轻度创伤性颅脑损伤患者丘脑扩散峰度成像研究*

汪丽娜 肖 勇

1 江苏医药职业学院医学影像学院,江苏省盐城市 224005; 2 徐州医科大学盐城临床学院 盐城市第一人民医院

轻度创伤性颅脑损伤(mild traumatic brain injury,mTBI)已成为常见的公共卫生问题之一。不同于中、重度脑损伤因症状体征明显受到临床医生的重视,mTBI患者的诊断与治疗往往被忽视。认知功能减退是mTBI患者伤后常见的症状,虽然约85%的mTBI患者能够从创伤后认知损害中恢复,但仍有约15%的mTBI患者长期伴有认知功能减退的症状[1]。早期的干预治疗能够显著减轻mTBI患者个人、家庭以及社会的心理和经济负担。以往对认知功能减退的检测主要依赖于临床神经心理学测试评分,但是这些检测方法对预测认知结果准确性并不理想,而传统的磁共振成像序列对并无脑内宏观结构损害的mTBI患者脑部异常的检测价值甚微。有研究表明[2],mTBI患者除了脑白质中存在损伤外,丘脑损伤在mTBI患者伤后认知损害中发挥重要作用。扩散峰度成像(Diffusional kurtosis imaging,DKI)作为扩散张量成像(Diffusion tensor imaging,DTI)的延伸,有效弥补了DTI无法解决的纤维交叉和对灰质检测不敏感的缺陷。DKI技术可检测组织内水分子偏离高斯分布的程度,从而反映组织微结构复杂程度。目前,DKI技术已广泛应用于全身多系统疾病的研究[3],但关于mTBI患者丘脑的研究并不多见。本研究旨在探究DKI成像技术能否检出mTBI患者丘脑异常改变,并分析DKI各参数值与临床神经心理学评分间的相关性。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选择2019年6月—2021年10月在盐城市第一人民医院就诊治疗的mTBI患者27例作为mTBI组。入组标准：右利手;受教育年限>12年;符合美国康复医学大会轻度创伤性脑损伤跨学科小组制定的mTBI诊断标准[4];蒙特利尔认知评估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)评分<26分;脑外伤后意识丧失持续时间≤30min,记忆缺失持续时间≤24h;常规影像学检查阴性。排除标准包括：其他类型脑损伤,有中枢神经系统疾病史;有全身系统性疾病史;酒精或药物依赖者;有磁共振检查禁忌证。另选择与mTBI组患者年龄、性别以及受教育年数相匹配的22名健康志愿者作为健康对照组(HC组)。入组标准：MoCA评分≥26分;右利手;既往无系统性及中枢性疾病史;无酒精或药物依赖;常规影像学检查阴性。本研究得到盐城市第一人民医院医学伦理委员会批准,所有入组人员检查测试前均签署知情同意书。

1.2 神经心理学测试 在被试者进行MRI扫描当天完成神经心理学测试。由一名接受过培训的神经科副主任医师在不知被测试者影像结果的情况下进行,使用MoCA量表进行认知功能测试,并参考现有的标准,将测试评分转换为Z分数,以更准确地进行组间数据比较。MoCA评分总分为30分,主要包括视空间与执行能力、记忆力、注意力、语言能力、抽象能力及定向能力。被试者受教育年限≤12年者,MoCA评分总分加1分,以矫正受教育年限对评分的影响。总评分≤26分被确定为认知异常。

1.3 磁共振数据采集 所有被试者的MRI图像采集均通过西门子Skyra 3.0T超导磁共振扫描仪以及20通道相控阵头颈联合线圈完成。为减少外来干扰对被试者的影响,检查时被试者均佩戴眼罩耳塞,用柔性泡沫加塞固定头两侧。先后完成轴位T2FLAIR、矢状位T1WI结构像和轴位DKI。T2FLAIR序列扫描具体参数：重复时间(TR)=6 000ms,回波时间(TE)= 85ms,视野(FOV) 245mm×245mm,矩阵 256×256,层厚5.0mm,层间距1mm,层数22,激励次数(NEX)1,扫描时间(TA)1min38s。

用三维快速扰相梯度回波(three dimensional fast spoiled gradient echo,3D MPRAGE)采集T1WI结构像,包括头皮在内的全脑扫描。具体参数：TR/TE=89ms/2 300ms,反转时间(TI)= 900ms,翻转角(FA)9°,FOV 256mm×256mm,矩阵 256×256,层厚1.0mm,层间距0mm,层数176,层内体素大小1mm×1mm×1mm,NEX 1,TA 5min20s。

用单次激发自旋平面回波EPI序列采集DKI图像,包含全脑扫描。扫描基线平行于AC-PC线。具体参数：TR/TE=95ms/13 700ms,层厚2mm,层间距0mm,层数70,FOV 240mm×240mm,矩阵128×128,取0、1 000、2 000s/mm2三个b值,扩散梯度方向数分别为1、30、30,NEX 1,TA 14min38s。

1.4 磁共振数据处理及分析

1.4.1 数据预处理：DKI数据基于软件MATLAB的脚本进行处理。首先将采集的DKI原始DICOM格式图像经MRICRON软件“dcm2n2gui”工具包转换为NIfTI格式,并逐层检查转换后的图像质量,再行头动及涡流矫正,然后行剥脑处理去除脑外组织信号得到全脑的数据图像。

1.4.2 双侧丘脑DKI指标计算： 预处理后的全脑图像数据经DKE软件处理生成AK、RK、MK、MD、FA等参数图。然后将标准丘脑图谱(MNI_Thalamus_Template.n2.gz)配准到个体参数图,再提取每个被试双侧丘脑的MK、AK、RK、FA、MD均值。

2 结果

2.1 mTBI组和HC组人口学资料和临床指标间比较 两组间性别(χ2=0.78,P=0.47)、年龄(t=0.67,P=0.35)及受教育年限(t=0.92,P=0.56)差异无统计学意义;27例mTBI患者中85.2%(23例)有空间与执行能力障碍,74.1%(20例)有记忆力损害,66.7%(18例)有注意力损害。mTBI组MoCA总评分、视空间与执行能力、记忆力、注意力、语言能力及抽象能力评分均低于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。两组间定向能力评分差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 两组间人口学资料和临床指标比较

2.2 mTBI组和HC组两侧丘脑各参数值比较 mTBI组双侧丘脑MK、AK、RK值均低于HC组,MD值高于HC组,差异均有统计学意义(P<0.05);与HC组比较,mTBI双侧组丘脑FA值略有降低,但组间差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 mTBI组和HC组MK、AK、RK、FA、MD比较

2.3 mTBI组两侧丘脑各参数值与MoCA总评分及其子项相关性 Spearman相关性分析显示,mTBI组两侧MK、AK、RK值与MoCA总评分、视空间与执行能力、记忆力、注意力及语言能力评分呈正相关(P<0.05);MD值与MoCA总评分、视空间与执行能力、记忆力、注意力评分呈负相关(P<0.05);FA值与MoCA总评分及各子项评分间均无明显相关性(P>0.05)。见表3。

表3 mTBI组两侧丘脑MK、AK、RK、FA、MD值与MoCA总评分及各子项相关性分析

3 讨论

神经心理学测试作为目前临床通用的认知评估方法,在评估mTBI患者认知损害程度上具有其他检测方法难以替代的作用。本研究中mTBI组与健康对照组比较,MoCA总评分及各子项评分均有降低,提示mTBI患者存在多项认知功能减退。27例mTBI患者中,85.2%(23例)有空间与执行能力障碍,74.1%(20例)有记忆力损害,66.7%(18例)有注意力损害。这印证了MoCA量表对认知损害检测的敏感性。但神经心理学测试易受被检者和测试者的双重主观因素影响,其结果可重复性欠佳[5]。故而,本研究尝试用不受主观因素影响的DKI成像技术检测mTBI患者脑内存在的结构损伤性改变,为临床提供较为客观的指标,以便更准确地反映mTBI患者脑内的损伤程度。

常规的医学影像技术无法检测出mTBI患者脑内的异常改变,更无法预测和度量mTBI患者伤后存在的永久性认知障碍的程度。虽然DTI对弥漫性轴索损伤(DAI)患者脑内的损伤病变检出敏感[6],但对于没有明显轴索损伤的mTBI患者而言,DTI显然是非常局限的。DKI作为DTI技术的进一步发展,其检测参数包含DTI的参数,同时自身特有的参数MK值在反映脑内微结构改变的能力尤为突出。本研究结果也验证了这一结论。本研究发现,与HC组比较,mTBI组丘脑的MK、AK、RA值均显著减低,组间差异有统计学意义,而两组间FA值无统计学差异。也因为FA值反映的是组织的各向异性,而本研究选取的丘脑为灰质核团,其组织结构趋向各向同性。这一发现也表明,DKI比DTI更有可能揭示mTBI的病理生理学机制,而DKI参数有可能成为脑损伤的严重程度和认知损害程度评估的预测因子。

相关研究认为左侧大脑半球、丘脑以及额叶与认知功能紧密相关[7],而丘脑在mTBI患者伤后认知功能损害的发展中发挥关键作用[8]。本研究显示,mTBI组丘脑的MK、AK、RA值均低于HC组,提示mTBI患者丘脑微结构存在一定的破坏。由此引出一个重要问题,即mTBI患者丘脑损伤是由创伤性损伤直接引起,还是继发于相关白质损伤的连锁反应?以往的实验模型表明[9],这两种机制都参与了mTBI患者丘脑的损伤。mTBI患者最大的剪切力损伤位于丘脑和中脑。mTBI继发性损伤模型研究显示,连接大脑皮层和丘脑的白质纤维因损伤断裂,那么这两个区域的靶细胞都可能发生凋亡。本研究中,mTBI患者丘脑的DKI参数与患者认知评分之间的相关性间接说明了丘脑损伤的存在。而在其他疾病的研究中也已经证实[10-11],患者丘脑的功能与认知功能存在相关性,这与本研究结果一致。

本研究存在几个潜在的局限性：(1)影像学表现缺乏组织学结果证实。这可在以后的动物实验中加以补充。(2)纳入病例数量较少。扩大病例数量肯定会提高研究结果的可靠性,这将在后续的研究中得到解决。(3)为了确定DKI参数的预测效能,需进一步纵向研究来评估各参数值随时间的变化情况,并更精确地确定各参数值与认知结果的相关性。

综上所述,mTBI患者伤后存在不同程度的认知功能减退,其双侧丘脑MK值降低的幅度与认知功能减退程度存在正相关。由此可见,DKI有望成为早期预测mTBI患者认知损害的有效方法,并为早期干预治疗提供可靠的依据。