磁共振彌散張量成像在2型糖尿病患者腦白質損傷中的應用研究進展

劉春林 郭志勇

1)新鄉醫學院第五臨床學院，河南 新鄉 453000 2)新鄉市第一人民醫院，河南 新鄉 453000

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一類由多種因素導致的以血糖升高為基本特征的慢性代謝性疾病，長期高血糖狀態可引起全身各個器官及組織慢性進行性病變、功能障礙及衰竭[1]。主要分為1型糖尿病和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)，最常見的是2型糖尿病，占90.0%～95.0%。2型糖尿病是由于胰島素抵抗(insulin resistance，IR)伴隨相對胰島素分泌不足，或胰島素分泌缺陷伴或不伴胰島素抵抗所引起[2]。近年來，在全球各個地區，糖尿病的罹患率、發病率及患病人群數量急劇上升。據國際糖尿病聯盟(IDM)統計2016年全世界糖尿病人數已達4.3億，較2010年增長近30%，其中約80%在不發達國家[3]。隨著我國人民生活水平的快速提高、生活方式的改變及老齡化進程加速，肥胖及超重人口增加，我國DM患者數量呈快速增長趨勢，2013年全國調查中2型糖尿病患病率為10.4%，男性高于女性(11.1% vs 9.6%)，且未診斷的糖尿病患者比例較高，約占總數的63%。2型糖尿病是一種終身疾病，易引起各種并發癥，以往調查顯示，在所有糖尿病相關并發癥中，以微血管并發癥和大血管并發癥對機體損害最突出，其中中樞神經系統是易受累部位之一，約占12.6%[4]。T2DM患者易出現顱內血管損害及大腦白質病變(white matter lesions，WML)。大腦白質病變在CT上表現為低密度影，在常規MRI序列上主要表現為白質長T1、長T2信號及程度不等的大腦白質萎縮。然而，T2DM引起的腦白質損害是一個慢性、逐漸累積的過程。傳統的影像學檢查方法，如CT及常規MRI對于腦白質損害的特異性相對較差，較難檢測到早期WML的部位及程度。這就需要我們應用更加敏感的技術，如磁共振彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)觀測早期大腦白質纖維完整性的情況[5]。

1 DTI簡介

DTI是一種以擴散加權成像(diffusion weighted image，DWI)為基礎，基于水分子在不均勻組織中具有擴散各向異性特點的磁共振成像方法，由BASSER等[6]于1994年首次提出，此后逐漸在研究中樞神經系統解剖及功能中應用。DTI能非侵襲性地顯示活體腦白質纖維束，通過多個參數反映白質纖維束中水分子擴散的程度及方向，是一種無創的跟蹤腦內白質纖維并顯示腦內病變對白質纖維形態結構直接或間接的影響的檢查方法[7]。在中樞神經系統，水分子的運動受多種因素(如髓鞘、細胞膜、白質纖維束)的影響，故水分子擴散的方向及程度存在差異。由于神經纖維的這種特性，DTI較常規MRI來說，更容易檢測到大腦白質微結構的異常。與常規的 MRI圖像相比，DTI相關參數的異常能夠直接反映出大腦白質微結構的完整性[8]。目前，DTI在腦梗死、糖尿病腦白質病變、脫髓鞘性疾病、運動神經元病、帕金森病、顱腦外傷、阿爾茨海默病、大腦發育等多種疾病及神經系統發育的相關研究中已取得顯著成就[9-16]。

2 DTI的基本原理和參數

2．1彌散彌散是自然界中的物質分子一種隨機擴散的運動，即布朗運動。在無障礙環境下，水分子朝各個方向運動速度相同，稱為各向同性擴散(isotropic diffusion)，在神經纖維中，水分子在某一個方向上的彌散速率與其他方向不一致，稱各向異性擴散(anisotropy diffusion)[17]。因此，從微觀層面來看，不同的細胞成分及解剖結構(如軸突和髓鞘)可引起彌散各向異性的改變。

2．2基本參數DTI是一種基于水分子在不均勻組織中具有擴散各向異性特點的成像方法，其主要通過本征向量與本征值反映水分子的彌散特征。本征向量用V1、V2、V3表示，本征值用λ1、λ2、λ3表示，其中λ1>λ2>λ3[6-7]。基本參數：部分各向異性(fractional anisotropy FA)、平均彌散率(mean diffusivity，MD)、軸向彌散率(anxial diffusivity，AD)、徑向彌散率(radical diffusivity，RD)等。其中FA值和MD值是最常用，具有較高敏感度的DTI參數。FA值用來描述水分子在體內擴散的程度、規模及方向性，是水分子在組織中擴散各向異性成分在全部擴散中所占的比例。FA值0～1，主要反映大腦白質纖維束的完整性。MD值體現了每個體素內沿著軸索方向和垂直于軸索方向的水分子平均彌散速率，代表每一體素的平均彌散系數(average diffusion coefficient，DCavg)，與ADC相比，其能更加客觀完整地反映彌散運動的速度。FA值降低和MD值增高，表明區域內大腦白質纖維微結構完整性受到損傷。已有研究證實，AD的改變可能與傳導束軸索損傷相關，而RD值的改變則與神經脫髓鞘有關[18-20]。因此，綜合多種參數進行研究可以更全面地對病變進行分析。

2．3彌散張量纖維束成像(diffusiontensortractography，DTT)DTT是一種利用DTI數據在人體上三維顯示大腦白質纖維束的一種無創性MRI成像技術。因該技術能夠無創顯示神經纖維束的走形及完整性，被廣泛應用于中樞神經系統的組織形態學和病理學研[21]。

3 DTI在糖尿病腦損傷中的應用

T2DM患者大腦腔隙性梗死灶和大腦白質T2WI高信號的發生率較高。YAU等[22]研究發現，T2DM患者大腦白質微結構FA值明顯下降，結果顯示，T2DM患者主要為額葉、顳葉及顳干白質微結構的異常，且患者瞬時情感記憶與顳干FA值密切相關，提示DTI可以檢測出T2DM患者大腦白質微結構完整性的改變。陳菁等[23]研究發現，T2DM患者雙側大腦半球白質纖維束廣泛受累，且受累區域大腦白質的FA值降低和MD值上升，部分纖維束RD值升高。此外，其在評價T2DM患者腦白質纖維束損傷時FA值和MD值較AD值和RD值更加敏感，且糖化血紅蛋白對DTI參數影響最大。許洪敏等[24]研究發現，T2DM患者大腦白質纖維存在廣泛損傷改變，其中雙側枕葉、雙側額葉及雙側顳葉白質受累明顯，且糖化血紅蛋白水平是導致腦白質DTI參數的主要因素，與陳菁等[23]研究結果一致。FALVEY等[25]研究顯示，糖尿病患者全腦白質FA值降低及海馬、左側扣帶回后部、額葉皮層前部背外側、右側殼核MD值顯著增高，表明T2DM會導致大腦白質微結構的損傷。REIJMER等[26-27]一系列DTI研究發現，T2DM患者局部大腦白質纖維完整性FA值下降及MD值增高，提示可能存在腦白質受損情況，且T2DM患者有不同程度信息處理速度緩慢，表明大腦白質微結構受損可能引起認知功能障礙，與YAP等[28]研究結果一致。ZHANG等[29]對38例T2DM患者和34例相匹配的健康成人應用DTI研究T2DM與大腦白質微結構及認知功能的關系，發現T2DM組胼胝體、丘腦輻射、左側內囊前肢和外囊等多部位FA值下降及MD值升高，表明T2DM患者出現廣泛的大腦白質微結構損傷，其中以胼胝體的損傷最明顯，提示FA值和MD值的異常可以敏感地反映大腦白質微結構完整性的改變，且T2DM患者出現不同程度的執行力、注意力和記憶力下降。因此，認知功能下降與T2DM患者早期大腦白質纖維脫髓鞘相關。HSU等[30]對40例T2DM患者和97例健康成人進行全腦 DTl分析顯示，T2DM組大腦白質FA值、MD值、AD值、TD值明顯異常，表明大腦白質纖維完整性受損，且發現FA值下降和MD值增高與RD值的增高相關。因此，認為這是由大腦纖維脫髓鞘性改變引起水分子運動方向和速率發生變化導致的。ZHANG等[31]對22例T2DM合并抑郁患者和28例重度抑郁患者進行腦部DTI掃描發現右側內囊前肢有FA值顯著降低、RD值明顯增加的趨勢，提示右側內囊前肢的白質完整性明顯受損。這一發現與先前關于右側內囊前肢完整性下降的研究結果一致[32]。雖然抑郁癥和糖尿病之間無顯著相關性，但結果顯示高抑郁評分和高糖化血紅蛋白的患者右側內囊前肢FA值最低。此外，發現糖尿病嚴重程度與左側內囊前肢FA值呈顯著負相關。CUI等[33]研究發現，T2DM患者全腦FA值下降，且T2DM患者記憶力、判斷推理、執行力和信息處理能力降低，與相關研究[26-27，29，31]結果一致。另有神經影像學研究顯示，T2DM患者額葉、顳葉和頂葉區域大腦白質纖維束常出現異常改變，主要為FA值的降低。且大腦白質纖維的改變與認知功能障礙有關[34]。譚欣等[35]DTI研究發現，T2DM患者背側丘腦后部及內側部FA值下降及MD值增高，主要是投射纖維至皮層的特定邊緣區、感覺區或運動區及背側丘腦內纖維連接，其與AD病變腦區相似，提示兩者關系十分密切。XIONG等[36]對糖尿病伴輕微認知功能障礙組和健康對照組全腦DTI研究顯示，患者組FA值降低和MD值增高，提示大腦白質微結構的異常，且認為在糖尿病伴輕微認知功能障礙組的這些改變主要由RD速率上升引起，證實FA值減低和MD值升高與認知功能相關。KODL等[37]研究證明了DTI可以檢測到1型糖尿病患者腦白質微結構的異常，且發現患者神經認知功能的下降與大腦白質纖維FA值下降相關。這些相關研究進一步表明利用DTI檢測T2DM患者早期大腦白質微結構損傷是一種敏感、可行的方法。

DTI是一種較為先進的能夠客觀定量反映T2DM患者腦白質纖維束完整性遭受破壞的技術。其主要體現在DTI各個輸出參數的異常改變，其中以FA值和MD值的改變最為重要。在T2DM患者無臨床急性腦血管事件、癲癇、顱腦外傷等發生的情況下，應用DTI觀察腦白質纖維束完整性可客觀了解T2DM患者顱內腦組織改變情況，從而指導臨床醫師對與糖尿病相關的中樞神經系統損傷進行早發現、早診斷、早治療。

大腦白質微結構的損傷可能是T2DM患者大腦損傷的早期標志。聯合應用結構和功能MRI檢查(如DKI、IVIM、MRS等)可以為T2DM患者提供更敏感的指標，并且更多先進的MRI檢查方法將有利于T2DM患者大腦白質損傷的檢出[38]。目前大多研究主要集中在T2DM患者認知功能異常與腦白質微結構損傷的相關性，并認為長期高血糖狀態可引起腦深部微小血管內皮功能改變。導致T2DM患者早期出現彌漫性腦白質微結構損傷，如神經纖維脫髓鞘、平行性及數量減少引起神經沖動傳導速度減慢[39]。因此，應用先進的影像學檢查方法評估T2DM患者腦損害已然成為一種趨勢。DTI是一種新興技術，大腦白質纖維聯絡非常復雜，因其在顯示大腦白質纖維結構的特殊性，在各個領域已經越來越多地成為評價腦白質微結構改變的一種可靠方法。

4 小結與展望

利用DTI對T2DM患者腦白質微結構完整性的研究是一個有重要意義的研究熱點，大腦中有很多復雜的纖維結構，T2DM或許和中樞神經退行性變及血管病變關系密切，與正常的衰老相比，T2DM患者可能更容易出現嚴重的大腦微結構異常及認知能力下降，且常規的檢查方法很難顯示出這些改變。而新興的磁共振技術如DTI則可以無創、靈敏地顯示腦白質微結構病變。DTI各個參數的異常則可以敏感地反映T2DM患者腦白質微結構的改變，如T2DM組FA值、MD值、AD值、TD值明顯異常，對了解糖尿病患者早期大腦白質完整性改變具有重要意義，可以對無神經功能缺損癥狀的人群進行早期的動態觀察和干預治療。隨著科技的進步，對DTI某些缺陷的改進，以及聯合DTI和其他功能磁共振成像應用于大樣本的T2DM患者腦白質損傷的縱向研究，必將取得更多成果。