纤维束自动定量法对急性期轻度脑外伤后白质完整性受损的研究

王田尧 刘军 王伊凡 马骏峰

轻度脑外伤（mild traumatic brain injury，mTBI）在急性期（受伤后1周内）均伴有不同程度的认知及情感方面的异常，主要包括信息处理速度、记忆力、执行功能和注意力等功能的受损，而大多数患者的常规CT及MRI检查并没有显示出大脑结构的异常改变［1-2］。神经功能影像学能够显示出mTBI所导致的局灶性或弥漫性脑肿胀以及缺氧等引起的白质纤维束的结构及功能损伤，磁共振弥散张量成像（DTI）技术利用磁梯度来测量脑组织中的水分子弥散以及大脑的微观结构，尤其对轴索损伤的检测很敏感，为观察脑组织微结构和白质变化提供了一个高度灵敏的窗口。纤维束自动定量法（automating fiber-tract quantification， AFQ）是由Yeatman等［3］于2012年提出，基于约翰·霍普金斯大学开发的ICBM-DTI-81脑白质解剖模板可自动提取出脑白质内20条主要纤维束，并且划分、提取出每段纤维束的各向异性分数（FA）、平均弥散系数（MD）、轴向弥散系数（AD）、径向弥散系数（RD）等参数值，反映脑白质的完整性，进行统计分析。开发者发现AFQ计算出的FA值与手动选取感兴趣区（ROI）获得的白质纤维的FA值具有高度相关性，这为纤维定量分析提供了很好的研究方法。

本研究应用AFQ技术来探究mTBI患者在急性期脑白质纤维束结构的完整性，并分析白质结构损伤特征与认知功能量表评分之间的相关性，以期为临床诊疗提供客观准确的功能影像信息。

1. 临床资料

本研究包括50例早期（创伤后7 d内）mTBI患者［男性38例，女性12例，平均年龄（29.6±6.8）岁］和38例年龄、性别相匹配的健康志愿者［男性19例，女性19例，平均年龄（30.6±8.0）岁］。本研究得到了上海市第五人民医院伦理委员会的批准，且所有受试者均签署了知情同意书。

mTBI的诊断依据1993年由美国康复医疗协会（American Congress of Rehabilitation Medicine,ACRM）制定的标准［4］。mTBI患者的入组标准：①创伤后应该在1周内；
②格拉斯哥昏迷评分（GSC）为13～15分；
③意识丧失（LOC）＜30 min；
④创伤后失忆（PTA）＜24 h。mTBI患者的排除标准：①既往有耳部手术史、头部外伤史；
②神经发育或神经方面障碍，心理疾病；
③妊娠；
④缺血性和出血性脑卒中；
⑤30 d内违禁药物服用史；
⑥尿毒症，肝硬化，心力衰竭，肺水肿，凝血功能障碍，肾功能不全；
⑦活体植入物（如铁，或耳蜗植入物，血管夹等）以及心脏起搏器；
⑧患者送抵医院前已接受心肺复苏；
⑨常规颅脑CT有异常表现。

认知功能评分依据美国2011年发布的脑外伤研究指南，使用美国国立卫生研究院（NIH）开发的在线认知功能测试工具箱（NIH Toolbox, https：//www.assessmentcenter.net）完成。认知功能测验包括了信息处理速度、注意力和执行功能、工作记忆、情景记忆以及即刻记忆的认知功能域。其中信息处理速度包含了模式对比处理速度测验（pattern comparison processing speed test，PCPST）以及阅读数字符号测验（oral symbol digit test, OSDT）；
注意力和执行功能测验包括Flanker抑制性控制和注意力测验（Flanker inhibitory control and attention test, FICAT）和维度改变卡片排序测验（dimensional change card sort test,DCCST）；
工作记忆包括列表排序工作记忆测验（list sorting working memory test, LWMT）；
情景记忆包括图片顺序记忆测验（picture sequence memory test,PSMT）；
即时回忆包括Rey听觉词语测验（Rey"s auditory verbal learning test, Rey-AVLT）。

2. 图像采集与分析

2.1 图像采集

所有图像采集于Siemens 3.0 T Skyra扫描仪（Siemens, Germany），使用20通道标准头部线圈及泡沫垫对被检者头部加以固定。DTI采用单次激发SE-EPI序列，扫描参数：TR/TE=8 300 ms/74 ms，层厚=2 mm，层数=74层，体素大小=2 mm×2 mm×2 mm，视野=256 mm×256 mm，b=0、1 000 s/mm2，30个弥散梯度方向。同时采集3D-T1WI（MPRAGE）序列，扫描参数：TR/TE/TI=2 400 ms/2.13 ms/1 100 ms，层厚=1 mm，层数=176层，体素大小=1 mm×1 mm×1 mm，视野=256 mm×256 mm，翻转角=80°。所有外伤受试者图像和认知功能数据采集均在伤后7 d内完成。

2.2 AFQ数据处理

首先应用牛津大学脑功能磁共振成像软件FSL（https：//fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/）进行图像预处理，并计算出DTI数据相关参数，即FA值、MD值、AD值、RD值。

根据Yeatman等在2012年提出的自动纤维量化方法利用AFQ基于确定性纤维追踪理论对大脑中的20条主要白质纤维束进行追踪。具体步骤分为以下六步：①运用确定性纤维跟踪算法对每一例被试进行全脑纤维束追踪；
②使用Wakana定义的ROI，将全脑纤维自动分割成20个纤维束；
③将纤维束通过3D高斯分布定义束的中心并滤除偏离纤维束中心的杂散纤维；
④定义纤维束的中心，沿着纤维的轨迹通过加权平均来计算每个纤维束的弥散属性；
⑤将每条纤维束等距分割成100个节段，并计算每个节段纤维的弥散属性；
⑥空间标准化，将结果转换到个体空间上进行后续统计分析。

3. 统计学分析

所有统计分析均使用SPSS 25.0软件完成。健康对照组与mTBI组的年龄和文化程度比较采用独立样本t检验，两组性别比较采用χ²检验。对mTBI组和健康对照组之间将AFQ计算获得的20条纤维束的弥散特性进行了逐条和逐节比较，使用协方差分析（ANCOVA）对患者和健康对照组之间的弥散特性和神经心理学评分进行比较，调整年龄、性别和教育水平。对弥散属性的结果使用错误发现率（false discovery rate, FDR）程 序 进 行 校 正（P＜0.05）。最后将具有组间显著性差异的纤维节段的DTI属性与认知功能测验结果进行偏相关分析，以研究mTBI患者和对照组受年龄、性别和教育水平控制的认知功能测验评分和影像学测量值之间的关系（P＜0.05）。

mTBI组和健康对照组的人口统计学信息、临床基本信息见表1：mTBI组与健康对照组间的性别、年龄、受教育时间差异均无统计学意义（P＞0.05）。mTBI组与健康对照组间认知功能评分比较的统计信息详见表2：与健康对照组相比，mTBI组在信息处理 速 度（PCPST：F=3.238,P=0.044；
OSDT：F=5.697,P=0.005）、情景记忆（PSMT：F=4.767,P=0.011）以及即刻记忆（Rey-AVLT：F=6.223,P=0.003）认知域显著降低；
在其他认知功能测试中没有显著的组间差异。

表1 性别、年龄、受教育时间数据

表2 认知功能测验评分统计分析结果

采用AFQ进行分析的结果（图1）显示：mTBI患者与健康对照（HC）组比较，在全脑的20条纤维束中，mTBI组的胼胝体小钳（FMin）的第27～41节段的FA值显著减低（PFDR＜0.05），MD、AD、RD值均没有显著性差异（图2）。将mTBI组中FMin受损纤维节段的弥散张量指标FA的均值与患者的认知功能评分进行相关性分析，结果显示FMin（27～41节段）与模式对比处理速度测验PCPST评分呈正相关（r=0.343，P=0.018）。

图1 急性轻度脑外伤（mTBI）组与健康对照（HC）组胼胝体小钳（FMin）的比较

图2 胼胝体小钳损伤节段（27～41节段）AFQ定量与认知功能测验的相关性分析散点图

脑实质在加速或减速和/或旋转等机械力作用下引起的神经轴索的快速牵拉形成的轴索损伤被认为是mTBI后轴索损伤的重要病理基础［5］。磁共振DTI技术可以测量脑组织中的水分弥散并观察大脑的微观结构，对轴索损伤的检测很敏感，是研究脑外伤白质损伤的最有力的工具。AFQ是目前较为崭新的技术，可以量化纤维束亚结构的弥散特性，更敏感地测量白质纤维束的精细解剖改变，以便更好地进行定量分析研究。

由于机械剪切应力的力学机制，胼胝体作为脑内最大的白质联合纤维结构，一直被认为是最容易受到脑外伤损伤的白质结构之一［6-7］。胼胝体小钳作为胼胝体膝部连接前额叶皮质的纤维结构，涉及运动控制、规划和执行功能的高阶处理，因此该结构在与多个认知过程相关的听觉、视觉、感觉和运动信息的半球间传递中发挥极其重要的作用［8-9］。

本研究中，我们发现在急性早期的mTBI患者中，胼胝体小钳的第27～41节段的FA值较健康对照组显著减低，这与先前的胼胝体前侧受损的众多研究结论一致［10-11］，而在我们的研究方法中，通过将胼胝体小钳更精细地划分成亚段，从而使损伤的定位变得更精确，这也反映出AFQ技术在mTBI疾病中的更好的应用前景。除了FA以外，我们在白质结构的MD、AD、RD弥散属性中并没有观察到显著的组间差异。FA值是反映白质结构弥漫性轴索损伤（diffuse axonal injury, DAI）最 敏 感 的 指 标，Arfanakis等［10］在研究中将mTBI损伤后的DAI各向异性的降低归因于细胞骨架网络或轴突膜的错位以及轴浆运输受损和细胞器局部积累，导致轴突圆柱体局部扩张，使得纤维束完整性受到破坏甚至断裂。

本研究发现mTBI组患者在损伤后出现了明显的信息处理速度和情景记忆以及即刻记忆功能的减低。同时我们将mTBI组中受损纤维节段的弥散张量指标值与患者的认知功能评分进行相关性分析，结果显示胼胝体小钳受损节段的FA值与认知功能量表PCPST呈正相关。而在健康对照组并没有看到相关性。在Deuring等［12］的一项针对CADASIL疾病的研究以及Biesbroek等［13］的关于脑小血管病的研究中也提及胼胝体前部小钳结构和丘脑前辐射可能与信息处理速度有明确的相关性，此外在Levin等［14］和Kinnunen等［15］的研究中，也发现信息处理速度以及执行功能或与白质通路的完整性相关，大部分对钝性脑创伤敏感的易损脑区（胼胝体、额顶叶白质）与较差的信息处理速度以及执行功能相关，尤其是胼胝体前部的损伤。这说明mTBI组在急性早期胼胝体结构完整性受损与信息处理速度功能延迟有直接关联，提示胼胝体前部（小钳）结构可能是信息处理速度的解剖结构基础。

综上所述，mTBI患者在脑损伤急性期即出现脑白质结构完整性下降，进而产生系列的认知功能损伤，而如何更准确地检测这些结构改变可能对于我们理解认知功能障碍的解剖基础尤为重要。在本研究中，我们基于DTI技术采用AFQ数据分析方法发现mTBI患者脑白质纤维束受损的特定的解剖位置（胼胝体小钳）与认知功能（信息处理速度）的相关性，提示mTBI患者出现信息处理速度下降可能与特定的白质纤维束损伤有关。因此，AFQ能够促进目前对于mTBI患者白质损伤的神经病理学基础的认识，并可能成为早期影像检查和临床监测有价值的工具。受限于当前研究队列样本量、脑部创伤形式的多样性、个体差异、各种评价方法的不同以及这些损伤随着时间和病程的推移如何演变，诸多研究结果尚存在争议和商権。因此，包括急性和亚急性损伤阶段的纵向研究十分必要。