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综述
功能磁共振成像技术在创伤性脑损伤的应用进展
孙林娜 王培源

Cite this article as: Sun LN, Wang PY. Application progress of functional magnetic resonance imaging technology in traumatic brain injury[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(7): 156-159.本文引用格式:孙林娜, 王培源. 功能磁共振成像技术在创伤性脑损伤的应用进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(7): 156-159. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.07.031.


[摘要] 创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)后脑组织会发生一系列复杂的病理生理反应,利用当前的医疗诊断技术对这一改变进行评估,对于TBI患者的诊疗以及预后具有重要意义。MRI技术尤其是功能MRI(functional MRI,fMRI)是目前活体成像最有效的检查方法,在TBI中有着更深入、更广泛的应用。通过fMRI技术可以清晰观察到TBI后脑组织结构、代谢以及功能的变化,这一技术对于TBI患者的早期诊断、预防和治疗尤为重要。本文对近几年国内外相关文献进行回顾和整理,对几种fMRI技术在TBI的应用进行综述。
[Abstract] A series of complex pathophysiological reactions will occur in the brain tissue after traumatic brain injury (TBI). The usage of current medical diagnostic technology to evaluate this change is of great significance for the diagnosis and prognosis of patients. Functional MRI (fMRI) is currently the most effective examination method for in vivo imaging, and it has a deeper and more extensive application in TBI. fMRI technology clearly observe the changes of brain tissue structure, metabolism and function after TBI, which is particularly important for the early diagnosis, prevention and treatment of patients with TBI. This article reviews and sorts out relevant domestic and foreign literature in recent years, and summarizes the application of MRI technology in TBI.
[关键词] 创伤性脑损伤;功能磁共振成像;影像技术;诊断;治疗
[Keywords] traumatic brain injury;functional magnetic resonance imaging;imaging technology;diagnosis;treatment

孙林娜    王培源 *  

滨州医学院烟台附属医院医学影像科,烟台 264100

王培源,E-mail:wangpeiyuan1640@163.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: 山东省自然科学基金 ZR2018MH034
收稿日期:2022-02-26
接受日期:2022-06-22
中图分类号:R445.2  R651.15 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.07.031
本文引用格式:孙林娜, 王培源. 功能磁共振成像技术在创伤性脑损伤的应用进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(7): 156-159. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.07.031

       创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)指头部受到外力因素(撞击、打击、开放性头部损伤等)导致暂时性或永久性的神经功能障碍,全世界每年TBI发病约5000万例,具有较高的死亡率和致残率[1, 2]。在中国,TBI患者的数量远远超过其他国家,且TBI后造成的神经功能障碍已严重威胁到人类健康[3]。因此,认识和了解TBI后脑组织的损伤机制和病理变化,以及早期诊断具有非常重要的意义。

1 TBI的相关病理研究

       TBI是一种由外部因素导致的多个大脑区域功能障碍的复杂疾病,临床表现为脑震荡、脑裂伤、弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury, DAI)等病理损伤,以及硬膜外和硬膜下血肿、脑水肿、轴突损伤、神经元死亡、胶质增生和血脑屏障破坏等病理改变[4]。最初的损伤往往会导致一些继发的病理改变,例如脑水肿,神经炎症以及随后出现的认知功能障碍、癫痫等神经退行性疾病[5, 6],而后出现的细胞炎症、免疫应答的激活、谷氨酸的兴奋性毒性、钙超载和线粒体功能障碍等一系列病理反应会持续加重继发性损伤,恶化TBI的预后。迄今为止,TBI尚无有效的临床治疗办法,因此,临床上采取有效手段对TBI进行早期诊断及预防显得尤为重要。

2 MRI技术在TBI的应用

       目前,MRI技术可对脑组织结构进行多角度、多参数成像,而功能MRI(functional MRI, fMRI)技术不仅可以准确定位脑损伤区域,而且可以对脑损伤功能区和损伤的严重程度进行评估、显示脑网络结构改变等。因此,fMRI技术在临床上对于TBI的早期诊断和治疗是十分有价值的。

2.1 扩散加权成像

       扩散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)根据不同组织中水分子扩散运动的差异来判断TBI后的水肿情况。TBI后引起水肿的类型有细胞毒性水肿和血管源性水肿[7]。细胞源性水肿的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)值较低,而血管源性水肿的ADC值相对较高[8],因此,DWI可以明确TBI水肿的类型。Turtzo等[9]研究发现TBI患者损伤区域与出血性相关的ADC值在早期(24 h内)最低(0.65~0.80),在亚急性期明显增大(0.79~0.90),表明TBI亚急性期已从细胞毒性水肿转变为血管源性水肿,表明DWI对于诊断脑水肿类型具有重要的意义。Ren等[10]通过动物实验证实,利用ADC可以绘制TBI后不同时间点脑损伤半暗带的水肿类型和变化程度。DWI作为评估脑损伤水肿程度最合适的技术,有助于临床对脑损伤水肿程度的评估以及诊断[11]。临床上,通过对脑损伤患者ADC值进行评估,可以预测水肿的发展。

2.2 磁共振扩散张量成像

       磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)通过显示脑白质内神经纤维束的走向,用于观察脑部结构的完整性和连贯性,可对白质纤维束的损害程度和范围进行定量测量。DTI的评估参数有:各向异性分数(fractional anisotropy, FA)、平均扩散系数(mean diffusion, MD)、轴向扩散系数(axial diffusivity, AD)、径向扩散系数(radial diffusivity, RD)。其中,FA值对白质纤维束的存在和完整性敏感度较高[12]。FA值介于0~1.0之间,在显著各向异性运动区域(如白质)FA值较高,在各向同性运动区域(如灰质和脑脊液)FA值较低。DTI技术主要用于检测TBI后脑白质纤维束的完整性[13, 14],且FA值与轴突完整性成正相关[15]。张晓峰等[16]研究发现TBI组急性期和慢性期的FA值与MD值都明显低于正常组,且慢性期的FA值高于急性期。San等[17]发现急性期白质和灰质区的FA、MD和AD均降低,通过组织学定量评估大脑白质和灰质中的轴突损伤和神经胶质增生,结果与FA、AD的变化一致。另外,DTI还可应用于早产儿脑损伤。张名扬等[18]研究发现在早产儿脑白质损伤中FA值与早产时间有关,早期早产儿内囊前肢及后肢和胼胝体压部等脑组织区域的FA值低于晚期早产儿,且右侧内囊前肢及胼胝体压部的FA值低于中期早产儿。综上,FA值作为评估脑白质损伤严重程度的重要指标,为临床上疾病的早发现早治疗提供了很大的帮助。

2.3 神经突定向扩散与密度成像

       神经突定向扩散与密度成像(neurite orientation dispersion and density imaging, NODDI)在TBI中也有广泛的应用。NODDI用于测量轴突密度和轴突局部组织结构。利用方向分散指数(orientation dispersion index, ODI)测量在较高b值的多个扩散加权方向,以测量神经突变化的方向;利用轴突密度指数(neurite density index, NDI)来量化轴突密度的变化。相较于DTI,NODDI对于脑组织中灰质和白质的区分更敏感。Muller等[19]首次利用混合扩散成像结合DTI和NODDI方法来检测慢性TBI(chronic TBI, cTBI)患者的脑白质改变,NODDI的高级扩散建模技术显示出的组间差异可以进一步检测脑震荡对白质微结构的影响。Palacios等[20]研究发现NODDI比DTI检测DAI的轴索变性更敏感,对于进一步研究轻度TBI(mild TBI, mTBI)诊断、预后以及治疗监测有十分重要的意义。另外,Mccunn等[21]研究发现在大鼠mTBI后1小时就检测到NODDI指标的变化,海马和胼胝体区域的NDI值增加,胼胝体区域的ODI值增加,而在常规DTI中FA、MD、AD和RD值未发现明显变化。NODDI因其对头部撞击较DTI有更高的敏感性,有望成为检测脑震荡的有效工具。

2.4 扩散峰度成像

       扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)是建立在DTI基础之上的一种新型fMRI技术,可以反映出生物组织内非高斯分布水分子扩散运动的情况。DKI的评估参数有:平均峰度(mean kurtosis, MK)、轴向峰度(axial kurtosis, AK)、径向峰度(radial kurtosis, RK)。与常规DTI相比,DKI在评估TBI患者神经元组织病理纵向改变方面具有更高的敏感性[22]。Zheng等[23]研究低强度经颅超声刺激在中度TBI的治疗作用,发现MK值在早期明显增加,RK值略有增加,而AK值降低。Wang等[24]在研究cTBI认知障碍中发现,DKI在同侧感兴趣区域表现出更高的MD值。Li等[25]对因TBI导致的脑软化癫痫患者与非癫痫患者比较,发现两者的格拉斯哥昏迷量表(Glasgow Coma Scale, GCS)、病灶体积、MD值没有显著差异,但MK值有明显差异(P<0.05),表明DKI技术对于评估TBI后脑软化发生癫痫的风险具有重要意义。研究发现脑区不同,所得到的参数值的高低也不相同。例如,Wang等[26]利用DKI和体积分析研究亚急性mTBI的脑结构变化,发现在广泛的白质区域和几个皮质下核中显示出较低的MK值(P<0.05),在右侧苍白球中却显示出较高的MD值(0.830±0.079,对照组为0.771±0.045,P<0.05)。综上,DKI技术在检测TBI导致的认知障碍及一系列疾病时相较DTI有更高的敏感性,对于临床上疾病的诊断有更高的应用价值。

2.5 磁共振波谱成像

       磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopy, MRS)在检测活体组织器官代谢物变化、确定病理损伤程度、检测生物标志物等方面有广泛的应用。由于质子所处的化学环境不同,在磁共振波谱中吸收频率也不相同,凭借这些信号来识别和量化组织中的代谢物,从而得知损伤后的改变。在MRS中可量化的代谢物有N-乙酰天门冬氨酸(NAA)、胆碱(Cho)、谷氨酸(Glu)、肌酸(Cr)、谷氨酸-谷氨酰胺复合物(Glx)、肌醇(Ml)等。NAA是神经元能量代谢的标志,会随着神经元的损伤及丢失而减少[27]。Cho是脑神经炎症和脱髓鞘的标志。Glu是一种兴奋性的神经递质,会在TBI后显著增加[28]。Glx与免疫兴奋性毒性或继发性功能障碍相关。Ml与星形胶质细胞的增殖有关,Chandni等[29]的研究发现患有TBI的军人中Ml水平明显升高。Maudsley等[30]对中度TBI的演变进行纵向评定,发现损伤后Cho/NAA值随着时间的推移而减小。Lawrence等[31]利用MRS技术和DWI技术检测24 h内超急性期TBI患者的后扣带回皮层和胼胝体区域,发现NAA降低(F=11.43,P=0.002),Cho增加(F=10.67,P=0.003),FA值明显减小,且FA值的减小与Cho增加有关(P=0.029),由此判断代谢物指数可以识别损伤的严重程度。Lin等[32]发现不同部位的代谢物比率差异有统计学意义,TBI患者的左枕叶白质NAA/CR较低(TBI:1.37,对照组:1.487,t [1,19]=2.348,P=0.030),但左顶叶灰质NAA/CR较高(TBI:1.149,对照组:0.924,t [1,19]=2.393,P=0.027)。因此,MRS作为体内评估组织代谢物浓度变化的检查手段,能够量化TBI患者脑内代谢物水平的变化,从而提供更加准确的代谢物信息。

2.6 磁敏感加权成像

       磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging, SWI)是一种利用组织间磁化率差异使图像对比度增强的fMRI技术。因其对局部磁场的变化非常敏感,在脑血管病、脑外伤、脑血管畸形以及脑肿瘤等疾病诊断中有重要的意义。TBI患者多出现以颅内微小出血灶(cerebral microbleeds, CMBs)为主的病理改变。Eldes等[33]的研究对mTBI患者分别进行颅脑CT和SWI扫描,CT图像未见明显异常改变,而SWI可见低信号的微出血区域,因此证实SWI可用以识别慢性期mTBI患者的创伤微出血区域和其他出血性DAI病变。同样,上官建伟等[34]对早期TBI进行SWI扫描,其检出的出血灶数目多于常规MR序列及DWI序列,进一步证实SWI具有较高的CMBs检出能力,可为TBI的早期诊断提供帮助。Bianciardi等[35]利用SWI检测重度TBI患者的脑干、丘脑、下丘脑和基底前脑区CMBs空间分布和出血量与6个月后功能恢复时间的关系,发现这些脑区均有出血且出血量与无反应时间呈正相关。综上,SWI相较于CT和DWI对TBI后产生的CMBs有更高的检出率。

2.7 化学交换饱和转移

       化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer, CEST)是一种新的fMRI技术,它是利用物质中可交换的质子与水中的氢质子化学交换发生空间位置的转移,进而间接反映这种物质的信息。目前,CEST技术已用于检测蛋白质、酰胺质子、Glu、葡萄糖等物质。Chen等[36]对TBI后导致DAI的患者进行DKI和谷氨酸化学交换饱和转移(GluCEST)成像,检测发现在顶叶、丘脑和海马区域MK值和MD值明显增加,同样GluCEST值也明显增高,与DKI不同的是,GluCEST可直接检测出DAI后Glu浓度的变化。说明DKI和GluCEST成像技术对于DAI后大脑中的微观结构和神经化学变化更敏感,有利于DAI的早期诊断和治疗。在一项动物实验中,Zhang等[37]在不同时间点对Sprague-Dawley大鼠进行酰胺质子转移加权(amide proton transfer-weighted, APTw)成像发现,病灶区域的APTw信号明显增高与病变中心出血有关,伤后2天周围区域的APTw信号显著增加可能与继发性炎症有关。与目前使用的许多fMRI技术不同,APTw可以为TBI后出现的缺血、出血和神经炎症等病理特征提供直观的解释。Mao等[38]利用GluCEST成像来评估急性轻度至中度TBI的Glu变化,发现Glu显著增加(P<0.05),与之前的MRS研究结果一致,但与MRS不同的是,CEST对于Glu的检测具有更高的敏感度和更高的空间分辨率,而且GluCEST在预测TBI患者认知结果方面的表现优于MRS。因此,CEST技术的发展为TBI的诊断和治疗提供了潜在的分子信息。

2.8 血氧水平依赖fMRI

       血氧水平依赖fMRI(blood oxygenation-level dependent fMRI, BOLD-fMRI)是一种利用顺磁脱氧血红蛋白和抗磁性氧合血红蛋白之间产生的内源性信号对比从而反映脑组织功能变化的fMRI技术。脑震荡和创伤性脑血管损伤(traumatic cerebral vascular injury, TCVI)作为TBI后常见的并发症,严重影响患者的生活和行为。因此,临床上需要采取有效手段帮助评估以及恢复患者的神经功能损伤。脑血管反应性(cerebrovascular reactivity, CVR)是指脑血管对血管活性刺激的反应能力,是检测脑外伤患者的敏感生物标志物[39]。目前研究发现人们可以通过BOLD-fMRI技术实现在微观水平上检测TBI后患者的CVR变化[40]。Churchill等[41]证实了这一点,其利用BOLD-fMRI技术评估脑震荡患者的CVR,脑震荡的严重程度与CVR减少有关,症状越严重,CVR减少得就越多。因此BOLD-fMRI可作为评估脑震荡患者CVR改变的一种可靠方法。另外,Amyo等[42]通过BOLD-fMRI技术测量CVR来评估cTBI患者的微血管损伤和功能障碍,与正常组的CVR值(12.3±1.8)相比,cTBI患者的整体CVR显著降低(9.2±1.7,P<0.0001),空间分辨率增高。因此,临床上可通过BOLD-fMRI这一无创技术检测CVR功能和微血管的完整性,为TBI疾病的诊断和治疗提供更多有价值的信息。

3 总结与展望

       TBI对脑组织及脑功能的损害在各个阶段都有极其复杂的病理变化。目前fMRI是检查脑部损伤的主要技术,在临床工作中,DWI、DTI、DKI、MRS、SWI、CEST、BOLD-fMRI等功能成像技术在判断水肿类型、检测脑白质神经纤维束的完整性、代谢物水平变化、CMBs的检出数量,以及CVR功能等方面已经取得了重大进展,但这几种fMRI技术各有利弊,只能检测出TBI后脑组织出现的某些改变。且目前仍有许多fMRI检查技术停留在实验研究阶段,真正进入临床应用还需进一步探索。相信随着国内外学者对fMRI检查技术的不断探索创新,将多种fMRI技术融合可为TBI在临床上的早期诊断、损伤评估以及预后治疗提供更好、更多有价值的信息。

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