彌散張量成像聯(lián)合磁共振波譜在顱腦損傷昏迷患者預(yù)后評(píng)定中的應(yīng)用

張曉峰，張明文，于志虎，朱林，周雁玲

南方醫(yī)科大學(xué)附屬小欖醫(yī)院神經(jīng)外科，廣東中山528415

前言

人類(lèi)意識(shí)包括覺(jué)醒和高級(jí)意識(shí)活動(dòng)［1］。網(wǎng)狀上行激活系統(tǒng)（Ascending Reticular Activating System,ARAS）位于腦干連接丘腦、額葉底面和大腦皮層，是維持覺(jué)醒的關(guān)鍵。顱腦損傷后原發(fā)和/或繼發(fā)損傷侵及ARAS 后，會(huì)導(dǎo)致患者出現(xiàn)不同程度的意識(shí)障礙［2］。目前還沒(méi)有創(chuàng)傷性腦損傷（Traumatic Brain Injury,TBI）后昏迷患者意識(shí)恢復(fù)情況的預(yù)判方法，但神經(jīng)影像技術(shù)的發(fā)展給我們提供一個(gè)新的角度來(lái)認(rèn)識(shí)意識(shí)障礙。

TBI 致殘患者中，40.0%～87.5%存在彌漫軸索損傷。彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）是利用水分子彌散運(yùn)動(dòng)的各向異性作為成像原理的磁共振技術(shù)，能間接反映神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)的變化，可很好地評(píng)價(jià)外傷后軸索損傷情況［3］。有研究探討了DTI參數(shù)變化與昏迷程度之間的相關(guān)性［4］，研究也多使用彌散各向異性（Fractional Anisotropy,FA）及表觀彌散系數(shù)（Apparent Diffusion Coefficient,ADC）作為參數(shù)進(jìn)行評(píng)估［5-6］，但是大多數(shù)研究對(duì)昏迷病人的長(zhǎng)期觀察不足。Cecil等［7］通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在顱腦損傷幾分鐘內(nèi)，乙酰天門(mén)冬氨酸NAA出現(xiàn)下降并在48 h達(dá)到最低，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁共振波譜（Magnetic Resonance Spectrum, MRS）也可以反映腦損傷的嚴(yán)重程度。雖既往的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)MRS與腦損傷的嚴(yán)重程度相關(guān)［8］，但對(duì)昏迷患者的臨床預(yù)后研究仍顯不足。

為了分析昏迷病人腦內(nèi)感興趣區(qū)DTI 參數(shù)的時(shí)空變化，本研究采用了以下4 個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究：（1）FA，代表空間內(nèi)水分子彌散的特征，用來(lái)反映組織結(jié)構(gòu)的方向性；（2）平均彌散系數(shù)（Mean Diffusivity,MD），三軸方向彌散系數(shù)的平均值，用來(lái)反映感興趣區(qū)組織內(nèi)水分含量變化；（3）軸向彌散系數(shù)（Axial Diffusivity,Da），用來(lái)反映軸突傳導(dǎo)方向上的結(jié)構(gòu)變化；（4）徑向彌散系數(shù)（Radial Diffusivity,Dr），用來(lái)反映在彌散受限方向上的平均彌散系數(shù)（與Dr 垂直方向），Dr 升高能反映出纖維上少突膠質(zhì)細(xì)胞的損傷，從而減弱對(duì)垂直方向上彌散的限制。同時(shí)本研究也結(jié)合MRS 的變化，測(cè)定乙酰天門(mén)冬氨酸NAA（反映神經(jīng)元的密度和活性）、膽堿CHO（反映神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的變化）、肌酐Cr（在維持細(xì)胞能量代謝中起到重要作用）和乳酸Lac（無(wú)氧代謝的標(biāo)志）。神經(jīng)外科通常應(yīng)用修訂版昏迷恢復(fù)量表（Coma Recovery Scale-Revised, CRS-R）以及改良格拉斯哥預(yù)后評(píng)分（Modified Glasgow Outcome Score,mGOS）對(duì)腦損傷患者進(jìn)行預(yù)后評(píng)估［9-11］，MRS和DTI可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)CT和MRI 不能檢出的解剖和代謝變化，并在昏迷不同時(shí)期測(cè)量上述參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，對(duì)于損傷預(yù)后的判斷更加精準(zhǔn)［7,12］。

本研究通過(guò)將TBI 患者急性期及慢性期DTI 和MRS的定量分析參數(shù)與恢復(fù)期的神經(jīng)功能評(píng)分進(jìn)行分析，探討DTI 聯(lián)合MRS 在急性期及慢性期對(duì)昏迷TBI患者預(yù)后的評(píng)估。

1 病例與方法

1.1 病例選取

選取10例意識(shí)程度不同而且住院觀察超過(guò)兩周的TBI患者（男5例，女5例），平均年齡為45.5歲（表1）。在入組時(shí)要求患者各項(xiàng)生命體征平穩(wěn)且在顱腦損傷后72 h內(nèi)到南方醫(yī)科大學(xué)附屬小欖醫(yī)院神經(jīng)外科接受治療，以排除不同治療方案所帶來(lái)的偏差。正常對(duì)照組選取與患者年齡、性別以及教育程度匹配的健康人（男5例，女5例），平均年齡為48.0歲。

表1 入組患者的基礎(chǔ)信息Tab.1 General clinical information of enrolled patients

如果存在以下情況的將予以排除：（1）既往有神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史患者；（2）外傷合并低氧血癥患者；（3）磁共振檢查禁忌癥的患者，如體內(nèi)有金屬異物或植入物。

1.2 數(shù)據(jù)采集

入組患者于急性期（入院后第2周）和慢性期（入院后第4 周及以后）分別行影像學(xué)檢查，并在恢復(fù)期（出院3月后）評(píng)定病人恢復(fù)情況。正常對(duì)照組選取健康人，僅進(jìn)行一次影像學(xué)檢查。影像學(xué)檢查包括常規(guī)磁共振檢查（T1WI、T2WI、FLAIR序列檢查）、DTI及MRS。

數(shù)據(jù)收集使用GE Signa Excite HD 1.5 T超導(dǎo)型磁共振掃描儀進(jìn)行全腦檢查，掃描序列包括T1WI（TR/TE=400 ms/15 ms）、T2WI（TR/TE=3 000 ms/100 ms）、DTI（TR/TE=10 000 ms/95 ms、Matrix=128*128、FOV=24、層厚=4 mm、層間距=0 mm）及MRS（TR/TE=10 000 ms/95 ms、Matrix=128*128、FOV=24、層厚=4 mm、層間距=0 mm、磁場(chǎng)強(qiáng)度=500 T/m、梯度切換率=150 mT/ms、TR/TE=5 000 ms/980 ms、層厚=5 mm、層間距=1.0 mm）。

通過(guò)FSL v.5.0在T1上定位并繪制4個(gè)腦區(qū)：丘腦板內(nèi)核、網(wǎng)狀核和ARAS相關(guān)腦區(qū)（橋腦、延髓），每個(gè)腦區(qū)繪制3 次感興趣區(qū)，并將制作的感興趣區(qū)導(dǎo)入ADW4.4 工作站，使用Functool 軟件結(jié)合DTI 行數(shù)據(jù)后處理，測(cè)量并獲得感興趣區(qū)的FA、MD、Da、Dr，取3次感興趣區(qū)測(cè)量值的平均值。通過(guò)MRS 測(cè)量上述4個(gè)腦區(qū)的NAA、Cr、CHO、Lac 變化。影像資料的整理及質(zhì)量控制將由兩個(gè)影像科醫(yī)生共同完成。

1.3 隨訪數(shù)據(jù)收集

安排入組病人隨訪，傷后3個(gè)月到醫(yī)院門(mén)診復(fù)查的同時(shí)采用CRS-R和GOS-R來(lái)評(píng)估預(yù)后情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 20.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。TBI后不同時(shí)期所測(cè)得到的各感興趣區(qū)DTI參數(shù)（FA、MD、Da、Dr）和MRS 參數(shù)（NAA、Cr、CHO、Lac）與正常對(duì)照組進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；患者急性期和慢性期之間的比較使用配對(duì)t檢驗(yàn)；各參數(shù)與CRS-R、mGOS 評(píng)分進(jìn)行Spearman 相關(guān)分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 DTI 分析

2.1.1 急性期與慢性期比較在急性期與慢性期比較中，F(xiàn)A在慢性期高于急性期，MD在慢性期升高。相比急性期，網(wǎng)狀核和板內(nèi)核的Da 在慢性期有所恢復(fù)。橋腦和延髓內(nèi)未發(fā)現(xiàn)顯著區(qū)別。4 個(gè)感興趣區(qū)內(nèi)的Dr在慢性期下降明顯。表2為各感興趣區(qū)急性期與慢性期DTI參數(shù)的配對(duì)t檢驗(yàn)的結(jié)果。

表2 急性期與慢性期DTI參數(shù)的配對(duì)t檢驗(yàn)Tab.2 Results of paired t-test on DTI parameters between the acute stage and the chronic stage

2.1.2 急性期和慢性期與正常對(duì)照組比較急性期FA 與MD 都明顯低于正常對(duì)照組，但是在慢性期的丘腦感興趣內(nèi)FA 與正常對(duì)照之間沒(méi)有顯著區(qū)別，MD 依然低于正常對(duì)照組。Da 在急性期顯著下降。在慢性期，橋腦及延髓內(nèi)依然顯著低于正常對(duì)照組。急性期Dr 在4 個(gè)感興趣區(qū)內(nèi)都明顯升高，而昏迷患者慢性期和正常對(duì)照者間丘腦內(nèi)Dr未見(jiàn)明顯區(qū)別。表3為各感興趣區(qū)急性期與慢性期DTI 參數(shù)與正常對(duì)照組的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果。

表3 TBI患者急性期與慢性期DTI參數(shù)與正常對(duì)照組的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)Tab.3 Results of independent sample t-test on DTI parameters between patients with TBI in the acute and chronic stages and normal controls

2.1.3 DTI參數(shù)與臨床數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析通過(guò)與恢復(fù)期的臨床評(píng)分的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)急性期腦橋、延髓的FA、丘腦內(nèi)的MD與恢復(fù)期CRS-R及mGOS之間未發(fā)現(xiàn)相關(guān)性，但在慢性期，他們與臨床意識(shí)評(píng)分的相關(guān)性明顯。除此以外，在急性期和慢性期中，其他的參數(shù)（Da和Dr）與CRS-R及mGOS都表現(xiàn)出了很好的相關(guān)性（表4）。

表4 DTI參數(shù)與恢復(fù)期CRS-R及mGOS的相關(guān)分析Tab.4 Results of correlation analysis on DTI parameters and CRS-R or mGOS

2.2 MRS分析

2.2.1 急性期與慢性期比較急性期NAA/CHO（除橋腦內(nèi)的NAA/CHO以外），CHO/Cr和慢性期之間有顯著區(qū)別，急性期期橋腦和延髓的NAA/Cr與慢性期之間沒(méi)有區(qū)別（表5）。本研究中只有1 例出現(xiàn)Lac 峰，隨訪時(shí)為植物生存狀態(tài)，因?yàn)橹挥? 例，在接下來(lái)的分析中并未將此參數(shù)納入。

表5 急性期與慢性期MRS參數(shù)的配對(duì)t檢驗(yàn)Tab.5 Results of paired t-test on MRS parameters between the acute stage and chronic stage

2.2.2 與正常對(duì)照組相比與正常對(duì)照組相比，急性期中NAA/Cr 和NAA/CHO 顯著下降，而CHO/Cr 顯著上升。在急性期中MRS參數(shù)與正常對(duì)照組之間存在明顯區(qū)別，但在慢性期中橋腦及延髓部位的NAA/Cr 以及丘腦內(nèi)的NAA/CHO、CHO/Cr 與正常對(duì)照組之間沒(méi)有明顯區(qū)別（表6）。

2.2.3 MRS參數(shù)與臨床數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析在與恢復(fù)期的臨床參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)CHO/Cr 僅在慢性期的腦干ARAS中表現(xiàn)出與預(yù)后的相關(guān)性，其余兩項(xiàng)均在在急性期及慢性期都有與恢復(fù)期預(yù)后評(píng)分之間存在相關(guān)性。除急性期丘腦內(nèi)的NAA/CHO 沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的預(yù)后相關(guān)外，其余感興趣區(qū)的參數(shù)都表現(xiàn)出與預(yù)后的良好相關(guān)性（表7）。

3 討論

本研究通過(guò)將急性期及慢性期的DTI及MRS參數(shù)與患者傷后3 個(gè)月的臨床評(píng)分結(jié)合進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：（1）昏迷TBI患者的DTI與MRS參數(shù)與正常對(duì)照者間存在顯著區(qū)別；（2）慢性期DTI 及MRS 能提示TBI 昏迷患者的預(yù)后情況；（3）ARAS 內(nèi)的參數(shù)恢復(fù)慢于丘腦內(nèi)的參數(shù)恢復(fù)；（4）ARAS 參數(shù)能更好地預(yù)判腦損傷昏迷病人的預(yù)后情況。

對(duì)TBI 昏迷患者的DTI 分析顯示在急性期，ARAS 及丘腦內(nèi)的參數(shù)都與正常對(duì)照組存在顯著區(qū)別，但是ARAS 內(nèi)的參數(shù)恢復(fù)比丘腦內(nèi)的慢，在慢性期內(nèi)各參數(shù)隨著病情的穩(wěn)定逐步好轉(zhuǎn)。丘腦內(nèi)除MD外的參數(shù)都與正常對(duì)照者基本相同，但橋腦和延髓的Da與正常對(duì)照者仍有差異，Da在慢性期內(nèi)與正常對(duì)照者間存在顯著區(qū)別，但在急性期內(nèi)并無(wú)顯著區(qū)別，這驗(yàn)證了ARAS 在意識(shí)發(fā)生維持中的重要作用，將該系統(tǒng)內(nèi)多部位的Da 作為對(duì)意識(shí)判斷的參數(shù)具有很重要的臨床意義，Li 等［13］也發(fā)現(xiàn)了Da 能對(duì)腦外傷病情進(jìn)行判斷的作用。

表6 TBI患者急性期與慢性期MRS參數(shù)與正常對(duì)照組的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)Tab.6 Results of independent sample t-test on MRS parameters between patients with TBI in the acute and chronic stages and normal controls

表7 MRS參數(shù)與恢復(fù)期CRS-R及mGOS的相關(guān)分析Tab.7 Results of correlation analysis on MRS parameters and CRS-R or mGOS

在DTI與預(yù)后情況的分析中，慢性期的各項(xiàng)DTI參數(shù)具有一定的預(yù)判作用［14］。Tollard 等［15］也提出亞急性期DTI 及MRS 能對(duì)預(yù)后有較好的預(yù)判，但并未針對(duì)腦內(nèi)ARAS 進(jìn)行分析。在急性期的參數(shù)與預(yù)后之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性。通過(guò)分析患者損傷部分，其中額葉損傷最多，大部分患者額葉損傷后出現(xiàn)的腦水腫會(huì)累及深部腦區(qū)，而丘腦就在其中，丘腦部位的腦水腫可能是導(dǎo)致其在急性期與預(yù)后相關(guān)分析不佳的原因之一。如果能排除腦水腫的干擾，DTI能夠更好地判斷病情發(fā)展。腦干的位置以及生理功能支持其作為判斷損傷后意識(shí)恢復(fù)狀況的潛在部位［16］。

既往TBI相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)MRS與重癥腦損傷預(yù)后之間的關(guān)系［17］，特別是NAA/Cr在病情預(yù)后分析中的作用［18］。但既往研究多為單一部位的研究，而且沒(méi)有結(jié)合DTI 進(jìn)行分析。本研究采用多模態(tài)結(jié)合分析能更好地呈現(xiàn)MRS在腦損傷預(yù)后判斷中的作用。本研究發(fā)現(xiàn)在昏迷病人的MRS變化中，急性期的NAA/Cr 和NAA/CHO 下降但CHO/Cr 上升。在慢性期中，ARAS 內(nèi)NAA/Cr以及丘腦部位的NAA/CHO 和CHO/Cr與正常對(duì)照者沒(méi)有明顯區(qū)別，這佐證了本研究中DTI分析的結(jié)果，即ARAS的參數(shù)恢復(fù)慢于丘腦的參數(shù)恢復(fù)，從而可以解釋病人在腦損傷后出現(xiàn)長(zhǎng)久昏迷狀態(tài)的原因。Nakabayashi等［19］發(fā)現(xiàn)在創(chuàng)傷一周后CHO/Cr 才出現(xiàn)明顯的改變，而在本研究中，病人影像的掃描時(shí)間在第二周及第四周，此時(shí)CHO/Cr的水平已經(jīng)開(kāi)始上升，與Nakabayashi 等［19］的研究并不矛盾。

Holshouser 等［11］發(fā)現(xiàn)急性期小兒腦損傷的預(yù)后與丘腦相關(guān)部分的NAA/CHO 和CHO/Cr 的相關(guān)性差。本研究也發(fā)現(xiàn)慢性期內(nèi)NAA/CHO和CHO/Cr對(duì)腦損傷預(yù)后判斷沒(méi)有NAA/Cr的效果好，此結(jié)果支持了Choe等［20］的研究結(jié)果，NAA/Cr在急性期及慢性期都與預(yù)后相關(guān)，這也驗(yàn)證了Carpentier等［21］的研究，急性期對(duì)于預(yù)后的判斷可以結(jié)合ARAS 中的NAA/CHO 共同分析，慢性期可以結(jié)合丘腦上的參數(shù)變化。此外，在Holshouser 等［11］發(fā)現(xiàn)全腦的CHO/Cr 與預(yù)后相關(guān)，本研究也發(fā)現(xiàn)病人慢性期ARAS 的CHO/Cr與預(yù)后之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

本研究并沒(méi)有進(jìn)行全腦數(shù)據(jù)的綜合分析，也沒(méi)有將病人的創(chuàng)傷類(lèi)型考慮在內(nèi)，而且僅選擇了10 例患者。在未來(lái)的研究中，我們將會(huì)補(bǔ)充更多的病例，并針對(duì)損傷機(jī)制進(jìn)行討論分析，從而更客觀地分析昏迷TBI患者的預(yù)后。