DTI联合SWI成像在脑震荡患者预后评估中的应用价值

王云 黄明珠 徐欢芳 姚华 武刚, 徐俊 虞晓明 许传会 孙剑波 刘祥璐

脑震荡指头部受到闭合性损伤后发生的短暂的意识改变或丧失，是急诊科最常见的神经系统疾病之一。大多数脑震荡患者症状在3个月内恢复，但是约20%～40%的患者可存在持续症状，表现为持续的躯体（如头痛、疲倦）、认知（如记忆、注意、计划）和精神（如焦虑、失眠、抑郁等）上的功能障碍，这一系列症状称为脑震荡后综合征（post-concussion syndrome，PCS）［1］，严重影响患者的工作和生活。然而由于这些症状缺乏特异性，且临床上没有可靠的评价指标，给诊断、治疗、预后判断尤其是司法鉴定带来较大困惑。近年来，随着MRI技术的不断发展，一些先进的MRI技术对脑震荡相关研究提供了新的方向和手段，本研究旨在联合应用磁敏感加权成像（susceptibility-weighted imaging，SWI）及磁共振弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）技术探讨脑震荡患者大脑微结构的变化，及其对脑震荡预后的潜在影响，以识别、确立PCS影像学证据和生物标志物。

方 法

1. 临床资料

病例组：收集2020年1月至2021年6月因外伤至上海市青浦区朱家角人民医院和上海市复旦大学附属中山医院青浦分院急诊外科就诊的脑震荡患者60例。纳入标准：①1周内有明确脑外伤史，伤后出现短暂意识障碍（0～30 min）和逆行性遗忘；②格拉斯哥昏迷指数（Glasgow coma scale， GCS）评分为13～15分；③年龄19～40岁；④神经系统检查无明显阳性体征；⑤头颅CT平扫和常规MRI检查阴性。排除标准：①既往有精神病史；②既往有脑震荡或更重脑创伤病史；③有心肺功能疾病不能耐受MRI检查；④脑出血、脑梗死、肿瘤或血管性病变等严重神经系统疾病；⑤合并需要积极救治的其他部位损伤；⑥有MRI检查禁忌。

健康对照组：年龄和性别与病例组相匹配的健康志愿者20名，遵循相同的排除标准，既往无脑外伤史，无严重神经系统疾病，无MRI检查禁忌证，影像检查未见明显异常。

所有脑震荡患者受伤当日进行头颅平扫CT，然后于7 d内（基线）进行MRI扫描，健康对照组在基线水平也进行了MRI扫描。另外，由2名经验丰富的神经外科专家采用Rivermead脑震荡后症状问卷（rivermead post concussion symptoms questionnaire，RPSQ）［2］来评估6个月后（随访）脑震荡患者PCS的严重程度，并且根据RPSQ评分将脑震荡患者分为PCS（+）组（n=23）和PCS（-）组（n=37）。该问卷是基于患者感知到症状的严重程度，与受伤前相比的变化，包括头痛、头晕、恶心呕吐等16个症状，采用0～4共5个等级，大于14分提示存在PCS，总分越高，提示存在的PCS症状越严重。本研究经过医院伦理委员会批准，所有操作均符合医院伦理委员会要求，所有受试者均签署知情同意书。

2. MRI图像采集

所有受试者MRI检查均在配备8通道相控阵头线圈的同一台3.0 T联影uMR770磁共振设备上进行。DTI扫描参数：扩散敏感单次激发回波成像序列（single-shot echo-planar imaging sequence），TR=9 392 ms，TE=82 ms，视野=230 mm×230 mm，矩阵=128×128，b值=0、1 000 s/mm2，扩散敏感梯度方向为24，层厚=2 mm，层间距=0 mm，扫描时间约498 s。使用以下参数运行三维梯度回波SWI序列：TR/TE=30 ms/20 ms，层厚=1.5 mm，视野=190 mm×190 mm，翻转角=15°，矩阵128×128，层厚=2 mm，扫描时间约220 s。以常规T1WI、T2WI、T2-FLAIR及DWI序列观测受试者颅内情况，具体序列参数略。所有受试者仰卧于检查床，专用软垫被用来固定线圈内的头部，以减少运动伪影。

3. 图像分析

DTI图像后处理：将所有检受试者的原始数据从工作站导出，采用“dcm2niigui”工具包将导出的DICOM格式的数据转换为.nii格式，使用FSL软件（FSL：http：//www.fmrib.ox.ac.uk/fsl）进行预处理，主要步骤包括，使用FDT（FSL内置工具包）的涡流校正命令对DTI图像进行头动和涡流校正；通过fslroi和bet提取b0图像并进行剥离颅骨；利用DTIfit计算扩散张量模型，得到DTI图像的相关参数，如各向异性分数（fractional anisotropy，FA）等指标。然后对进行预处理之后的数据进行基于纤维束示踪的空间统计（tract-based spatial statistics，TBSS）分析：首先通过FNIRT工具，使用线性和非线性算法将所有被试的FA图像配准到MNI标准空间；将配准后的所有受试者FA图制作平均FA模板，计算并提取白质纤维骨架；将所有受试的FA图投射到白质纤维骨架上，生成每个被试的FA骨架，进行后续的统计学分析。

SWI图像由两名有7年以上MRI诊断经验的高年资医师进行评估，记录微出血灶的部位、数量及大小，应结合CT排除颅内积气、钙化灶及静脉等因素，同时排除T2WI显示边缘水肿高信号的病灶。

4. 统计学分析

使用SPSS 23.0软件进行统计分析，以Shapiro-Wilk test对数据正态性进行检验。组间比较采用两样本t检验，基于非参数的随机置换检验（randomized permutation test）对FA值进行组间比较，使用无阈值簇增强（threshold-free cluster enhancement， TFCE）进行多重比较校正。使用Pearson相关分析评估组间差异性白质微结构、脑内微出血灶与PCS的相关性。以双尾P＜0.05表示差异具有统计学意义。

结 果

1. 一般资料比较

脑震荡组与健康对照组在年龄、性别、教育程度、体重指数（BMI）方面均无显著性差异（P＞0.05）。与PCS（-）组相比，PCS（+）组表现为更高的RPSQ评分（P＜0.001），以及更高的女性比例（P＜0.001），而在年龄、教育程度、BMI方面无显著性差异（P＞0.05）。详见表1。

表1 受试者一般资料比较

2. 脑白质微结构的组间比较

TBSS分析显示：与健康对照组相比，脑震荡患者的胼胝体、扣带回、右侧内囊及双侧钩状束FA值显著降低（P＜0.05，图1A）。与PCS（-）组相比，PCS（+）组在胼胝体、右侧内囊、双侧放射冠区域表现为较低的FA值（P＜0.05，图1B）。

图1 脑白质微结构的TBSS分析

3. 脑白质微结构与PCS的关系

Pearson相关分析显示：脑震荡组中，胼胝体FA值与RPSQ评分呈显著负相关（r=-0.599，P＜0.05；图2A），类似相关性也存在于右侧内囊（r=-0.566，P＜0.05；图2B），但在双侧放射冠未见显著相关性（P＞0.05）。PCS（-）组和PCS（+）组中，胼胝体、右侧内囊FA值与RPSQ评分也均呈显著负相关，其中PCS（-）组的相关系数分别为-0.652（P＜0.05）、-0.422（P＜0.05），PCS（+）组的相关系数分别为-0.652（P＜0.05）、-0.588（P＜0.05）。详见图2C～F。

图2 脑震荡组（伴或不伴PCS）患者胼胝体和右侧内囊FA值与RPSQ评分的相关性

4. 脑内微出血灶与PCS的关系

在脑震荡患者中，有8例患者发现脑内微出血灶（图3），并且这8例患者均在PCS（+）组中，Pearson相关分析结果表明微出血灶的数量与RPSQ评分呈显著正相关（r=0.766，P＜0.05），即微出血灶越多，RPSQ评分越高，脑震荡患者预后越差。

图3 典型病例（脑震荡患者，男，40岁，GCS评分15分）影像

讨 论

本研究联合DTI和SWI技术前瞻性地探讨了脑震荡患者临床预后的影响因素，其中DTI用于检测是否存在轴索旋转、拉伸变形以及各向异性参数是否变化，SWI用于检测患者脑内是否存在微出血灶以及微出血灶数量。研究结果表明脑细微结构的改变与PCS密切相关，脑白质微结构（胼胝体、右侧内囊）完整性的降低，脑微出血灶的数量越多，脑震荡患者发展为PCS的可能性越大，以及PCS的症状越严重。该研究结果充分提示脑细微结构的改变可能是脑震荡预后的重要生物学标志物，进一步为脑震荡的诊断、治疗、预后判断提供了科学的理论基础。

DTI用于测量水分子弥散的数量和方向，可以定量评价脑白质纤维的走行和完整性［3］，主要参数包括白质的FA和MD。之前的大多数研究［4］都报道了急性期多个白质区域的FA减少和MD增加，在我们的研究中同样发现脑震荡患者与健康志愿者的白质微结构存在显著差异，另外与PCS（-）组相比，PCS（+）组表现为胼胝体、右侧内囊、双侧放射冠FA值降低。Lange等［5］研究发现，与对照组相比，PCS患者DTI指标存在广泛而显著的差异，急性期DTI指标在预测PCS的发生中具有一定的价值。这些研究结果可能归因于继发于脱髓鞘或组织微观结构完整性被破坏［6］，FA值的降低可能代表脑白质完整性改变和轴突变性［7］。另外一些研究表明，受伤后DTI参数可能会发生动态的变化，在Toth等［8］的一项研究中发现在急性期脑震荡患者和对照组的DTI参数FA值降低，MD值升高，这种变化存在于几乎所有的白质束中，而在受伤第1个月后DTI参数的异常动态消失。在本研究中PCS（+）组和PCS（-）组的白质微结构差异主要位于胼胝体、内囊，尽管在相关的研究中观察到的有差异脑区各不相同，但胼胝体最常受到影响，胼胝体参与大脑半球间运动、感觉和认知信息的整合，其损伤可能导致广泛的行为、情绪和认知障碍［9］。我们的研究发现PCS的严重程度与白质完整性的降低显著相关，先前有研究报道了白质变化与脑震荡后症状严重程度之间的相关性，Smits等［10］发现脑震荡患者右侧钩状突、额枕下束、双侧内囊后肢、右侧胼胝体压部及额顶叶皮质下白质区观察到FA值随PCS症状严重程度显著降低。D’Souza等［11］使用弥散张量纤维束成像方法发现颅脑损伤患者胼胝体、右钩状束、双侧扣带回、右上纵束、右下小脑脚FA值与PRSQ评分呈显著相关，但未排除MR发现异常的患者。

SWI利用不同组织之间的磁敏感性差异，能敏感地检测出血红蛋白代谢产物等顺磁性物质，是检测微出血最敏感的方式，相比于常规MRI序列，SWI能更清楚地显示外伤引起的微小出血灶的边界和范围［12］。与高血压性血管病不同，脑震荡患者中的脑内微出血显示出特征性的分布区域，白质占主导地位。在本研究中，脑震荡患者微出血灶主要分布在皮质、皮髓质交界区，与之前的研究结果相似，可能原因为脑震荡主要与轻微脑挫裂伤及剪切伤有关，出血灶主要位于较表浅的区域。本研究表明PCS患者脑微出血灶越多则RPSQ评分越高，这一结果也得到了前期研究报道的支持，有研究［13］发现脑震荡急性期的创伤性微出血患者在创伤后不久和长期随访（12个月）时认知功能表现较差（如速度减慢、记忆困难和注意力不集中），脑震荡后症状严重程度较高。Park等［14］研究发现创伤性出血性病变与脑震荡后的初始神经状态和预后相关，微出血灶的存在和数量与创伤当天的GCS和受伤后1年的临床结局密切相关。Toth等［15］发现SWI显示创伤性微出血灶的数量和范围与损伤严重程度及临床结果的相关性较高，且随着病程延长，胼胝体、放射冠及皮质下白质纤维束内创伤性微出血范围明显扩大，可能与临床症状恶化有关。

本研究采用磁共振DTI、SWI双参数对急性脑震荡患者进行扫描，通过对成像结果的分析早期识别有PCS风险的患者，前瞻性探讨这些指标在脑震荡临床预后判断中的应用价值。但是本研究仍存在些许不足：研究样本量较小；尚不明确脑内微出血灶是否会导致结构破坏，从而影响DTI参数的变化，由于在常规MRI序列和DTI中检测不到脑内微出血灶，因此在DTI分析时未将微出血因素排除在外。患者仅在受伤后急性期接受SWI和DTI评估，纵向研究将有助于发现DTI指数随时间的变化，并与临床结果相关联。

SWI可识别CT和常规MRI容易漏诊的脑内微出血，颅脑损伤患者进行SWI检查可能为常规MRI中无法解释的症状或体征提供线索。DTI可以量化脑震荡患者的各项参数变化，各成像指标与脑震荡后症状的严重程度之间的显著相关性可能成为长期预后的预测指标，将SWI和DTI相结合可能有助于对PCS患者脑内微观组织结构的异常提供进一步的影像学证据。