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经验交流
肌肉萎缩侧索硬化神经损害的血氧水平依赖fMRI时间-信号强度曲线特点分析
应伟峰 何阳 陈穹 张莹 叶飞 孙小佳 陈利娟 苑天文 曹军

Cite this article as: Ying WF, He Y, Chen Q, et al. Characteristics of blood oxygen level-dependent fMRI time-signal intensity curve in amyotrophic lateral sclerosis and nerve damage[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 79-82.本文引用格式:应伟峰, 何阳, 陈穹, 等. 肌肉萎缩侧索硬化神经损害的血氧水平依赖fMRI时间-信号强度曲线特点分析[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 79-82. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.016.


[摘要] 目的 分析肌肉萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)患者运动中枢、感觉中枢反馈的血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)时间-信号强度曲线(time-intensity curve,TIC)类型及运动、感觉中枢反馈TIC的相关性。材料与方法 经临床确诊的ALS患者18位(ALS组)与18位年龄、性别匹配的健康志愿者(对照组),被试者均知情同意且为右利足,分别嘱右足拇趾规律背伸、钝头竹签规律刺激右小腿下段背侧皮肤,行大脑BOLD扫描检测运动、感觉中枢反馈,统计比较两组大脑运动、感觉最高反馈区各TIC类型分布,并根据TIC斜率等级评分通过斯皮尔曼相关分析ALS组运动最高反馈区、感觉最高反馈区TIC类型的相关性。结果 大脑运动最高反馈区下降型TIC:ALS组>对照组(P<0.001),水平型TIC:ALS组<对照组(P<0.001),上升型TIC:ALS组=对照组(P=1.00);大脑感觉最高反馈区下降型TIC:ALS组<对照组(P=0.221),水平型TIC:ALS组<对照组(P<0.001),上升型TIC:ALS组>对照组(P<0.001);ALS组运动最高反馈区与感觉最高反馈区TIC斜率具有负相关性(P<0.05)。结论 在ALS的BOLD-fMRI中,运动中枢反馈表现为下降型TIC多见,感觉中枢反馈呈上升型TIC多见,二者TIC斜率间具有较强的负相关性。
[Abstract] Objective To analyze the type of time-signal intensity curve (TIC) of blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD-fMRI) fed back by motor center and sensory center in patients with amyotrophic lateral sclerosis (ALS), and the correlation of TIC fed back by the motor and sensory centers.Materials and Methods Eighteen clinically diagnosed ALS patients (ALS group) and 18 age and gender-matched healthy volunteers (control group) were selected. All subjects signed the informed consent and were right-footed. The right toe was asked to stretch dorsally and regularly, the dorsal skin of the lower part of the right lower leg was stimulated regularly using a blunt-headed bamboo stick, and brain BOLD scanning was performed to detect the feedback of motor and sensory centers. The distribution of TIC types in the highest motor and sensory feedback areas of the two groups were statistically compared. According to the TIC slope grade score, the correlation of TIC type in the highest motor and sensory feedback areas in the ALS group was analyzed by Spearman correlation analysis.Results In the highest motor feedback area of the brain, descending TIC: the ALS group>the control group (P<0.001), horizontal TIC: the ALS group<the control group (P<0.001), ascending TIC: the ALS group=the control group (P=1.00). In the highest sensory feedback area of the brain, descending TIC: the ALS group<the control group (P=0.221), horizontal TIC: the ALS group<the control group (P<0.001), ascending TIC: the ALS group>the control group (P<0.001). In the ALS group, the descending TIC in the highest motor feedback area was correlated with the ascending TIC in the highest sensory feedback area (P<0.05).Conclusions In BOLD-fMRI in ALS, descending TIC is more common in motor feedback, while ascending TIC is more common in sensory feedback. Their TIC slopes have a strong negative correlation.
[关键词] 磁共振成像;血氧水平依赖;功能磁共振成像;肌肉萎缩侧索硬化
[Keywords] magnetic resonance imaging;blood oxygen level-dependent;functional magnetic resonance imaging;amyotrophic lateral sclerosis

应伟峰 1   何阳 2*   陈穹 1   张莹 1   叶飞 1   孙小佳 1   陈利娟 1   苑天文 2   曹军 2  

1 上海市徐汇区大华医院放射科,上海 200237

2 上海市徐汇区大华医院介入肿瘤科,上海 200237

何阳,E-mail:411434316@qq.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 上海市徐汇区医学科研项目计划任务 SHXH201808
收稿日期:2021-08-13
接受日期:2021-12-28
中图分类号:R445.2  R746.4 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.016
本文引用格式:应伟峰, 何阳, 陈穹, 等. 肌肉萎缩侧索硬化神经损害的血氧水平依赖fMRI时间-信号强度曲线特点分析[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 79-82. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.016

       罕见病肌肉萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)以渐进性上、下神经元共同受累为主要特征,经典诊断标准认为ALS仅表现为运动神经损害,未纳入感觉神经损害。过去血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)对ALS的研究主要通过大脑反馈区分布情况及体积等参数进行分析,已有部分研究认为ALS存在感觉神经损害的可能[1, 2, 3],但是由于ALS中枢反馈程度与大脑内分布情况个体差异较大,所以研究结果不统一,造成至今为止对ALS神经损害特点了解不全面。而将BOLD-fMRI时间-信号强度曲线(time-intensity curve,TIC)运用在ALS患者神经损害检测几乎无前例,且BOLD-fMRI的TIC可以很好地避免由于ALS反馈区异常分布、反馈区代偿性增大或缩小、受试者中枢血氧反馈信号值的微小波动造成的偏倚,使ALS神经损害特点得到更客观的展现。

1 资料与方法

1.1 研究对象

       前瞻性纳入我院2019年2月至2021年6月临床确诊的18例ALS患者(ALS组),病程6个月~24个月,平均12个月;其中男10名,女8名,年龄42~78 (55.11±9.074)岁。ALS组纳入标准:所有确诊患者都符合世界神经病学联盟提出的E1 Escorial修订版诊断标准[4];排除标准:近一年内化疗药物或激素应用史;其他神经系统病变;各类精神疾病史、药物或酒精依赖病史;有MRI检查禁忌证或无法配合检查过程者。对照组:同期选择年龄、性别与ALS组匹配的18名健康志愿者作为对照组,男10名,女8名,年龄43~77 (55.00±8.812)岁,对照组排除标准:一年内服用过影响神经系统的药物者,有MRI检查禁忌证者。

       所有受试者均为右利足。本研究经过上海市徐汇区大华医院伦理委员会批准(批准文号:20180926),受试者均已签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

       运动中枢反馈检测:所有受试者提前训练规律、相同幅度背伸右足拇趾(1次/s) 2轮后进行边背伸右足拇趾边扫描;感觉中枢反馈检测:由经过系统训练的同一名医师使用钝头竹签规律刺激(1次/s)受试者腓肠神经感受区同时扫描;所有反馈检测都采用1.5 T磁共振扫描仪(uMR560,联影,中国),6通道原厂头线圈。使用平面回波成像(echo planar imaging,EPI)序列采集大脑的BOLD图像:层厚3.5 mm,层间距0,FOV 23 cm×23 cm,矩阵256×256,TE 30 ms,TR 3000 ms,翻转角90°,此序列时长4 min;轴位T1WI扫描:层厚5 mm,层间距1.5 mm,FOV 23 cm×23 cm,矩阵256×256,TE 13 ms,TR 1993 ms,TI 855 ms;T2WI横断位扫描:层厚5 mm,层间距1.5 mm,FOV 23 cm×23 cm,矩阵256×256,TE 98 ms,TR 4200 ms。

1.3 图像处理与分析

       应用联合神经图像处理软件(uWS-MR,SW001.003,联影,中国)。首先进行运动校正,然后在原始空间内按20/80单位为间隔进行计算,血氧饱和度伪彩阈值P<0.05,由2名神经放射学医师(诊断经验年限分别为10年、13年)采用双盲法独立对大脑血氧饱和度反馈区进行感兴趣区(region of interest,ROI)勾勒,记录各ROI平均信号强度,计算2名医师记录的信号强度平均值,选择最高平均信号强度ROI (以下简称最高反馈区),软件自动生成时间-信号强度曲线。

       由前述2名医师对图像进行以下评估,意见不一致时相互协商后达成共识:(1)以TIC图表X轴为基准,将最高反馈区TIC曲线分成下降型(斜率≤-10°)、水平型(斜率在±10°之间)、上升型(斜率≥10°)三种类型,对比ALS组与对照组内各TIC类型所占比的差异。(2)将TIC进行等级分类,斜率在±10°之间的为0分,10°~19°为1分,20°~29°为2分,≥30°为3分,-10°~-19°为-1分,-20°~-29°为-2分,≤-30°为-3分,统计ALS组运动、感觉反馈TIC斜率之间的相关性。

1.4 统计学分析

       采用SPSS 23.0统计软件,符合正态分布计量资料以x¯±s表示,计数资料以例或百分比表示;ALS与对照组间最高反馈区各TIC类型所占比例比较采用皮尔逊卡方检验;采用斯皮尔曼秩等级相关性检验统计ALS组运动、感觉反馈TIC斜率之间的相关性;P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组BOLD运动最高反馈区TIC曲线类型分布情况及比较

       ALS组下降型TIC多见,对照组水平型TIC多见,差异均具有统计学意义(P均<0.05) (表1图1A、2A、3A)。

图1  女,55岁,确诊ALS 2年。1A:运动最高反馈区下降型TIC,斜率≤-30°,评分-3分;1B:感觉最高反馈区上升型TIC,斜率≥30°,评分3分;1C:运动反馈BOLD图,红色部分为反馈区,由于确诊病程较长,其反馈区较多,且信号强度不一,考虑代偿可能,勾勒的最高反馈区表现为红中带黄(箭),图中绿色为杂波(下同);1D:感觉反馈BOLD图,勾勒的最高反馈区表现为红中带黄(箭)。
图2  与图1患者性别、年龄相匹配的健康志愿者运动(A)、感觉(B)最高反馈区水平型TIC,斜率均位于±10°之间。
图3  男,62岁,确诊ALS 1年,病程较短。3A:运动最高反馈区下降型TIC,斜率评分-2分;3B:感觉最高反馈区上升型TIC,斜率评分3分。
表1  ALS组、对照组BOLD运动最高反馈区各TIC类型例数及比较(n=36)

2.2 两组BOLD感觉最高反馈区TIC曲线类型分布情况及比较

       ALS组上升型TIC多见,对照组水平型TIC多见,差异均具有统计学意义(P均<0.05) (表2图1B、2B、3B)。

表2  ALS组、对照组BOLD感觉最高反馈区各TIC类型例数及比较(n=36)

2.3 ALS组运动最高反馈区、感觉最高反馈区TIC斜率相关检验

       18例ALS组经参照斯皮尔曼等级相关系数检验临界值表,得到运动最高反馈区与感觉最高反馈区TIC斜率的相关系数r值为-0.690,|r|>0.6,二者之间具有较强的负相关性(P<0.05)。

3 讨论

       电生理学是检测ALS神经损害的常见手段之一[5, 6],MRI功能成像虽较神经电生理学烦琐,但是其成像参数较多,可分析的数据丰富,近年来逐渐成为研究ALS神经损害的主要方法之一[7, 8]。在BOLD的TIC研究应用方面,已有国内学者应用其评价肝癌射频消融术后随访、正常胎盘和植入胎盘的氧合功能,并获得较高价值的结果[9, 10, 11]。研究证实ALS运动神经损害大多起始于下肢[12],神经损伤的补偿多见于优势肢体[13],所以我们选择嘱受试者规律背伸右足拇趾检测运动神经损伤。有研究认为ALS中枢存在损伤情况及代偿性增强等机制[14],为减少此类影响,本组尝试采用收集中枢最高反馈区BOLD信息的形式。用分析中枢最高反馈区TIC类型可以很好地兼容受试者运动轻微不规律造成的磁共振信号值小幅波动偏差,使结果更具客观性。虽然目前运动神经元损伤仍作为经典的ALS诊断标准之一,但是越来越多的各类研究表明ALS可能存在感觉神经的损害[15, 16, 17, 18]。当然也存在ALS不存在感觉神经损伤的相反观点[19]。腓肠神经活检已被证实对一些神经病变非常有价值[20],此次选择刺激右侧下肢腓肠神经后检测ALS感觉反馈情况,且BOLD的TIC可以较好地兼容本次辅助刺激的医师操作轻微不规律造成的MRI信号值轻微浮动。

       本研究通过对比ALS组与对照组运动、感觉BOLD最高反馈区的TIC类型,获得了ALS患者运动最高反馈区TIC类型最多见的是下降型(10/18,55.6%)、感觉最高反馈区多见的是上升型TIC (12/18,66.7%)的结果,并进一步分析得出ALS的运动最高反馈区下降型TIC与感觉最高反馈区上升型TIC具有负相关性的结果。尤其是运用BOLD的TIC分析ALS神经反馈特点,国内外鲜有报道。

3.1 ALS运动反馈TIC类型

       本研究对照组运动最高反馈区TIC类型以水平型多见(13/18,72.2%),说明健康人在4 min内中枢发出运动指令及运动后反馈大多保持较为均匀的血氧水平,另27.8%的志愿者TIC为上升型或下降型。有研究表明少部分健康人反馈中枢存在个体差异[14],而本组可能为健康人运动指令发出及反馈存在小部分渐进性加强或逐渐下降等个体差异。国外有研究发现ALS患者的运动神经元优势神经元的存在一定量的丢失可能[17],虽然本组ALS患者病程较短(6个月~24个月),但仍有大部分ALS患者运动最高反馈区TIC类型最多见的是下降型,表示这部分ALS运动指令发出及反馈出现逐渐减弱。说明此部分在较短病程内ALS患者可能已存在一定程度可被BOLD的TIC探知的神经元减少型运动神经损伤。当然,还存在其他类型的TIC,除了与对照组类似的个体差异等偶然性原因,一部分ALS上升型TIC可能与神经纤维存在异常兴奋毒性有关[21],一部分水平型TIC可能与早期神经损伤存在代偿性增强机制有关,或损伤程度不足以被BOLD的TIC表现出来,这部分也将是我们未来继续研究的重点之一。

3.2 ALS感觉反馈TIC类型

       对照组感觉最高反馈区TIC类型也以水平型多见(11/18,61.1%),以及小部分其他类型的个体差异。而ALS组TIC类型最多见的是上升型,一种可能是这部分患者感觉神经已单纯出现感觉皮质过度兴奋[22, 23];2021年4月发表的国外一项研究表明了颈部脊髓感觉神经纤维损伤导致复杂的手指动作减弱甚至灵活性丧失[24],一些外源性刺激可以代偿甚至替代内源性神经驱动[25],所以存在的另一种可能是,人体一个完整复杂动作的完成需要部分感觉神经参与,虽然优势足趾规律背伸动作对于健康人而言是非常简单的动作,但是ALS患者运动神经已损伤,所以对于ALS患者而言就是相对“复杂”得多的动作,ALS通过感觉反馈增强可以部分弥补运动神经损伤带来的缺陷,出现类似代偿性辅助完成复杂动作机制,继而感觉神经出现异常兴奋毒性。

3.3 ALS运动反馈与感觉反馈TIC斜率的相关性

       本组进一步统计了ALS组运动反馈TIC与感觉反馈TIC斜率的相关性,发现二者具有较强的负相关性(P<0.05),也就是ALS运动神经损伤越明显,感觉神经“代偿”越明显,进一步验证本次研究在这方面的假设。表明部分ALS患者尤其是运动神经损伤较重的部分患者感觉神经存在一定的损伤可能。过往关于基于电生理学检测研究认为ALS不存在感觉神经损害的结论[19],电生理学无法如BOLD的TIC一样可以动态监测ALS血氧饱和度的持续、渐变的特征,而一些ALS的MRI研究没有进行动态观察神经反馈或没有主动检测感觉神经损害[7,14],这些都是本次研究结果与过往不同的原因,也体现了BOLD的TIC在ALS研究中的特殊价值。

3.4 本研究的局限性及今后研究方向

       由于ALS是罕见疾病,所以与以往国内外ALS研究相似的是,本次研究样本量略少,可能会使结果存在一定的偏倚。我们将在未来通过增加样本量,并进一步增加运动和刺激部位,完善此类型的研究。

       总之,无论是运动反馈还是感觉反馈,ALS组BOLD都表现出与对照组大部分不同的TIC类型,ALS运动反馈与感觉反馈TIC斜率间具有负相关性。此方法可能成为ALS神经损伤检测手段之一。该研究结果可以帮助临床更为客观、更多角度地理解ALS神经损害特点,为进一步治疗提供参考。

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