基于纖維束空間統(tǒng)計(jì)學(xué)分析視神經(jīng)脊髓炎譜系疾病腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變

羅 琦，李詠梅，韓永良，廖 旦，曾 春，王靜杰，杜思霖，張小輝>

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，重慶 400016)

視神經(jīng)脊髓炎譜系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorders, NMOSD)是一組主要由體液免疫參與、抗原-抗體介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性脫髓鞘譜系疾病，伴或不伴水通道蛋白4(aquaporin-4, AQP4)陽性，女性高發(fā)，男女患病比約1∶(9～11)，為青壯年高復(fù)發(fā)、高致殘性疾病[1]。多數(shù)NMOSD患者以視神經(jīng)炎和脊髓炎為主要特征，但也包括一些非視神經(jīng)和脊髓病變。常規(guī)腦MRI顯示NMOSD典型病灶大部分位于室管膜周圍AQP4高表達(dá)區(qū)，但NMOSD仍存在較多非典型白質(zhì)病灶，且病灶定位與AQP4分布關(guān)系亦不明確。本研究在DTI基礎(chǔ)上采用基于纖維束骨架的空間統(tǒng)計(jì)方法(tract-based spatial statistics, TBSS)分析NMOSD腦白質(zhì)纖維束的改變。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2014年9月—2016年11月于我院就診的NMOSD患者20例(NMOSD組)，其中男1例，女19例，年齡23～62歲，平均(39.8±13.2)歲；病程1～26年，中位病程5.5年；平均受教育年限(12.47±3.56)年；MR掃描前，由2名神經(jīng)科醫(yī)師根據(jù)臨床擴(kuò)展殘疾狀態(tài)量表(expanded disability status scale, EDSS)進(jìn)行協(xié)商評(píng)分，得分0～5分，中位數(shù)1.5分。納入標(biāo)準(zhǔn)：①臨床表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)室檢查和影像學(xué)特點(diǎn)符合2015年NMOSD診斷標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際共識(shí)[2]；②常規(guī)MR檢查無腦梗死、腫瘤及腦萎縮；③既往無腦血管病、腦腫瘤等神經(jīng)系統(tǒng)疾病史；④右利手。同期收集健康志愿者20名為正常對(duì)照組，男3名，女17名，年齡21～67歲，平均(38.2±13.8)歲，平均受教育年限(12.95±3.63)年；納入標(biāo)準(zhǔn)：右利手，既往均無神經(jīng)精神、神經(jīng)系統(tǒng)疾病史，無神經(jīng)系統(tǒng)癥狀；體檢無明確神經(jīng)系統(tǒng)陽性體征；常規(guī)MR檢查無異常。本研究經(jīng)我院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，受試者或其家屬均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Signa HDxt 3.0T MR系統(tǒng)，8通道頭線圈。采用常規(guī)軸位T1W(TR 250 ms，TE 2.86 ms)、T2W(TR 3 600 ms，TE 120 ms)、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(TR 8 000 ms，TE 120 ms)序列，層厚5.0 mm，層數(shù)20層；軸位DTI采用單次激發(fā)自旋回波-回波平面成像序列，TR 15 000 ms，TE 86.8 ms，F(xiàn)OV 24 cm×24 cm，矩陣128×128，層厚2.4 mm，層間距0，53層，b值分別為0和1 000 s/mm2，30個(gè)不同擴(kuò)散方向。

數(shù)據(jù)分析：①格式轉(zhuǎn)換，將所有被試原始DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入MRIcron軟件(http://www.nitrc.org/projects/mricron)，轉(zhuǎn)化為NIfTI格式；②預(yù)處理，采用Funtional MRI Software Library(FSL, Version 5.0.8; http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)對(duì)轉(zhuǎn)換后的DTI圖像行頭動(dòng)渦流校正、去除多余頭皮及骨組織并提取擴(kuò)散指標(biāo)，生成FA圖、平均彌散(mean diffusion, MD)圖、軸向擴(kuò)散(axial diffusion, AD)圖及徑向擴(kuò)散(radial diffusion, RD)圖；③配準(zhǔn)，通過FSL中非線性配準(zhǔn)將被試FA圖像配準(zhǔn)到FSL自帶的標(biāo)準(zhǔn)模板FMRIB58_FA_1mm；④生成平均FA圖及骨架圖，利用配準(zhǔn)后FA圖計(jì)算平均FA圖并生成平均FA骨架圖；⑤生成個(gè)體FA骨架，設(shè)定FA閾值為0.2，生成平均FA骨架mask，將配準(zhǔn)后FA圖投射到平均FA骨架圖，生成個(gè)體FA骨架；⑥生成非FA擴(kuò)散指標(biāo)骨架，將MD等其他擴(kuò)散指標(biāo)寫入標(biāo)準(zhǔn)MNI空間。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)2組年齡、受教育年限進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，性別分布行χ2檢驗(yàn)。在FSL軟件中設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)矩陣后，對(duì)組間DTI參數(shù)采用置換檢驗(yàn)行非參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，置換次數(shù)5 000，并在無閾值簇增強(qiáng)(threshold-free cluster enhancement, TFCE)水平行FWE多重比較校正。將TBSS差異結(jié)果圖與約翰·霍普金斯大學(xué)制作的標(biāo)準(zhǔn)白質(zhì)纖維束圖譜模板進(jìn)行對(duì)應(yīng)，定位異常的白質(zhì)纖維束；對(duì)存在差異的纖維束FA值與EDSS評(píng)分進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2組受檢者年齡(t=-0.527，P=0.600)、性別(χ2=-0.278，P=0.598)及教育年限(t=0.568，P=0.574)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。NMOSD組中，13例APQ4陽性，12例常規(guī)MRI顯示存在非特異性腦白質(zhì)病灶，散在分布于腦室旁、半卵圓中心、皮層下，形態(tài)大多呈小圓形，直徑<5 mm。

與正常對(duì)照組比較，NMOSD組大腦及小腦白質(zhì)區(qū)，如胼胝體、穹隆、皮質(zhì)脊髓束、雙側(cè)內(nèi)囊前后肢、雙側(cè)外囊、放射冠、內(nèi)側(cè)丘系、丘腦后輻射(視輻射)、小腦腳、雙側(cè)上縱束、鉤束、扣帶、下縱束、下額枕束等FA值減低(P<0.05，F(xiàn)WE校正)，見圖1。

與正常對(duì)照組比較，NMOSD組僅穹隆和左側(cè)內(nèi)囊豆?fàn)詈撕蟛縈D值升高(P<0.05，F(xiàn)WE校正；圖2)，右側(cè)上縱束、雙側(cè)扣帶束、右側(cè)下縱束、下額枕束、胼胝體、穹隆、外囊、放射冠、右側(cè)丘腦后輻射AD值減低(P<0.05，F(xiàn)WE校正；圖3)；雙側(cè)上縱束、左側(cè)鉤束、扣帶束、雙側(cè)下縱束、下額枕束、胼胝體、穹隆、皮質(zhì)脊髓束、內(nèi)囊前后肢、放射冠、內(nèi)側(cè)丘系、丘腦后輻射RD值增高(P<0.05，F(xiàn)WE校正；圖4)；未見MD值減低、AD值增高或RD值減低區(qū)域。

NMOSD患者左側(cè)鉤束、右側(cè)外囊、左側(cè)小腦下腳及雙側(cè)內(nèi)囊前肢、內(nèi)側(cè)丘系FA值與EDSS評(píng)分呈不同程度負(fù)相關(guān)，見表1。

3 討論

DTI是一種可無創(chuàng)顯示活體組織水分子擴(kuò)散特性的成像技術(shù)，可用于評(píng)價(jià)腦白質(zhì)纖維完整性。TBSS克服了人工勾劃ROI的主觀性強(qiáng)、可重復(fù)性差以及基于體素分析方法校準(zhǔn)和平滑不足的局限性，對(duì)腦白質(zhì)定位更準(zhǔn)確[3]。常規(guī)腦MR檢查顯示無明顯病灶的阿爾茨海默病[4]、終末期腎病[5]等，采用TBSS均可檢出不同程度腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)異常。

表1 NMOSD主要纖維束與EDSS的相關(guān)性

視神經(jīng)脊髓炎(neuromyelitis optica, NMO)是不同于多發(fā)性硬化的中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性脫髓鞘疾病。2015年NMOSD診斷標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際共識(shí)將NMO納入NMOSD。腦MRI顯示約30%～60%的NMOSD患者存在腦白質(zhì)廣泛病變[6]，不僅位于腦干、最后區(qū)、間腦以及腦室旁等，也存在于AQP4正常表達(dá)的廣泛腦白質(zhì)區(qū)，這些病灶小、不連續(xù)且位置非特異[7]，與本研究腦白質(zhì)病變特點(diǎn)基本一致。盡管多數(shù)NMOSD病灶可能解釋為該區(qū)域血腦屏障薄弱，通過高表達(dá)AQP4并特異性結(jié)合相關(guān)抗體導(dǎo)致病變，但NMOSD非特異性白質(zhì)病變的病因、機(jī)制以及存在何種程度腦結(jié)構(gòu)損害尚未明確。

本研究結(jié)果顯示除MD值外，NMOSD患者全腦存在廣泛不均勻FA值、AD值降低以及RD值升高，與von Glehn等[8]研究結(jié)果一致，提示NMOSD患者存在廣泛腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)損害。Jeong等[9]采用髓鞘水成像序列顯示，NMOSD患者全腦看似正常白質(zhì)髓鞘水分?jǐn)?shù)較對(duì)照組顯著減低，表明全腦白質(zhì)區(qū)存在廣泛的髓鞘脫失。盡管運(yùn)動(dòng)感覺系統(tǒng)通路(如脊髓—小腦傳入傳出纖維、大腦腳、皮質(zhì)脊髓束等)及視放射通路(如丘腦后輻射等)相關(guān)擴(kuò)散參數(shù)改變可提示存在繼發(fā)于脊髓或視神經(jīng)病灶的順行或逆行性變性[10]，但仍不能除外NMOSD本身病理改變損傷髓鞘導(dǎo)致的參數(shù)改變。本研究NMOSD患者M(jìn)D值顯著增加的區(qū)域僅局限于穹隆及左側(cè)內(nèi)囊豆?fàn)詈撕蟛?。穹隆是海馬的主要傳出纖維，內(nèi)囊豆?fàn)詈撕蟛渴莾?nèi)囊視放射部分通路，提示NMOSD患者除視放射損傷顯著外，亦存在穹隆損傷。既往研究[11]發(fā)現(xiàn)NMO患者海馬萎縮與白質(zhì)完整性相關(guān)，且可預(yù)測(cè)患者認(rèn)知表現(xiàn)，提示本研究部分患者可能存在海馬萎縮和NMOSD相關(guān)的認(rèn)知功能損害。

圖1 NMOSD組與正常對(duì)照組FA值存在差異腦區(qū)圖 與正常對(duì)照組比較，NMOSD組額頂葉放射冠、胼胝體體部等FA值減低(A),穹隆、胼胝體、其他額頂葉纖維束FA值減低(B),前放射冠、內(nèi)外囊、丘腦后輻射等FA值減低(C),小腦半球、小腦腳、內(nèi)側(cè)丘系及顳葉纖維束FA值減低(D) (底圖為標(biāo)準(zhǔn)腦T1圖，綠色為全腦纖維骨架圖，紅色為差異區(qū))

圖2 NMOSD組與正常對(duì)照組MD值差異腦區(qū)圖 與正常對(duì)照組比較，NMOSD組穹隆MD值增加(A),左側(cè)內(nèi)囊豆核后部局部MD值增加(B) (綠色為全腦纖維骨架圖，紅色為差異區(qū))

AD值代表與軸突方向平行的水分子擴(kuò)散度，AD值減低提示急性軸突丟失或損傷[12]；RD值代表與軸突方向垂直的水分子擴(kuò)散度，RD值增加提示髓鞘脫失以及髓鞘完整性破壞[13]。本研究發(fā)現(xiàn)NMOSD患者FA值增加與RD值增加范圍基本重合，與AD值變化范圍差異較大，提示FA值減低可能為髓鞘損傷而不是沃勒變性，與Rueda等[14]研究結(jié)果相符。此外，本研究顯示NMOSD患者右側(cè)上縱束、雙側(cè)扣帶、右側(cè)下縱束、下額枕束、胼胝體、穹隆、外囊、放射冠等AD值減低，并未發(fā)現(xiàn)AD值增加區(qū)域，與Liu等[15]研究不符，后者發(fā)現(xiàn)NMOSD患者AD值增加，并推測(cè)可能存在繼發(fā)于纖維重組、細(xì)胞膜滲透性增加、細(xì)胞內(nèi)成分破壞等細(xì)微組織改變導(dǎo)致的水分子非既定擴(kuò)散方向擴(kuò)散加快。而Pache等[16]研究顯示NMOSD與正常對(duì)照組AD值無顯著差異，可能因NMOSD纖維束軸突損傷處于不同時(shí)期、狀態(tài)，相應(yīng)病理改變存在差異，提示AD值可能對(duì)預(yù)測(cè)NMOSD患者纖維軸突損傷狀態(tài)有重要提示意義。

圖3 NMOSD組與正常對(duì)照組AD值差異腦區(qū)圖 與正常對(duì)照組比較NMOSD組右側(cè)額頂葉放射冠、胼胝體體部AD值減低(A),右側(cè)胼胝體壓部及額頂葉纖維束局部AD值減低(B),右側(cè)前放射冠、外囊、丘腦后輻射等AD值減低(C),右側(cè)顳葉部分纖維束AD值減低(D)

圖4 NMOSD組與正常對(duì)照組RD值差異腦區(qū)圖 A.額頂葉放射冠、胼胝體體部散在RD值增加； B.穹隆、胼胝體、額頂葉纖維束RD值增加； C.前放射冠、內(nèi)外囊、丘腦后輻射等RD值增加； D.左側(cè)小腦半球、雙側(cè)小腦腳、內(nèi)側(cè)丘系以及左側(cè)顳葉纖維束RD值增加

EDSS評(píng)分是臨床最普遍的殘疾程度測(cè)評(píng)量表，殘疾程度越嚴(yán)重，評(píng)分越高。本研究結(jié)果顯示，大部分纖維束FA值與EDSS評(píng)分存在負(fù)相關(guān)，以運(yùn)動(dòng)感覺系統(tǒng)纖維束為主，證實(shí)纖維骨架FA值改變與患者臨床殘疾癥狀有關(guān)。本研究左右側(cè)運(yùn)動(dòng)纖維與EDSS評(píng)分相關(guān)性存在差異，提示NMOSD病理損傷可能存在偏側(cè)傾向。EDSS評(píng)分與扣帶束、穹隆、胼胝體等無顯著相關(guān)性，提示NMOSD腦白質(zhì)可能存在更為復(fù)雜的病理改變，也可能因本研究患者EDSS評(píng)分較低，未顯示出與這些纖維束的相關(guān)性，還需進(jìn)一步增大樣本量并加入其他臨床相關(guān)量表進(jìn)行分析；此外，還不能除外當(dāng)前病理與影像學(xué)尚未發(fā)現(xiàn)的隱匿性改變。

總之，本研究采用TBSS方法對(duì)DTI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)NMOSD患者除運(yùn)動(dòng)感覺系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)損傷外，還存在其他廣泛白質(zhì)微結(jié)構(gòu)損傷。但本組樣本量小，未涉及具體亞型分類，且未與更多臨床信息相關(guān)聯(lián)，還需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，收集更多神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試等信息，聯(lián)合功能MRI進(jìn)行縱向研究。

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