多模態MRI在復發緩解型多發性硬化深部灰質的應用

王小花，丁爽，陳曉婭，曾春，殷菲悅，李詠梅

多發性硬化(multiple sclerosis，MS)是中樞神經系統常見的慢性炎性脫髓鞘疾病，以復發緩解型MS(relapsing-remitting MS，RRMS)最多見，是青年人非創傷性殘疾的首要原因[1-2]。傳統觀點認為MS是典型的白質局灶性脫髓鞘，即在常規T2 加權成像(T2 weighted image，T2WI)上的白質高信號病變，近年來隨著病理及影像技術的發展表明MS也存在廣泛的灰質受累，但其是否獨立于白質病變尚不明確[3-4]。此外，既往研究表明MS 患者深部灰質萎縮[5]，并存在不同程度的微結構損傷及鐵代謝紊亂[6-8]，但既往研究關注患者多為10 年以上病程的中晚期MS，較早期MS的微結構及鐵代謝改變情況尚不清楚。而MS早期以炎性反應為主，盡早干預可有效避免進行性神經損傷累積和不可逆殘疾[9]。因此，對早期MS進行能夠反映組織內不同生物學特征的多模態MRI 檢測，有望更加全面地揭示MS 深部灰質的病理生理改變，挖掘可用于疾病早期監測的有效影像學指標。在現有的多模態MRI技術中，基于高分辨率3D-T1 加權成像(T1 weighted image，T1WI)可有效測量腦體積，擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)可敏感地反映組織早期微結構異常，定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)可無創定量評估組織鐵含量，相較既往磁敏感MRI 技術定量更直接、準確[10]。因此，本研究擬在評估RRMS患者疾病相對早期灰質體積變化基礎上聯合DTI和QSM量化微結構損傷和鐵含量異常，并探究其與白質病變及臨床殘疾的相關性，白質病變通過白質病灶體積(white matter lesion volume，WM-LV)評估。

1 資料與方法

1.1 研究對象

前瞻性納入2020年7月至2021年6月40例于重慶醫科大學附屬第一醫院診斷為RRMS 的患者，男12 例，女28 例，年齡18～50 (29.7±7.4)歲，中位病程2.5 (0.8，6.8)年。入組標準：(1)年齡18～50 歲；(2)病程＜10年；(3) RRMS診斷標準參照文獻[11]。排除標準：(1)罹患其他神經精神疾??；(2)顱腦手術及外傷史；(3)存在MRI 掃描禁忌。同期招募32 名年齡及性別相匹配的健康人作為對照組(healthy controls，HC)，男9 例，女23 例，年齡20～50 (33.1±8.6)歲。本研究經本院倫理委員會審查通過(批準文號：2022-027)，檢查前所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

采用Siemens Magnetom Skyra 3.0 T MR 掃描儀，32通道標準頭部線圈，采集頭部MRI數據。各序列參數如下：3D-T1WI 序列：TR 2300 ms，TE 2.26 ms，FOV 256 mm×256 mm，采集矩陣256×256，層厚1 mm；3D-液體衰減反轉恢復(fluid attenuated inversion recovery，FLAIR)序列：TR 5000 ms，TE 388 ms，FOV 256 mm×256 mm，采集矩陣256×256，層厚1 mm；QSM序列：TR 36.0 ms，TE1 7.50 ms，△TE 7.5 ms，TE4 30.0 ms，FOV 220 mm×220 mm，采集矩陣256×256，層厚2 mm，翻轉角20°；DTI 序列：TR 5100 ms，TE 97 ms，FOV 220 mm×220 mm，層厚4 mm，b 值取0 和1000 s/mm2，取30 個不同擴散方向。掃描范圍從顱頂至枕骨大孔，所有軸位掃描均在中間矢狀面定位，中心線平行于前后連合線。在MRI掃描當天，由一名具有5 年以上年資的神經內科醫師協助相關病史采集，用擴展殘疾狀態量表(Expanded Disability Status Scale，EDSS)評估受試者殘疾程度。

1.3 圖像重建及數據處理

1.3.1 WM-LV及核團體積

WM-LV 在3D-FLAIR 序列中測量，由2 名5 年以上MR 研究經驗的醫師基于ITK-SNAP (Version 3.8；http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php)軟件在RRMS 患者的3D-FLAIR 序列上逐層勾畫白質病灶測得體積，重復勾畫兩次，其體積通過組內相關系數檢驗(ICC=0.963，P＜0.001)，取平均值為該患者WM-LV；基于MATLAB R2013b (Version 8.2.0.701)平臺的SPM 8 (Version 6313；https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/)的VBM 對3D-T1WI數據進行預處理，隨后基于REST軟件，以雙側尾狀核、殼核、蒼白球、丘腦為感興趣區(region of interest，ROI) (圖1A)，提取各核團體積。

圖1 RRMS 患者，女，30 歲，頭暈伴步態不穩1 周，圖1A～1D 分別為3D-T1WI、QSM、FA 及MD 圖，ROI 顯示在大腦一側，綠色-尾狀核(頭)；藍色-殼核；黃色-蒼白球；紅色-丘腦。注：RRMS：復發緩解型多發性硬化；T1WI：T1加權成像；QSM：定量磁敏感圖；FA：各向異性分數；MD：平均擴散率；ROI：感興趣區。Fig.1 RRMS patient,female,30 years old,dizziness with walking instability for one week,1A-1D show 3D-T1WI,QSM,FA and MD images respectively,ROI is shown on one side of the brain, green-caudate nucleus (head); blue-putamen; yellow-globus pallidus; red-thalamus. Note: RRMS: relapsing-remitting multiple sclerosis;T1WI:T1 weighted imaging;QSM:quantitative magnetic sensitivity mapping;FA:fractional anisotropy;MD:mean diffusivity;ROI:region of interest.

1.3.2 QSM及DTI圖像重建及數據處理

QSM 圖像重建是基于MATLAB 平臺的STISuite(Version 3.03；http://people. eecs. berkeley.edu/～chunlei.liu/software.html)軟件，步驟包括場圖擬合、相位解纏繞、背景場去除、磁化率反演；DTI 圖像重建是基于FSL (Version 5.0.10；https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)軟件，經過b0 像配準、頭動及渦流校正、張量計算得到各向異性分數(fractional anisotropy，FA)和平均擴散率(mean diffusivity，MD)圖。隨后基于FSL 軟件將個體空間QSM 及FA、MD 圖配準至蒙特利爾神經病學研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)標準空間坐標，以相同ROI 提取各核團定量磁化率值(quantitative susceptibility value，QSV)及FA和MD值(圖1B～1D)。

1.4 統計學方法

采用SPSS 22.0統計分析軟件。以±s表示符合正態分布的計量資料，采用獨立樣本t檢驗；以M (Qr)表示呈偏態分布的計量資料，采用秩和檢驗；以χ2檢驗比較組間性別差異。RRMS患者深部灰質體積、QSV及FA、MD值與WM-LV相關性評估用Pearson相關檢驗，深部灰質各參數與病程及EDSS評分相關性評估用Spearman相關檢驗。P＜0.05認為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 基本資料及EDSS評分、WM-LV

RRMS 組與HC 組性別(χ2=0.03，P=0.86)、年齡(t=1.82，P=0.07)差異均無統計學意義。RRMS組中位病程2.5 (0.8,6.8)年，中位EDSS 評分為2.0 (1.0,2.8)，WM-LV為(18.87±18.14) mm3。

2.2 各灰質核團體積、QSV及FA、MD值比較

與HC組相比，RRMS組各灰質核團體積減小，丘腦QSV 減低，尾狀核及丘腦FA 值降低伴MD 值升高，差異均有統計學意義(P均＜0.05)；余核團QSV 及FA 和MD值差異均無統計學意義(P＞0.05)，見表1。

表1 兩組各灰質核團體積、QSV、FA及MD值比較(±s)Tab.1 Comparison of the volume,QSV,FA and MD values of each gray matter nucleus in the two groups

表1 兩組各灰質核團體積、QSV、FA及MD值比較(±s)Tab.1 Comparison of the volume,QSV,FA and MD values of each gray matter nucleus in the two groups

注：RRMS：復發緩解型多發性硬化；HC：健康對照組；QSV：定量磁化率；FA：各向異性分數；MD：平均擴散率。

組別體積尾狀核蒼白球殼核丘腦QSV (ppb)尾狀核蒼白球殼核丘腦FA值尾狀核蒼白球殼核丘腦MD值(×10-3 mm2/s)尾狀核蒼白球殼核丘腦RRMS組(n=40)HC組(n=32)t值P值0.051±0.010 0.026±0.007 0.046±0.012 0.062±0.008 0.055±0.005 0.030±0.004 0.056±0.007 0.074±0.004 2.165 3.179 4.261 8.510 0.034 0.002＜0.001＜0.001 28.988±4.910 74.738±12.706 30.123±4.701 5.515±2.298 29.919±4.264 76.366±9.058 31.744±6.140 6.884±1.847 0.847 0.611 1.269 2.741 0.400 0.543 0.209 0.008 0.253±0.058 0.287±0.033 0.314±0.021 0.401±0.019 0.303±0.034 0.296±0.044 0.307±0.018 0.383±0.025 4.568 1.017 1.560 3.368＜0.001 0.313 0.123 0.001＜0.001 0.437 0.049＜0.001 0.841±0.166 0.576±0.027 0.603±0.028 0.656±0.074 0.667±0.049 0.581±0.023 0.593±0.011 0.595±0.018 6.260 0.783 2.011 5.017

2.3 相關性分析

RRMS 組殼核和丘腦FA、MD 值與對應核團體積改變顯著相關(P均＜0.01)，但各核團QSV 與對應核團體積相關性差異無統計學意義(P均＞0.05)，見表2。

表2 RRMS灰質核團QSV和FA、MD值與相應體積相關性Tab.2 Correlation between QSV,FA and MD values of RRMS gray matter nuclei and the corresponding volume

RRMS 組各灰質核團參數與白質病灶相關分析顯示：各核團體積均與WM-LV 呈顯著負相關(P均＜0.05)，尾狀核FA 值與其呈顯著負相關，伴尾狀核、殼核、丘腦MD 值與其呈顯著正相關(P均＜0.01)，余FA及MD 值與其無顯著相關性(P均＞0.05)；同時，核團QSV與WM-LV均無顯著相關性(P均＞0.05)，見表3。

表3 RRMS組灰質核團各指標與WM-LV及病程、EDSS評分相關性Tab.3 Correlation of various indicators of gray matter nucleus in RRMS group with WM-LV,course of disease,and EDSS score

RRMS組各核團體積均與病程呈顯著負相關(P均＜0.05)；DTI參數中僅丘腦及殼核FA值與病程呈顯著負相關(P＜0.05)，各核團QSV與病程間均無顯著相關性(P均＞0.05)。僅丘腦QSV 與EDSS 評分顯著負相關(P＜0.05)，其余相關均無統計學意義(P均＞0.05)，見表3。

3 討論

深部灰質核團是大腦功能的重要組成部分，其涉及運動、感覺、認知、情感等多項復雜功能，丘腦尤其重要，是中樞神經系統的主要中繼中心，與皮質及皮質下區域高度連接[12]。深部灰質損傷與MS 患者疲勞、殘疾及認知障礙等多方面相關[6,13]。常規MRI 對MS 深部灰質異常顯示不佳，尤其是疾病早期；既往病理強調腦萎縮是MS 最終階段的反映，但研究表明MS患者早期即有腦萎縮并進行性發展，尤其是深部灰質[5]。高分辨率3D-T1WI結構像可較為精確地測量灰質體積改變，DTI 可通過反映局部水分子各向擴散情況，無創地顯示組織早期微觀結構變化；此外，深部灰質異常鐵沉積被認為是MS患者神經退變的生物標志物[14]，QSM 可無創定量評價組織鐵含量，克服了磁敏感加權成像的相位卷褶偽影，定量更準確[10]；因此，本研究通過多模態MRI 聯合分析MS 疾病相對早期階段深部灰質異常改變的不同病理生理特征。

3.1 3D-T1WI 量化RRMS深部灰質核團體積

腦萎縮被認為是MS進展的重要標志，皮質及深部灰質萎縮是導致MS全腦萎縮的主要原因[15]，但灰質萎縮是否獨立于白質局灶性脫髓鞘病變尚不清楚。本研究結果顯示RRMS患者疾病早期深部灰質即有明顯萎縮，以丘腦為著，且體積減小與病程呈顯著正相關，該結果與其他針對MS的MRI及組織病理相關性研究結果一致[16-17]，這些研究表明MS 患者深部灰質如丘腦、海馬、尾狀核、殼核、蒼白球等均存在不同程度萎縮，并隨病程持續進展。EDSS是常用于評估MS患者殘疾程度的指標，但本研究尚未觀察到結構改變與EDSS 相關性，與以往文獻報道存在差異[18]，推測可能與疾病早期EDSS評分容易受疾病狀態波動影響有關[19]。此外，MS灰質萎縮的具體病理機制尚不明確，有研究認為是白質病灶繼發的遠處損傷致使灰質萎縮[20]，但也有研究表明局部小膠質細胞激活導致直接的灰質損傷及神經退變[21]。本研究中灰質萎縮與WM-LV 顯著負相關，提示RRMS 灰質萎縮與白質病變相關而非獨立發展，與Al-Radaideh 等[7]研究結果一致。體積量化了灰質的宏觀結構變化，還需進一步探究其內的微觀病理生理改變以助闡明MS灰質異常的潛在病理特點。

3.2 DTI量化RRMS深部灰質核團微結構異常

DTI 可通過局部水分子擴散情況量化微結構損傷，深部灰質的DTI 參數主要與神經元密度、樹突和軸突數量以及髓鞘完整性相關[22]，FA 值降低可能反映了局部軸突橫斷性損傷、神經元變性等，MD 值增加可能反映了局部細胞膜結構破壞、組織間隙擴散增加等。本研究結果顯示相較HC，RRMS 患者尾狀核及丘腦的FA 值降低，MD 值升高，并與WM-LV 顯著相關，提示疾病早期發生明顯微結構損傷，且與白質病變關系密切，這與既往研究相符[17]。熊華等[23]縱向研究發現RRMS患者蒼白球和丘腦FA值降低，尾狀核和丘腦MD 值升高，并隨時間進行性發展；Cappellani 等[17]研究顯示MS丘腦和海馬FA值減低，尾狀核、丘腦及海馬MD 值升高，且與白質病灶負荷和正常白質體積關系密切；這可能是因為白質纖維與深部灰質緊密連接相關，但由于灰質結構中有少量白質纖維，對灰質核團FA、MD值存在一定影響，未來需要將兩者分離以便更好闡明深部灰質異常與白質病變的關系。此外，相關分析顯示各核團參數與EDSS評分均未見顯著相關性，這可能與DTI 參數反映的是局部微擴散改變，對臨床神經功能改變不明顯及EDSS 波動性有關，尤其是疾病早期階段[19]。因此深部灰質微結構損傷與疾病嚴重程度之間的關系有待進一步探究。

3.3 QSM量化RRMS深部灰質核團鐵濃度

QSM可通過QSV直接量化深部灰質局部鐵濃度異常。相較既往文獻報道[6,24]納入的長期病程，本研究結果顯示RRMS患者在疾病較早期階段即有丘腦鐵濃度的明顯降低，但尾狀核、蒼白球及殼核差異無統計學意義。Burgetova 等[25]進一步比較MS 亞型結果表明RRMS 較原發進展型MS 丘腦QSV 降低，Zivadinov等[6]發現繼發進展型MS較RRMS丘腦QSV更低，且與長病程相關；其余核團磁化率差異均無統計學意義，強調了丘腦鐵濃度在MS 亞型中的突出差異。目前MS患者丘腦鐵濃度降低機制不明確，可能是繼發于白質病變所致的鐵轉運通路異常[26]或原發于灰質局部代謝異常[27]。本研究中各核團QSV與WM-LV和對應核團體積無顯著相關性，提示深部灰質鐵濃度異?？赡塥毩⒂谶h處白質病變及局部組織丟失(萎縮)的繼發影響。此外，丘腦QSV 與EDSS 評分顯著負相關提示丘腦QSV 可能是MS 殘疾程度的標志，與Zivadinov等[6]研究一致，但由于EDSS的波動性和殘疾程度的有限代表性，仍需大樣本研究進一步驗證丘腦QSV作為MS疾病嚴重程度的標志監測疾病進展的可行性。

3.4 多模態MRI對RRMS深部灰質核團的對比分析

多模態MRI結果表明，RRMS患者較深部灰質核團FA、MD值及QSV部分異常，核團萎縮更為明顯；組織病理表明影像量化的灰質萎縮反映了神經元變性[28]。本研究提示深部灰質在RRMS 中起著重要作用，其在疾病相對早期階段就有明顯神經退行性變，量化結構體積相較DTI 和QSM 更敏感地反映了RRMS 患者深部灰質的異常，DTI 和QSM 參數量化的是微觀上的不同生物學特性。此外，對比RRMS患者各核團參數，發現丘腦相較其他核團，不僅體積萎縮明顯，同時存在微結構損傷和鐵代謝紊亂，且僅有丘腦鐵濃度的差異有統計學意義，并與EDSS評分呈顯著負相關，突顯了丘腦受累在RRMS 的顯著性和獨特性，可能與丘腦作為中樞神經重要中繼中心，與皮質及皮質下區域高度連接，參與廣泛神經功能密切相關[12]。本研究提示丘腦異常是RRMS 的重要特點，可作為疾病監測的重要結構。由于丘腦是多個核復合體組成，精細且復雜，未來需要進一步對其亞區分割以便深入研究RRMS患者丘腦潛在病理生理特點及臨床意義。

本研究存在一些局限性，僅納入RRMS患者，未對不同類型MS間灰質異常進行分析；且為橫向研究，無法得到各灰質核團體積及其內微結構損傷、鐵濃度變化的動態演變規律。因此，在以后的研究工作中，擬納入更大樣本進行亞分類、結合時間隨訪以便進一步闡明MS深部灰質的潛在病理特點。

總之，RRMS 患者在疾病相對早期階段，深部灰質即有明顯萎縮，伴有尾狀核和丘腦的微結構損傷及丘腦明顯鐵紊亂，且灰質異常部分獨立于白質局灶性脫髓鞘；相較微結構和鐵濃度異常，萎縮更敏感地反映了患者深部灰質的異常；同時丘腦廣泛受累是RRMS 的重要特征，丘腦鐵濃度可能成為MS 疾病嚴重程度的標志并監測疾病進展。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。