基于DTI成像研究脑梗死后单侧运动通路损伤的大脑结构改变*

耿花蕾 邹忆怀

（1北京市隆福医院神经内科 北京 100010；2北京中医药大学附属东直门医院脑病科 北京 100700）

脑卒中是一种急性脑血管疾病，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性脑卒中（脑梗死）是最常见的卒中类型，占我国脑卒中的69.6%～70.8%[1～3]。在脑梗死相关研究中，磁共振成像具有高空间分辨率、无创性、高对比度等特点[4]，在显示解剖结构方面具有独特的优势。磁共振弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）技术能够显示大脑白质微观结构的变化[5]，DTI数据最常用各向异性分数（Fractional Anisotropy,FA）来量化[6]，是脑卒中患者神经纤维损伤的一个指标。本研究以健康人群为对照，基于纤维束示踪的空间分析方法（Tract-Based Spatial Statistics,TBSS）分析脑梗死后单侧运动通路损伤的受试者和健康受试者FA值差异显著的脑区，探讨脑梗死后单侧运动通路受损的大脑结构改变及损伤机制，为脑梗死后的治疗与康复提供思路。现报道如下：

1 资料与方法

1.1 一般资料 本研究从北京中医药大学东直门医院脑病科和针灸科的住院患者中纳入脑梗死受试者。健康受试者通过传单、微信朋友圈、立牌等方式招募，年龄、性别与脑梗死受试者相匹配。共纳入受试者132例，脑梗死受试者66例，其中男性44例，女性22例；平均年龄（58.21±9.72）岁。健康受试者66例，其中男性44例，女性22例；平均年龄（54.92±8.09）岁。两组间基本资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。本研究经北京中医药大学附属东直门医院医学伦理委员会审批（伦理批号：DZMEC-KY-2018-58）。

1.2 纳排标准

1.2.1 脑梗死受试者纳入标准 （1）经入院头颅磁共振、CT等影像学检查确诊为脑梗死，且病程在2个月内；（2）右利手；（3）男女均可，40岁≤年龄≤75岁；（4）梗死病灶位于单侧运动通路上（单侧基底节和/或放射冠区域）；（5）患者病情相对平稳，能配合核磁扫描及临床信息采集；（6）近1个月未服用精神类药物；（7）无核磁检查禁忌证；（8）受试者本人或其家属签署知情同意书。

1.2.2 脑梗死受试者排除标准 （1）合并心血管、消化、肾脏、血液系统等严重原发性疾病者；（2）精神病患者，过敏体质，合并感染及出血者；（3）近2周服用扩血管药物者；（4）孕妇、哺乳期及经期妇女；（5）在MRI扫描结果中发现严重的颅内解剖结构不对称或有明确病变者。

1.2.3 健康受试者纳入标准 （1）右利手；（2）男女均可，40岁≤年龄≤75岁；（3）经健康体检证实属于身体健康范围，无器质性及显著功能性疾病；（4）无任何精神、神经系统家族遗传病史；（5）试验阶段无身体异常（如：感冒、头痛、咳嗽等）；（6）近2个月未服用任何兴奋性药物；（7）无磁共振检测禁忌证；（8）受试者本人签署知情同意书。

1.2.4 健康受试者排除标准 （1）孕妇、哺乳期及经期妇女；（2）在磁共振扫描结果中发现严重颅内解剖结构不对称或有明确病变者；（3）有神经系统功能障碍的相关疾病者；（4）不能配合完成本研究者。

1.3 研究设计 本研究纳入脑梗死发病2个月以内的单侧运动通路损伤（左侧或右侧偏瘫）的脑梗死患者，损伤以单侧主要运动通路上的基底节区和（或）放射冠为主。同时纳入年龄和性别相匹配的健康人群为对照组，所有受试者入组均接受1次磁共振扫描，扫描序列为DTI结构像。以健康人群为对照，对比单侧运动通路损伤的脑梗死患者与健康人群DTI的成像数据差异。

1.4 样本量设计 在脑功能成像机制的研究中，如果样本的同质性较高，样本量达到16～32例就能满足统计学效力的要求[7～8]。本研究的脑梗死受试者要求病程在2个月以内，病灶位于单侧运动通路上，对病程及病灶的同质性要求较高，结合图像分析和统计分析对样本量的技术要求，纳入脑梗死受试者66例，及健康受试者66例，共计132例受试者。

1.5 设备及成像方法 研究采用的功能磁共振扫描仪为北京中医药大学东直门医院核磁室德国西门子3.0 T超导磁共振扫描仪。DTI序列：TR 11 000 ms，TE 94 ms，FOV 256 mm×256 mm，VOXEL 2 mm×2 mm，GAP 0 mm，b=0 and b=1 000 s/mm3。

1.6 数据处理 采用ANTs软件对T1数据进行预处理。首先对各受试者的T1图像进行偏置场校正，再采样至4 mm×4 mm×4 mm分辨率。同时标准模板（OASIS）也被重新采样到该分辨率，将处理后的T1图像与重新采样的OASIS模板对齐，将排列好的T1图像分割成灰质和白质，最后获得标准化的T1图像。应用FSL、DTI-TK和AFNI软件进行DTI数据处理和分析。利用自编软件对平行于前后连合线的原始图像进行重新定位。采用FSL对DTI图像进行脑提取，与各自的预处理T1图像线性对齐，对涡流畸变和头部运动进行了校正。最后用AFNI软件计算弥散张量。利用DTI-TK将预处理后的弥散张量图像映射归一化至TTT3模板。从每个受试者的弥散张量根据TTT3模板引导初始模板，实现最佳的空间归一化。利用欧几里德距离平方法及相似度量将弥散张量仿射对齐到初始模板。通过消除局部结构的尺寸或形状差异，对每个受试者的仿射配准后的张量进行非线性变形和对准，以提高对准质量。将仿射变换和非线性变形变换相结合的矩阵应用于原张量上。最后，将上述处理后的张量组合起来，生成具有所有受试者特征的最终平均模板。按照前面的步骤，由弥散张量计算的FA图像也被归一化为标准空间。利用最终平均模板生成的平均FA图像，生成白质束的平均FA骨架。将每个受试者的FA图像投影到骨架上，应用置换非参数统计方法对患者和健康对照组的FA值进行比较，并执行5 000次置换。采用无阈值聚类增强（TFCE）进行多重矫正（P＜0.05，FWE校正）。TBSS通过仔细调整非线性配准，然后投影到平均FA骨架，将统计参数图叠加到经过标准化的FA图像上，最后，应用置换非参数统计方法对患者和健康对照组的FA值进行比较，并执行5 000次置换。采用TFCE进行多重矫正。然后观察差异有统计学意义的区域位置和大小。

2 结果

基于TBSS[9]分析单侧运动通路受损的脑梗死受试者和健康受试者FA值差异显著的脑区。由图1、表1～表3可知和健康受试者相比：（1）脑梗死受试者的胼胝体FA值明显降低的脑区有：胼胝体膝部、胼胝体体部；（2）双侧FA值降低的相关脑区有：双侧放射状前冠、双侧上放射冠；（3）患侧FA值降低的相关脑区有：右侧皮质脊髓束、右侧大脑脚、右侧内囊前脚、右侧内囊后脚、右侧内囊豆状核后部、右侧后放射冠、右侧丘脑后放射冠（包括视辐射）、右侧外囊、右侧上纵束、右侧额枕上束和右侧绒毡层（P＜0.001）。

表1 脑梗死受试者对比健康受试者胼胝体FA值降低显著的脑区

表2 脑梗死受试者对比健康受试者双侧FA值降低的相关脑区

表3 脑梗死受试者对比健康受试者患侧FA值降低的相关脑区

3 讨论

胼胝体在双侧大脑半球间的协调活动中起着至关重要的作用。双侧额叶的绝大部分由胼胝体连接[10]，而运动皮层位于额叶上。本研究结果显示，对比健康受试者，单侧运动通路受损的脑梗死患者的FA值在胼胝体膝部及胼胝体体部有显著降低（P＜0.001）。单侧运动通路受损后，胼胝体FA值下降，胼胝体纤维受损，在结构上影响双侧大脑的连接及沟通协调，双侧运动皮层的连接也会受到影响。提示了脑梗死后健侧大脑区域出现结构与功能损伤的潜在机制与胼胝体纤维受损相关。Li等[11]的研究也证实了在脑卒中时，即使病灶未累及胼胝体，胼胝体的结构完整性也会受到影响。卒中可使大脑半球间的神经网络失去平衡，出现紊乱同时破坏白质纤维，使运动相关脑区的连接受到影响。同时，卒中后大脑皮层重组和运动功能恢复受跨胼胝体纤维变性影响。

本研究结果显示卒中患者除了在患侧放射前冠和上放射冠出现神经纤维的结构性损伤，在健侧的相应区域同时出现了损伤，证明了卒中后大脑结构的损伤出现在患侧的同时，也会出现在健侧大脑区域，提示单侧运动通路受损的脑梗死患者会出现双侧大脑的结构性改变。刘雷媛[12]、Yin D等[13]的研究也证实了单侧大脑半球的梗死，会造成胼胝体和健侧相关脑区的FA降低。

本研究结果还显示单侧运动通路损伤后，患侧的锥体系和运动相关脑区的白质完整性受到了损害，这一结果在相关研究中已得到广泛认同。除此之外，患侧上纵束和额枕上束的完整性也受到损害。上纵束和额枕上束可能与感觉信息输入的反馈相关，这些信息可以被这些白质纤维快速反馈给拥有认知和行为功能的大脑皮层[14]。患侧上纵束、额枕上束及绒毡层FA值的降低，证明单侧运动通路损伤后，除了运动相关脑白质纤维结构受损，非运动相关的脑白质纤维同样会受到影响。廖少钦[15]的研究结果显示，卒中偏瘫患者患侧病灶中心区域及边缘、内囊后脚和大脑脚等区域的FA值与健侧相比明显降低，病灶侧纤维束与健侧相比明显不完整。该研究结果与本研究可相互参照。

综上所述，单侧运动通路损伤后大脑的结构会出现双侧性变化，其中枢神经机制可能是胼胝体纤维受损，患侧除了运动相关脑白质纤维结构受损，非运动相关的脑白质纤维同样会受到影响。提示脑梗死后单侧运动通路受损后的康复需要大脑双侧性重塑，除了运动功能的康复，感觉、认知、行为等功能的康复也不能忽略，为脑梗死后的治疗与康复提供了思路与依据。