黃小盼，韓鴻宇，王敏，馬東輝，李沛珊，王紅

作者單位：新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院影像科，烏魯木齊830063

帕金森病是一種慢性不可逆的異質(zhì)性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，臨床上多表現(xiàn)為震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩、僵硬等運(yùn)動(dòng)障礙及嗅覺減退、認(rèn)知功能不全、睡眠障礙等非運(yùn)動(dòng)癥狀[1]。在帕金森病中，多巴胺能神經(jīng)元的丟失和路易小體的積聚通常伴隨著神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞變性損傷、軸突脫髓鞘改變，細(xì)胞外小膠質(zhì)細(xì)胞濃度的增加[2]。因此，檢測具有多巴胺能神經(jīng)的腦組織和沿著多巴胺能通路的細(xì)胞外微結(jié)構(gòu)異常，對發(fā)現(xiàn)早期帕金森病的生物標(biāo)志物有重要意義。

目前，擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)[3]技術(shù)被廣泛用于探索帕金森病黑質(zhì)病理改變，其原理是評估水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，反映水和細(xì)胞基質(zhì)之間的相互作用，從而獲得有關(guān)組織完整性的信息。其主要參數(shù)各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)主要反映神經(jīng)纖維微結(jié)構(gòu)情況。先前研究發(fā)現(xiàn)，PD 患者黑質(zhì)部位FA 值較對照組顯著降低[4-6]，少數(shù)表現(xiàn)為FA 值升高[7]或無明顯差異[8]。另一項(xiàng)研究僅發(fā)現(xiàn)PD 患者平均擴(kuò)散系數(shù)增加[9]。這些研究結(jié)果表明DTI技術(shù)研究PD患者多能檢測到黑質(zhì)微結(jié)構(gòu)的變化，但這些結(jié)果存在一定的異質(zhì)性。并且FA值難以特異性的解釋黑質(zhì)結(jié)構(gòu)潛在的病理變化，無法準(zhǔn)確判斷是由神經(jīng)密度降低還是由脫髓鞘改變引起的，因此存在一定的局限性。

相較于傳統(tǒng)的DTI 模型，最近發(fā)展的NODDI[10]新技術(shù)采用多室間隔組織模型，將腦組織微結(jié)構(gòu)分為細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞外及腦脊液，更接近于復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。本研究旨在利用NODDI 新技術(shù)研究PD 黑質(zhì)紋狀體微結(jié)構(gòu)改變情況，并進(jìn)一步闡明這些變化是由神經(jīng)密度減少還是由軸突分散度引起的，為PD 臨床診斷提供新的神經(jīng)影像學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 一般資料

收集2019 年12 月至2020 年6 月在我院就診的36 例PD 患者，其中男21 例，女15 例；年齡45～80 歲，平均(61.44±7.69)歲。隨機(jī)選取26 例性別年齡相匹配的健康受試者，其中男16 例，女10 例；年齡42～75歲，平均年齡(60.15±6.83)歲。病例組納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)由我院帕金森病門診專家依據(jù)《帕金森治療指南(2018 年版)》診斷標(biāo)準(zhǔn)做出確診；(2)均為右利手；(3)年齡在40～80 歲之間，可配合檢查者。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)嚴(yán)重心腎功能不全者；(2)有癡呆等神經(jīng)或精神疾病史者；(3)外傷、腦梗死、中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤、蒼白球鈣化等器質(zhì)性改變者。研究方案經(jīng)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號：20190712-03)，受試者均知情同意。

1.2 MRI掃描及數(shù)據(jù)處理

通過飛利浦3.0 T MRI 獲得MR 圖像。利用自旋回波平面成像序列獲得擴(kuò)散加權(quán)圖像，該序列由在前后相位編碼方向沿32個(gè)各向同性擴(kuò)散梯度獲取的兩個(gè)b 值(1000、2000 s/mm2)組成。每一次DWI 采集都使用無梯度圖像(b=0)作為補(bǔ)充。序列參數(shù)如下：TR 3000 ms，TE 83 ms；FOV 200 mm×232 mm×119 mm；層厚5 mm，層數(shù)20 層；DKI 采集時(shí)間：309 s。掃描范圍：頂葉至小腦。

MR掃描得到的原始數(shù)據(jù)傳至后處理工作臺(tái)，將DKI序列通過Spin軟件分離圖像，dcm2niigui軟件轉(zhuǎn)換格式，用Matlab R2013a軟件執(zhí)行圖像分析得到神經(jīng)突體積分?jǐn)?shù)(intracellular volume fraction，Vic)圖、神經(jīng)突方向分散度(orientation dispersionindex，ODI)圖。

1.3 選取分析感興趣區(qū)

感興趣區(qū)(region of interest，ROIs)由2 名8 年以上診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科主治醫(yī)師雙盲情況下多次測量取平均值，若出現(xiàn)意見不一致，則由另一名放射學(xué)診斷副主任醫(yī)師協(xié)商。筆者以MRI 常規(guī)序列T1WI、T2WI 圖像作為參考，選取ROIs 分別獲得Vic，ODI 值(圖1)。感興趣區(qū)有：雙側(cè)蒼白球、尾狀核頭和殼核以及黑質(zhì)、紅核、丘腦，分別比較兩組各個(gè)核團(tuán)的Vic、ODI 值。不同核團(tuán)Vic 的ROI 曲線下面積(圖2)有所不同。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)均使用SPSS 22.0 版進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)數(shù)資料比較采用卡方檢驗(yàn)，計(jì)量資料比較采用t檢驗(yàn)。使用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)來分析正態(tài)分布，臨床變量均呈正態(tài)分布，用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為P＜0.05。獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)用于評估ROIs 的Vic、ODI 值組間差異。用ROC 曲線評估不同核團(tuán)Vic 值診斷效能。AUC 為0.7～0.9時(shí)有一定準(zhǔn)確性，＞0.9準(zhǔn)確性較高。

2 結(jié)果

PD 組和對照組年齡分布(P=0.498，獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn))接近匹配，性別無明顯差異(P=0.8，卡方檢驗(yàn))。研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，PD 患者右側(cè)尾狀核、殼核、蒼白球、紅核及雙側(cè)黑質(zhì)、丘腦Vic值顯著降低(P＜0.05)(表1)，且右側(cè)尾狀核頭、殼核、蒼白球、紅核及雙側(cè)黑質(zhì)ODI值明顯降低(P＜0.05)(表2)。同時(shí)ROC 曲線(圖2)顯示，PD 患者Vic 在右側(cè)黑質(zhì)部位AUC最大，為0.861，臨界值為0.614，敏感度為93.3%，特異度為84.6%。最后，分別對右側(cè)黑質(zhì)蒼白球、右側(cè)黑質(zhì)殼核的Vic值(圖3)進(jìn)行聯(lián)合診斷，得出AUC面積為0.925，0.921，AUC 均可達(dá)到90%以上，表明多核團(tuán)聯(lián)合診斷效能較任何單一核團(tuán)的高。

3 討論

3.1 NODDI基本原理及臨床應(yīng)用

NODDI[10]是一種新興的非侵入性的微結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，它基于磁共振擴(kuò)散成像，但使用不同強(qiáng)度的擴(kuò)散梯度來提供比DTI更具特異性的指標(biāo)。主要參數(shù)有：Vic、ODI 及腦脊液體積分?jǐn)?shù)(isotropic volume fraction，Viso)，神經(jīng)突外體積分?jǐn)?shù)(entracellular volume fraction，Vec)。其中Vic 反映神經(jīng)突密度，通常灰質(zhì)中較低，白質(zhì)中較高，若神經(jīng)樹突、軸突丟失或破壞時(shí)，Vic值預(yù)計(jì)會(huì)降低。ODI則描述突起方向變化，若白質(zhì)中ODI增加，表明白質(zhì)纖維束中的軸突組織紊亂，而灰質(zhì)中ODI 減少提示樹突變薄。事實(shí)上，這種將細(xì)胞內(nèi)組織分裂成軸突的分散和密度，是NODDI所獨(dú)有的。

圖2 PD 患者灰質(zhì)核團(tuán)Vic值的ROC 曲線。ROC 分析顯示：尾狀核、殼核、蒼白球、黑質(zhì)、紅核及丘腦中，右側(cè)黑質(zhì)Vic 值曲線下面積最大，為0.861，診斷效能最佳 圖3 黑質(zhì)蒼白球及黑質(zhì)殼核Vic 聯(lián)合診斷PD 的ROC曲線。兩者AUC分別為0.925、0.921，顯示出多核團(tuán)Vic聯(lián)合診斷的診斷效能優(yōu)于單一核團(tuán)，且診斷效能較好Fig.2 ROC curve of the Vic values in gray matter nucleus of PD patients. ROC analysis showed that in right caudate nucleus, putamen, globulus, red nucleus and bilateral substantia nigra and thalamus, the AUC of Vic value in the right substantia nigra was 0.861, which was the largest one and showed the best diagnostic efficiency. Fig.3 ROC curve of the combined diagnosis of substantia nigra and globus pallidus, substantia nigra and putamen. The AUC were 0.925 and 0.921, showing that the diagnostic efficiency of the combined diagnosis of multi-nucleus Vic was better than the single nuclei,and the diagnostic efficiency was good.

目前，NODDI 技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的相關(guān)研究較為成熟，比如自閉癥、多發(fā)性硬化，中風(fēng)[11-13]等。以往研究表明，NODDI 在描述軸突取向、分散和密度變化方面有其獨(dú)有的優(yōu)勢。

3.2 NODDI技術(shù)對PD腦灰質(zhì)核團(tuán)微結(jié)構(gòu)的分析

PD 經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)功能障礙模型是皮質(zhì)-基底節(jié)-丘腦運(yùn)動(dòng)回路[14]。基底節(jié)是該回路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，本研究以此為依據(jù)，利用NODDI 技術(shù)檢測PD 患者黑質(zhì)、尾狀核、蒼白球、殼核等腦深部灰質(zhì)核團(tuán)微結(jié)構(gòu)情況。研究發(fā)現(xiàn)，腦灰質(zhì)核團(tuán)微結(jié)構(gòu)發(fā)生廣泛改變。以往研究者通過DTI，DKI 技術(shù)發(fā)現(xiàn)PD 患者錐體外系灰質(zhì)核團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)的改變，但是FA值的特異性不夠，而DKI 參數(shù)難以解釋核團(tuán)微結(jié)構(gòu)改變的潛在病理基礎(chǔ)[15-16]。

首先，本研究結(jié)果顯示黑質(zhì)、殼核Vic、ODI 較對照組明顯降低，這與劉偉星等[17]報(bào)道結(jié)果相一致，黑質(zhì)Vic 的降低反映黑質(zhì)軸突、樹突密度的降低，引起神經(jīng)細(xì)胞體積的縮小或數(shù)量的減少。而黑質(zhì)、殼核ODI 的減少則反映了樹突變短和棘突數(shù)量的減少。而黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的損傷會(huì)對直接通路及間接通路[18]產(chǎn)生消極作用，進(jìn)而導(dǎo)致蒼白球神經(jīng)元活性降低。

其次，與Kamagata 等[19-20]報(bào)道不同點(diǎn)在于，本研究利用NODDI 技術(shù)檢測到PD 患者蒼白球Vic、ODI 的降低，可能與患者的納入標(biāo)準(zhǔn)及病程不一致有關(guān)。蒼白球由梭形的多極神經(jīng)元組成，通過抑制γ-氨基丁酸能通路，從而抑制丘腦活動(dòng)，而丘腦可以向皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)輸出刺激從而激活運(yùn)動(dòng)[21]。筆者認(rèn)為，PD 患者的蒼白球Vic、ODI 減低，表明PD 患者蒼白球神經(jīng)元存在丟失情況，一定程度上減輕了對丘腦的抑制作用，丘腦活動(dòng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)激活增多。筆者還發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，丘腦Vic減低，反映了該部位細(xì)胞數(shù)量的減少，這可能與丘腦神經(jīng)細(xì)胞的損傷有關(guān)，丘腦活動(dòng)減低，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)激活減少。綜上，蒼白球及丘腦微結(jié)構(gòu)損傷均會(huì)增加PD運(yùn)動(dòng)障礙發(fā)生的可能性。

表1 兩組人群間Vic值的比較(±s)Tab.1 Comparison of Vic values between the two groups(±s)

表1 兩組人群間Vic值的比較(±s)Tab.1 Comparison of Vic values between the two groups(±s)

注：比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)

P值0.403 0.002 0.167＜0.001 0.062＜0.001＜0.001＜0.001 0.523＜0.001 0.003 0.006部位左側(cè)尾狀核頭右側(cè)尾狀核頭左側(cè)殼核右側(cè)殼核左側(cè)蒼白球右側(cè)蒼白球左側(cè)黑質(zhì)右側(cè)黑質(zhì)左側(cè)紅核右側(cè)紅核左側(cè)丘腦右側(cè)丘腦病例組0.503±0.035 0.482±0.025 0.533±0.028 0.502±0.030 0.559±0.049 0.528±0.034 0.582±0.046 0.574±0.045 0.679±0.038 0.658±0.029 0.500±0.045 0.498±0.041健康組0.510±0.027 0.502±0.024 0.544±0.033 0.540±0.022 0.582±0.044 0.575±0.033 0.641±0.046 0.642±0.046 0.684±0.026 0.692±0.031 0.538±0.051 0.531±0.051 t值-0.841-3.293-1.399-5.564-1.904-5.506-4.943-5.872-0.643-4.459-3.156-2.829

表2 兩組人群間ODI值的比較(±s)Tab.2 Comparison of ODI values between the two groups(±s)

表2 兩組人群間ODI值的比較(±s)Tab.2 Comparison of ODI values between the two groups(±s)

注：比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)

P值0.221 0.038 0.177 0.001 0.066 0.023＜0.001＜0.001 0.163 0.023 0.070 0.411部位左側(cè)尾狀核頭右側(cè)尾狀核頭左側(cè)殼核右側(cè)殼核左側(cè)蒼白球右側(cè)蒼白球左側(cè)黑質(zhì)右側(cè)黑質(zhì)左側(cè)紅核右側(cè)紅核左側(cè)丘腦右側(cè)丘腦病例組0.473±0.046 0.459±0.038 0.476±0.040 0.457±0.032 0.416±0.029 0.411±0.037 0.142±0.054 0.140±0.044 0.297±0.034 0.279±0.026 0.325±0.039 0.323±0.037健康組0.490±0.057 0.485±0.057 0.489±0.032 0.485±0.030 0.435±0.045 0.433±0.035 0.206±0.045 0.195±0.038 0.309±0.030 0.296±0.030 0.306±0.039 0.315±0.042 t值-1.236-2.122-1.367-3.451-1.890-2.340-4.923-5.193-1.412-2.336 1.842 0.828

這些灰質(zhì)核團(tuán)神經(jīng)軸突的微結(jié)構(gòu)損傷引起基底神經(jīng)節(jié)結(jié)構(gòu)的完整性受損，影響了整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制回路，導(dǎo)致PD患者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)遲緩、僵硬及其他運(yùn)動(dòng)問題。

3.3 NODDI參數(shù)在PD中的診斷價(jià)值

ROC分析顯示，右側(cè)黑質(zhì)Vic曲線下面積最大，為0.861，敏感度93.3%，特異度84.6%。據(jù)報(bào)道，當(dāng)PD的運(yùn)動(dòng)核心缺陷歸因于多巴胺能黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)的喪失［22］，本研究中黑質(zhì)中Vic 的減少可以被認(rèn)為是NODDI 以良好的靈敏度捕獲了黑質(zhì)結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元丟失。最后，本研究分別對右側(cè)黑質(zhì)殼核及黑質(zhì)蒼白球的Vic 值進(jìn)行聯(lián)合診斷，得出AUC 為0.921，0.925，臨界值為0.624，0.535，表明：(1) Vic 的多核團(tuán)聯(lián)合診斷低于臨界值時(shí)，對PD的診斷提供影像學(xué)支持；(2)多核團(tuán)聯(lián)合診斷價(jià)值較任何單一核團(tuán)的高，并且診斷效能較好，這兩者均適合作為是否患該病的預(yù)測指標(biāo)。

本研究存在一定局限性。首先是樣本量不夠，在今后的研究中需增大樣本量。其次，本研究納入患者不夠嚴(yán)謹(jǐn)，未考慮臨床干預(yù)情況，可能對結(jié)果產(chǎn)生一定影響。最后，NODDI 技術(shù)本質(zhì)上是一種數(shù)學(xué)模型，在反映大腦微結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況缺乏一定準(zhǔn)確性。

綜上所示，這些發(fā)現(xiàn)表明NODDI可以定性區(qū)分PD患者及健康人群，并且NODDI 參數(shù)更直觀、準(zhǔn)確的檢測到腦深部灰質(zhì)核團(tuán)神經(jīng)突起的形態(tài)學(xué)變化，有助于加深對PD 病理生理機(jī)制的理解，可以作為PD 診斷神經(jīng)影像學(xué)指標(biāo)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。