電針刺激穴位的脊髓fMRI初步研究

陳業晞，沈智威，肖葉玉，李志揚，吳仁華*，孔抗美*

CHEN Ye-xi1, SHEN Zhi-wei2, XIAO Ye-yu2, LI Zhi-yang1, WU Ren-hua2*, KONG Kang-mei1*

1Deparment of Surgery, 2Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital,Medical College of Shantou University, Shantou 515041, China

針灸是中國傳統醫學的重要組成部分，經過幾千年的實踐已證明其獨特療效。但針炙的作用機理尚未完全明確，因此其科學性及客觀性受到質疑。隨著功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技術的廣泛應用，已開展很多使用腦功能成像技術研究針灸作用機理的研究[1]。脊髓是腦和身體的信息導線，脊髓中神經元活動可導致一系列生理活動，也應可以進行功能成像研究。自從1996年Yoshizawa等[2]發表脊髓fMRI文章以來，脊髓fMRI研究已廣泛開展。但與腦功能成像技術相比，由于脊髓形態細長，易產生磁敏感效應，并伴有明顯的腦脊液搏動、心臟和呼吸的影響，極易產生運動偽影，因此脊髓功能成像研究的發展深受技術限制。最近10多年，伴隨MRI技術的發展，脊髓fMRI研究取得明顯進步[3]。通過檢測基于T2*加權的血氧水平依賴 (blood oxygenation level dependent，BOLD)效應和基于質子密度加權的血管外質子信號增強(signal enhancement by extravascular protons，SEEP)效應，發現脊髓功能激活區域和電生理等理論對應區域相一致，認為使用fMRI技術檢測脊髓神經功能是可行的[4]。本研究通過電針同時刺激健康志愿者右手陽明大腸經上的合谷穴和曲池穴，使用采用單次激發快速自旋回波(single-shot fast spinecho，SSFSE)序列檢測基于SEEP效應的脊髓功能激活區，觀察頸髓功能激活區的位置及激活點數，驗證使用脊髓磁共振成像技術研究針灸作用機理的可行性，為針灸提供客觀的理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗對象

取健康志愿者8例，均為男性，右利手，平均年齡為25.9歲。均無神經系統疾病。實驗前告知實驗內容，取得同意和配合，并簽署知情同意書。實驗中掃描解剖像，排除脊髓發育異常情況。

1.2 刺激模式

電針刺激：采用0.30 mm×25 mm的銀質毫針，快速進針刺激右手合谷穴，深度20 mm，針刺得氣(酸、麻、脹、重的感覺)后，G9805C低頻電子脈沖治療儀正極接入右手合谷穴，參考電極置于右臂曲池穴，形成循環徑路。連續脈沖波，刺激頻率1 Hz，刺激強度5～10 mA，以不引起被試者不適感為宜。激活模式采用組塊(block design)設計，即靜息像(rest)與刺激像(stimulate)相交替。首先為靜息態，不給予刺激，持續49秒，共7個掃描(scan)時間；然后為刺激態，使用電針刺激，持續35秒，共5個掃描時間；第二個靜息態持續35秒，第二個刺激態同樣持續35秒。然后重復進行。為了比較不同刺激時間對結果的影響，實驗根據組塊不同分成2組：第一組設計了3個組塊，即靜息態重復4次，刺激態重復3次，即R-S-R-S-R-S-R，共4分14秒。第二組設計5個組塊，即靜息態和刺激態分別交替重復5次，即R-S-R-S-R-S-R-S-R-S，共6分4秒。

1.3 信號采集

使用GE 1.5 T Signa MRI掃描機及單通道標準頸線圈。矢狀位解剖圖像使用常規T1時間加權的液體抑制的反轉恢復序列(T1WI-FLAIR)序列采集，方向為從右向左，掃描范圍為脊柱C2段至T1段，包括脊髓及周圍腦積液。共掃描7層矢狀位圖像，定位圖見圖1。掃描參數：TR=2300 ms，TE=11.2 ms，TI=750 ms，矩陣為320×224，激勵次數(NEX)為2次。頸髓fMRI采用SSFSE序列，矢狀面掃描范圍完全包納脊髓，與解剖像一致。層厚2.0 mm，層間距0 mm，NEX為1，層數為7層，每一幀圖像掃描時間為7 s。掃描時于脊髓的左右及前方加用飽和帶，以避免髓外信號的干擾。矢狀位功能成像參數：TR= minimum(1065.0 ms)，TE=minimum (42.4 ms)，視野(FOV)為16 cm×16 cm，矩陣為128×128，帶寬 (BW)為32 kHz。掃描時于脊髓的左右及前方加用飽和帶，以避免髓外肌肉運動和吞咽等行為的干擾。并選擇流動補償(flow compensation)，以減少血管和腦脊液的運動偽影；選擇不加相位卷褶(no phase wrap)。

圖1 解剖定位圖Fig 1 Anatomical location map

1.4 數據后處理

數據預處理：首先使用MRIcro軟件，轉換DICOM格式圖像為SPM可處理的img格式圖像，并完成2D轉3D，即將單個TR的slice圖像轉為一個掃描時間內7個slice的數據集。最后調整圖像三個平面方向與SPM顯示的三個平面方向一致。然后使用SPM2軟件進一步預處理：首先進行頸部運動校正，得到頸部運動曲線和平均圖像。由于沒有脊髓模版，本研究使用SPM的realignment選項生成每個受試的平均功能圖像，并以此為模版，分別對每個受試進行空間標準化校正，使像素為2 cm×1 cm×1 cm，并標準化到MNI空間。最后進行平滑處理。解剖像同樣進行標準化處理和平滑處理，保證與功能像空間位置一致。使用SPM2軟件生成靜息態和刺激態圖像差異的t檢驗圖像。閾值為：t＞2.42，P＜0.01(不校正)，使差異具有顯著性。最后將激活點疊加到解剖像上。

表1 8名受試者各脊柱分區的激活總像素數和最大強度值Tab 1 the total number of pixels activated and the maximum intensity of spinal cord divisions of eight subjects

表2 8名受試者脊柱不同分區橫斷面上激活點出現位置(例數)Tab 2 the position of pixels activated (number of cases) on cross-section plane of spinal cord divisions of eight subjects

2 結果

2.1 電針刺激的矢狀面激活區信號強度比較

8名受試者在脊髓中均出現激活信號，分布在脊柱C2～T1段，但主要集中在C2、C4、C5、C6段。受試者的脊髓矢狀位與橫斷位的主要激活分布見圖2，8名受試者各分區的激活像素數總數和平均信號強度見表1。

2.2 電針刺激的橫斷面激活區信號比較

8名受試者脊柱不同分區中激活點出現位置如表2所示。

2.3 不同刺激時間的激活區信號差別

分別從脊髓各段激活區分布和激活最大強度，對比刺激3次組和刺激5次組，發現：①激活區分布基本相同，主要集中在C2～C6；②在C2～C6段，刺激3次組的最大激活強度均高于或等于刺激5次組；③刺激3次組在脊柱T1段的激活點數和強度大于刺激5次組，而在C7段均小于刺激5次組；④刺激3次組脊髓兩邊的偽激活少于刺激5次組。

3 討論

3.1 脊髓功能成像的生理機制

圖2 一名受試者的矢狀位與橫斷位MRI的主要激活分布圖Fig 2 the main pixels activation map on sagittal position and cross-section position of one subject

以往腦功能成像研究多使用EPI序列檢測激活區的BOLD效應。但考慮到1.5 T EPI序列的成像分辨率低，對B0場變化敏感，且脊柱橫斷面面積小，鄰近結構(椎骨、椎間盤)使得勻場十分困難，易造成磁敏感性偽影，使用EPI序列進行脊髓功能成像容易引起圖像解剖位置的扭曲和信號損失。Stroman等[5,6]發現，在TE=0時，還存在激活信號的升高。而BOLD效應是與TE成正比的，所以此時的信號升高另有原因。他們認為可能是由于神經興奮區血流量的增加，血管內壓升高，特別是毛細血管動脈端的壓力升高較明顯，從而改變了正常的液體平衡，使得更多的水穿過血管壁進入細胞外間隙，導致在局部興奮組織周圍的細胞外液有輕微的增加。他們稱之為“SEEP效應”。通過質子密度加權成像可以檢測到這部分增加的水信號。與EPI圖像相比，基于SE序列的質子密度加權圖像不易受磁敏感效應影響，信噪比更高，因此得到的信號增強更高。目前在脊髓成像領域檢測SEEP效應的研究與檢測BOLD效應的研究數量上大體相等。本研究的前期工作使用SSFSE序列檢測扣指運動的脊髓功能成像，獲得了較好效果[7]。因此希望在針灸研究中檢測該技術的可行性。

3.2 真假激活的鑒別

腦功能和脊髓功能存在一些不同，主要表現為：①血流動力學反應的不同；②易受運動偽影，尤其是腦脊液搏動偽影干擾。由于目前在功能成像領域，我們尚未發現脊髓血流動力學的研究，所以本研究使用腦血流動力學方程，產生時間-信號強度曲線。本研究中脊髓的激活大部分分布在脊髓白質周邊，且周圍腦脊液也會產生大量偽激活，需要區分真假激活。在P＜0.05時，我們發現脊髓中有較多激活，但周圍也有大量偽激活。為了減少偽激活，我們嘗試加大激活聚類點數。但發現此方法不理想。原因可能為脊髓中激活點大大少于腦脊液中的偽激活點，因此，加大激活聚類點后，減少偽激活的同事也減少了大部分真實激活。最終采取P＜0.01，激活聚類點為0，并結合時間-信號強度曲線，去除偽激活影響。

3.3 激活區的解釋

本研究的刺激強度較高，為有害刺激。合谷穴和曲池穴均屬于手陽明大腸經，是手陽明大腸經的原穴，因易得氣、針感強，取穴方便而頗為歷代醫家所重視。合谷穴和曲池穴為手陽明經的經穴是治療痿證、痹證的常用取穴，且均有鎮痛作用，推測刺激這兩個穴位主要引起感覺區激活。由于同時刺激合谷穴和曲池穴，形成一條電通路。也可能引起運動區激活。根據腦功能研究結果，刺激穴位可引起多個腦區的激活，因此推測也可引起脊髓多個功能區激活。Backes等[8]對電刺激肘部正中神經進行BOLD-fMRI 分析，矢狀面fMRI提示7名實驗對象中有5名出現頸脊髓下段激活。Stroman等[9]研究發現用溫度刺激手和前臂不同皮膚感覺區后，脊髓神經激活區所在層面與感覺區域密切相關。結果表明刺激右手掌拇指區相當于刺激正中神經，頸脊髓激活區分布在C5～C8，以C6最為明顯；刺激前臂肘區相當于刺激前臂外側皮神經，對應脊髓激活區分布在C5～C6，向下延伸至C7有稍低信號激活。本研究8名實驗對象均出現頸脊髓下段，脊柱C4～C7段(對應脊髓C5～C8段)激活結果與Stroman的研究結果基本一致。且本研究發現橫斷面上激活主要激活區域位于同側，尤其是在脊髓的后角、中部及前角(功能區)，同時發現對側有較少顯著激活區，與文獻報道一致。但本研究對側激活主要集中在后角，與文獻不同。推測可能與使用不同刺激模式有關。另外，本研究發現脊柱C2段(對應脊髓C3段)也存在顯著激活，與前期對指運動脊髓功能成像研究[7]的激活區分布相似，推測為電針刺激到運動神經的結果。本研究發現激活時間短的組，反而最大激活信號強度高，與預期結果不一致。但由于例數較少，還需要進一步研究。

[1]Hirsch J, Ruge MI, Kim KH, et al.An integrated functional magnetic resonance imaging procedure for preoperative mapping of cortical areas associated with tactile, motor,language, and visual functions.Neurosurgery, 2000,47(3):711-721; discussion 721-722.

[2]Yoshizawa T, Nose T, Moore GJ, et al.Functional magnetic resonance imaging of motor activation in the human cervical spinal cord.NeuroImage, 1996, 4(3 Pt 1):174-182.

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[4]Giove F, Garreffa G, Giulietti G, et al.Issues about the fMRI of the human spinal cord.Magnetic Resonance Imaging, 2004, 22(10):1505-1516.

[5]Stroman PW, Krause V, Malisza KL, et al.Characterization of contrast changes in functional MRI of the human spinal cord at 1.5 T.Magnetic Resonance Imaging, 2001,19(6):833-838.

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[7]Xie CH, Kong KM, Guan JT, et al.SSFSE sequence functional MRI of the human cervical spinal cord with complex finger tapping.European Journal of Radiology,2009, 70(1):1-6.

[8]Backes WH, Mess WH, Wilmink JT.Functional MR imaging of the cervical spinal cord by use of median nerve stimulation and fi st clenching.American Journal of Neuroradiology, 2001, 22(10):1854-1859.

[9]Stroman PW, Krause V, Malisza KL, et al.Functional magnetic resonance imaging of the human cervical spinal cord with stimulation of different sensory dermatomes.Magnetic Resonance Imaging, 2002, 20(1):1-6.