SWI與DKI對帕金森病患者腦灰質(zhì)核團鐵沉積及微觀結(jié)構(gòu)變化的聯(lián)合研究

高冰冰，苗延巍，田詩云，尚勁，劉楊穎秋，韓亮

特發(fā)性帕金森病(Parkinson's disease，PD)患者的主要病理表現(xiàn)是中腦的黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元變性、凋亡，部分殘存神經(jīng)元胞體內(nèi)可見路易斯小體形成。病理研究證實，帕金森病患者腦內(nèi)一些結(jié)構(gòu)中存在鐵代謝的異常，即存在鐵的過度沉積，其中以黑質(zhì)最為明顯[1-2]。在病理生理水平上，鐵在腦內(nèi)有一定的生理性分布，當(dāng)腦組織內(nèi)出現(xiàn)過量的鐵沉積時，可以激發(fā)、促進自由基的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，進一步導(dǎo)致神經(jīng)細胞的損傷、死亡。同時，鐵的過量沉積，還可以改變細胞周圍的微環(huán)境，使其對毒素或致病因子更加敏感[1]。因此，黑質(zhì)的鐵沉積是導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元凋亡的主要原因，同時影響了多巴胺向紋狀體、尾狀核頭的釋放，而紋狀體、尾狀核頭位于基底節(jié)區(qū)。磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)的Phase圖像能夠敏感而準(zhǔn)確地檢測腦組織內(nèi)微量鐵的存在[3-5]。

另一方面，Peran等[6]、Geng等[7]研究發(fā)現(xiàn)，PD患者在皮層、基底節(jié)區(qū)(殼核、蒼白球)和中腦(黑質(zhì)、紅核)3個水平上存在不同程度的萎縮。傳統(tǒng)的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)方法檢測出的PD患者多屬于病程較長的晚期患者，其相應(yīng)的腦結(jié)構(gòu)變化較宏觀、明顯。因此，隨著MR技術(shù)的不斷革新，研究者致力于發(fā)現(xiàn)PD早期患者腦內(nèi)微結(jié)構(gòu)的改變，目前，國內(nèi)外已有學(xué)者致力于利用擴散張量成像(diffusion tensor image，DTI)、磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)等MRI序列來分析腦微結(jié)構(gòu)的早期變化[8-10]。但DTI技術(shù)在灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上存在一定不足[8]，隨著擴散峰度成像(diffusion kurtosis image，DKI)的研發(fā)與應(yīng)用，有學(xué)者從微結(jié)構(gòu)變化、鐵沉積等不同角度分別采用DKI、SWI進行了前期研究[11-12]。但目前為止，尚不清楚帕金森病患者腦灰質(zhì)核團內(nèi)鐵的過度沉積是否與其相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的變化存在關(guān)聯(lián)性。本研究擬應(yīng)用SWI及DKI對PD患者及健康對照組的錐體外系部分腦灰質(zhì)核團進行對比及相關(guān)分析，探討PD患者基底節(jié)與中腦水平上組織內(nèi)鐵沉積與微結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性研究，所有受試者均對本研究知情同意，并自愿簽署知情同意書。(1)帕金森病組(PD組)。選取1年內(nèi)在我院神經(jīng)內(nèi)科住院治療且經(jīng)臨床確診為PD的患者共35例(女：17例，男：18例)，年齡51～82歲，平均年齡(67.00±8.76)歲，病程3～10年。所有患者均為右利手。本研究中PD患者的入組標(biāo)準(zhǔn)采用的是中華醫(yī)學(xué)會神經(jīng)病學(xué)分會運動障礙及帕金森病學(xué)組的PD診斷標(biāo)準(zhǔn)。同時，排除繼發(fā)性帕金森綜合征；排除顱腦炎癥、腫瘤、外傷史、手術(shù)史者等；排除接受過外科治療的原發(fā)性PD患者。所有受試者均行腦部CT檢查，排除雙側(cè)蒼白球有生理性和(或)病理性鈣化者。(2)健康對照組(HC組)。對照組為23名健康志愿者(女：11例，男：12例)，年齡54～72歲，平均年齡(66.48±5.20)歲，均為右利手。確定為健康志愿者的標(biāo)準(zhǔn)包括：①既往體健者，一般檢查及神經(jīng)功能檢查無異常；②臨床簡易精神狀態(tài)評價量表(mini-mental state examination，MMSE)評分≥27分；③T2WI及T2 FLAIR信號正常，或者輕度異常者(T2 FLAIR有輕度白質(zhì)疏松改變，F(xiàn)azekas量表1級)；④沒有遺傳病史，沒有腦部炎癥、腫瘤、外傷史、手術(shù)史。

1.2 影像檢查方案及參數(shù)

1.2.1 CT平掃

所有受試者在16排Philips CT機上進行掃描，檢測腦實質(zhì)內(nèi)有無生理或病理性鈣化。

1.2.2 MRI掃描

所有受試者在GE Signa HDXT 3.0 T MRI機上進行掃描，采用8通道頭線圈，掃描序列見表1。掃描基線選擇前-后聯(lián)合水平線，掃描范圍從枕骨大孔至顱頂。其中DKI序列采用雙自旋平面回波(spin echo-echo planar imaging，SE-EPI)，b值包含0、1000、2000 s/mm2等，共15個方向。

1.2.3 MRI數(shù)據(jù)處理及測量

(1) DKI圖像處理：將獲得的DKI原始圖像在ADW 4.4后處理工作站上應(yīng)用Functool 2軟件進行重建后，獲得平均彌散率(mean diffusivity，MD)圖、橫向彌散率(axial diffusivity，Da)圖、徑向彌散率(radial diffusivity，Dr)圖、平均彌散峰度(mean kurtosis，MK)圖、橫向峰度(axial kurtosis，Ka)圖、徑向峰度(radial kurtosis，Kr)圖及各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)圖。結(jié)合T2WI圖像，選定感興趣區(qū)(region of interest，ROI)范圍，在尾狀核頭、蒼白球、殼核、丘腦、黑質(zhì)、紅核顯示最大最清晰的層面，雙側(cè)對稱測量各核團，在核團上放置大小約10～15個像素的類圓形ROI，ROI要小于核團，并且避開腦脊液、血管等偽影。記錄每個ROI的各DKI參數(shù)值(MK值、Ka值、Kr值、MD值、Da值、Dr值及FA值)，同一核團在相同層面測量3次，取其均值為最終參數(shù)值(部分核團測量圖見圖1)。(2) SWI圖像處理：將獲得的SWI原始圖像在神經(jīng)影像信號處理軟件(Signal Process in Neuroimaging，SPIN)上進行重建，結(jié)合最小密度重建圖，在濾過后的相位圖( fi ltered phase image，F(xiàn)PI)上于雙側(cè)尾狀核頭、蒼白球、殼核、丘腦、黑質(zhì)、紅核顯示最大最清晰且與DKI測量層面最接近的層面上手動勾畫核團的完整輪廓來獲得核團的Phase值，測量連續(xù)的3個層面，取其均值作為最終統(tǒng)計值。測量時要避開氣顱接觸面、血管等偽影。所有測量工作由一個人獨立完成，測量方法如圖2、3。

表1 MRI掃描參數(shù)Tab.1 MRI protocols

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

對獲得的所有數(shù)據(jù)用社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包SPSS 17.0進行分析。首先對PD組、HC組的年齡(t檢驗)、性別(檢驗)的差異性進行分析。應(yīng)用配對t檢驗法檢驗PD組、HC組組內(nèi)各核團Phase值的側(cè)別差異；應(yīng)用兩獨立樣本t檢驗法檢驗PD組、HC組組間的各核團Phase值的差異性；采用Spearman相關(guān)分析分析PD組各部位DKI參數(shù)值與SWI參數(shù)值之間的關(guān)聯(lián)性。

2 結(jié)果

2.1 PD組、HC組的臨床資料比較

PD組與HC組的年齡比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.284，P=0.777)；PD組與HC組的性別比較，差異亦無統(tǒng)計學(xué)意義(χ2=0.069，P=0.793)。

2.2 PD組、HC組各核團Phase值的側(cè)別差異

僅PD組的雙側(cè)殼核的Phase值存在側(cè)別差異(t=2.696，P=0.010)，左側(cè)殼核較右側(cè)略高，兩側(cè)差值的平均值為0.010；余PD組、HC組各部位的Phase值均無側(cè)別差異。

2.3 PD組各核團Phase值的變化

與HC組相比，蒼白球、黑質(zhì)、紅核、尾狀核頭的Phase值下降，PD組右側(cè)殼核Phase值升高，且差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)；左側(cè)殼核的Phase值雖然有升高，但這種改變差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，見表2。

2.4 PD組各核團Phase值與DKI參數(shù)的相關(guān)性分析

將PD組各灰質(zhì)核團Phase值與其相應(yīng)的DKI參數(shù)進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)左殼核的Phase值與FA值之間存在負相關(guān)性(r=-0.437，P=0.009)；紅核的Phase值與Da值、黑質(zhì)的Phase值與Kr值之間存在正相關(guān)性(r=0.349，P=0.030；r=0.414，P=0.009)；其他核團的Phase值與相應(yīng)DKI參數(shù)值未見明顯相關(guān)性，具體結(jié)果見表3。左殼核、黑質(zhì)的Phase值與其相關(guān)DKI參數(shù)值的散點圖見圖4、5。

表2 PD組與HC組的Phase值對比Tab.2 Comparison of phase value between PD and HC groups

圖1 PD患者，男，56歲，病程7年。A、B：雙側(cè)尾狀核頭、殼核、蒼白球及紅核、黑質(zhì)測量層面的T2 FLAIR圖；雙側(cè)尾狀核頭(彎箭)、雙側(cè)蒼白球(直箭)的MK測量圖(C)、MD測量圖(D)、FA測量圖(E) 圖2 雙側(cè)蒼白球、殼核、尾狀核頭測量層面的FPI圖 圖3 雙側(cè)黑質(zhì)、紅核測量層面的FPI圖Fig.1 A typical PD patient, male, 56 years old, has been diagnosed Parkinson's disease for 7 years. A, B: T2 FLAIR image; MK maps (C), MD maps (D) and FA maps (E) of bilateral globus pallidus (straight arrow) and head of caudate nucleus (curved arrow). Fig.2 Filtered phase image of globus pallidus, putamen and head of caudate nucleus. Fig.3 Filtered phase image of red nucleus and substantia nigra.

表3 各部位Phase值與相應(yīng)各DKI參數(shù)的相關(guān)性分析Tab.3 The correlation between phase value and DKI parameters of each nucleus in PD group

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，PD組多個核團的Phase值與擴散參數(shù)較HC組均有明顯差異；同時，部分核團的Phase值與DKI參數(shù)間具有一定的相關(guān)性。也就是說，帕金森病患者腦灰質(zhì)核團內(nèi)有微結(jié)構(gòu)的變化以及鐵的過量沉積，且二者之間具有一定的相關(guān)性。

PD患者的病理過程改變包括黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性、缺失，殘存神經(jīng)元內(nèi)嗜酸性包涵體形成，變性神經(jīng)元周圍小膠質(zhì)細胞激活、聚集及損傷神經(jīng)元的修復(fù)等[2，13-15]。病理研究已證實PD患者存在灰質(zhì)核團(黑質(zhì)、紅核)內(nèi)鐵的過度沉積，另有研究發(fā)現(xiàn)PD患者存在皮層、基底節(jié)和中腦3個水平上的腦萎縮；病理改變的發(fā)生最先出現(xiàn)在腦干，經(jīng)過邊緣系統(tǒng)，最終出現(xiàn)在大腦皮層。

本研究所有受試者中，PD組中殼核Phase值存在側(cè)別差異，表現(xiàn)為左側(cè)殼核較右側(cè)略高，兩組其余各個核團的Phase值均沒有側(cè)別差異。苗延巍等[16]對正常人腦的SWI研究中發(fā)現(xiàn)，殼核右側(cè)鐵沉積量略高于左側(cè)，左側(cè)尾狀核頭的鐵沉積量明顯高于右側(cè)；左側(cè)蒼白球、丘腦和黑質(zhì)的鐵沉積量略高于右側(cè)，但這些改變差異均無統(tǒng)計學(xué)意義；雙側(cè)額、頂、枕葉白質(zhì)內(nèi)的鐵分布無差異。本組研究中，在HC組中未發(fā)現(xiàn)此差異，而PD組中雙側(cè)殼核Phase值的差異卻存在統(tǒng)計學(xué)意義，這一差異與病例數(shù)較少有一定的關(guān)系，不能由此推測帕金森病患者的雙側(cè)殼核存在鐵沉積的差異。

本研究發(fā)現(xiàn)，PD患者尾狀核頭、蒼白球、紅核及黑質(zhì)的Phase值均較HC組低，即PD患者多個灰質(zhì)核團內(nèi)出現(xiàn)鐵的過量沉積。利用SWI測量腦組織結(jié)構(gòu)的Phase值來推算腦鐵含量已經(jīng)被眾多研究者所認(rèn)可。近期，有學(xué)者采用7.0 T磁共振應(yīng)用3D-SWI成像技術(shù)對黑質(zhì)亞結(jié)構(gòu)的鐵沉積研究顯示，黑質(zhì)的鐵沉積能夠準(zhǔn)確鑒別帕金森病患者與健康人[17]。然而，近年來有研究發(fā)現(xiàn)SWI在定量測量方面存在不足，由于有“雙極性磁場”的作用，Phase值的測量準(zhǔn)確性和可重復(fù)性都不夠理想。為了改善SWI定量測量的不足，國外學(xué)者設(shè)計并改進了新的序列：定量磁敏感成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)。Liu等[18]采用QSM技術(shù)對正常人腦深部灰質(zhì)核團的鐵沉積隨年齡的變化進行定量研究，得到了磁化率與鐵濃度之間的定比關(guān)系，認(rèn)為應(yīng)用QSM能更好地對腦鐵進行定量分析。

DKI是DTI的擴展技術(shù)，基于水分子運動的非高斯分布(非高斯擴散)的前提，可以量化真實水分子擴散與理想的高斯分布擴散的位移偏離大小，更利于顯示神經(jīng)細胞數(shù)量、組織結(jié)構(gòu)分布的顯微改變，對灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的細微改變也更加敏感。Wang等[19]應(yīng)用DKI測量帕金森病患者的黑質(zhì)、殼核、蒼白球、尾狀核，發(fā)現(xiàn)PD患者殼核的MK值高于對照組，同側(cè)黑質(zhì)的MK值最具診斷價值(平均界值為1.10，敏感度為0.92，特異度為0.87)；而FA值在黑質(zhì)有改變，但其他核團則無改變，說明DKI對灰質(zhì)核團復(fù)雜性的檢測明顯優(yōu)于DTI。本研究利用DKI定量分析阿爾茨海默病腦灰質(zhì)核團，認(rèn)為DKI可以定量評估灰質(zhì)核團微結(jié)構(gòu)狀況，蒼白球的Dr值是鑒別AD與健康者的最佳指標(biāo)[20]。

本研究中紅核的Phase值與Da值、黑質(zhì)的Phase值與Kr值之間存在不同程度的正相關(guān)性，其中黑質(zhì)的Phase值與Kr值相關(guān)性最大。推測其原因可能是由于黑質(zhì)內(nèi)鐵過量沉積引起多巴胺能神經(jīng)元變性、丟失，造成組織結(jié)構(gòu)相對松散；同時，小膠質(zhì)細胞聚集、增生，損傷神經(jīng)元的修復(fù)，又使局部組織結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜化。左殼核的Phase值與FA值之間存在負相關(guān)性，殼核的損傷有鐵沉積增加的直接原因，也有黑質(zhì)損傷后經(jīng)神經(jīng)傳導(dǎo)通路所致的間接損傷所致，由于鐵沉積對腦的易損區(qū)主要在黑質(zhì)，殼核的損傷則是以間接損傷為主。

本研究中病例數(shù)相對較少，以后需進一步增加樣本量進行研究分析；本研究中未考慮藥物治療對腦微結(jié)構(gòu)的影響，對測試結(jié)果有造成一定程度的干擾的可能性。

圖4 黑質(zhì)Phase值與Kr值的散點圖 圖5 左殼核Phase值與FA值的散點圖Fig.4 The correlation between phase and Kr value of substantia nigra. Fig.5 The correlation between phase and FA value of left putamen

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