DTI各向異性分?jǐn)?shù)與橢球面積比在兒童特發(fā)性全面性癲癇中的比較研究

張玉珍，尹秋鳳，鄭慧，周敏雄，徐冬溶，劉明，汪登斌

特發(fā)性全面性癲癇(idiopathic generalized epilepsy,IGE)患者頭顱常規(guī)MRI表現(xiàn)通常并無(wú)明顯異常，但在腦電圖(electroencephalogram,EEG)上可以檢測(cè)到致癇區(qū)和某些部位的癇樣波[1]。1994年，Basser等[2]首次引入了擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技術(shù)來(lái)分析MRI上水分子的擴(kuò)散信息。DTI在全腦結(jié)構(gòu)連接異常的識(shí)別中具有重要作用，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于癲癇繼發(fā)腦白質(zhì)異常的研究中[3]。DTI技術(shù)可測(cè)量多種參數(shù)反映組織的各向異性，最常用的參數(shù)有表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)、各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy,FA)、相對(duì)各向異性分?jǐn)?shù)(relative anisotropy,RA)和平均擴(kuò)散率(mean diffusivity,MD)。研究證明FA和MD在描述IGE患者腦白質(zhì)完整性及異常方面具有較高敏感性[1,3-6]。

盡管FA和MD已被廣泛運(yùn)用于臨床研究，但它們對(duì)各向異性的量化還是存在一些不足。腦白質(zhì)中由于髓鞘等組織的阻礙，在垂直方向上水分子擴(kuò)散的受限程度遠(yuǎn)大于與纖維走行一致方向上，即其具有較高的各向異性，此時(shí)擴(kuò)散張量可描述為橢球體。擴(kuò)散張量橢球面積比(ellipsoidal area ratio,EAR)是一種類(lèi)似于FA的參數(shù)，反映了沿各個(gè)方向擴(kuò)散的趨勢(shì)，加入了擴(kuò)散橢球的表面積信息作為修正，對(duì)噪聲的敏感性較低，可以克服FA的一些缺陷，相對(duì)反映擴(kuò)散橢球的實(shí)際形狀，更容易看到差異顯著性，進(jìn)而定量描述其對(duì)應(yīng)的生物學(xué)擴(kuò)散特征[7-10]。

目前關(guān)于EAR的研究報(bào)道較少[10-12]。本研究中基于體素分析(voxel-based analysis,VBA)方法，對(duì)IGE及年齡、性別相匹配的正常對(duì)照組(normal control,NC)的兒童被試進(jìn)行全腦白質(zhì)FA及EAR的測(cè)量和比較，探討這兩種各向異性指標(biāo)對(duì)IGE腦白質(zhì)病的診斷價(jià)值，并比較圖像信噪比。

材料與方法

1.一般資料

本組33例IGE患兒，男16例，女17例，經(jīng)臨床診斷、經(jīng)頭皮EEG或24小時(shí)視頻EEG檢查明確診斷。癲癇發(fā)作時(shí)臨床主要表現(xiàn)為一側(cè)或雙側(cè)肢體抽搐為主，伴有其它癲癇發(fā)作癥狀，如口吐白沫、突發(fā)失神、呼之不應(yīng)、睜眼和凝視等。常規(guī)EEG診斷一側(cè)或兩側(cè)半球尖波、棘波、尖慢波和棘慢波；3例常規(guī)EEG診斷為陰性，行24小時(shí)視頻EEG檢查，顯示顳葉有癇樣波。

在EEG檢查后2～14 d行頭顱MRI檢查。選擇行DTI檢查的條件：①出現(xiàn)癲癇各種臨床表現(xiàn)，無(wú)癲癇家族病史。除外腦血管病、腫瘤、外傷等病變所致；②無(wú)小兒熱痙攣史，無(wú)腦炎、腦膜炎史；③無(wú)各種原因所致的智能障礙；④無(wú)腦缺氧史；⑤無(wú)長(zhǎng)期低血糖史；⑥無(wú)精神病史；⑦發(fā)作間期EEG或24小時(shí)視頻EEG顯示單側(cè)或雙側(cè)癲癇波；⑧符合以上7條行頭顱常規(guī)MRI掃描未見(jiàn)明顯病灶者。另外，將32例年齡及性別與患者組相匹配的健康兒童納入對(duì)照組。IGE患者的主要臨床表現(xiàn)為頭痛或頭暈。所有被試的運(yùn)動(dòng)、聽(tīng)力和視力均正常，常規(guī)MRI表現(xiàn)無(wú)明顯異常。

根據(jù)發(fā)作間期EEG或24小時(shí)視頻EEG對(duì)癇樣放電(interictal epileptiform discharges,IED)的定側(cè)結(jié)果，將33例IGE患兒分為3個(gè)亞組：癇樣波位于雙側(cè)大腦半球15例(IGE-A組)，位于左側(cè)大腦半球9例(IGE-B組)、位于右側(cè)大腦半球9例(IGE-C組)。IGE-A、IGE-B和IGE-C三組中分別有4例、2例和4例患兒出現(xiàn)癲癇發(fā)作時(shí)意識(shí)喪失。根據(jù)各亞組患兒的平均年齡和性別分布，將對(duì)照組的32例兒童分為與其相匹配的3個(gè)亞組：NC-A組(18例)、NC-B組(n=18例)和NC-C組(18例)。其中病例-A組和NC-A組的臨床數(shù)據(jù)已在我們發(fā)表的文章中使用[13]。

本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有被試的監(jiān)護(hù)人簽署了書(shū)面知情同意書(shū)。

2.影像檢查方法

使用GE Signa Horizon LX 3.0T磁共振儀和八通道相控陣頭部線圈。在IGE組及對(duì)照組中各有16例小于3歲無(wú)法自然入睡的患兒，給予口服10%水合氯醛溶液(0.5 mL/kg)，待其鎮(zhèn)靜入睡后進(jìn)行MRI檢查。本研究中主要包括4個(gè)成像序列，分別是DWI、全腦快速擾相梯度回波序列(fast spoiled gradient echo,FSPGR)T1WI、液體反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid-attenuated inversion-recovery,FLAIR)T2WI和矢狀面FSET2WI 。DWI掃描參數(shù)：b值為0和1000 s/mm2，擴(kuò)散編碼向量沿25個(gè)非平行方向，TR 14000 ms，TE 76.9 ms，層厚2.5 mm，間距0 mm，視野24.0 cm×16.8 cm，矩陣96×96，激勵(lì)次數(shù)1；橫軸面FSPGR序列：TR 713 ms，TE 2.2 ms，TI 450 ms，層厚1.0 mm，間距0.5 mm，矩陣320×256，翻轉(zhuǎn)角15°；橫軸面FLAIR序列T2WI：TR 8002 ms，TE 153.9 ms，層厚5.0 mm ，間距1.5 mm，矩陣320×192；矢狀面FSE T2WI：TR 2560 ms，TE 116.6 ms，層厚5.0 mm，間距2.0 mm，矩陣384×224；后3個(gè)序列視野均為24.0 cm×24.0 cm，激勵(lì)次數(shù)1。

3.數(shù)據(jù)后處理及分析

使用FSL軟件對(duì)DWI圖像進(jìn)行預(yù)處理[14]。使用FSL中的“渦流校正”工具對(duì)DWI圖像的渦流畸變進(jìn)行校正，“BET”工具去除非腦區(qū)域，最后利用自行開(kāi)發(fā)的軟件計(jì)算FA和EAR參數(shù)[9]。

4.圖像配準(zhǔn)

本研究創(chuàng)建了一個(gè)特定于兒童的正常頭顱模板，通過(guò)最小化正常兒童數(shù)據(jù)到模板的變形量來(lái)提高組間配準(zhǔn)的質(zhì)量[15]。所有的圖像配準(zhǔn)過(guò)程基于SPM8軟件。主要步驟：首先，根據(jù)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院對(duì)正常大腦發(fā)育的研究創(chuàng)建使用基于SPM的工具箱模板TOM[16-17]。然后使用統(tǒng)一分割方法(SPM8中的工具箱)將NC組兒童腦的S0圖像配準(zhǔn)到組織概率模板中[18]。對(duì)已配準(zhǔn)的S0圖像進(jìn)行平均及8 mm半高全寬(full width at half maximum,FWHM)高斯核平滑處理，得到特定的S0模板。所有對(duì)象的S0圖像使用標(biāo)準(zhǔn)化工具SPM8與特定組內(nèi)對(duì)象S0模板進(jìn)行非線性配準(zhǔn)，并將由此產(chǎn)生的變形場(chǎng)應(yīng)用于其相應(yīng)的FA、EAR圖像。最后對(duì)配準(zhǔn)參數(shù)圖進(jìn)行平滑處理。

5.統(tǒng)計(jì)方法

對(duì)所有已配準(zhǔn)和平滑的FA和EAR圖像進(jìn)行VBA分析。采用兩樣本t檢驗(yàn)比較各IGE亞組與相應(yīng)的對(duì)照亞組之間各定量參數(shù)的差異。以P<0.001和超過(guò)50個(gè)體素簇(pixel，Px)被認(rèn)為是有顯著差異性的區(qū)域。

結(jié) 果

IGE組和對(duì)照組的基本臨床資料的比較見(jiàn)表1?；颊呓M與對(duì)照組的3對(duì)配對(duì)亞組之間年齡及性別的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 IGE組與對(duì)照組的3個(gè)配對(duì)亞組之間臨床特征的比較

與對(duì)照組中配對(duì)亞組比較，IGE組中3個(gè)亞組的FA和EAR顯示有異常改變的腦區(qū)(≥50 Px)分布見(jiàn)表2～4。IGE-A組：15例中癇樣波在兩側(cè)大腦半球各腦葉均有分布8例，位于雙側(cè)額葉、顳葉和額枕葉各2例，雙側(cè)枕葉1例。FA偽彩圖顯示，左側(cè)大腦半球的白質(zhì)及灰質(zhì)內(nèi)均存在FA值減低區(qū)域(536 Px)，集中分布于3個(gè)區(qū)域，尤其是額葉和顳葉內(nèi)，具體分布部位及體素簇大小見(jiàn)表2。這些差異已經(jīng)在我們之前發(fā)表的論文中列出[13]。EAR偽彩圖顯示，EAR值異常區(qū)域的數(shù)量要多于FA圖(圖1)。EAR值異常區(qū)域同時(shí)存在于兩側(cè)大腦半球，集中分布于5個(gè)區(qū)域，左側(cè)大腦半球異常區(qū)域體素簇之和為316 Px，右側(cè)大腦半球異常區(qū)域體素簇之和為322 Px，具體部位及體素簇大小分布見(jiàn)表2。

表2 IGE-A組與NC-A組FA、EAR異常區(qū)域的比較

IGE-B組：9例中異常癇樣波散在分布于左側(cè)半球2例，左顳葉6例，左額葉和顳中回1例。FA和EAR異常區(qū)的分布及體素簇大小見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，F(xiàn)A及EAR異常區(qū)域的體素簇均較小，主要位于左側(cè)半球白質(zhì)，前者為70 Px，后者為89 Px；FA減低區(qū)域主要為梭狀回和枕葉；EAR異常區(qū)域還包括腦回下區(qū)和左額葉。部分FA異常區(qū)的體素范圍小于對(duì)應(yīng)的EAR異常區(qū)(圖2)。

IGE-C組：9例患兒中癇樣波廣泛分布于右側(cè)大腦半球2例，位于右顳葉4例、中央回和右顳葉3例。FA和EAR異常區(qū)的分布及體素簇大小見(jiàn)表3。

表3 IGE-B組與NC-B組的FA、EAR異常區(qū)域的比較

FA圖顯示左側(cè)大腦半球異常區(qū)域較小(50和60Px)。EAR異常區(qū)域(169Px)位于左側(cè)大腦半球，以顳葉為主，灰質(zhì)和白質(zhì)內(nèi)均存在。EAR異常區(qū)域的體素均比FA大(圖3)。

本研究中IGE-A組和IGE-B組的結(jié)果(表2、3)顯示FA及EAR異常區(qū)域與腦電圖所顯示的區(qū)域基本符合，但更具體；而IGE-C組的結(jié)果(表4)顯示FA和EAR異常區(qū)域均位于左側(cè)大腦半球，與腦電圖的結(jié)果不符。3組的EAR圖與FA圖的對(duì)比信噪比相似，而EAR圖像比FA更平滑(圖1～3)。

表4 IGE-C組與NC-C組的FA、EAR異常區(qū)域的比較

討 論

在過(guò)去二十年中，DTI已經(jīng)成為一種廣泛使用的MR成像技術(shù)，可通過(guò)測(cè)量水分子擴(kuò)散來(lái)觀察白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，擴(kuò)散指標(biāo)如FA、RA、MD等用來(lái)測(cè)量不同腦組織區(qū)域擴(kuò)散各向異性的程度，還可提供不同組織中細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征和細(xì)胞內(nèi)外成分的量化信息[19]。研究已發(fā)現(xiàn)IGE患者的癇樣放電區(qū)域的擴(kuò)散各向異性指標(biāo)有異常改變，如FA減低及MD增高[1,4,5,20]。白質(zhì)纖維髓鞘化的脫失、軸索膜的通透性升高，軸索排列松散等因素可能導(dǎo)致FA的減低；MD增高可能與細(xì)胞密度降低或細(xì)胞外水腫有關(guān)[21-22]。

盡管FA在研究水分子擴(kuò)散、評(píng)估微觀結(jié)構(gòu)方面取得了很大成功，但也存在一定的局限性：FA沒(méi)有充分描述張量橢球面的形態(tài)曲率，由張量方向和FA提供的信息不充分[7]；此外，F(xiàn)A對(duì)噪聲很敏感[9-12]，會(huì)給擴(kuò)散各向異性的量化帶來(lái)偏差[23-24]。EAR是一種與FA相似的擴(kuò)散各向異性指標(biāo)，蒙特卡羅模擬和實(shí)驗(yàn)表明，與FA圖相比，EAR圖具有更高的對(duì)比噪聲比，EAR與擴(kuò)散橢球體曲率和各向異性結(jié)構(gòu)的關(guān)系比FA更直接。在外傷性腦損傷的研究中，無(wú)論是在顯示深部白質(zhì)還是皮層白質(zhì)結(jié)構(gòu)的異常方面，EAR都比FA更敏感[9,11,12,25]。

本研究結(jié)果顯示在3個(gè)IGE組中EAR和FA的異常分布范圍基本相同，但EAR顯示的異常區(qū)域比FA更多、對(duì)變化更為敏感，在檢測(cè)白質(zhì)異常方面略優(yōu)于FA(表2～4)，尤其是在IGE-A組和IGE-C組中。在A組的結(jié)果中，F(xiàn)A顯示的異常均位于左側(cè)半球，而EAR異常區(qū)域兩側(cè)大腦半球均存在，可能與大腦神經(jīng)元之間異常突觸聯(lián)系形成的病理性神經(jīng)環(huán)路，癇樣放電從致癇區(qū)擴(kuò)散至遠(yuǎn)端皮層及對(duì)側(cè)半球引起繼發(fā)性白質(zhì)異常等癲癇復(fù)雜的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。在C組中，腦電圖結(jié)果顯示癲癇樣波位于右側(cè)半球不同區(qū)域，而FA及EAR均顯示異常區(qū)域位于左側(cè)半球，且FA異常區(qū)域的體素簇非常小(表4)，可能也與上述原因有關(guān)，也可能與癲癇病程長(zhǎng)短、本組病例數(shù)量較少等多種因素相關(guān)，有待今后增加病例數(shù)及長(zhǎng)期隨訪來(lái)進(jìn)一步深入研究。

在同一區(qū)域，A組中FA異常體素簇的范圍大于EAR，B組和C組的結(jié)果則相反，F(xiàn)A異常體素簇范圍小于EAR。在A、B組中，EAR圖上顯示的異常腦區(qū)則比FA圖更多。在部分已發(fā)表的研究結(jié)果中，在整個(gè)大腦中EAR異常區(qū)域的體素平均值高于FA[9,11]，可能與各研究樣本的異質(zhì)性差異有關(guān)。EAR采用了一種不同于FA的非線性分析方法，在檢測(cè)白質(zhì)各向異性和纖維束交叉方面較FA更敏感[9-12]。

本研究結(jié)果對(duì)IGE的診斷有一定的證實(shí)和幫助，EAR可作為FA等的補(bǔ)充研究方法，兩者的比較有待在各種腦部病變中進(jìn)一步研究，以確定和解釋其原因。文獻(xiàn)中關(guān)于IGE的研究結(jié)果顯示擴(kuò)散異常區(qū)域包括胼胝體、穹窿、鉤狀束、內(nèi)囊前肢、上下縱束和放射冠等區(qū)域，表現(xiàn)為FA減低、MD增加[4,5,26]，與我們的研究結(jié)果相似。通過(guò)逐層對(duì)比圖像，我們發(fā)現(xiàn)EAR圖像噪聲敏感度低于FA，雖然EAR信噪比相對(duì)較大，但其組織對(duì)比噪聲比與FA相似(圖1～3)，且顯示的腦組織比FA圖更平滑。

本研究也有一些不足之處：首先，IGE患兒的數(shù)量相對(duì)較少，尤其是B組和及C組樣本量均為9例，需增加樣本量及進(jìn)行前瞻性設(shè)計(jì)和開(kāi)展長(zhǎng)期隨訪研究，以確認(rèn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，由于VBA中方法的異構(gòu)性，很難實(shí)現(xiàn)所有對(duì)象之間每個(gè)體素匹配，也不能完全排除不同的預(yù)處理方法、高斯平滑核大小和統(tǒng)計(jì)閾值方法對(duì)結(jié)果的影響。與FA相比，ERA已經(jīng)有一些改進(jìn)，但與其它DTI參數(shù)一樣，由于橢球面無(wú)法與多纖維走向吻合，因而無(wú)法解決多神經(jīng)纖維交叉問(wèn)題。隨著擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)基于DTI技術(shù)上的延伸，這個(gè)問(wèn)題將會(huì)逐漸改善。

本研究通過(guò)VBA方法發(fā)現(xiàn)了IGE患兒腦白質(zhì)中FA和EAR顯著降低，而EAR結(jié)果顯示更多的異常區(qū)域，對(duì)反映腦實(shí)質(zhì)異常改變的敏感性高于FA，EAR可用于擴(kuò)散各向異性的定量測(cè)量，是檢測(cè)人腦組織結(jié)構(gòu)的另一種可選擇的各向異性指標(biāo)。