王 譽 張曉雷

山西醫(yī)科大學第五臨床醫(yī)學院，山西 太原 030000

急性缺血性腦卒中（acute ischemic stroke，AIS）是威脅人類生命健康的常見腦血管疾病，起病急、發(fā)展迅速，呈現(xiàn)出“三高”的特點。AIS是成年人死亡和長期殘疾的主要原因，造成嚴重的社會經(jīng)濟影響。人類預期壽命不斷增加，AIS發(fā)病率有高度年齡依賴性，故預計AIS存活人數(shù)將大幅增加［1］。在這種情況下，及時、準確、有效地識別AIS患者運動功能恢復能力至關(guān)重要。因此，尋找能夠評估臨床療效、準確預測運動功能恢復結(jié)局的生物標志物的研究越來越多，目前以神經(jīng)生物標志物效度最佳［2-4］。皮質(zhì)脊髓束（corticospinal tract，CST）是人腦中負責運動功能的主要神經(jīng)束，CST損傷是AIS患者肢體運動功能障礙的主要原因［5］。彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是目前研究活體腦白質(zhì)（white matter，WM）纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的唯一無創(chuàng)性方法，根據(jù)水分子彌散的各向異性特點進行WM纖維束追蹤并對其形態(tài)和結(jié)構(gòu)完整性進行評估，是研究AIS后運動損傷的主要評估工具，研究表明DTI生物標志物與運動障礙之間有顯著相關(guān)性［2，6］。目前在腦血管病、腦腫瘤、帕金森?。?］、孤獨癥譜系障礙［8］、多發(fā)性硬化［9］等方面的研究中取得了一定進展。本文就DTI 的基本原理、CST 完整性與運動功能的關(guān)系以及DTI 對AIS 患者運動功能預后預測等方面作簡單綜述。

1 DTI簡述

1.1 原理DTI是1994年Basser等［10］基于彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）發(fā)展起來的一種新型成像方式，根據(jù)腦內(nèi)水分子在磁場中進行彌散運動時存在的方向和速度差異進行成像。水分子在均勻介質(zhì)中各個方向的位移相等，稱為各向同性；由于人體組織細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和自身特點的影響，水分子在各方向的運動距離不盡相同，稱為彌散的各向異性。在WM 中，由于軸突排列的有序性及髓鞘的約束性，水分子在各個方向的彌散不同，通常更傾向于沿神經(jīng)束走行方向進行彌散，很少垂直于其方向彌散。如果從磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）上獲得兩個具有不同b值的圖像，則可計算出彌散系數(shù)（diffusion coefficient，DC），表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）可反映D值，但只能代表磁場施加方向上的彌散狀況，不能詳細、正確地評價分子彌散的各向異性，故引入彌散張量的概念—建立彌散信號模型，分解為特征值（λ）和特征向量（ε），用來表征體素內(nèi)的水位移信號。每個特征向量表示一個主導擴散軸，其擴散的大小由相應的特征值決定。張量的計算通?；谝粋€3×3對稱矩陣，至少需要一個b0（非彌散加權(quán)）和6 個彌散加權(quán)采集的非共線方向，才能用DTI最低限度進行描述。一般來說，非共線方向越多越好。如彌散是各向同性的，則特征值具有近似相同的大?。é?≈λ2≈λ3），可以用球體來表示；相比之下，如果彌散有優(yōu)先方向，則第一個特征值大于其他兩個特征值（λ1＞λ2、λ3），可以用橢球來表示?？筛鶕?jù)水分子彌散的各向異性特點進行WM纖維束追蹤并評估其形態(tài)和結(jié)構(gòu)完整性［11-14］。

1.2 常用參數(shù)各向異性分數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）、平均彌散率（mean diffusivity，MD）、徑向擴散率（radial diffusivity，RD）和軸向擴散率（axial diffusivity，AD）。FA用于描述各向異性的程度，與髓鞘完整性、纖維致密性和平行性呈正相關(guān)，反映了WM 的完整性，取值在0（各向同性）到1（最大各向異性）之間。最大值被認為在神經(jīng)束中心，灰質(zhì)和腦脊液中觀察到接近0的低FA值。MD為三個特征值的均數(shù)，反映某一區(qū)域水分子彌散水平的整體情況，只與彌散速度有關(guān)，與彌散方向無關(guān)。最大值被認為在心室。RD表示垂直于第一個特征向量的平均彌散率，由軸突的髓鞘形成所調(diào)節(jié)；AD表示沿主特征向量的彌散率。研究認為AD 主要與軸突變性有關(guān)，而RD 主要與脫髓鞘過程有關(guān)［2，15-16］。

1.3 分析方式

1.3.1 感興趣區(qū)域分析：感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）一種常用的DTI數(shù)據(jù)定量分析方法，對感興趣參數(shù)的微小變化具有高敏感性。ROI 為圖像的一個選定區(qū)域，可由經(jīng)驗豐富的觀察者手動繪制或半自動化分割獲得，所選區(qū)域可以是幾何形狀（即球體、立方體），也可以根據(jù)感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的形狀決定，從中提取DTI 指標，作為同側(cè)/對側(cè)位置的絕對值或兩者之間的比值以供進一步分析。第一種方法更快但精度較低，第二種方法更耗時但更準確［14］。選擇多個ROI 時，建議多次比較校正以減少假陽性［17-18］。

1.3.2 纖維示蹤成像：纖維示蹤成像（diffusion tensor tractography，DTT）是DTI 三維重建技術(shù)，顯示具有相似彌散特性的體素連接的纖維束。從起始區(qū)域或“種子”區(qū)域，根據(jù)每個體素中彌散張量給出的主特征向量（與纖維主方向一致），推斷兩體素之間纖維路徑的連續(xù)性跟蹤整個白質(zhì)路徑，并在活體內(nèi)投射出虛擬纖維路徑的三維軌跡［19］。軌跡基于多個ROI的放置，為神經(jīng)束內(nèi)的單一重建路徑，并不表示實際的神經(jīng)纖維或神經(jīng)束。路徑重構(gòu)主要受三方面限制：“種子”區(qū)域、傳播路徑和終止區(qū)域。DTI 指標可從整個重構(gòu)神經(jīng)束中提取，也可從神經(jīng)束的一個部分（ROI）中提?。?4］。

1.3.3 全腦分析：全腦分析是通過使用MRI 解剖數(shù)據(jù)集（位于與DTI數(shù)據(jù)相同的圖像空間）中的大腦分割或DTT 的方法選擇納入分析的體素，然后從包含腦白質(zhì)的所有體素中獲得定量的DTI測量值的一種探索性方法，可用于研究全局WM 變化及其變化的異質(zhì)性，包括全腦體素的直方圖分析、基于體素的分析（voxel-based analysis，VBA）以及基于區(qū)域的空間統(tǒng)計分析（tract-based spatial statistics，TBSS）［14，20］。

2 CST

CST 是人腦中對運動功能有重要意義的下行通路，是負責運動功能的最重要神經(jīng)束之一，其主要與遠端肢體的運動有關(guān)，特別是手部的精細運動［19，21-23］。CST與下肢運動的關(guān)系仍處于研究中，但許多研究表明CST與下肢運動相關(guān)［19，24］。CST受損是AIS患者肢體運動功能障礙的主要原因，其完整性對AIS患者運動功能的良好恢復至關(guān)重要。因此，DTI對AIS患者運動功能預后大多集中于CST 的完整性，在微觀結(jié)構(gòu)水平上對運動功能受損的發(fā)病機制和恢復機制進行研究。目前報道的恢復機制包括正常CST 通路、病灶周圍區(qū)域重組、受損CST 的皮層起源區(qū)從其他區(qū)域轉(zhuǎn)移到初級運動皮層［25］。

皮質(zhì)脊髓側(cè)束是大腦中最主要的下行纖維束，占CST的75%～90%。許多研究證明CST與運動功能之間關(guān)系如下：（1）手指和腳踝的遠端肌肉主要由皮質(zhì)脊髓側(cè)束控制，而近端肌肉主要由其他神經(jīng)束控制，如皮質(zhì)網(wǎng)狀脊髓束和皮質(zhì)脊髓前束；（2）皮質(zhì)脊髓側(cè)束對上肢運動功能的影響大于對下肢的影響；（3）手指伸肌反映皮質(zhì)脊髓側(cè)束功能最準確；（4）手功能必須有皮質(zhì)脊髓側(cè)束參與，相較于行走功能，皮質(zhì)脊髓側(cè)束與手功能有更強相關(guān)性［26-27］。Jang 等［28］對26 例首次脈絡(luò)膜前動脈（anterior choroidal artery，AChA）梗死后手完全無力的患者進行回顧性研究，結(jié)果表明皮質(zhì)脊髓側(cè)束的完整性可能是影響AChA梗死患者運動功能預后的一個重要因素。Plantin等［29］研究表明，卒中后CST 的完整性是手的精準握力控制恢復的主要決定因素，這與Pennati 等［30］研究結(jié)果一致。皮質(zhì)脊髓前束、Barne 前外側(cè)束功能尚未明確。有研究報道皮質(zhì)脊髓前束主要支配近端肌肉，如頸部、軀干和上肢近端肌肉；另外，皮質(zhì)脊髓前束可能在下肢運動恢復中發(fā)揮作用［31］。

CST 的運動纖維來自額頂皮質(zhì)不同大小的神經(jīng)元，以初級運動皮層（primary motor cortex，M1）、輔助運動皮層（supplementary motor area，SMA）、前運動皮層（premotor cortex，PMC）和扣帶回運動區(qū)（cingulate motor area，CMA）的神經(jīng)元為主。M1參與運動執(zhí)行，PMC和CMA參與運動的規(guī)劃和執(zhí)行，SMA有助于伸展運動前的肌肉激活。就CST的各種功能和運動恢復機制而言，不同腦源受損時的運動受損表現(xiàn)與該區(qū)功能密切相關(guān)，來自不同腦源的CST 纖維可以補償受損CST纖維的功能，如PMC激活增強可能與AIS患者的運動恢復有關(guān)［23，32］。

3 DTI對AIS后運動功能預后預測

3.1 FA值的預測作用Berndt等［33］研究了165例顱內(nèi)前循環(huán)大血管急性閉塞并在7 d 內(nèi)接受機械取栓和DTI 的AIS 患者，結(jié)果顯示急性期同側(cè)內(nèi)囊后肢（posterior limb of internal capsule，PLIC）內(nèi)FA 值降低，提示CST完整性受損，與DTI時美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表（National Institutes of Health stroke scale，NIHSS）分值呈弱負相關(guān)、NIHSS運動分項指數(shù)得分（NIHSS motor subindex scores，mNIHSS）呈正相關(guān)。此外，急性期PLIC內(nèi)FA值與外周梗死90 d的臨床結(jié)果顯著相關(guān)，而與基底神經(jīng)節(jié)梗死（basal ganglia infarction，BGI）未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)。這表明PLIC 內(nèi)CST 完整性受損對臨床結(jié)果有負面影響，F(xiàn)A值顯著介導梗死嚴重程度和臨床轉(zhuǎn)歸之間的關(guān)系。Xia 等［34］對34 例病變局限于內(nèi)囊及鄰近區(qū)域的輕中度AIS患者發(fā)病第1、4、12周的DTI數(shù)據(jù)進行研究，結(jié)果顯示卒中后第1周同側(cè)CST-FA下降，后12周內(nèi)呈縱向增加，這與Lu等［35］研究結(jié)果一致。卒中后第1～4 周，腦半球間功能連接（functional connectivity，F(xiàn)C）和同側(cè)CST-FA的增加均與運動功能恢復明顯相關(guān)；卒中后第4～12周，僅同側(cè)CST-FA增加與運動功能恢復顯著相關(guān)。Lin 等［36］研究顯示卒中后3～12 個月同側(cè)CST-FA 顯著改善，并與運動功能恢復密切相關(guān)，期間腦半球間FC 無明顯變化。上述結(jié)果表明卒中后存活腦組織發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)重組，結(jié)構(gòu)重組可能與亞急性晚期、慢性期的運動恢復更為相關(guān)。

3.2 rFA的預測作用Darwish 等［37］對30 例 幕 上AIS 患者在入院時及腦卒中后1 個月行DTI 檢查，并在1、6、9 個月后采用NIHSS 評分評估肢體無力的嚴重程度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)卒中后1 個月腦橋同側(cè)CST 的FA比 值（fractional anisotropy ratio，rFA）與6 個 月 時NIHSS 評分呈顯著負相關(guān)。Shaheen 等［38］對34 例大腦中動脈（middle cerebral artery，MCA）區(qū)AIS患者卒中后7 d 內(nèi)和6 個月行DTI 檢查并采用NIHSS、改良Rankin 量表（modified Rankin scale，mRS）、病死率指數(shù)（mortality index，MI）等進行臨床評估，結(jié)果表明患側(cè)基線FA 比值和rFA 與6 個月時NIHSS、mRS 均呈顯著負相關(guān)，與MI呈顯著正相關(guān)。

3.3 MD的預測作用Etherton 等［39］對42 例伴中重度白質(zhì)高信號（white matter hyperintensity，WMH）的AIS患者卒中后12 h和3～5 d分別進行DTI掃描以評估正常白質(zhì)（normal-appearing white matter，NAWM）微觀結(jié)構(gòu)完整性與早期神經(jīng)系統(tǒng)改善（early neurological improvement，ENI）的關(guān)系，結(jié)果顯示NFI+組NAWMMD明顯低于NFI-組，認為在多變量Logistic回歸中，NAWM-MD是ENI的獨立預測因子。Liu等［40］研究了33 例急性皮質(zhì)下梗死累及幕上區(qū)的患者，在卒中后第1、4、12 周采用DTI 和FM 評分分別對小腦下腳（inferior cerebellar peduncle，ICP）的完整性和下肢（lower limbs，LL）運動功能進行評估，結(jié)果顯示患側(cè)FM-LL 評分的變化與對側(cè)ICP 的FA 值變化呈正相關(guān)，與MD 變化呈負相關(guān)，表明對側(cè)ICP 的MD 和FA值均與下肢運動功能相關(guān)，這與Kim 等［41］研究結(jié)果一致。

3.4 AD的預測作用Liu等［42］研究了22例AIS患者發(fā)病后第1、4、12周的梗死灶上下方運動纖維通路的DTI 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第1 周患側(cè)同側(cè)初級運動區(qū)（primary motor area，PMA）和大腦腳（cerebral peduncle，CP）的AD 均降低，第4～12 周患側(cè)CP 的AD 相對穩(wěn)定，而患側(cè)PMA的AD顯著升高，并強調(diào)指出患側(cè)PMA的AD對FM評分的影響更為顯著，認為患側(cè)PMA的AD與運動改善呈強正相關(guān)。然而，卒中后12 周內(nèi)運動改善的唯一預測因素是初始損傷或病變體積。卒中后梗死灶上下方運動纖維通路的AD均降低，考慮系病變直接受損纖維的順向或逆向變性，即梗死區(qū)運動纖維因直接軸索損傷引起的細胞內(nèi)黏度增加導致軸向擴散阻礙增加，AD 下降，后擴展至神經(jīng)纖維遠端。Moulton 等［43］對17 例輕至重度AIS 溶栓患者發(fā)病24 h 的CST-AD 與卒中后3 個月運動結(jié)局的關(guān)系進行評估，結(jié)果表明CST 損傷比初始損傷的預測價值更高。卒中后24 h CST-AD 的急性變化是輕至重度AIS患者運動和失語結(jié)局的獨立預測因子，CST的AD 比值（axial diffusivity ratio，rAD）可預測長期運動恢復，突出其作為急性期有效生物標志物的潛力。同樣，Bernhardt等［44］對10例AIS患者發(fā)病后3～7 d進行DTI 掃描，并在第2、6 個月評估運動功能，發(fā)現(xiàn)及時調(diào)整初始損傷和病變體積，CST-AD的早期降低與慢性運動預后仍高度相關(guān)。

基于DTI獲取的AIS的FA值、rFA、MD、AD均是能夠評估臨床療效、準確預測運動功能恢復結(jié)局的潛在生物標志物，在確定預后相關(guān)性方面具有實用性，能夠為患者的治療方案、康復目標以及預后結(jié)局提供有價值的信息。然而，許多研究仍有樣本量小、范圍局限、隨訪時間短、圖像分辨率低、數(shù)據(jù)處理缺乏嚴格評價體系等局限性，所以目前對能夠預測運動功能預后的最優(yōu)生物標志物尚未達成明確共識，仍需要更多大樣本、高質(zhì)量數(shù)據(jù)的臨床研究。