王田堯 劉軍 王伊凡 馬駿峰

輕度腦外傷（mild traumatic brain injury，mTBI）在急性期（受傷后1周內(nèi)）均伴有不同程度的認(rèn)知及情感方面的異常，主要包括信息處理速度、記憶力、執(zhí)行功能和注意力等功能的受損，而大多數(shù)患者的常規(guī)CT及MRI檢查并沒(méi)有顯示出大腦結(jié)構(gòu)的異常改變［1-2］。神經(jīng)功能影像學(xué)能夠顯示出mTBI所導(dǎo)致的局灶性或彌漫性腦腫脹以及缺氧等引起的白質(zhì)纖維束的結(jié)構(gòu)及功能損傷，磁共振彌散張量成像（DTI）技術(shù)利用磁梯度來(lái)測(cè)量腦組織中的水分子彌散以及大腦的微觀結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)軸索損傷的檢測(cè)很敏感，為觀察腦組織微結(jié)構(gòu)和白質(zhì)變化提供了一個(gè)高度靈敏的窗口。纖維束自動(dòng)定量法（automating fiber-tract quantification， AFQ）是由Yeatman等［3］于2012年提出，基于約翰·霍普金斯大學(xué)開發(fā)的ICBM-DTI-81腦白質(zhì)解剖模板可自動(dòng)提取出腦白質(zhì)內(nèi)20條主要纖維束，并且劃分、提取出每段纖維束的各向異性分?jǐn)?shù)（FA）、平均彌散系數(shù)（MD）、軸向彌散系數(shù)（AD）、徑向彌散系數(shù)（RD）等參數(shù)值，反映腦白質(zhì)的完整性，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。開發(fā)者發(fā)現(xiàn)AFQ計(jì)算出的FA值與手動(dòng)選取感興趣區(qū)（ROI）獲得的白質(zhì)纖維的FA值具有高度相關(guān)性，這為纖維定量分析提供了很好的研究方法。

本研究應(yīng)用AFQ技術(shù)來(lái)探究mTBI患者在急性期腦白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)的完整性，并分析白質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷特征與認(rèn)知功能量表評(píng)分之間的相關(guān)性，以期為臨床診療提供客觀準(zhǔn)確的功能影像信息。

方 法

1. 臨床資料

本研究包括50例早期（創(chuàng)傷后7 d內(nèi)）mTBI患者［男性38例，女性12例，平均年齡（29.6±6.8）歲］和38例年齡、性別相匹配的健康志愿者［男性19例，女性19例，平均年齡（30.6±8.0）歲］。本研究得到了上海市第五人民醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，且所有受試者均簽署了知情同意書。

mTBI的診斷依據(jù)1993年由美國(guó)康復(fù)醫(yī)療協(xié)會(huì)（American Congress of Rehabilitation Medicine,ACRM）制定的標(biāo)準(zhǔn)［4］。mTBI患者的入組標(biāo)準(zhǔn)：①創(chuàng)傷后應(yīng)該在1周內(nèi)；②格拉斯哥昏迷評(píng)分（GSC）為13～15分；③意識(shí)喪失（LOC）＜30 min；④創(chuàng)傷后失憶（PTA）＜24 h。mTBI患者的排除標(biāo)準(zhǔn)：①既往有耳部手術(shù)史、頭部外傷史；②神經(jīng)發(fā)育或神經(jīng)方面障礙，心理疾病；③妊娠；④缺血性和出血性腦卒中；⑤30 d內(nèi)違禁藥物服用史；⑥尿毒癥，肝硬化，心力衰竭，肺水腫，凝血功能障礙，腎功能不全；⑦活體植入物（如鐵，或耳蝸植入物，血管夾等）以及心臟起搏器；⑧患者送抵醫(yī)院前已接受心肺復(fù)蘇；⑨常規(guī)顱腦CT有異常表現(xiàn)。

認(rèn)知功能評(píng)分依據(jù)美國(guó)2011年發(fā)布的腦外傷研究指南，使用美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）開發(fā)的在線認(rèn)知功能測(cè)試工具箱（NIH Toolbox, https：//www.assessmentcenter.net）完成。認(rèn)知功能測(cè)驗(yàn)包括了信息處理速度、注意力和執(zhí)行功能、工作記憶、情景記憶以及即刻記憶的認(rèn)知功能域。其中信息處理速度包含了模式對(duì)比處理速度測(cè)驗(yàn)（pattern comparison processing speed test，PCPST）以及閱讀數(shù)字符號(hào)測(cè)驗(yàn)（oral symbol digit test, OSDT）；注意力和執(zhí)行功能測(cè)驗(yàn)包括Flanker抑制性控制和注意力測(cè)驗(yàn)（Flanker inhibitory control and attention test, FICAT）和維度改變卡片排序測(cè)驗(yàn)（dimensional change card sort test,DCCST）；工作記憶包括列表排序工作記憶測(cè)驗(yàn)（list sorting working memory test, LWMT）；情景記憶包括圖片順序記憶測(cè)驗(yàn)（picture sequence memory test,PSMT）；即時(shí)回憶包括Rey聽覺(jué)詞語(yǔ)測(cè)驗(yàn)（Rey's auditory verbal learning test, Rey-AVLT）。

2. 圖像采集與分析

2.1 圖像采集

所有圖像采集于Siemens 3.0 T Skyra掃描儀（Siemens, Germany），使用20通道標(biāo)準(zhǔn)頭部線圈及泡沫墊對(duì)被檢者頭部加以固定。DTI采用單次激發(fā)SE-EPI序列，掃描參數(shù)：TR/TE=8 300 ms/74 ms，層厚=2 mm，層數(shù)=74層，體素大小=2 mm×2 mm×2 mm，視野=256 mm×256 mm，b=0、1 000 s/mm2，30個(gè)彌散梯度方向。同時(shí)采集3D-T1WI（MPRAGE）序列，掃描參數(shù)：TR/TE/TI=2 400 ms/2.13 ms/1 100 ms，層厚=1 mm，層數(shù)=176層，體素大小=1 mm×1 mm×1 mm，視野=256 mm×256 mm，翻轉(zhuǎn)角=80°。所有外傷受試者圖像和認(rèn)知功能數(shù)據(jù)采集均在傷后7 d內(nèi)完成。

2.2 AFQ數(shù)據(jù)處理

首先應(yīng)用牛津大學(xué)腦功能磁共振成像軟件FSL（https：//fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/）進(jìn)行圖像預(yù)處理，并計(jì)算出DTI數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)，即FA值、MD值、AD值、RD值。

根據(jù)Yeatman等在2012年提出的自動(dòng)纖維量化方法利用AFQ基于確定性纖維追蹤理論對(duì)大腦中的20條主要白質(zhì)纖維束進(jìn)行追蹤。具體步驟分為以下六步：①運(yùn)用確定性纖維跟蹤算法對(duì)每一例被試進(jìn)行全腦纖維束追蹤；②使用Wakana定義的ROI，將全腦纖維自動(dòng)分割成20個(gè)纖維束；③將纖維束通過(guò)3D高斯分布定義束的中心并濾除偏離纖維束中心的雜散纖維；④定義纖維束的中心，沿著纖維的軌跡通過(guò)加權(quán)平均來(lái)計(jì)算每個(gè)纖維束的彌散屬性；⑤將每條纖維束等距分割成100個(gè)節(jié)段，并計(jì)算每個(gè)節(jié)段纖維的彌散屬性；⑥空間標(biāo)準(zhǔn)化，將結(jié)果轉(zhuǎn)換到個(gè)體空間上進(jìn)行后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析。

3. 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 25.0軟件完成。健康對(duì)照組與mTBI組的年齡和文化程度比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，兩組性別比較采用χ2檢驗(yàn)。對(duì)mTBI組和健康對(duì)照組之間將AFQ計(jì)算獲得的20條纖維束的彌散特性進(jìn)行了逐條和逐節(jié)比較，使用協(xié)方差分析（ANCOVA）對(duì)患者和健康對(duì)照組之間的彌散特性和神經(jīng)心理學(xué)評(píng)分進(jìn)行比較，調(diào)整年齡、性別和教育水平。對(duì)彌散屬性的結(jié)果使用錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率（false discovery rate, FDR）程 序 進(jìn) 行 校 正（P＜0.05）。最后將具有組間顯著性差異的纖維節(jié)段的DTI屬性與認(rèn)知功能測(cè)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行偏相關(guān)分析，以研究mTBI患者和對(duì)照組受年齡、性別和教育水平控制的認(rèn)知功能測(cè)驗(yàn)評(píng)分和影像學(xué)測(cè)量值之間的關(guān)系（P＜0.05）。

結(jié) 果

mTBI組和健康對(duì)照組的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息、臨床基本信息見表1：mTBI組與健康對(duì)照組間的性別、年齡、受教育時(shí)間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。mTBI組與健康對(duì)照組間認(rèn)知功能評(píng)分比較的統(tǒng)計(jì)信息詳見表2：與健康對(duì)照組相比，mTBI組在信息處理 速 度（PCPST：F=3.238,P=0.044；OSDT：F=5.697,P=0.005）、情景記憶（PSMT：F=4.767,P=0.011）以及即刻記憶（Rey-AVLT：F=6.223,P=0.003）認(rèn)知域顯著降低；在其他認(rèn)知功能測(cè)試中沒(méi)有顯著的組間差異。

表1 性別、年齡、受教育時(shí)間數(shù)據(jù)

表2 認(rèn)知功能測(cè)驗(yàn)評(píng)分統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

采用AFQ進(jìn)行分析的結(jié)果（圖1）顯示：mTBI患者與健康對(duì)照（HC）組比較，在全腦的20條纖維束中，mTBI組的胼胝體小鉗（FMin）的第27～41節(jié)段的FA值顯著減低（PFDR＜0.05），MD、AD、RD值均沒(méi)有顯著性差異（圖2）。將mTBI組中FMin受損纖維節(jié)段的彌散張量指標(biāo)FA的均值與患者的認(rèn)知功能評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示FMin（27～41節(jié)段）與模式對(duì)比處理速度測(cè)驗(yàn)PCPST評(píng)分呈正相關(guān)（r=0.343，P=0.018）。

圖1 急性輕度腦外傷（mTBI）組與健康對(duì)照（HC）組胼胝體小鉗（FMin）的比較

圖2 胼胝體小鉗損傷節(jié)段（27～41節(jié)段）AFQ定量與認(rèn)知功能測(cè)驗(yàn)的相關(guān)性分析散點(diǎn)圖

討 論

腦實(shí)質(zhì)在加速或減速和/或旋轉(zhuǎn)等機(jī)械力作用下引起的神經(jīng)軸索的快速牽拉形成的軸索損傷被認(rèn)為是mTBI后軸索損傷的重要病理基礎(chǔ)［5］。磁共振DTI技術(shù)可以測(cè)量腦組織中的水分彌散并觀察大腦的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)軸索損傷的檢測(cè)很敏感，是研究腦外傷白質(zhì)損傷的最有力的工具。AFQ是目前較為嶄新的技術(shù)，可以量化纖維束亞結(jié)構(gòu)的彌散特性，更敏感地測(cè)量白質(zhì)纖維束的精細(xì)解剖改變，以便更好地進(jìn)行定量分析研究。

由于機(jī)械剪切應(yīng)力的力學(xué)機(jī)制，胼胝體作為腦內(nèi)最大的白質(zhì)聯(lián)合纖維結(jié)構(gòu)，一直被認(rèn)為是最容易受到腦外傷損傷的白質(zhì)結(jié)構(gòu)之一［6-7］。胼胝體小鉗作為胼胝體膝部連接前額葉皮質(zhì)的纖維結(jié)構(gòu)，涉及運(yùn)動(dòng)控制、規(guī)劃和執(zhí)行功能的高階處理，因此該結(jié)構(gòu)在與多個(gè)認(rèn)知過(guò)程相關(guān)的聽覺(jué)、視覺(jué)、感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)信息的半球間傳遞中發(fā)揮極其重要的作用［8-9］。

本研究中，我們發(fā)現(xiàn)在急性早期的mTBI患者中，胼胝體小鉗的第27～41節(jié)段的FA值較健康對(duì)照組顯著減低，這與先前的胼胝體前側(cè)受損的眾多研究結(jié)論一致［10-11］，而在我們的研究方法中，通過(guò)將胼胝體小鉗更精細(xì)地劃分成亞段，從而使損傷的定位變得更精確，這也反映出AFQ技術(shù)在mTBI疾病中的更好的應(yīng)用前景。除了FA以外，我們?cè)诎踪|(zhì)結(jié)構(gòu)的MD、AD、RD彌散屬性中并沒(méi)有觀察到顯著的組間差異。FA值是反映白質(zhì)結(jié)構(gòu)彌漫性軸索損傷（diffuse axonal injury, DAI）最 敏 感 的 指 標(biāo)，Arfanakis等［10］在研究中將mTBI損傷后的DAI各向異性的降低歸因于細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)或軸突膜的錯(cuò)位以及軸漿運(yùn)輸受損和細(xì)胞器局部積累，導(dǎo)致軸突圓柱體局部擴(kuò)張，使得纖維束完整性受到破壞甚至斷裂。

本研究發(fā)現(xiàn)mTBI組患者在損傷后出現(xiàn)了明顯的信息處理速度和情景記憶以及即刻記憶功能的減低。同時(shí)我們將mTBI組中受損纖維節(jié)段的彌散張量指標(biāo)值與患者的認(rèn)知功能評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示胼胝體小鉗受損節(jié)段的FA值與認(rèn)知功能量表PCPST呈正相關(guān)。而在健康對(duì)照組并沒(méi)有看到相關(guān)性。在Deuring等［12］的一項(xiàng)針對(duì)CADASIL疾病的研究以及Biesbroek等［13］的關(guān)于腦小血管病的研究中也提及胼胝體前部小鉗結(jié)構(gòu)和丘腦前輻射可能與信息處理速度有明確的相關(guān)性，此外在Levin等［14］和Kinnunen等［15］的研究中，也發(fā)現(xiàn)信息處理速度以及執(zhí)行功能或與白質(zhì)通路的完整性相關(guān)，大部分對(duì)鈍性腦創(chuàng)傷敏感的易損腦區(qū)（胼胝體、額頂葉白質(zhì)）與較差的信息處理速度以及執(zhí)行功能相關(guān)，尤其是胼胝體前部的損傷。這說(shuō)明mTBI組在急性早期胼胝體結(jié)構(gòu)完整性受損與信息處理速度功能延遲有直接關(guān)聯(lián)，提示胼胝體前部（小鉗）結(jié)構(gòu)可能是信息處理速度的解剖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

綜上所述，mTBI患者在腦損傷急性期即出現(xiàn)腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性下降，進(jìn)而產(chǎn)生系列的認(rèn)知功能損傷，而如何更準(zhǔn)確地檢測(cè)這些結(jié)構(gòu)改變可能對(duì)于我們理解認(rèn)知功能障礙的解剖基礎(chǔ)尤為重要。在本研究中，我們基于DTI技術(shù)采用AFQ數(shù)據(jù)分析方法發(fā)現(xiàn)mTBI患者腦白質(zhì)纖維束受損的特定的解剖位置（胼胝體小鉗）與認(rèn)知功能（信息處理速度）的相關(guān)性，提示mTBI患者出現(xiàn)信息處理速度下降可能與特定的白質(zhì)纖維束損傷有關(guān)。因此，AFQ能夠促進(jìn)目前對(duì)于mTBI患者白質(zhì)損傷的神經(jīng)病理學(xué)基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，并可能成為早期影像檢查和臨床監(jiān)測(cè)有價(jià)值的工具。受限于當(dāng)前研究隊(duì)列樣本量、腦部創(chuàng)傷形式的多樣性、個(gè)體差異、各種評(píng)價(jià)方法的不同以及這些損傷隨著時(shí)間和病程的推移如何演變，諸多研究結(jié)果尚存在爭(zhēng)議和商権。因此，包括急性和亞急性損傷階段的縱向研究十分必要。