扩散峰度成像对儿童急性淋巴细胞白血病化疗后脑微观结构变化的研究

李方玲，陈晓曦（通信作者）

（遵义医科大学附属医院放射科 贵州 遵义 563000）

急性淋巴细胞白血病（acute lymphoblastic leukemia，ALL）是儿童最常见的恶性肿瘤，约占所有儿童恶性肿瘤的25%[1]。近年来，随着诊疗技术的不断发展，儿童ALL 的5 年无事件生存率和总生存率显著提高，许多儿童ALL 患者获得了长期生存率[2]。但是研究表明，接受化疗的儿童ALL 的长期幸存者可表现出轻度至中度的神经认知障碍[3]。化疗后ALL 患者认知功能障碍的潜在病理机制尚不完全清楚。神经影像学技术使我们能够了解ALL 患者大脑微观结构的变化。扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）利用多重扩散加权来探测扩散数据中的非单指数衰减，对水扩散的非高斯分布变化很敏感，其指标包括平均峰度（mean kurtosis，MK）、径向峰度（radial kurtosis，RK）和轴向峰度（axial kurtosis，AK）。DKI 可以全面地描述脑组织微结构的特性，不仅在各向异性组织中如白质甚至具有交叉纤维的组织，而且在各向同性组织中如灰质也同样敏感。但是，目前尚无关于DKI 技术在单纯接受化疗的儿童ALL 患者化疗后脑微观结构变化的研究。

因此，本研究拟采用基于体素分析（voxel based analysis，VBA）的DKI 技术研究化疗后ALL 患者脑微观结构的变化，探讨儿童ALL 患者化疗后脑灰、白质微观结构差异，并分析差异脑区DKI 多个特征参数与ALL患者认知功能的相关性，有望为化疗后的儿童ALL 患者脑微观结构改变的神经机制提供新的影像学依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究为横断面研究。选取2021 年3 月—2022 年7 月在遵义医科大学附属医院就诊的ALL 经治儿童28 例，设为ALL 组，其中男性15 例，女性13 例，年龄6 ～15 岁，平均年龄（10.21±2.52）岁。ALL 患者按照同质化方案进行治疗[4]。纳入标准：①年龄在6 ～16 岁之间；②完成化疗。排除标准：①常规颅脑MRI 检查异常；②发病前有发育异常或神经精神系统疾病史；③中枢神经系统白血病患者；④接受颅脑放疗；⑤颅脑外伤史；⑥图像伪影较重；⑦认知功能评估不配合者；⑧ 左利手。同期招募6 ～16 岁健康儿童志愿者28 名作为对照组，其中男性14 例，女性14 例，年龄6 ～15 岁，平均年龄（10.33±2.44）岁。排除标准：①常规颅脑MRI 检查异常；②有肿瘤、先天性及神经精神系统疾病史；③ 颅外伤史；④图像伪影较重；⑤认知功能评估不配合；⑥ 左利手。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，并经遵义医科大学附属医院伦理委员会批准（伦审：KLLY-2021-106）。儿童ALL 患者及其监护人均被告知MRI 检查的安全须知和研究目的，并签署知情同意书。

1.2 认知功能评估

所有参加研究的受试者由获得韦氏智力量表主试资格的医师采用中国韦氏儿童智力量表第四版（适用年龄：6 ～16 岁）对儿童的认知功能进行测试评估，通过类同、背数、译码、符号检索等10 个核心分测验及常识、填图、算术、划消4 个补充分测验，最终得到言语理解指数（verbal comprehension index，VCI）、知觉推理指数（perceptual reasoning index，PRI）、工作记忆指数（working memory index，WMI）、加工速度指数（processing speed index，PSI）及全量表智商（full-scale intelligence quotient，FSIQ）五个认知功能量表。测试在安静环境下进行，并且在测试当日完成颅脑MRI 检查。

1.3 图像采集

采用美国GE 公司Signa HDxt 3.0T MRI 扫描。DKI 序列扫描参数：重复时间13 000 ms，回波时间Minimum，视野240 mm×240 mm，矩阵96×96，层厚2.5 mm，层间距0 mm，翻转角90°，b 值分别为0、1 000、2 000 s/mm2，扩散方向25 个，扫描时间8 min 50 s。轴位定位线平行于前-后联合线。

1.4 数据预处理

使用MRIcron 软件的dcm2niix 将所有被试DKI 的DICOM 格式图像转换为NIFTI 格式，排除质量不佳的病例数据。将转换后DKI 图像在FSL 平台上进行涡流矫正、剥除颅骨等预处理，然后通过DKE（diffusion kurtosis estimator）软件进行数据批处理，获得DKI 的峰度参数图MK、AK、RK。

1.5 VBA 分析

使用基于MATLAB R2018b 的SPM 12 软件，对所有受试者生成的DKI 参数图进行VBA 分析。简要步骤如下。（1）图像配准：利用SPM 12 软件中的display 将所有受试者的DKI 参数图像分别与b0 图像进行配准；（2）空间标准化：运用SPM 12 软件中的old normalize 功能将转换矩阵文件应用到配准后的DKI 各参数图像上，进行蒙特利尔神经研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）空间标准化，Bounding box 采用-88-122-80，88 86 95，体素大小为2 mm×2 mm×2 mm；（3）平滑：运用SPM 12 软件中的Smooth 功能对标准化后的DKI 各参数图像采用8 m m 的半高全宽高斯滤波平滑核进行平滑，最后得到每个受试者经过处理后的DKI 各参数图。

1.6 统计学方法

采用SPSS 18.0 统计软件进行数据分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差（±s）表示，采用独立样本t检验；对不符合正态分布的计量资料用中位数和四分位数间距[M（Q1，Q3）]表示，采用非参数检验比较两组间差异；计数资料以频数（n）、百分率（%）表示，采用χ2检验。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

VBA 数据采用SPM 12 软件进行统计分析。以年龄、受教育程度为协变量对ALL 组和对照组的DKI各参数分别进行双样本t 检验比较，模板采用全脑模板，结果采用高斯随机场（Gaussian random field，GRF）理论进行多重比较校正（VoxelPvalue ＜0.001，ClusterPvalue ＜0.05），连续体素数目＞30 个为差异具有统计学意义，得到两组间各参数的差异脑区，并生成报告以记录MNI 坐标及峰值；结果利用Dpabi viewer 软件及BrainNet viewer 软件进行呈现。

基于VBA 分析方法，以两组之间有统计学意义的差异脑区作为ROI，分别测定DKI 各参数值，在控制年龄、受教育程度的前提下分别与ALL 患者的认知功能进行相关性分析。若数据服从正态分布，选用Pearson 相关；若不服从正态分布，选用Spearman 相关，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料和认知功能评估

ALL 组与正常对照组的平均年龄、性别比例差异无统计学意义（P＞0.05），ALL 组的受教育程度、VCI、PRI、WMI、PSI 和FSIQ 评分均低于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

2.2 ALL 组与对照组DKI 各参数值差异脑区

与对照组相比，ALL 组MK、AK、RK 值显著下降的脑区主要为双侧额上回、双侧额中回、双侧辅助运动区、左侧楔叶及楔前叶、右侧顶上小叶、右侧小脑；MK、AK、RK 值显著升高的脑区主要为双侧直回及眶回，左侧梭状回、右侧额中回、右侧颞上回、左侧颞中回、右侧距状裂，见图1 ～图3。

图1 ALL 组MK 改变的脑区

图2 ALL 组AK 改变的脑区

2.3 相关性分析

以VBA 结果中差异具有统计学意义的脑区为ROI，提取其DKI 各参数值与认知功能结果进行相关分析，结果显示ALL 组的左侧梭状回（rs=0.430，P=0.028）MK值、左侧梭状回（r=0.440，P=0.024）RK 值与WMI 评分呈正相关，其他DKI 参数值与其认知功能结果无明显相关性。

3 讨论

本研究发现，与对照组相比，仅接受化疗后的儿童ALL 患者不论是扩散峰度参数还是扩散张量参数存在差异的脑区主要集中在双侧额、颞、顶、枕叶灰质结构，白质变化不明显，且左侧梭状回结构改变与认知功能障碍相关。

DKI 参数值减低表明组织扩散异质性降低、微观结构复杂性减弱，可能与神经元丢失、轴突损伤和完整性破坏有关。DKI 参数值增加可能提示受损区域出现早期炎症修复导致大量小胶质细胞增殖和轴突密度增加，轴突膜通透性降低，使局部组织微结构更复杂。儿童ALL 治疗方案中使用的多种化疗药物会对神经系统产生直接或间接的毒性效应，诱导神经元、胶质细胞和血管内皮细胞的氧化损伤[5]。这可能是ALL 患者化疗后脑微观结构改变原因。

既往基于3D-T1加权成像脑皮质结构的相关研究表明，接受化疗后ALL 患者背外侧前额叶皮质、额中回上部及下部、额上回、前扣带回、梭状回、海马旁回和楔前叶皮质结构改变[6-7]。本研究中，ALL 组灰质结构改变的大脑区域与上述发现相似，涉及额叶、顶叶和颞叶，其中额叶变化最为显著，这表明接受化疗后的ALL 患者额叶微观结构较大脑其他区域更容易发生损伤。此外，本研究还发现了枕叶和小脑微观结构变化，此前并无文献报道。这种差异可能是由于DKI 在检测脑组织微观结构变化方面的灵敏度高于3D-T1WI。

DKI 技术在ALL 患者脑微观结构变化的研究报道较少，只有Follin 等[8]报道了成年的ALL 幸存者穹窿、左侧钩突束和腹侧扣带的DKI 参数值显著降低，但该研究使用的是手画感兴趣区的方法，并未进行全脑分析，而本研究采用基于VBA 全脑分析的方法，较手画感兴趣区的方法能更多地找出具有差异的脑区；此外该研究的对象是成年幸存者，治疗中使用了放疗，而本研究对象是儿童幸存者，仅使用了化疗治疗，因此，两个研究的结果差异较大。

基于VBA 分析的DKI 技术研究揭示儿童ALL 患者化疗结束后存在多个脑区微观结构改变，主要位于双侧额、颞、顶、枕叶灰质结构，左侧梭状回的结构变化与认知功能障碍相关。该研究结果可为儿童ALL 患者化疗后脑微观结构改变的神经机制提供新的影像学依据。