭球面积比在儿童特发性全面性癫痫中的比较研究

张玉珍，尹秋凤，郑慧，周敏雄，徐冬溶，刘明，汪登斌

特发性全面性癫痫(idiopathic generalized epilepsy,IGE)患者头颅常规MRI表现通常并无明显异常，但在脑电图(electroencephalogram,EEG)上可以检测到致痫区和某些部位的痫样波[1]。1994年，Basser等[2]首次引入了扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术来分析MRI上水分子的扩散信息。DTI在全脑结构连接异常的识别中具有重要作用，近年来被广泛应用于癫痫继发脑白质异常的研究中[3]。DTI技术可测量多种参数反映组织的各向异性，最常用的参数有表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)、各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、相对各向异性分数(relative anisotropy,RA)和平均扩散率(mean diffusivity,MD)。研究证明FA和MD在描述IGE患者脑白质完整性及异常方面具有较高敏感性[1,3-6]。

尽管FA和MD已被广泛运用于临床研究，但它们对各向异性的量化还是存在一些不足。脑白质中由于髓鞘等组织的阻碍，在垂直方向上水分子扩散的受限程度远大于与纤维走行一致方向上，即其具有较高的各向异性，此时扩散张量可描述为椭球体。扩散张量椭球面积比(ellipsoidal area ratio,EAR)是一种类似于FA的参数，反映了沿各个方向扩散的趋势，加入了扩散椭球的表面积信息作为修正，对噪声的敏感性较低，可以克服FA的一些缺陷，相对反映扩散椭球的实际形状，更容易看到差异显著性，进而定量描述其对应的生物学扩散特征[7-10]。

目前关于EAR的研究报道较少[10-12]。本研究中基于体素分析(voxel-based analysis,VBA)方法，对IGE及年龄、性别相匹配的正常对照组(normal control,NC)的儿童被试进行全脑白质FA及EAR的测量和比较，探讨这两种各向异性指标对IGE脑白质病的诊断价值，并比较图像信噪比。

材料与方法

1.一般资料

本组33例IGE患儿，男16例，女17例，经临床诊断、经头皮EEG或24小时视频EEG检查明确诊断。癫痫发作时临床主要表现为一侧或双侧肢体抽搐为主，伴有其它癫痫发作症状，如口吐白沫、突发失神、呼之不应、睁眼和凝视等。常规EEG诊断一侧或两侧半球尖波、棘波、尖慢波和棘慢波；3例常规EEG诊断为阴性，行24小时视频EEG检查，显示颞叶有痫样波。

在EEG检查后2～14 d行头颅MRI检查。选择行DTI检查的条件：①出现癫痫各种临床表现，无癫痫家族病史。除外脑血管病、肿瘤、外伤等病变所致；②无小儿热痉挛史，无脑炎、脑膜炎史；③无各种原因所致的智能障碍；④无脑缺氧史；⑤无长期低血糖史；⑥无精神病史；⑦发作间期EEG或24小时视频EEG显示单侧或双侧癫痫波；⑧符合以上7条行头颅常规MRI扫描未见明显病灶者。另外，将32例年龄及性别与患者组相匹配的健康儿童纳入对照组。IGE患者的主要临床表现为头痛或头晕。所有被试的运动、听力和视力均正常，常规MRI表现无明显异常。

根据发作间期EEG或24小时视频EEG对痫样放电(interictal epileptiform discharges,IED)的定侧结果，将33例IGE患儿分为3个亚组：痫样波位于双侧大脑半球15例(IGE-A组)，位于左侧大脑半球9例(IGE-B组)、位于右侧大脑半球9例(IGE-C组)。IGE-A、IGE-B和IGE-C三组中分别有4例、2例和4例患儿出现癫痫发作时意识丧失。根据各亚组患儿的平均年龄和性别分布，将对照组的32例儿童分为与其相匹配的3个亚组：NC-A组(18例)、NC-B组(n=18例)和NC-C组(18例)。其中病例-A组和NC-A组的临床数据已在我们发表的文章中使用[13]。

本研究经我院伦理委员会批准，所有被试的监护人签署了书面知情同意书。

2.影像检查方法

使用GE Signa Horizon LX 3.0T磁共振仪和八通道相控阵头部线圈。在IGE组及对照组中各有16例小于3岁无法自然入睡的患儿，给予口服10%水合氯醛溶液(0.5 mL/kg)，待其镇静入睡后进行MRI检查。本研究中主要包括4个成像序列，分别是DWI、全脑快速扰相梯度回波序列(fast spoiled gradient echo,FSPGR)T1WI、液体反转恢复(fluid-attenuated inversion-recovery,FLAIR)T2WI和矢状面FSET2WI 。DWI扫描参数：b值为0和1000 s/mm2，扩散编码向量沿25个非平行方向，TR 14000 ms，TE 76.9 ms，层厚2.5 mm，间距0 mm，视野24.0 cm×16.8 cm，矩阵96×96，激励次数1；横轴面FSPGR序列：TR 713 ms，TE 2.2 ms，TI 450 ms，层厚1.0 mm，间距0.5 mm，矩阵320×256，翻转角15°；横轴面FLAIR序列T2WI：TR 8002 ms，TE 153.9 ms，层厚5.0 mm ，间距1.5 mm，矩阵320×192；矢状面FSE T2WI：TR 2560 ms，TE 116.6 ms，层厚5.0 mm，间距2.0 mm，矩阵384×224；后3个序列视野均为24.0 cm×24.0 cm，激励次数1。

3.数据后处理及分析

使用FSL软件对DWI图像进行预处理[14]。使用FSL中的“涡流校正”工具对DWI图像的涡流畸变进行校正，“BET”工具去除非脑区域，最后利用自行开发的软件计算FA和EAR参数[9]。

4.图像配准

本研究创建了一个特定于儿童的正常头颅模板，通过最小化正常儿童数据到模板的变形量来提高组间配准的质量[15]。所有的图像配准过程基于SPM8软件。主要步骤：首先，根据美国国立卫生研究院对正常大脑发育的研究创建使用基于SPM的工具箱模板TOM[16-17]。然后使用统一分割方法(SPM8中的工具箱)将NC组儿童脑的S0图像配准到组织概率模板中[18]。对已配准的S0图像进行平均及8 mm半高全宽(full width at half maximum,FWHM)高斯核平滑处理，得到特定的S0模板。所有对象的S0图像使用标准化工具SPM8与特定组内对象S0模板进行非线性配准，并将由此产生的变形场应用于其相应的FA、EAR图像。最后对配准参数图进行平滑处理。

5.统计方法

对所有已配准和平滑的FA和EAR图像进行VBA分析。采用两样本t检验比较各IGE亚组与相应的对照亚组之间各定量参数的差异。以P<0.001和超过50个体素簇(pixel，Px)被认为是有显著差异性的区域。

结 果

IGE组和对照组的基本临床资料的比较见表1。患者组与对照组的3对配对亚组之间年龄及性别的差异均无统计学意义(P>0.05)。

表1 IGE组与对照组的3个配对亚组之间临床特征的比较

与对照组中配对亚组比较，IGE组中3个亚组的FA和EAR显示有异常改变的脑区(≥50 Px)分布见表2～4。IGE-A组：15例中痫样波在两侧大脑半球各脑叶均有分布8例，位于双侧额叶、颞叶和额枕叶各2例，双侧枕叶1例。FA伪彩图显示，左侧大脑半球的白质及灰质内均存在FA值减低区域(536 Px)，集中分布于3个区域，尤其是额叶和颞叶内，具体分布部位及体素簇大小见表2。这些差异已经在我们之前发表的论文中列出[13]。EAR伪彩图显示，EAR值异常区域的数量要多于FA图(图1)。EAR值异常区域同时存在于两侧大脑半球，集中分布于5个区域，左侧大脑半球异常区域体素簇之和为316 Px，右侧大脑半球异常区域体素簇之和为322 Px，具体部位及体素簇大小分布见表2。

表2 IGE-A组与NC-A组FA、EAR异常区域的比较

IGE-B组：9例中异常痫样波散在分布于左侧半球2例，左颞叶6例，左额叶和颞中回1例。FA和EAR异常区的分布及体素簇大小见表3。结果显示，FA及EAR异常区域的体素簇均较小，主要位于左侧半球白质，前者为70 Px，后者为89 Px；FA减低区域主要为梭状回和枕叶；EAR异常区域还包括脑回下区和左额叶。部分FA异常区的体素范围小于对应的EAR异常区(图2)。

IGE-C组：9例患儿中痫样波广泛分布于右侧大脑半球2例，位于右颞叶4例、中央回和右颞叶3例。FA和EAR异常区的分布及体素簇大小见表3。

表3 IGE-B组与NC-B组的FA、EAR异常区域的比较

FA图显示左侧大脑半球异常区域较小(50和60Px)。EAR异常区域(169Px)位于左侧大脑半球，以颞叶为主，灰质和白质内均存在。EAR异常区域的体素均比FA大(图3)。

本研究中IGE-A组和IGE-B组的结果(表2、3)显示FA及EAR异常区域与脑电图所显示的区域基本符合，但更具体；而IGE-C组的结果(表4)显示FA和EAR异常区域均位于左侧大脑半球，与脑电图的结果不符。3组的EAR图与FA图的对比信噪比相似，而EAR图像比FA更平滑(图1～3)。

表4 IGE-C组与NC-C组的FA、EAR异常区域的比较

讨 论

在过去二十年中，DTI已经成为一种广泛使用的MR成像技术，可通过测量水分子扩散来观察白质结构的完整性，扩散指标如FA、RA、MD等用来测量不同脑组织区域扩散各向异性的程度，还可提供不同组织中细胞结构特征和细胞内外成分的量化信息[19]。研究已发现IGE患者的痫样放电区域的扩散各向异性指标有异常改变，如FA减低及MD增高[1,4,5,20]。白质纤维髓鞘化的脱失、轴索膜的通透性升高，轴索排列松散等因素可能导致FA的减低；MD增高可能与细胞密度降低或细胞外水肿有关[21-22]。

尽管FA在研究水分子扩散、评估微观结构方面取得了很大成功，但也存在一定的局限性：FA没有充分描述张量椭球面的形态曲率，由张量方向和FA提供的信息不充分[7]；此外，FA对噪声很敏感[9-12]，会给扩散各向异性的量化带来偏差[23-24]。EAR是一种与FA相似的扩散各向异性指标，蒙特卡罗模拟和实验表明，与FA图相比，EAR图具有更高的对比噪声比，EAR与扩散椭球体曲率和各向异性结构的关系比FA更直接。在外伤性脑损伤的研究中，无论是在显示深部白质还是皮层白质结构的异常方面，EAR都比FA更敏感[9,11,12,25]。

本研究结果显示在3个IGE组中EAR和FA的异常分布范围基本相同，但EAR显示的异常区域比FA更多、对变化更为敏感，在检测白质异常方面略优于FA(表2～4)，尤其是在IGE-A组和IGE-C组中。在A组的结果中，FA显示的异常均位于左侧半球，而EAR异常区域两侧大脑半球均存在，可能与大脑神经元之间异常突触联系形成的病理性神经环路，痫样放电从致痫区扩散至远端皮层及对侧半球引起继发性白质异常等癫痫复杂的发病机制有关。在C组中，脑电图结果显示癫痫样波位于右侧半球不同区域，而FA及EAR均显示异常区域位于左侧半球，且FA异常区域的体素簇非常小(表4)，可能也与上述原因有关，也可能与癫痫病程长短、本组病例数量较少等多种因素相关，有待今后增加病例数及长期随访来进一步深入研究。

在同一区域，A组中FA异常体素簇的范围大于EAR，B组和C组的结果则相反，FA异常体素簇范围小于EAR。在A、B组中，EAR图上显示的异常脑区则比FA图更多。在部分已发表的研究结果中，在整个大脑中EAR异常区域的体素平均值高于FA[9,11]，可能与各研究样本的异质性差异有关。EAR采用了一种不同于FA的非线性分析方法，在检测白质各向异性和纤维束交叉方面较FA更敏感[9-12]。

本研究结果对IGE的诊断有一定的证实和帮助，EAR可作为FA等的补充研究方法，两者的比较有待在各种脑部病变中进一步研究，以确定和解释其原因。文献中关于IGE的研究结果显示扩散异常区域包括胼胝体、穹窿、钩状束、内囊前肢、上下纵束和放射冠等区域，表现为FA减低、MD增加[4,5,26]，与我们的研究结果相似。通过逐层对比图像，我们发现EAR图像噪声敏感度低于FA，虽然EAR信噪比相对较大，但其组织对比噪声比与FA相似(图1～3)，且显示的脑组织比FA图更平滑。

本研究也有一些不足之处：首先，IGE患儿的数量相对较少，尤其是B组和及C组样本量均为9例，需增加样本量及进行前瞻性设计和开展长期随访研究，以确认结果的准确性。其次，由于VBA中方法的异构性，很难实现所有对象之间每个体素匹配，也不能完全排除不同的预处理方法、高斯平滑核大小和统计阈值方法对结果的影响。与FA相比，ERA已经有一些改进，但与其它DTI参数一样，由于椭球面无法与多纤维走向吻合，因而无法解决多神经纤维交叉问题。随着扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)基于DTI技术上的延伸，这个问题将会逐渐改善。

本研究通过VBA方法发现了IGE患儿脑白质中FA和EAR显著降低，而EAR结果显示更多的异常区域，对反映脑实质异常改变的敏感性高于FA，EAR可用于扩散各向异性的定量测量，是检测人脑组织结构的另一种可选择的各向异性指标。