郭浩明,呂發(fā)金
作者單位:
重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科,重慶 400016
腦白質(zhì)高信號(hào)(white matter hyperintensity,WMH)又稱腦白質(zhì)病變(Leukoaraiosis,LA)。該影像學(xué)術(shù)語最早由神經(jīng)病學(xué)專家Hachinski提出。該病常表現(xiàn)為T2WI或T2液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(fluid attenuated inversion recovery,F(xiàn)LAIR)高信號(hào),T1WI等信號(hào)或低信號(hào)[1]。隨著研究的不斷深入,WMH現(xiàn)在被普遍認(rèn)為是腦小血管疾病(cerebral small vessel disease,CSVD)的一種表現(xiàn)[2],WMH的發(fā)病機(jī)制主要與腦血流自動(dòng)調(diào)節(jié)受損,膠原血管病,血腦屏障(blood brain barrier,BBB)破壞以及遺傳因素有關(guān)[3-4],而且該病的發(fā)病率與年齡呈正相關(guān),在60歲以上的人群的發(fā)病率超過85%[5]。還有大量的研究表明,WMH與認(rèn)知功能的障礙和其他腦血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)[1,6-8]。而隨著影像技術(shù)的快速發(fā)展,WMH的研究近年來取得了一些突破性的進(jìn)展。筆者將以磁共振為代表,主要從影像學(xué)方面對WMH的研究進(jìn)展進(jìn)行敘述并提出展望。
病理學(xué)的研究顯示,WMH區(qū)域往往對應(yīng)著脫髓鞘、軸突的丟失或稀疏等病理表現(xiàn),而且不同部位的WMH對應(yīng)著不同的發(fā)病機(jī)制和病理表現(xiàn)[9],故目前許多研究都依據(jù)WMH是否位于腦室直接相連將WMH分為腦室旁WMH (periventricular WMH,PVWMH)和深部WMH (deep WMH,DWMH)[10],這種分類方式可行性和可重復(fù)性都很高,并且可以利用Fazekas量表對WMH進(jìn)行評(píng)分。由于WMH位置的特殊性和研究活體的必要性,故研究人員對WMH的研究不能像其他疾病一樣可以依賴活檢和尸檢,這也就導(dǎo)致了影像學(xué)手段是WMH目前診斷和研究的最佳方法。而MRI是神經(jīng)影像學(xué)最為重要的組成部分,同時(shí)其多參數(shù)、多序列的特性也為WMH研究提供了更多的可能性。而近年來很多WMH研究都應(yīng)用到了MRI的新技術(shù)。
擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是在擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DWI)技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù),DTI不僅可以利用水分子運(yùn)動(dòng)的方向依賴性無創(chuàng)地顯示腦白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu),還可以利用多項(xiàng)參數(shù)具體量化白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)受損程度[11]。常用參數(shù)包括:部分各向異性指數(shù)(fractional anisotropy,F(xiàn)A)、平均擴(kuò)散率(mean diffusivity,MD)、徑向擴(kuò)散系數(shù)(radial diffusivity,DR)和軸向擴(kuò)散系數(shù)(axial diffusivity,DA)。Maillard等[12]發(fā)現(xiàn)WMH周圍的正常表現(xiàn)腦白質(zhì)區(qū)(normal-appearing white matter,NAWM)可以表現(xiàn)出與WMH類似的DTI的特征,NAWM區(qū)域雖然受損程度較輕,但是隨著時(shí)間的推移有進(jìn)一步損傷的危險(xiǎn)。故作者類比了缺血性半暗帶,將這些受損程度較輕的NAWM區(qū)域稱作“WMH半暗帶(WMH penumbra)”,借此突出宏觀與微觀WMH區(qū)域的差異。該團(tuán)隊(duì)隨后的研究[13]還發(fā)現(xiàn)WMH半暗帶隨著時(shí)間推移,其區(qū)域與WMH有著相似的改變,同時(shí)認(rèn)為DTI對于WMH半暗帶的研究更具有優(yōu)勢。而Kalheim等[7]另一項(xiàng)利用DTI的研究顯示,在認(rèn)知障礙的病人中,發(fā)生了淀粉樣蛋白沉積的患者的WMH區(qū)比無淀粉樣蛋白沉積的患者有更高的DA、DR和MD值,這些數(shù)據(jù)表明淀粉樣蛋白的累積可能與WMH區(qū)域腦組織結(jié)構(gòu)的受損程度相關(guān),這就提示腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變可能是一種對異常淀粉樣蛋白代謝的機(jī)體反應(yīng)。
擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)是DWI及DTI技術(shù)的延伸。與DWI和DTI不同的是,DKI是一項(xiàng)描繪組織內(nèi)非正態(tài)分布水分子擴(kuò)散的磁共振技術(shù),不但可以更真實(shí)反映微觀結(jié)構(gòu)的改變,還可以提供組織的異質(zhì)性信息[14],故它成為了近年來影像學(xué)研究的熱點(diǎn)。常用參數(shù)有:平均峰度(mean kurtosis,MK),徑向峰度(radial kurtosis,Kr)和軸向峰度(axial kurtosis,Ka)。Serulle等[15]回顧分析了26例腦積水的病人和26例對照組病人,評(píng)估他們的WMH負(fù)擔(dān)并使用DKI評(píng)價(jià)腦白質(zhì)的完整性,結(jié)果顯示腦積水與多項(xiàng)峰度指標(biāo)的下降以及較高的WMH負(fù)擔(dān)明顯相關(guān),作者認(rèn)為DKI可以很好地檢測腦積水患者腦白質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)改變,提示DKI的數(shù)據(jù)表明腦積水對WMH產(chǎn)生和發(fā)展起著重要的作用。國內(nèi)學(xué)者葉德湫等[16]采用了DKI研究額頂葉的白質(zhì),并將掃描的相關(guān)結(jié)果與Fazekas分級(jí)做了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果顯示,4個(gè)Fazekas分級(jí)組之間的正常腦白質(zhì)的DKI加權(quán)參數(shù)的差異性都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并且加權(quán)后的MD、Ka、DR值還與Fazekas分級(jí)呈正相關(guān)。作者對此解釋到,在反映白質(zhì)神經(jīng)纖維的DKI參數(shù)中,Kr值降低反映脫髓鞘,Ka值的變化與軸突退變相關(guān)。而且不同分級(jí)的正常腦白質(zhì)DKI參數(shù)的具有明顯差異,這顯示出在額頂葉正常腦白質(zhì)在未出現(xiàn)T2高信號(hào)前就已經(jīng)出現(xiàn)了DKI參數(shù)的異常,這也提示,DKI較T2 FLAIR能更早期反映出額頂葉WMH程度。
體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion,IVIM) 模型最早是由Le Bihan等[17]于20世紀(jì)80年代提出。與傳統(tǒng)擴(kuò)散模型不同之處在于,它是基于雙e指數(shù)模型且不需對比劑就可以同時(shí)獲得灌注和擴(kuò)散信息[18]。常用參數(shù)有慢擴(kuò)散系數(shù)(D)、偽擴(kuò)散系數(shù)(D*)、灌注分?jǐn)?shù)(f)。目前采用IVIM模型的WMH研究還很少,Sun等[19]對32例大腦存在WMH的患者進(jìn)行IVIM成像掃描,同時(shí)評(píng)估這些患者的認(rèn)知功能。研究表明WMH與周圍的NAWM相比,其D*值明顯減低而D值明顯升高,這些數(shù)據(jù)與以往灌注和DWI的研究結(jié)果相一致。這表明IVIM技術(shù)同樣適用于研究WMH。但必須指出的是,IVIM的技術(shù)成熟度還不足,IVIM測量的準(zhǔn)確性受到諸多因素的影響[20]。相信隨著技術(shù)的完善,未來將會(huì)有更多的相關(guān)研究涌現(xiàn)。
結(jié)構(gòu)MRI目前的研究普遍采用基于體素的形態(tài)學(xué)測量方法(voxel-based Morphometry,VBM)觀測腦組織的形態(tài)。VBM是一種以體素為單位對MRI圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)定量處理分析的技術(shù),其具有自動(dòng)化處理、可重復(fù)性及客觀性等優(yōu)點(diǎn)。由于T2 FLAIR序列是WMH顯示最為直觀和簡便的序列,故許多WMH的研究都基于T2 FLAIR序列采用VBM計(jì)算WMH體積,并且將該參數(shù)作為衡量WMH擴(kuò)大的定量指標(biāo)[7-8,12-13]。Ryu等[21]進(jìn)行了一項(xiàng)多中心的臨床研究,對5000余例腦卒中的患者進(jìn)行了相關(guān)影像學(xué)檢查并在3個(gè)月后做了隨訪觀察,該團(tuán)隊(duì)在處理數(shù)據(jù)時(shí)并沒有單純地將定量出WMH體積作為一個(gè)單獨(dú)參數(shù),而是將WMH體積所占據(jù)的整個(gè)大腦體積的比例作為WMH體積參數(shù),他們認(rèn)為這樣可以更好地衡量腦白質(zhì)的體積的變化。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)入院時(shí)WMH的體積越大,則該患者的卒中的預(yù)后越差,其結(jié)果進(jìn)一步體現(xiàn)了WMH對腦卒中預(yù)后的預(yù)測價(jià)值。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)WMH對不同亞型的腦卒中預(yù)后預(yù)測能力也有明顯的差異,未來將針對不同亞型的腦卒中設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)??傊?,VBM已成為近幾年研究WMH乃至整個(gè)神經(jīng)領(lǐng)域研究不可或缺的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
動(dòng)脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling, ASL)是利用射頻脈沖標(biāo)記動(dòng)脈血內(nèi)水質(zhì)子,再通過減影技術(shù)處理得到灌注信息的一項(xiàng)無創(chuàng)技術(shù),結(jié)果通常以腦血流量(cerebral blood flow,CBF)表示。目前已有研究表明利用ASL獲得的CBF與PET檢測的結(jié)果的準(zhǔn)確性相似[22],而偽連續(xù)式動(dòng)脈自旋標(biāo)記(pseudo-continuous arterial spin labeling,pCASL)則是目前最常使用的ASL技術(shù),在正常人群、各種腦血管疾病及神經(jīng)精神疾病中已有廣泛應(yīng)用[23]。大量的研究表明,WMH區(qū)域的CBF值比正常腦組織區(qū)域更低,并且WMH的體積與其區(qū)域的CBF具有顯著的相關(guān)性[24-28]。Promjunyakul等[29]將Maillard等[12]提出的“WMH半暗帶”歸為WMH結(jié)構(gòu)半暗帶,并將WMH半暗帶的概念進(jìn)一步擴(kuò)展,提出了“WMH的CBF半暗帶”的概念。他們發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的CBF值明顯低于整個(gè)大腦的CBF值,并且該區(qū)域較低的CBF值與新發(fā)或擴(kuò)大的WMH相關(guān),這就進(jìn)一步體現(xiàn)了WMH的CBF半暗帶的預(yù)測價(jià)值。在隨后的研究中,Promjunyakul等[30]將WMH的CBF半暗帶與WMH結(jié)構(gòu)半暗帶做了對比,結(jié)果顯示CBF半暗帶明顯比結(jié)構(gòu)半暗帶更廣泛,這也提示W(wǎng)MH的CBF半暗帶相對其結(jié)構(gòu)半暗帶在監(jiān)測腦白質(zhì)的變化上可能更加敏感。傳統(tǒng)的ASL研究只能采用單標(biāo)記后延遲時(shí)間去研究,數(shù)據(jù)種類單一且采集速度較慢,但隨著技術(shù)的改進(jìn),ASL可以在同一次掃描采用多個(gè)標(biāo)記后延遲時(shí)間。Shen等[31]人采用了多標(biāo)記后延遲時(shí)間的ASL同時(shí)測量得到了CBF和首次到達(dá)時(shí)間(bolus arrival time,BAT),結(jié)果顯示二型糖尿病的患者的CBF值、BAT值以及WMH體積與對照組有明顯差異性,并認(rèn)為BAT值可見很好地提示二型糖尿病患者CSVD的風(fēng)險(xiǎn)。
動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像(dynamic contrastenhanced magnetic resonance imaging,DCE-MRI)可以無創(chuàng)性地反映組織和病灶血流灌注及微血管通透性情況,它可以靈活地采用半定量參數(shù)或定量參數(shù)來測定血流動(dòng)力學(xué)信息。以往的研究認(rèn)為BBB受損是WMH的產(chǎn)生和進(jìn)展的重要機(jī)制之一[3],故如何合適地評(píng)價(jià)患者的BBB受損程度成為WMH影像學(xué)研究的重點(diǎn),而一項(xiàng)研究顯示,DCE-MRI是量化BBB通透性的可靠方法[32]。但是目前采用DCE-MRI檢測WMH的研究不多。Nasel等[33]采用的是半定量的參數(shù)信息,通過分析DCEMRI的達(dá)峰時(shí)間直方圖。獲得的數(shù)據(jù)支持了BBB與CSVD的發(fā)生的相關(guān)性,他也強(qiáng)調(diào)應(yīng)用半定量的參數(shù)DCE-MRI就可識(shí)別CSVD的早期階段。除此之外,還有采用定量參數(shù)設(shè)計(jì)的研究,國內(nèi)學(xué)者李曼等[34]比較了DCE-MRI的Patlak、Extended Tofts雙室兩種定量參數(shù)模型對WMH診斷效能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Patlak模型更適合評(píng)價(jià)WMH。而Li等[35]就采用了Patlak藥代動(dòng)力學(xué)模型,再一次證實(shí)了BBB受損是WMH形成過程的重要環(huán)節(jié),而且BBB的受損也與患者認(rèn)知功能下降密切相關(guān)。
靜息態(tài)功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging,rsfMRI)利用檢測局部血流變化及脫氧血紅蛋白含量即血氧水平依賴(blood oxygen level dependent,BOLD)信號(hào)間接反映神經(jīng)元自發(fā)活動(dòng),實(shí)現(xiàn)對腦功能的檢測。其操作簡便,無需實(shí)驗(yàn)任務(wù),目前廣泛應(yīng)用于評(píng)估腦部功能及研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制、診斷、預(yù)后等。rs-fMRI包括腦局部活動(dòng)、腦區(qū)間功能連接及腦網(wǎng)絡(luò)分析,而在腦局部活動(dòng)研究中,常常用到低頻振幅分析(amplitude of lowfrequency fluctuation,ALFF)和局部一致性(regional homogeneity,ReHo)分析。鐘毅欣等[36]采用rsfMRI的ALFF方法,發(fā)現(xiàn)與輕度WMH組比較,重度WMH組患者在左側(cè)楔前葉、右側(cè)角回ALFF值下降;與正常組相比較,重度WMH組患者在左側(cè)楔前葉、右側(cè)角回、右側(cè)額中回ALFF值下降,說明WMH患者在靜息狀態(tài)下存在局部神經(jīng)元自發(fā)活動(dòng)異常。而李正然等[37]則將患有WMH的患者分為跌倒風(fēng)險(xiǎn)組及對照組并分別計(jì)算ReHo值,結(jié)果顯示,跌倒風(fēng)險(xiǎn)組患者的左額上回、右額中回、右額下回的平均ReHo值減低;右額中回、右額下回的ReHo值與MMSE及MOCA量表呈正相關(guān),左額上回的ReHo值與MMSE量表評(píng)分呈正相關(guān)。提示伴有跌倒風(fēng)險(xiǎn)的WMH患者存在多個(gè)腦區(qū)的局部一致性異常改變,表明跌倒風(fēng)險(xiǎn)患者腦組織存在局部神經(jīng)元同步性活動(dòng)異常或協(xié)調(diào)機(jī)制異常,并且存在多個(gè)腦區(qū)的代償性改變。這些結(jié)果都有助于早期識(shí)別、評(píng)估跌倒風(fēng)險(xiǎn)患者,提高患者生存質(zhì)量。
屏氣功能磁共振( breath-hold functional magnetic resonance imaging,BH-fMRI)通過控制被檢查者的呼吸,而導(dǎo)致短暫高碳酸血癥,繼而引起腦BOLD信號(hào)的改變來觀測腦功能。而在該研究方法中,其參數(shù)腦血管反應(yīng)性(cerebrovascular reactivity,CVR)可以準(zhǔn)確地反映腦血管的代償能力。加拿大的Sam等[4]學(xué)者近年來有多項(xiàng)BOLD-fMRI在WMH的研究。Sam等[4]的其中一項(xiàng)研究采用BH-fMRI評(píng)價(jià)了46例患有中重度WMH患者的CVR,并在1年后進(jìn)行了隨訪。結(jié)果顯示1年后由NAWM進(jìn)展為WMH的區(qū)域的基線CVR顯著低于其平均值。NAWM進(jìn)展為WMH之前,CVR就已經(jīng)提前出現(xiàn)了降低,這也進(jìn)一步說明了WMH的出現(xiàn)和進(jìn)展可能是血流動(dòng)力學(xué)的損害的結(jié)果,而且表明CVR對WMH進(jìn)展具有預(yù)測作用。Rane等[38]對30名志愿者分別進(jìn)行了ASL和BH-fMRI掃描,以比較其所產(chǎn)生參數(shù)CBF和CVR對CSVD進(jìn)展檢測敏感度,結(jié)果顯示在WMH和NAWM的CBF和CVR都出現(xiàn)了明顯的降低,同時(shí)更低的CBF和CVR值與較差的認(rèn)知功能明顯相關(guān);而且在WMH區(qū)域,CVR的79.3%下降比例要明顯高于58.4%的CBF下降比例,表明CVR較CBF對WMH進(jìn)展的監(jiān)測更加敏感。
磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy,MRS) 是可以無創(chuàng)性地測得活體組織代謝物的化學(xué)成分和含量的較新的影像學(xué)檢查方法。目前最為常用的是氫質(zhì)子(1H)波譜技術(shù)。在WMH的MRS研究中常用到的代謝產(chǎn)物有N-乙酰天門冬氨酸(NAA)、膽堿(Cho)、肌酸(Cr)。張慧麗等[39]對42例缺血性CSVD患者進(jìn)行了DTI和MRS檢查,并將研究對象分成WMH組和慢性梗死組。研究顯示CSVD病灶處的NAA、Cho和Cr的平均濃度都小于周圍正常白質(zhì),而WMH組和慢性梗死組間的各項(xiàng)MRS代謝值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,提示W(wǎng)MH可能與慢性梗死灶的化學(xué)成分類似。正常腦白質(zhì)的FA值與NAA/Cho比值、NAA/Cr比值之間均呈正相關(guān),而在CSVD病灶無上述相關(guān)性。對于缺血性CSVD,MRS和DTI能夠共同反映神經(jīng)髓鞘結(jié)構(gòu)的微觀變化及其功能的破壞,并且二者成像的結(jié)果具有相關(guān)性。有國外學(xué)者對患有WMH的偏頭痛患者進(jìn)行3年的隨訪檢查[40],其中MRS的結(jié)果顯示,患者3年后WMH區(qū)域的NAA和Cr的濃度均明顯小于基線的WMH的相應(yīng)濃度,這就說明了MRS可以反映出WMH區(qū)域神經(jīng)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)一步的破壞及惡化。但必須要說的是,分辨率過低和掃描時(shí)間過長是目前MRS比較突出的問題,未來隨著設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步,相信MRS會(huì)被更廣泛地應(yīng)用。
雖然技術(shù)不斷在進(jìn)步,涉及的范圍也越來越廣泛,但是我們這些研究確實(shí)還存在著一些待改進(jìn)的地方。(1)目前研究大多采用半自動(dòng)化的方式進(jìn)行影像分割、圖像配對,其分割和配準(zhǔn)的模型也不盡相同,這些都不可避免地帶來主觀性的影響,降低了研究的可信度;(2) FLAIR序列信號(hào)易受到干擾,而且信號(hào)強(qiáng)度的影響因素較多,故FLAIR序列通常不用作定量研究,但大多研究都直接在FLAIR序列是劃分WMH區(qū)或其他感興趣區(qū)并用于定量研究,導(dǎo)致研究的可重復(fù)性受到局限;(3)目前WMH的分類分級(jí)方法多樣。大多數(shù)分類分級(jí)方法都是從影像學(xué)角度出發(fā),但沒有一個(gè)具有確切臨床意義的分類和分級(jí)的方法,這也從一定上層面限制了WMH研究進(jìn)展。
目前WMH研究大都從臨床的需求出發(fā),圍繞著某種疾病或者某種臨床表現(xiàn)相關(guān)性展開。研究顯示,WMH與認(rèn)知功能障礙、腦卒中、步態(tài)障礙、抑郁等疾病密切相關(guān)[1],一篇系統(tǒng)評(píng)價(jià)就顯示W(wǎng)MH可增加腦卒中3倍和癡呆2倍的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[6]。而其中WMH與認(rèn)知障礙的關(guān)系更是研究的重點(diǎn),WMH的體積(負(fù)擔(dān))、反映腦血流動(dòng)力學(xué)和正常腦結(jié)構(gòu)破壞的相關(guān)指標(biāo)與認(rèn)知功能障礙呈不同程度的相關(guān)[7-8,38]。相信隨著研究的進(jìn)展,未來在磁共振的幫助下WMH將會(huì)提供更多的臨床信息,指導(dǎo)臨床的診斷及治療。
雖然WMH研究還有許多的不足,但影像學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了WMH的研究進(jìn)展是毋庸置疑的。從起初單純的研究WMH,到目前關(guān)注到WMH周邊的NAWM區(qū)域,并提出了WMH結(jié)構(gòu)半暗帶和WMH的CBF半暗帶相關(guān)概念[13,29],影像學(xué)的應(yīng)用都至關(guān)重要。以VBM為代表的定量影像學(xué)逐漸被研究人員應(yīng)用來量化WMH體積,是目前評(píng)價(jià)WMH擴(kuò)大的最客觀的指標(biāo)。以DTI為代表的擴(kuò)散成像技術(shù)將研究推向了微觀化和定量化,可以有效地評(píng)估WMH,并已成為目前研究不可或缺的影像技術(shù)。ASL、DCE-MRI、BOLD-fMRI等技術(shù)的進(jìn)步也為WMH提供了新的選擇和新的思路。而近年異軍突起的人工智能(artificial intelligence,AI)[41]成為了整個(gè)醫(yī)學(xué)界的重點(diǎn)關(guān)注方向,并且已經(jīng)有學(xué)者已經(jīng)利用以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的AI技術(shù)在WMH研究的圖像的分割或配準(zhǔn)上都取得了一些進(jìn)展[42-43],這也為WMH研究帶來了新的啟示。綜上所述,不難發(fā)現(xiàn)如今關(guān)于WMH研究正呈現(xiàn)多元化、標(biāo)準(zhǔn)化、臨床化、定量化和自動(dòng)化的態(tài)勢。最后需指出的是,一方面,未來WMH的研究定會(huì)將更加貼近臨床,更多的研究會(huì)從臨床實(shí)際需要的角度去設(shè)計(jì);另一方面,包括WMH在內(nèi)的神經(jīng)領(lǐng)域的研究離不開影像學(xué)的發(fā)展,相信未來更全面合理的影像與臨床的結(jié)合則可能將WMH的研究推向新的高潮。