擴(kuò)散張量成像各向異性分?jǐn)?shù)在足月新生兒缺氧缺血性腦病中的應(yīng)用

向 葵XIANG Kui

干蕓根1GAN Yungen

王宏偉1WANG Hongwei

杜 牧2DU Mu

擴(kuò)散張量成像各向異性分?jǐn)?shù)在足月新生兒缺氧缺血性腦病中的應(yīng)用

向 葵1XIANG Kui

干蕓根1GAN Yungen

王宏偉1WANG Hongwei

杜 牧2DU Mu

作者單位

1.深圳市兒童醫(yī)院放射科 廣東深圳 518038

2.深圳市婦幼保健院 廣東深圳 518028

2016-02-05

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2016年 第24卷 第4期：248-252

Chinese Journal of Medical Imaging

2016 Volume 24 （4）： 248-252

目的 探討磁共振擴(kuò)散張量成像（DTI）的各向異性分?jǐn)?shù)（FA）值在足月新生兒缺氧缺血性腦?。℉IE）早期診斷及病情評估中的應(yīng)用，為臨床治療提供依據(jù)。資料與方法 收集58例臨床確診的足月HIE患兒，其中輕度HIE 28例，中度HIE 19例，重度HIE 11例，并選取20例正常足月新生兒為對照組，行顱腦常規(guī)MRI及DTI掃描，測量內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢、豆?fàn)詈?、胼胝體膝部及胼胝體壓部的FA值，比較各組不同部位的FA值。結(jié)果 對照組內(nèi)囊前后肢、胼胝體膝部和壓部的FA值均高于中度HIE組和重度HIE組，對照組胼胝體膝部的FA值高于輕度HIE組，輕度HIE組和中度HIE組內(nèi)囊前后肢、胼胝體膝部和壓部的FA值高于重度HIE組，輕度HIE組內(nèi)囊后肢FA值高于中度HIE組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；各組豆?fàn)詈说腇A值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。在各部位中，內(nèi)囊后肢FA值診斷HIE的準(zhǔn)確度最高，曲線下面積為0.802，當(dāng)內(nèi)囊后肢FA值的截斷點取0.543時，診斷靈敏度為61.2%，特異度為85.0%，Youden指數(shù)為0.462。結(jié)論 DTI FA值可以早期、定量評價HIE新生兒腦損傷的程度，為HIE的早期診斷及病情評估提供客觀依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】缺氧缺血，腦；磁共振成像；擴(kuò)散張量成像；各向異性分?jǐn)?shù)；嬰兒，新生；足月分娩

【Abstract】Purpose To investigate the feasibility of fractional anisotropy （FA） in the evaluation of neonatal hypoxic ischemic encephalopathy （HIE） using magnetic resonance diffusion tensor imaging （DTI）.Materials and Methods Fifty-eight neonates with HIE confirmed clinically （28 mild，19 moderate and 11 severe HIE neonates，respectively） and twenty age-matched controls were recruited to have conventional brain MRI and DTI scans. FA values at anterior and posterior limbs of internal capsule，lenticular nucleus，and genu and splenium of corpus callosum were measured respectively. FA values among different groups were compared.Results FA values at anterior and posterior limbs of internal capsule，and genu and splenium of corpus callosum in the control group were higher than those of the moderate and the severe HIE groups. FA value at genu of corpus callosum was exhibited greater in the controls than that in the mild HIE group. Higher FA values were found at anterior and posterior limbs of internal capsule，and genu and splenium of corpus callosum in the mild and moderate groups compared to the severe group. FA value at posterior limb of internal capsule in the mild HIE group was found to be greater than that of the moderate group （P＜0.05）. No significant difference of FA value at lenticular nucleus was observed among different groups （P＞0.05）. Specially，F(xiàn)A value at posterior limb of internal capsule proved to be superior in diagnosis of HIE with area under the curve of 0.802. When FA threshold at posterior limb of internal capsule was set to be 0.543，the diagnosis susceptibility and specificity were 61.2% and 85.0%，respectively，with the Youden index of 0.462.Conclusion The index of FA can facilitate the quantitative evaluation of neonatal brain injury with HIE，which may provide important information for early diagnosis and disease assessment.

【Key words】Hypoxia-ischemia，brain； Magnetic resonance imaging； Diffusion weighted imaging； Fractional anisotropy； Infant，newborn； Term birth

新生兒缺氧缺血性腦?。╤ypoxic-ischemic encephalopathy，HIE）是由于圍生期窒息引起的缺氧缺血性腦損傷，主要見于足月兒，可導(dǎo)致腦白質(zhì)損傷，造成永久性的神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，是致殘的重要原因之一。早期診斷和及時干預(yù)治療是減少后遺癥的關(guān)鍵［1］。目前MRI檢查是診斷本病的最佳方法，特異度和敏感度最高［2］。擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）可以無創(chuàng)性地活體顯示腦白質(zhì)纖維束的方向性和完整性，其主要參數(shù)各向異性分?jǐn)?shù)（FA）值能客觀反映軸突的完整性，定量評估髓鞘化程度。本研究擬以DTI FA值評估HIE神經(jīng)纖維束的發(fā)育，探討其應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 收集2013年11月—2015年6月深圳市兒童醫(yī)院收治的58例HIE足月新生兒，病例資料均完整，其中男31例，女27例；孕齡38～41周；平均出生體重（3250±380）g。HIE診斷及分度標(biāo)準(zhǔn)按照中華醫(yī)學(xué)會兒科分會新生兒學(xué)組2004年修訂的《新生兒缺氧缺血性腦病診斷標(biāo)準(zhǔn)》［3］，其中輕度28例，中度19例，重度11例。隨機(jī)抽取20例足月正常新生兒為對照組，其中男11例，女9例；孕齡38～41周，平均出生體重（3310±350）g。MRI檢查時的日齡為3～15 d。兩組患兒的性別、胎齡、出生體重、日齡比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。所有患兒家長均簽署知情同意書，本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 儀器與方法 采用Siemens 3.0T skyra MR掃描儀，頭部20通道相控陣列線圈，用海綿固定頭部，戴上專用耳機(jī)減少噪聲影響。先行常規(guī)軸位T1WI、T2WI、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（FLAIR）及DWI掃描（b=800 s/mm2），層數(shù)16，層厚5 mm，層間距1 mm。DTI掃描采用SE序列單次激發(fā)平面回波成像（single shot echo planar imaging，SS-EPI），掃描參數(shù)：TR 4100 ms，TE 95 ms，20個擴(kuò)散敏感梯度方向，b值為0、800 s/mm2，層厚4 mm，30層，間隔0 mm，矩陣128×128，激勵次數(shù)3，采集時間約5 min。所有患兒檢查前約30 min給予10%水合氯醛0.5～1.0 ml/kg，口服或用灌腸鎮(zhèn)靜，待患兒熟睡后行MRI檢查。檢查時備氧氣袋，由1名有經(jīng)驗的新生兒科主治醫(yī)師陪同。

1.3 圖像分析 利用Siemens 3.0T Skyra自帶工作站中的Neuro 3D軟件，自動生成FA圖和彩色編碼張量圖。在FA圖上于軸位基底節(jié)層面依次手動選擇內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢、豆?fàn)詈?、胼胝體膝部及胼胝體壓部作為感興趣區(qū)（ROI），ROI的選擇要結(jié)合T1WI圖，以便清楚地分辨上述解剖結(jié)構(gòu)，避免鄰近組織部分容積效應(yīng)的影響（圖1B）。每個部位的ROI大小約為（10±2）mm2，置于該部位中央，兩側(cè)對稱。對于雙側(cè)對稱的解剖結(jié)構(gòu)包括內(nèi)囊前后肢和豆?fàn)詈?，左、右兩?cè)分別測量；每個ROI測量3次取平均值。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 17.0及MEDCALC 15.6軟件，采用單因素方差分析比較對照組和不同程度HIE組相應(yīng)ROI的FA值，兩兩比較采用LSD法；方差不齊則采用多個獨立樣本秩和檢驗。采用受試者操作特征（ROC）曲線評價ROI的FA值對HIE患兒的診斷效能，并計算其FA閾值、曲線下面積，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 對照組和不同程度HIE組各部位FA值比較 對內(nèi)囊前后肢、豆?fàn)詈说碾p側(cè)FA值進(jìn)行配對樣本t檢驗，結(jié)果顯示雙側(cè)FA值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），故取左、右側(cè)FA值的平均值為該部位的FA值。對照組和不同程度HIE組間各部位FA值見表1，由表1可見除豆?fàn)詈送?，HIE組內(nèi)囊前后肢、胼胝體膝部和壓部的FA值較對照組降低，且FA值隨著HIE程度加重越來越低。

2.2 對照組和不同程度HIE組FA值比較 對照組內(nèi)囊前后肢、胼胝體膝部和壓部的FA值均高于中度HIE組和重度HIE組，對照組胼胝體膝部的FA值高于輕度HIE組，輕度HIE組和中度HIE組內(nèi)囊前后肢、胼胝體膝部和壓部的FA值高于重度HIE組，輕度HIE組內(nèi)囊后肢FA值高于中度HIE組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。豆?fàn)詈说腇A值在各組間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見圖1、2。

表1 對照組和不同程度HIE組各部位FA值比較

圖1 男，出生孕周37周+4，出生后2 d，正常足月新生兒。T1WI未見明顯異常（A），F(xiàn)A圖（ROI的選擇：1.胼胝體膝部；2.內(nèi)囊前肢；3.內(nèi)囊后肢；4.胼胝體壓部；5.豆?fàn)詈耍˙）和彩色編碼張量圖（C）顯示腦白質(zhì)纖維束邊緣清晰光滑，走行清晰、自然，顯示出良好的各向異性

圖2 男，出生孕周37周+5，出生后5 d，重度HIE。T1WI示雙側(cè)側(cè)腦室擴(kuò)張，腦室內(nèi)積血（箭頭，A）； FA圖（B）和彩色編碼張量圖（C）示腦白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)紊亂，邊緣毛糙，信號混雜，顏色變淡（箭）

2.3 各部位FA值診斷HIE符合度的ROC曲線 內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢、豆?fàn)詈?、胼胝體膝部及壓部FA值診斷HIE準(zhǔn)確度的ROC曲線見圖3及表2。除豆?fàn)詈送?，對照組和不同程度HIE組各部位FA值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。5個部位ROC曲線兩兩比較結(jié)果見表3，內(nèi)囊前肢和內(nèi)囊后肢、內(nèi)囊后肢和豆?fàn)詈恕⒍範(fàn)詈撕碗蓦阵w膝部的ROC曲線下面積差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。由ROC曲線下面積得知，內(nèi)囊后肢的FA值診斷準(zhǔn)確度最高，曲線下面積為0.802，當(dāng)FA值的截斷點取0.543時，診斷敏感度為61.2%，特異度為85.0%，Youden指數(shù)為0.462。

圖3 內(nèi)囊前后肢、豆?fàn)詈?、胼胝體膝部及壓部的FA值診斷HIE準(zhǔn)確度的ROC曲線

表2 FA值診斷HIE符合度的ROC曲線評價結(jié)果

表3 不同部位ROC曲線下面積兩兩比較結(jié)果

3 討論

新生兒HIE是由于窒息引起的圍生期腦組織缺血缺氧，包括急性全面性窒息和部分性或慢性窒息［4］。急性全面性窒息時，腦血流可完全阻斷，多引起能量代謝較高的腦區(qū)損傷，如中心灰質(zhì)（基底節(jié)和丘腦）、背側(cè)腦干、海馬及外側(cè)膝狀體，且損傷較重，多見于重度HIE；部分性或慢性窒息時，損傷相對較輕，此時血流優(yōu)先分配給代謝旺盛的腦區(qū)，腦半球血流減少，腦皮層尤其是分水嶺區(qū)皮層會因血流量減少而受損，主要見于輕度HIE。因此，HIE的病理改變與損傷程度密切相關(guān)，包括腦水腫、腦出血梗死、基底節(jié)損傷、腦室周圍白質(zhì)軟化等［5］。HIE導(dǎo)致的腦白質(zhì)損害是日后發(fā)生腦癱和智力落后的重要原因，故評估HIE患兒腦白質(zhì)損傷對早期診斷和早期干預(yù)治療有重要意義［6］。

在人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，受細(xì)胞膜、髓鞘、神經(jīng)纖維束等組織結(jié)構(gòu)的影響，水分子在不同方向上的擴(kuò)散能力不同，即各向異性。DTI以各向異性為基礎(chǔ)，根據(jù)腦組織水的擴(kuò)散情況，主要參數(shù)用FA值表示。FA值是擴(kuò)散各向異性與整個擴(kuò)散的比值，其范圍為0～1。FA值越接近1，表明擴(kuò)散趨于各向異性，提示纖維束的細(xì)胞膜、髓鞘及軸索完整性好；FA值越接近0，表明擴(kuò)散趨于各向同性，即水分子擴(kuò)散在各個方向上受到的限制趨于一致，提示纖維束受到破壞或發(fā)育不成熟，影響細(xì)胞膜、髓鞘及軸索方向的一致性［7］。本研究結(jié)果顯示，HIE組ROI的FA值較對照組降低，且隨著病情加重，下降趨勢越來越明顯，證實了上述觀點。常規(guī)MRI在顯示HIE患兒腦損傷方面具有明顯的延遲性，而DTI可以在新生兒出生24 h內(nèi)敏感地發(fā)現(xiàn)腦組織的缺血缺氧性改變。因此，F(xiàn)A值降低可作為早期腦白質(zhì)損傷的敏感標(biāo)志，在疾病早期即可以準(zhǔn)確判斷腦白質(zhì)受損程度［8］，其原因是缺血缺氧引起髓鞘形成障礙，甚至缺失、壞死，軸突生長障礙及數(shù)量減少，破壞了白質(zhì)纖維束的完整性，水分子各向異性程度減低，導(dǎo)致FA值降低。左克揚［9］研究認(rèn)為FA值下降程度與病情輕重呈明顯正相關(guān)，可以客觀地反映HIE的輕重程度，量化評估HIE患兒的病情。

本研究發(fā)現(xiàn)，對照組及不同程度HIE組胼胝體、內(nèi)囊及豆?fàn)詈说腇A值依次降低，這種現(xiàn)象符合髓鞘發(fā)育從中心到外周、從背側(cè)到腹側(cè)、從尾端到頭端的特點。Shimony等［10］的研究也證實了這一結(jié)論，聯(lián)合纖維（胼胝體）、投射纖維（內(nèi)囊）的各向異性依次減低，并且腦白質(zhì)的各向異性明顯高于灰質(zhì)。比較HIE組和對照組各部位FA值差異顯示，除豆?fàn)詈送?，其余各部位的FA值均低于對照組，兩兩比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），表明缺血缺氧破壞了白質(zhì)纖維束的完整性，與文獻(xiàn)［11］報道相符。豆?fàn)詈藢儆诨屹|(zhì)，主要由神經(jīng)元和血管組成，軸突髓鞘和白質(zhì)纖維含量較少，擴(kuò)散趨于各向同性，故在HIE中白質(zhì)FA值減低的同時，灰質(zhì)的FA值可以無明顯變化，Sotak［12］的研究也得到類似的結(jié)果，因此FA值并不適用于評價灰質(zhì)核團(tuán)。本研究中，對照組與不同程度HIE組兩兩比較顯示，對照組與輕度HIE組僅胼胝體膝部FA值差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），其余差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），這可能是由于輕度缺血缺氧時腦損傷程度輕，神經(jīng)細(xì)胞腫脹，部分細(xì)胞選擇性凋亡，軸突及髓鞘膜數(shù)量無明顯減少，白質(zhì)纖維束完整性較好。但最早的白質(zhì)損傷部位是否為胼胝體膝部，尚需要大數(shù)據(jù)研究進(jìn)一步探討。

各部位FA值對診斷HIE準(zhǔn)確度進(jìn)行ROC曲線分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FA值診斷HIE的敏感度不是太高，最高者敏感度僅為81.6%，表明不能僅依靠FA值減低來診斷HIE，這可能是由于FA值反映的是白質(zhì)損傷，而HIE引起腦損傷的病因復(fù)雜，F(xiàn)A值減低的影響因素也很多。此外，由于本研究中多為輕度HIE，中度及重度HIE病例較少，輕度HIE的FA值減低程度輕，共同影響了診斷HIE的敏感度，以后還需要更多大樣本研究進(jìn)一步證實。一般認(rèn)為，ROC曲線下面積越大，診斷效能越高。本研究結(jié)果顯示，內(nèi)囊后肢的曲線下面積為0.802，截斷點FA值為0.543，在各部位中的診斷效能最高。沈全力［13］研究內(nèi)囊后肢FA值在≤7 d組中的ROC曲線下面積為0.863，在＞7 d組中為0.904，均大于其他各部位的ROC曲線下面積，提示內(nèi)囊后肢FA值變化在各部位中診斷HIE的準(zhǔn)確度最高，與本研究結(jié)論一致。早期MRI研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)囊后肢信號強(qiáng)度的改變是診斷HIE的可靠依據(jù)，重度HIE患兒內(nèi)囊后肢T1WI信號常減低，內(nèi)囊后肢損害常提示預(yù)后不良。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)囊后肢的FA值除在對照組和輕度HIE組差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）外，其余兩兩組間比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），可作為評估HIE病情輕重的參考，其原因可能是由于內(nèi)囊后肢含有皮質(zhì)脊髓束、丘腦中央輻射、視輻射、聽輻射、皮質(zhì)紅核束及頂枕顳橋束等重要的白質(zhì)投射纖維，受損后可能導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)運動功能損害，早期康復(fù)訓(xùn)練有助于減輕后遺癥［14］，對臨床醫(yī)師準(zhǔn)確全面地了解病情，繼而選擇合理的治療方案有很大幫助。

本研究的局限性在于：由于單次激發(fā)EPI技術(shù)偽影，部分圖像出現(xiàn)扭曲；HIE患兒病情較危重，如何縮短檢查時間；服用鎮(zhèn)靜藥物后掃描，是否對DTI的FA值有影響；成像設(shè)備及參數(shù)設(shè)置不同使得FA值存在一定的差異，限制了FA值在臨床上的廣泛應(yīng)用；樣本量較小，缺乏大樣本的對照研究；上述不足仍需進(jìn)行大量更深入的研究。但隨著DTI技術(shù)的不斷發(fā)展和研究的不斷深入，DTI在新生兒方面將會有更大的應(yīng)用價值。

總之，DTI技術(shù)在新生兒HIE的早期診斷中具有重要意義，F(xiàn)A值可以量化評價腦損傷程度，其減低與腦損傷程度密切相關(guān)，其中內(nèi)囊后肢FA值的診斷價值最大，能夠為HIE的早期診斷和早期干預(yù)提供客觀依據(jù)。

［1］Mary R，Christina M，Amy M，et al. Magnetic resonance imaging in hypoxic-ischaemic encephalopathy. Early Hum Dev，2010，86（6）： 351-360.

［2］Gano D，Chau V，Poskitt KJ，et al. Evolution of pattern of injury and quantitative MRI on days 1 and 3 in term newborns with hypoxic-ischemic encephalopathy. Pediatr Res，2013，74（1）： 82-87.

［3］中華醫(yī)學(xué)會兒科學(xué)分會新生兒學(xué)組. 新生兒缺氧缺血性腦病診斷標(biāo)準(zhǔn). 中國當(dāng)代兒科雜志，2005，7（2）： 97-98.

［4］Huang BY，Castillo M. Hypoxic-ischemic brain injury： imaging findings from birth to adulthood. Radiographics，2008，28（2）：417-439，quiz 617.

［5］Thayyil S，Chandrasekaran M，Taylor A，et al. Cerebral magnetic resonance biomarkers in neonatal encephalopathy： a meta-analysis. Pediatrics，2010，125（2）： e382-e395.

［6］Eilish T，Anne T，Stephanie R，et al. MR imaging of term infants with hypoxic-ischemic encephalopathy as a predictor of neuro-developmental outcome and late MRI appearances. Pediatric Radiol，2010，40（9）： 1526-1535.

［7］陳錦佳，曾洪武，干蕓根，等. 磁共振彌散張量成像在兒童偏癱型腦癱中的應(yīng)用. 中國CT和MRI雜志，2013，11（5）：10-13，41.

［8］Brissaud O，Amirault M，Villega F，et al. Efficiency of fractional anisotropy and apparent diffusion coefficient on diffusion tensor imaging in prognosis of neonates with hypoxic-ischemic encephalopathy： a methodologic prospective pilot study. Am J Neuroradiol，2010，31（2）： 282-287.

［9］左克揚. MR-DTI在監(jiān)測評價HIE患兒腦髓鞘發(fā)育及預(yù)后中的作用. 廣州： 暨南大學(xué)，2005.

［10］Shimony JS，Mckinstry RC，Akbudak E，et al. Quantitative diffusion tensor anisotropy brain MR imaging：normative human data and anatomic analysis. Radiology，1999，212（3）：770-784.

［11］Malik GK，Trivedi R，Gupta RK，et al. Serial quantitative diffusion tensor MRI of the term neonates with hypoxicischemic encephalopathy （HIE）. Neuropediatrics，2006，37（6）：337-343.

［12］Sotak CH. The role of diffusion tensor imaging in the evaluation of ischemic brain injury - a review. NMR Biomed，2002，15（7/8）： 561-569.

［13］沈全力. 磁共振彌散張量成像在新生兒缺氧缺血性腦病中的應(yīng)用及臨床相關(guān)性研究. 上海： 復(fù)旦大學(xué)，2009.

［14］Schulz R，Park CH，Boudrias M，et al. Assessing the integrity of corticospinal pathways from primary and secondary cortical motor areas after stroke. Stroke，2012，43（8）： U456-2248.

（本文編輯 張春輝）

Fractional Anisotropy of Diffusion Tensor Imaging in Evaluating Neonatal Hypoxic-ischemic Encephalopathy

杜 牧

2015-12-09

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.04.003

Shenzhen Maternity and Child Healthcare Hospital，Shenzhen 518028，China

Address Correspondence to： DU Mu E-mail： dudumumu@163.com

深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項目

（JCYJ20140416141331480，JCYJ20140414144755473）。

R722.1；R445.2