神经

轻微创伤性脑损伤MRI研究进展

作者:佚名 来源:中国医学影像学杂志 日期:2018-02-23
导读

          创伤性脑损伤(traumaticbraininjury,TBI)是指由各种原因致使颅脑损伤及随之引起的大脑病理学和(或)功能的改变。轻微创伤性脑损伤(mildtraumaticbraininjury,mTBI)约占全部TBI的75%。临床中15%~30%的mTBI患者在创伤后表现出认知、感觉障碍等症状;部分患者在创伤后数月或数年仍存在持续的脑震荡后综合征(postconcussionsyndrome,PCS)。

关键字:  脑损伤 

        创伤性脑损伤(traumaticbraininjury,TBI)是指由各种原因致使颅脑损伤及随之引起的大脑病理学和(或)功能的改变。轻微创伤性脑损伤(mildtraumaticbraininjury,mTBI)约占全部TBI的75%。临床中15%~30%的mTBI患者在创伤后表现出认知、感觉障碍等症状;部分患者在创伤后数月或数年仍存在持续的脑震荡后综合征(postconcussionsyndrome,PCS)。

        目前对于mTBI的诊断分型主要依据美国康复医学委员会颅脑外伤学组提出的轻微颅脑损伤分型标准。mTBI的临床症状多较轻微,除结合临床病史及患者主观资料外,影像学资料对mTBI的诊断尤为重要,但CT及常规MRI在mTBI的早期诊断及预后评估中的价值非常有限。随着MRI新技术的发展,部分新的成像技术能显示更多的颅内微小出血灶及神经损伤,并可对脑损伤功能区进行更准确的定位,正确、全面地评估颅脑损伤的严重程度,极大地提高了颅脑损伤的早期诊断准确率。本文对近年新型MRI技术在mTBI的诊断及预后评估中的应用作一综述。

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        SWI是一种利用组织磁敏感性的不同产生独特对比作用的MRI技术。SWI突出了血液产物(如脱氧血红蛋白、细胞内正铁血红蛋白和含铁血红素)的顺磁性,提供了与常规MRI序列及扩散加权成像不同的另一种对比度,对微小解剖结构的显示具有较好的分辨率和对比度,且灰质与白质之间的对比度增强。mTBI患者的主要病理改变为出血,且发生于mTBI的出血灶多以颅内微小出血灶(micro-cerebralbleeds,MCB)为主,常规CT难以发现,极易漏诊。林金莲等对54例初诊CT未见异常的患者行MRI(TSE序列)检查时发现约35.2%的患者存在出血灶。与CT相比,常规MRI虽然能提供更多的信息,但出血灶在常规MRI上信号表现多样,且易受红细胞的完整性、血红蛋白氧化状态及创伤时间等因素的影响。

        Nandigam等研究证实SWI能有效发现患者颅内的MCB,表现为斑点状均一低信号影。T2WI曾用于检测MCB,并具有较高的敏感性。Liu等研究表明,与T2WI相比,SWI可检出更多颅内出血灶阳性的mTBI患者,且检出病灶总数也多于T2WI。Liu等研究表明,具有意识障碍的患者具有更高的颅内出血灶检出率。PCS组患者的颅内出血灶数量明显高于非PCS组,颅内出血灶的数量与PCS存在显著相关性,脑实质出血可能影响mTBI患者的长期预后。周佳等研究表明,抑郁症组患者的SWI图像异常率明显高于非抑郁症组,抑郁症组患者的MCB数量及体积明显高于非抑郁症组,这种差异主要集中在额叶、顶叶及颞叶。

        SWI在应用中存在一定的局限性,其较高的空间分辨力可能对MCB产生过高的评估;且绝大多数研究认为观察到出血灶均由外伤所致,不能排除其他因素,如高血压、血管畸形所致微出血灶的存在;另外MCB需与颅内磁敏感伪影鉴别,特别是受颅底磁敏感伪影的干扰。颅底部位的出血灶容易造成漏诊。

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        DTI是由DWI技术改进和发展起来的一项MRI技术,其通过检测水分子微观随机运动规律来评价生物组织结构和生理状态,能反映水分子在脑白质内扩散的优势方向,对脑白质纤维束走行具有较好的成像效果,是目前唯一可以在活体水平显示轴索结构的成像方法。DTI主要应用表观扩散系数(ADC)、平均扩散率(meandiffusivity,MD)及部分各向异性分数(FA)来描述质子扩散特征。胼胝体在颅脑外伤中为易受损部位。Aoki等研究表明,DTI指标可有效用于探测mTBI患者的胼胝体损害。候莉莉等研究表明,急性期(≤1周)与亚急性期(2~4周)mTBI患者双侧内囊前后肢、双侧扣带回、双侧上纵束、双侧下纵束呈不同程度的FA值减低。

        在伤后5周~3个月内,多数观察区FA值均较急性期、亚急性期有所回升,提示即使在伤后的较长时期,DTI仍能检测出脑白质纤维异常。Chen等研究发现,伤后第1个24h内FA值升高,推测由短暂的细胞毒性水肿所致。Eierud等指出,急性期mTBI研究报道中,FA值升高更常见;在急性期后的研究中,FA值降低更常见。Edlow等研究表明,急性期与亚急性期脑白质区域的FA值明显降低,且亚急性期FA值减低与残疾评定量表结果更一致,认为进行DTI数据采集的最佳时间为亚急性期(即伤后7d后)。Li等研究表明,相对于健康对照组,急性期(<3d)mTBI患者出现创伤后精神紧张性精神障碍(post-traumaticstressdisorder,PTSD)者(预后不良组)与预后良好组相比,FA值明显升高;在亚急性期(10~20d),预后不良组的MD值明显升高,且在胼胝体压部、胼胝体膝部较为明显,提示亚急性MD值升高可能有助于区分PTSD高风险患者。

        朱永山等研究表明,胼胝体DTI各个参数值的变化与认知功能障碍密切相关,胼胝体FA值及ADC的变化间接反映TBI患者认知功能的变化。Alhilali等研究表明,患有抑郁症的mTBI患者上纵束、伏隔核周围白质及内囊前肢FA值减低,焦虑患者小脑蚓部FA值降低。Ware等对平均伤后3.8年的mTBI患者研究发现,在双侧额叶、胼胝体干及胼胝体膝部FA值降低与患者神经行为症状评分及情感评分之间呈显著负相关。回归工作的患者左侧内囊后肢的FA值明显升高、MD减低。故认为mTBI患者白质微观结构可以导致其部分功能结局的差异,扩散张量测值可能为mTBI患者临床评价提供重要的预后信息。

        DTI是遵循正态分布理论而设计,但水分子的扩散在活体组织中受到细胞的许多生物学活性限制。水分子的扩散具有偏离和非正态分布的特点,故DTI无法有效、准确地评价相对各向同性的组织,对脑组织结构的评估存在局限性。

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        DKI以扩散峰度描述水分子扩散分布偏移自由扩散高斯分布的程度,从而反映出水分子扩散遇到的阻碍或限制的情形。DKI常用的参数包括平均峰度(meankurtosis,MK)、径向峰度、轴向峰度。Stokum等研究表明,DKI可以敏感地追踪mTBI患者相关病理生理改变。与常规DTI参数相比,在评估mTBI患者病理纵向改变方面,DKI可以提供额外的信息。樊秋菊等研究发现,正常人各区域的FA值、MD值与DKI参数FAK和MDK值间具有良好的相关性,提示DKI可以用来评价水分子扩散。该研究发现,mTBI患者FA和MD值的降低仅见于伤侧白质区,而MK值在所有区域(包括灰质与白质)的伤侧及镜像区均增高,表明DKI在证明mTBI患者对冲伤方面具有较为重要的意义,DKI较DTI能显示更多的组织信息及微观改变。

        Zhuo等应用DTI和DKI对TBI大鼠研究发现,在急性期(2h)脑损伤区域MD、FA及MK值的改变与对照组间差异均有统计学意义;但在亚急性期(7d)FA和MD恢复正常后,多个脑区MK值仍持续升高,随后的组织病理学证明MK值升高区出现反应性星形胶质细胞增生,提示DKI可以反映脑创伤后胶质增生情况,有利于了解脑损伤后脑组织的病理形态学变化。Grossman等研究发现,与正常对照组相比,mTBI患者总体表现为丘脑MK值减低以及内囊MK与FA值减低,MD值升高;与无认知损伤的患者相比,有认知损伤的mTBI患者丘脑和内囊的MK与FA值减低。

        在损伤1年后的mTBI患者中,丘脑MK值的变化与注意力、集中力与加工速度等神经心理学表现有关,证实MK信号在丘脑的变化有助于早期预测患者是否存在认知障碍等永久性损伤。

4

        fMRI由传统的脑解剖结构的检查拓展到对脑神经功能活动水平的检测,可以无创、非侵入地在活体条件下观测大脑血流动力学和代谢水平的变化,即对血氧水平依赖信号进行检测,从而对脑功能进行评价。目前fMRI在mTBI的研究主要集中在患者脑功能活动改变与相关认知障碍、情绪间的相互关系,分为任务态fMRI和静息态fMRI。任务态fMRI是指研究者通过设计特定的实验任务,诱发相关脑区产生相应的活动,通过检验任务诱发活动与实验刺激参考波的相关性,可以检测出受试者哪些脑区参与了实验任务。

        Chen等关于工作任务记忆模式的fMRI研究发现,mTBI患者在行中度复杂记忆任务时,右顶叶及右背外侧前额叶激活明显增强,提示任务态fMRI对mTBI患者的诊断高度敏感。vanDerHorn等对亚急性期mTBI患者行工作记忆任务fMRI研究,结果表明mTBI患者在行高度复杂记忆任务时,内侧前额叶皮质激活减弱,内侧前额叶皮质是默认网络(defaultmodenetwork,DMN)的核心区域,是DMN与其他脑功能网络之间交互的重要中继站。该研究还发现,未患PCS的mTBI患者较正常对照组及PCS组的激活减弱更明显,特别是在高难度任务负荷情况下;但脑网络功能在PCS组与正常对照组之间无区别,提示非损伤性因素可能会引起PCS。

        Wylie等研究发现,对伤后1周的mTBI患者行N-Back任务时,无认知障碍的mTBI患者在DMN的特定区域(如后扣带回)出现更强的激活减弱。近年研究发现,mTBI患者在工作记忆中存在年龄及性别差异。Chen等探讨了年龄在mTBI患者工作记忆任务态fMRI及脑区激活中的影响,发现年龄在mTBI患者的工作记忆任务处理中的激活、调制及分配方面具有重要作用。年轻患者比老年患者的神经可塑性和临床恢复更好。Hsu等研究表明,男性和女性mTBI患者在工作记忆任务中存在不同的激活模式。静息态功能磁共振成像(restingstatefMRI,rs-fMRI)是研究人脑在静息状态下的自发活动规律。

        多项研究均已证实,TBI患者在多个静息态网络,包括半球间、监管网络、任务正激活网络(taskpositivenetwork,TPN)、DMN出现了功能连接的改变。Iraji等应用独立成分分析法(independentcomponentsanalysis,ICA)和基于种子的相关分析法对急性期mTBI患者静息态DMN进行综合分析的结果表明,急性期mTBI患者存在多个脑功能网络的改变,并指出DMN的变化可以作为在急性期患者功能缺陷诊断的生物标志物。Sours等研究表明,mTBI患者DMN与TPN节点之间的功能连接发生了改变,DMN、TPN与突显网络相关节点之间的连接也发生了改变,所有mTBI患者DMN与反相关网络之间的连接均减少;但存在记忆障碍的mTBI患者,TPN与反相关网络之间的连接也减少,TPN与突显网络之间功能连接增加似与记忆力评估中的表现下降相关。

        Sours等研究表明,在初始阶段,mTBI患者双侧顶叶的半球间功能连接减少,在1个月的随访中发现mTBI患者背外侧前额叶间的半球间功能连接减少,背外侧前额叶的半球间功能连接减少与自动神经心理学评估中认知功能受损指标之间有关,表明mTBI患者影像学测量与认知表现之间存在关联。Zhou等运用独立成分分析方法进行研究,结果表明DMN前部成分功能连接的增加与后部功能连接的减少呈明显负相关,表明DMN中的节点不仅在本质上相互依赖,在功能上还高度互补;并且发现DMN后部功能连接的减少与神经认知功能障碍(如认知适应性的降低)呈正相关,DMN前部的连接增加与PCS相关症状(如抑郁、焦虑、疲劳)呈负相关。

        多项研究支持以下观点,即DMN不是一个均质的实体,而是一个由多个不同的、高度复杂的认知功能的节点组成,这些节点之间相互依存,但同时也保持了一种动态平衡。Messé等研究发现,所有mTBI患者均存在功能网络的改变,PCS患者的减低更明显。在亚急性期,颞叶及丘脑的改变明显,表现为连接的增加;在晚期,额叶改变明显,表现为连接的减少,故其提出假设,即颞叶连接的增加可能是额叶损伤的一个补偿过程,但该假设需要更深入的研究来证明。

        尽管fMRI在mTBI中的研究取得了一定的进展,脑功能网络的连接异常与mTBI的相关临床症状存在联系,且脑功能网络的改变与mTBI患者的预后有一定关联;但由于各种因素的影响,如样本选择差异、任务设置、数据分析方法等,尚无其在诊断及预测价值方面的共识。另外,多种神经系统疾病,甚至一些非损伤因素也会造成脑的结构及功能连接的异常改变。SWI、DTI、DKI及fMRI成像技术在mTBI中的应用具有独特的优势,其在敏感发现颅内出血灶、脑微观结构受损情况、轻微脑损伤后病理改变、伤后脑神经功能网络改变及预后评估等方面有着常规MRI序列及CT检查不可比拟的优势。

        尽管MRI各种技术在实际应用中尚存在不足,但是随着MRI性能的不断提高及设备的普及,各种MRI技术必将在mTBI病变的临床诊断及预后判断中发挥重要作用,使早期发现mTBI患者脑细微结构的改变并实行早期干预、改善远期预后成为可能。

        来源:陈旭,唐光才. 轻微创伤性脑损伤MRI研究进展[J]. 中国医学影像学杂志,2017,(10):794-797.

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