陳業(yè)晞，沈智威，肖葉玉，李志揚(yáng)，吳仁華*，孔抗美*

CHEN Ye-xi1, SHEN Zhi-wei2, XIAO Ye-yu2, LI Zhi-yang1, WU Ren-hua2*, KONG Kang-mei1*

1Deparment of Surgery, 2Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital,Medical College of Shantou University, Shantou 515041, China

針灸是中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的重要組成部分，經(jīng)過(guò)幾千年的實(shí)踐已證明其獨(dú)特療效。但針炙的作用機(jī)理尚未完全明確，因此其科學(xué)性及客觀性受到質(zhì)疑。隨著功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已開(kāi)展很多使用腦功能成像技術(shù)研究針灸作用機(jī)理的研究[1]。脊髓是腦和身體的信息導(dǎo)線，脊髓中神經(jīng)元活動(dòng)可導(dǎo)致一系列生理活動(dòng)，也應(yīng)可以進(jìn)行功能成像研究。自從1996年Yoshizawa等[2]發(fā)表脊髓fMRI文章以來(lái)，脊髓fMRI研究已廣泛開(kāi)展。但與腦功能成像技術(shù)相比，由于脊髓形態(tài)細(xì)長(zhǎng)，易產(chǎn)生磁敏感效應(yīng)，并伴有明顯的腦脊液搏動(dòng)、心臟和呼吸的影響，極易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，因此脊髓功能成像研究的發(fā)展深受技術(shù)限制。最近10多年，伴隨MRI技術(shù)的發(fā)展，脊髓fMRI研究取得明顯進(jìn)步[3]。通過(guò)檢測(cè)基于T2*加權(quán)的血氧水平依賴 (blood oxygenation level dependent，BOLD)效應(yīng)和基于質(zhì)子密度加權(quán)的血管外質(zhì)子信號(hào)增強(qiáng)(signal enhancement by extravascular protons，SEEP)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)脊髓功能激活區(qū)域和電生理等理論對(duì)應(yīng)區(qū)域相一致，認(rèn)為使用fMRI技術(shù)檢測(cè)脊髓神經(jīng)功能是可行的[4]。本研究通過(guò)電針同時(shí)刺激健康志愿者右手陽(yáng)明大腸經(jīng)上的合谷穴和曲池穴，使用采用單次激發(fā)快速自旋回波(single-shot fast spinecho，SSFSE)序列檢測(cè)基于SEEP效應(yīng)的脊髓功能激活區(qū)，觀察頸髓功能激活區(qū)的位置及激活點(diǎn)數(shù)，驗(yàn)證使用脊髓磁共振成像技術(shù)研究針灸作用機(jī)理的可行性，為針灸提供客觀的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

取健康志愿者8例，均為男性，右利手，平均年齡為25.9歲。均無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)疾病。實(shí)驗(yàn)前告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，取得同意和配合，并簽署知情同意書。實(shí)驗(yàn)中掃描解剖像，排除脊髓發(fā)育異常情況。

1.2 刺激模式

電針刺激：采用0.30 mm×25 mm的銀質(zhì)毫針，快速進(jìn)針刺激右手合谷穴，深度20 mm，針刺得氣(酸、麻、脹、重的感覺(jué))后，G9805C低頻電子脈沖治療儀正極接入右手合谷穴，參考電極置于右臂曲池穴，形成循環(huán)徑路。連續(xù)脈沖波，刺激頻率1 Hz，刺激強(qiáng)度5～10 mA，以不引起被試者不適感為宜。激活模式采用組塊(block design)設(shè)計(jì)，即靜息像(rest)與刺激像(stimulate)相交替。首先為靜息態(tài)，不給予刺激，持續(xù)49秒，共7個(gè)掃描(scan)時(shí)間；然后為刺激態(tài)，使用電針刺激，持續(xù)35秒，共5個(gè)掃描時(shí)間；第二個(gè)靜息態(tài)持續(xù)35秒，第二個(gè)刺激態(tài)同樣持續(xù)35秒。然后重復(fù)進(jìn)行。為了比較不同刺激時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)根據(jù)組塊不同分成2組：第一組設(shè)計(jì)了3個(gè)組塊，即靜息態(tài)重復(fù)4次，刺激態(tài)重復(fù)3次，即R-S-R-S-R-S-R，共4分14秒。第二組設(shè)計(jì)5個(gè)組塊，即靜息態(tài)和刺激態(tài)分別交替重復(fù)5次，即R-S-R-S-R-S-R-S-R-S，共6分4秒。

1.3 信號(hào)采集

使用GE 1.5 T Signa MRI掃描機(jī)及單通道標(biāo)準(zhǔn)頸線圈。矢狀位解剖圖像使用常規(guī)T1時(shí)間加權(quán)的液體抑制的反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(T1WI-FLAIR)序列采集，方向?yàn)閺挠蚁蜃螅瑨呙璺秶鸀榧怪鵆2段至T1段，包括脊髓及周圍腦積液。共掃描7層矢狀位圖像，定位圖見(jiàn)圖1。掃描參數(shù)：TR=2300 ms，TE=11.2 ms，TI=750 ms，矩陣為320×224，激勵(lì)次數(shù)(NEX)為2次。頸髓fMRI采用SSFSE序列，矢狀面掃描范圍完全包納脊髓，與解剖像一致。層厚2.0 mm，層間距0 mm，NEX為1，層數(shù)為7層，每一幀圖像掃描時(shí)間為7 s。掃描時(shí)于脊髓的左右及前方加用飽和帶，以避免髓外信號(hào)的干擾。矢狀位功能成像參數(shù)：TR= minimum(1065.0 ms)，TE=minimum (42.4 ms)，視野(FOV)為16 cm×16 cm，矩陣為128×128，帶寬 (BW)為32 kHz。掃描時(shí)于脊髓的左右及前方加用飽和帶，以避免髓外肌肉運(yùn)動(dòng)和吞咽等行為的干擾。并選擇流動(dòng)補(bǔ)償(flow compensation)，以減少血管和腦脊液的運(yùn)動(dòng)偽影；選擇不加相位卷褶(no phase wrap)。

圖1 解剖定位圖Fig 1 Anatomical location map

1.4 數(shù)據(jù)后處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先使用MRIcro軟件，轉(zhuǎn)換DICOM格式圖像為SPM可處理的img格式圖像，并完成2D轉(zhuǎn)3D，即將單個(gè)TR的slice圖像轉(zhuǎn)為一個(gè)掃描時(shí)間內(nèi)7個(gè)slice的數(shù)據(jù)集。最后調(diào)整圖像三個(gè)平面方向與SPM顯示的三個(gè)平面方向一致。然后使用SPM2軟件進(jìn)一步預(yù)處理：首先進(jìn)行頸部運(yùn)動(dòng)校正，得到頸部運(yùn)動(dòng)曲線和平均圖像。由于沒(méi)有脊髓模版，本研究使用SPM的realignment選項(xiàng)生成每個(gè)受試的平均功能圖像，并以此為模版，分別對(duì)每個(gè)受試進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化校正，使像素為2 cm×1 cm×1 cm，并標(biāo)準(zhǔn)化到MNI空間。最后進(jìn)行平滑處理。解剖像同樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和平滑處理，保證與功能像空間位置一致。使用SPM2軟件生成靜息態(tài)和刺激態(tài)圖像差異的t檢驗(yàn)圖像。閾值為：t＞2.42，P＜0.01(不校正)，使差異具有顯著性。最后將激活點(diǎn)疊加到解剖像上。

表1 8名受試者各脊柱分區(qū)的激活總像素?cái)?shù)和最大強(qiáng)度值Tab 1 the total number of pixels activated and the maximum intensity of spinal cord divisions of eight subjects

表2 8名受試者脊柱不同分區(qū)橫斷面上激活點(diǎn)出現(xiàn)位置(例數(shù))Tab 2 the position of pixels activated (number of cases) on cross-section plane of spinal cord divisions of eight subjects

2 結(jié)果

2.1 電針刺激的矢狀面激活區(qū)信號(hào)強(qiáng)度比較

8名受試者在脊髓中均出現(xiàn)激活信號(hào)，分布在脊柱C2～T1段，但主要集中在C2、C4、C5、C6段。受試者的脊髓矢狀位與橫斷位的主要激活分布見(jiàn)圖2，8名受試者各分區(qū)的激活像素?cái)?shù)總數(shù)和平均信號(hào)強(qiáng)度見(jiàn)表1。

2.2 電針刺激的橫斷面激活區(qū)信號(hào)比較

8名受試者脊柱不同分區(qū)中激活點(diǎn)出現(xiàn)位置如表2所示。

2.3 不同刺激時(shí)間的激活區(qū)信號(hào)差別

分別從脊髓各段激活區(qū)分布和激活最大強(qiáng)度，對(duì)比刺激3次組和刺激5次組，發(fā)現(xiàn)：①激活區(qū)分布基本相同，主要集中在C2～C6；②在C2～C6段，刺激3次組的最大激活強(qiáng)度均高于或等于刺激5次組；③刺激3次組在脊柱T1段的激活點(diǎn)數(shù)和強(qiáng)度大于刺激5次組，而在C7段均小于刺激5次組；④刺激3次組脊髓兩邊的偽激活少于刺激5次組。

3 討論

3.1 脊髓功能成像的生理機(jī)制

圖2 一名受試者的矢狀位與橫斷位MRI的主要激活分布圖Fig 2 the main pixels activation map on sagittal position and cross-section position of one subject

以往腦功能成像研究多使用EPI序列檢測(cè)激活區(qū)的BOLD效應(yīng)。但考慮到1.5 T EPI序列的成像分辨率低，對(duì)B0場(chǎng)變化敏感，且脊柱橫斷面面積小，鄰近結(jié)構(gòu)(椎骨、椎間盤)使得勻場(chǎng)十分困難，易造成磁敏感性偽影，使用EPI序列進(jìn)行脊髓功能成像容易引起圖像解剖位置的扭曲和信號(hào)損失。Stroman等[5,6]發(fā)現(xiàn)，在TE=0時(shí)，還存在激活信號(hào)的升高。而BOLD效應(yīng)是與TE成正比的，所以此時(shí)的信號(hào)升高另有原因。他們認(rèn)為可能是由于神經(jīng)興奮區(qū)血流量的增加，血管內(nèi)壓升高，特別是毛細(xì)血管動(dòng)脈端的壓力升高較明顯，從而改變了正常的液體平衡，使得更多的水穿過(guò)血管壁進(jìn)入細(xì)胞外間隙，導(dǎo)致在局部興奮組織周圍的細(xì)胞外液有輕微的增加。他們稱之為“SEEP效應(yīng)”。通過(guò)質(zhì)子密度加權(quán)成像可以檢測(cè)到這部分增加的水信號(hào)。與EPI圖像相比，基于SE序列的質(zhì)子密度加權(quán)圖像不易受磁敏感效應(yīng)影響，信噪比更高，因此得到的信號(hào)增強(qiáng)更高。目前在脊髓成像領(lǐng)域檢測(cè)SEEP效應(yīng)的研究與檢測(cè)BOLD效應(yīng)的研究數(shù)量上大體相等。本研究的前期工作使用SSFSE序列檢測(cè)扣指運(yùn)動(dòng)的脊髓功能成像，獲得了較好效果[7]。因此希望在針灸研究中檢測(cè)該技術(shù)的可行性。

3.2 真假激活的鑒別

腦功能和脊髓功能存在一些不同，主要表現(xiàn)為：①血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的不同；②易受運(yùn)動(dòng)偽影，尤其是腦脊液搏動(dòng)偽影干擾。由于目前在功能成像領(lǐng)域，我們尚未發(fā)現(xiàn)脊髓血流動(dòng)力學(xué)的研究，所以本研究使用腦血流動(dòng)力學(xué)方程，產(chǎn)生時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度曲線。本研究中脊髓的激活大部分分布在脊髓白質(zhì)周邊，且周圍腦脊液也會(huì)產(chǎn)生大量偽激活，需要區(qū)分真假激活。在P＜0.05時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)脊髓中有較多激活，但周圍也有大量偽激活。為了減少偽激活，我們嘗試加大激活聚類點(diǎn)數(shù)。但發(fā)現(xiàn)此方法不理想。原因可能為脊髓中激活點(diǎn)大大少于腦脊液中的偽激活點(diǎn)，因此，加大激活聚類點(diǎn)后，減少偽激活的同事也減少了大部分真實(shí)激活。最終采取P＜0.01，激活聚類點(diǎn)為0，并結(jié)合時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度曲線，去除偽激活影響。

3.3 激活區(qū)的解釋

本研究的刺激強(qiáng)度較高，為有害刺激。合谷穴和曲池穴均屬于手陽(yáng)明大腸經(jīng)，是手陽(yáng)明大腸經(jīng)的原穴，因易得氣、針感強(qiáng)，取穴方便而頗為歷代醫(yī)家所重視。合谷穴和曲池穴為手陽(yáng)明經(jīng)的經(jīng)穴是治療痿證、痹證的常用取穴，且均有鎮(zhèn)痛作用，推測(cè)刺激這兩個(gè)穴位主要引起感覺(jué)區(qū)激活。由于同時(shí)刺激合谷穴和曲池穴，形成一條電通路。也可能引起運(yùn)動(dòng)區(qū)激活。根據(jù)腦功能研究結(jié)果，刺激穴位可引起多個(gè)腦區(qū)的激活，因此推測(cè)也可引起脊髓多個(gè)功能區(qū)激活。Backes等[8]對(duì)電刺激肘部正中神經(jīng)進(jìn)行BOLD-fMRI 分析，矢狀面fMRI提示7名實(shí)驗(yàn)對(duì)象中有5名出現(xiàn)頸脊髓下段激活。Stroman等[9]研究發(fā)現(xiàn)用溫度刺激手和前臂不同皮膚感覺(jué)區(qū)后，脊髓神經(jīng)激活區(qū)所在層面與感覺(jué)區(qū)域密切相關(guān)。結(jié)果表明刺激右手掌拇指區(qū)相當(dāng)于刺激正中神經(jīng)，頸脊髓激活區(qū)分布在C5～C8，以C6最為明顯；刺激前臂肘區(qū)相當(dāng)于刺激前臂外側(cè)皮神經(jīng)，對(duì)應(yīng)脊髓激活區(qū)分布在C5～C6，向下延伸至C7有稍低信號(hào)激活。本研究8名實(shí)驗(yàn)對(duì)象均出現(xiàn)頸脊髓下段，脊柱C4～C7段(對(duì)應(yīng)脊髓C5～C8段)激活結(jié)果與Stroman的研究結(jié)果基本一致。且本研究發(fā)現(xiàn)橫斷面上激活主要激活區(qū)域位于同側(cè)，尤其是在脊髓的后角、中部及前角(功能區(qū))，同時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)有較少顯著激活區(qū)，與文獻(xiàn)報(bào)道一致。但本研究對(duì)側(cè)激活主要集中在后角，與文獻(xiàn)不同。推測(cè)可能與使用不同刺激模式有關(guān)。另外，本研究發(fā)現(xiàn)脊柱C2段(對(duì)應(yīng)脊髓C3段)也存在顯著激活，與前期對(duì)指運(yùn)動(dòng)脊髓功能成像研究[7]的激活區(qū)分布相似，推測(cè)為電針刺激到運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)激活時(shí)間短的組，反而最大激活信號(hào)強(qiáng)度高，與預(yù)期結(jié)果不一致。但由于例數(shù)較少，還需要進(jìn)一步研究。

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