磁共振弥散张量成像对震颤为主早期帕金森病的诊断价值

郝尚慈，陈梦亚，邵永佳，解洪荣，安荷娣，黄东雅，席 芊

(1.同济大学附属东方医院医学影像科，上海 200120；2.同济大学附属东方医院神经内科，上海 200120)

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一种常见的神经退行性疾病，好发于60岁以上老年人，随着人口老龄化，给患者及社会带来沉重的负担。PD病理学改变主要包括黑质-纹状体通路多巴胺能神经元的变性坏死及路易氏小体(Lewy body,LB)形成[1]，从而引起一系列运动性及非运动性症状。震颤是PD最常见的运动性症状。磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术可显示患者脑内白质纤维束的异常改变，能更精准地评估脑组织结构的细微变化[2]，常用参数包括各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、平均弥散率(meandi-ffusivity,MD)、轴向弥散(axial diffusivity,DA)以及径向弥散(radial diffusivity,DR)。本研究以早期震颤为主PD患者为研究对象，应用基于纤维束示踪的空间统计方法(tract-based spatial statistics,TBSS)方法获取DTI参数，探讨其大脑微观结构改变，以期为临床提供有价值的线索。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究纳入2019年6月—2020年6月收治于同济大学附属东方医院陆家嘴院区神经内科的震颤PD患者31例，同期年龄匹配的正常对照组22例。纳入标准:(1) 年龄:45～75岁;(2) 西医诊断为原发性PD，一般病程在2年及以下，以震颤为主要表现;(3) 临床Hoehn-Yahn PD分级标准1～1.5级;(4) 同意接受本次实验的受试者。排除标准：(1) 年 龄<45岁或>75岁；(2) 临床诊断非原发性PD:如由神经系统肿瘤、脑卒中或颅脑外伤、感染、药物及中毒等原因引起的PD综合征患者；(3) 较为严重的内科疾病(如脏器功能不全、自身免疫性疾病、血液系统疾病、有贫血症状、肿瘤病史等)；(4) 无 法配合检查者，如严重听力障碍、精神状态混乱(如双向情感障碍、抑郁症、精神分裂症等)、痴呆等。健康对照组纳入标准:(1) 体 健，无器质性神经系统疾病，神经检查正常；(2) 年龄45～75岁；(3) 同意接受试验的受试者。

1.2 数据采集

所有对象采用的扫描设备为美国GE M750w 3.0T磁共振及头颅32通道相控阵线圈扫描，均行常规MRI及DTI扫描。扫描参数如下。(1) 常规MRI:横断面 T1WI(TR=2 000 ms，TE=20 ms，FOV=250 mm×221 mm，Matrix=400×250，层厚/层距=7 mm/0.6 mm)、T2WI(TR=3 000 ms,TE=80 ms,FOV=250 mm×221 mm，Matrix=436×295，层厚/层距=7 mm/0.6 mm)、FLAIR(TR=11 000 ms，TE=120 ms,FOV=250 mm×221 mm,Matrix=240×160，层厚/层距=7 mm/0.6 mm)、DWI(TR=2 634 ms,TE=58 ms,FOV=230 mm×230 mm，Matrix=140×136，层厚/层距=6 mm/0.6 mm)；(2) DTI:采用平面回波(Echo Planar Imaging,EPI)序列，层间距(gap)=0 mm，重复时间(TR)=13 700 ms；回波时间(TE)=114 ms;翻转角度(flip angle)=90°;矩阵(matrix)=140×40;视野(FOV)=224 mm×224 mm;层厚(slice thickness)=2 mm；设定各向同性分布弥散敏感梯度为64每个梯度方向扫描70个连续层面，扩散系数为b=1 000 s/mm2及b=0。扫描过程中所有被试者均采取仰卧位闭眼平躺在检查床上，嘱被试者放松，将头部置于线圈正中，采用棉塞双耳置入降低干扰，告知被试者尽量避免头部运动，以避免扫描过程中因头动而造成运动伪影，影响图像数据采集。

1.3 数据处理

DTI数据后处理采用英国牛津大学开发的FMRIB Software Library v5.0软件(https:∥fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki)，其中包含基于纤维束追踪的空间统计分析(TBSS)方法以及进行多纤维定向示踪的弥散工具箱(FMRIB’s diffusion toolbox,FDT)。

1.3.1 DTI数据预处理 (1) 头动及涡流校正:使用Eddy current correction命令对DTI数据进行校正；(2) 制作脑组织蒙版(Mask):使用Brain Extraction Tool命令对经过第一步处理的数据进行非脑组织去除并制作脑组织蒙版；(3) 张量计算:使用DITFIT提取出经过校正的图像的DTI参数并导出计算。

1.3.2 TBSS处理步骤 (1) 在处理路径下新建文件夹TBSS file。(2) 将所有FA复制到TBSS file文件夹下，将不同组的数据设置不同名字前缀。(3) 进入TBSS file下输入命令:TBSS_1_preproc*.nii.gz，输出slicesdir文件。(4) 运行命令:TBSS_2_reg-T，将所有被试个体的FA图通过非线性或线性方式配准到标准空间，所有数据相互配准，将最具有代表性的图作为模板，并将所有的图配到这个模板上，然后再配准到标准空间(成人一般选取FMRIB58_FA的FA模板)。(5) 运行命令:TBSS_3_postreg-S，构建平均FA图及平均FA白质骨架。(6) 运行命令:TBSS_4_prestats 0.2(本实验选取0.2作为阈值计算)，提取所有被试FA值并投射至白质纤维骨架上，生成所有被试FA值的影像投影。(7) 对照设计:进入stats文件夹下运行命令:design_ttest2 design N1 N2，N1和N2表示两组被试的数量。本次试验选取:N1=31，N2=22。(8) 统计测试:置换检验:randomise，本实验选取置换次数为7 000次。(9) 结果膨胀:TBSS_fill。(10) 显示结果:fslview。

1.4 统计学处理

2 结 果

2.1 一般资料

本研究共纳入震颤PD患者31例，其中男性14例，女性17例，平均年龄(68.03±6.43)岁；同期年龄匹配的正常对照组22例，其中男性11例，女性11例，平均年龄(69±5.62)岁。PD组与正常对照组的年龄、性别差异均无统计学意义。

2.2 临床量表分析

通过对所有被试的帕金森病量表评分(United Parkinson Disease Rating Scale,UPDRS)的第3部分(运动相关部分)及临床Hoehn-Yahn分级(H-Y分级)的统计分析，发现实验组与对照组之间UPDRSⅢ评分及临床H-Y评分差异有统计学意义(P<0.05)，见表1。

表1 UPDRSⅢ评分、临床H-Y分级评分比较Tab.1 Comparison of UPDRSⅢ score and clinical H-Y grading score

2.3 全脑DTI参数值比较

实验组与对照组分别提取出全脑DTI参数，FA、DA、DR、MD均值，分组进行配对t检验。实验组与对照组相比，发现仅FA值变化差异有统计学意义(P<0.05)，见表2。

表2 全脑DTI参数比较Tab.2 Comparison of DTI parameters in whole brain

全脑TBSS分析结果，实验组FA值减低区(红色激活区)主要位于小脑中脚、内囊前肢、胼胝体、双侧放射冠、扣带回、小脑下脚、外囊，部分FA值减低区见图1～4。

图1 胼胝体及周围区域FA值减低(矢状位，横断位)Fig.1 FA value of corpus callosum and its surrounding area decreased(median sagittal section，transverse section)

图2 扣带回及周围区域FA值减低(矢状位，横断位)Fig.2 FA value of cingulate gyrus and its surrounding area decreased(median sagittal section,transverse section)

图3 双侧(左、右)放射冠FA值减低(矢状位)Fig.3 FA value of bilateral corona radiata(left、right) and its surrounding area decreased(median sagittal section)

图4 外囊区域FA值减低(冠状位，横断位)Fig.4 FA value of External capsule decreased(coronal section，transverse section)

2.4 行为学指标与影像学的相关性

实验组与对照组分别选取感兴趣区，提取出小脑中脚、内囊前肢、胼胝体、双侧放射冠、扣带回、小脑下脚、外囊区域的平均FA值，与临床量表UPDRSⅢ评分和H-Y分级之间做回归分析。结果显示UPDRSⅢ评分和H-Y分级与小脑中脚、内囊前肢及胼胝体的FA值呈负相关，差异有统计学意义(P<0.05)，其中UPDRSⅢ评分和H-Y分级与小脑中脚FA值和右侧内囊前肢FA值相关性最高；UPDRSⅢ评分与双侧放射冠FA值呈负相关(P<0.05)；H-Y分级与双侧放射冠FA值无显著相关性(P>0.05)；UPDRSⅢ评分和H-Y分级与扣带回、小脑下脚、外囊区域的FA值差异均无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表3 UPDRSⅢ评分、H-Y分级与差异脑区FA值相关性Tab.3 Correlation of the FA value in differential brain regions with UPDRSⅢ score and H-Y grade

3 讨 论

PD是目前公认的同时累及脑白质及脑灰质的神经退行性疾病，其脑白质损害一直是当下研究热点[3-4]。DTI是无创显示脑白质纤维束走行的有效方法，DTI参数可以有效评估脑白质或纤维束的完整性。震颤作为PD患者主要首发症状，对于PD早期诊断及病情评估具有十分重要的意义[5-6]。本研究基于TBSS方法，对比分析震颤为主早期PD患者与正常老年人DTI参数，发现实验组存在多个纤维白质区域FA值降低，主要位于小脑中脚、内囊前肢、胼胝体、双侧放射冠、扣带回、小脑下脚、外囊，部分感兴趣区FA值与UPDRSⅢ评分和H-Y分级间存在负相关性。

PD作为一种进行性神经退行性疾病，最典型的表现就是运动症状[7]，尽管近来许多非运动症状引起了人们广泛关注，但是PD的临床诊断始终还是以特定的运动综合征为中心[8]，包括静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势不稳。行为学研究表明50%的PD患者早期就可能出现震颤，随着病情进展由最初的基底神经节病变逐渐出现脑白质缺陷[9-10]。因此，震颤的产生对于诊断PD的病情进展判断具有十分重要的意义，为早期诊断和干预PD提供了新的研究方向。目前PD诊断主要依靠临床神经量表测试[11]，对量表的个体评价常会被大脑功能代偿影响，或因被患者受教育程度差异所掩盖，因此诊断结果较为主观，检测出的结果可能不能反映患者真实的脑结构及功能的改变，这样可能对患者的评价产生偏倚。DTI是无创且能显示脑白质纤维束走行的磁共振成像技术[12-13]，当水分子沿白质纤维通道方向的弥散速度快于垂直方向时，可以描绘出白质纤维束弥散的方向，可以准确、定量检测颅内神经核及纤维束的结构完整性，以此可视化模拟出白质纤维束的走形，因此能从微观角度准确评价组织结构的细微变化。DTI扫描结果不易受主观认知功能影响，属于相对客观评价，因此产生的评价偏倚相对少，诊断结果相对客观。通过DTI检查获得感兴趣脑区，将相关脑区影像学参数作为早期诊断PD的影像学标志之一，从而为临床提供重要的诊断及评价信息，进而早期预防及干预治疗，延缓PD的临床进展。

本研究提取实验组与对照组全脑TBSS分析后激活区DTI参数，包括FA、DA、DR、MD均值，分组进行统计学分析。实验组与对照组相比，仅FA值差异具有统计学意义(P<0.05)。FA值指弥散的各向异性部分和弥散张量总值的比值，反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例，FA值越接近1说明水的弥散更接近同一个方向；DR值主要与DTI的三个特征向量λ1、λ2、λ3有关，其为是λ2、λ3值的平均值，代表与轴突长轴成对角平面的弥散。这两个值在描述纤维完整性的原理上具有重合，因此在描述纤维状态时具有一致性[14]。以往研究多应用基于DTI的体素的形态学分析(voxel-based Mor-phometry,VBM)方法，其方法是采用手动勾画感兴趣区(region of interest,ROI)，虽然此后处理方法看似精确且可获得DTI参数，但手动勾画ROI需要多名医师协作，并且放置ROI具有主观性，不能完全保证勾画出被试的种子点完整且相同，缺乏明确统一的标准，可重复性较差[15]。TBSS是目前较为公认的全脑分析方法，TBSS可以在保证配准的前提下采用非线性配准的方式，利用骨架化算法，对全脑进行分析[16-17]。其优势在于整个处理过程不需要进行平滑处理，明显减小配准误差；骨架化处理后可以进行全脑分析；对微结构的变化较为敏感，灵敏度高，同时也解决了VBM需要将被试图像从各自所在的个体空间配准到标准空间过程中因配准所致的偏差。另外还可利用TBSS进行局部ROI的勾画选择，提取相对应区域的DTI参数。在后处理软件的协助下避免了手动选取ROI的主观性对实验结果造成的偏倚。

比较对照组及实验组DTI结果，本研究发现震颤为主的早期PD患者存在多个纤维白质区域FA值降低(P<0.05)。FA值主要用于反映白质纤维髓鞘的完整性、纤维的致密性和平行性，实验组FA值减少意味着震颤为主的PD患者可能存在纤维髓鞘完整性的缺失和相应的功能障碍，致使白质纤维束各向异性减弱，导致PD患者广泛的脑白质微结构的损坏[18]。实验组较对照组TBSS结果中FA值下降较为显著的小脑中脚、内囊前肢、胼胝体、双侧放射冠、小脑下脚等区域。小脑在调节肢体随意运动、平衡功能中发挥重要作用。小脑损伤时会出现眼球震颤，而小脑中脚、小脑下脚均存在大量传入小脑的纤维束，这些纤维束微结构的破坏会导致小脑对机体运动调节的下降。内囊、双侧放射冠属于额叶运动辅助区域，该区域白质纤维的损伤会引起躯体运动的节律和频率不受大脑皮层控制。本研究结果与国外学者Kim等[19]研究结果一致。Zhan等[20]研究发现大脑皮层以及与运动控制相关的区域(如辅助运动区)受到影响时，会引发PD患者运动症状，如震颤的产生。胼胝体区域作为大脑双侧半球的联系通道，连接双侧额叶部分运动中枢并参与共济运动。因此胼胝体微结构的损伤应作为引起运动障碍的重要脑区之一。基于TBSS原理可知，TBSS结果中的异常激活区域均为FA值的下降显著区域，说明区域内神经纤维的完整性降低，水分子在相同方向上的扩散能力受限，扩散程度降低，提示对应脑区出现脑组织微结构损害，说明早期震颤为主的PD患者相应脑区已出现微结构的损害。本实验通过回归分析发现，UPDRS-Ⅲ评分H-Y分级与局部脑区(如内囊前肢、小脑中脚及胼胝体)FA值之间存在一定的相关性，推测上述脑区脑白质DTI参数的改变，一定程度上可能反映震颤为主的PD患者病情的严重程度，双侧放射冠FA值可能仅能反应相关运动症状严重程度而无法提示整体病情严重程度；提示震颤为主的PD患者脑区DTI参数的改变具有一定的临床意义。

本次研究样本量相对较少，结果难免出现偏倚，还需要进一步扩大样本量。因此，在本实验的后续研究中，将继续临床筛查及随访工作，扩大样本量。数据处理方法学上FSL对DTI数据可以解决配准及纤维单一走向的问题，但在对数据重建的处理过程中，也仍然存在一些问题，比如建立模型时间较长，有时受主观影响较大。在后续研究中拟采用磁共振弥散峰度成像(diffusion kurtos imaging,DKI)等新技术，以期获得更加敏感的多模态影像学参数，找到PD诊断早期影像标志物，更全面的探索震颤为主PD患者相关脑区受损的情况。

本研究针对早期震颤为主PD患者应用基于TBSS分析方法的DTI技术，结合临床量表测试，发现早期震颤为主PD患者存在多个纤维白质区域FA值降低，相关脑区FA值与临床量表评分呈负相关，提示PD患者存在较广泛的脑白质受损，FA值对病情程度的评估具有一定作用，这可能为临床PD早期诊断及评价提供有价值的线索。