急性一氧化碳（carbon monoxide，CO）中毒指因吸入过量CO引起的中毒。CO中毒主要导致细胞水平的氧输送和氧利用障碍，对血管吻合支少且代谢旺盛的器官如大脑和心脏可造成严重损害。而对中毒者脑损害的及时检测直接影响着患者的治疗和预后。影像学检查作为一种客观评价CO中毒脑损害的有效手段已十分普及，而部分急性期患者常规电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）及磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)检查均为阴性，但临床上仍出现头痛、头晕、意识不清甚至昏迷症状，与影像评估的严重程度不相符合。如何解决这一困惑，寻找一种更准确、敏感的评价方法尤为重要。磁共振弥散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是描绘组织内非正态分布水分子扩散的一种新的功能成像技术，较常规的弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)，DKI技术能够更好地反映出活体组织微观结构的变化^[1,2]。本研究应用DKI对CO中毒急性期患者脑组织进行参数值测量，并与正常对照组进行比较，初步探讨此项技术对中毒早期患者脑组织微结构改变的评估价值。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       收集本院2015年10月至2016年4月临床确诊的CO中毒患者26例，男15例，女11例，年龄24~ 78岁，平均（52.5±7.9）岁，并在发病后1~ 7 d行MR检查。纳入标准：(1)根据吸入较高浓度CO的接触史，急性发生的中枢神经损害的症状和体征，结合血液碳氧血红蛋白（carboxyhemoglobin，COHb）测定的结果，按照国家诊断标准（GB87-88），作出急性CO中毒诊断^[3]；（2）中毒7 d以内的患者。排除标准：①既往有脑炎、脑外伤、脑血管病、代谢性脑病、癫痫、精神疾病等病史患者；②急性中毒7天以上患者；③发生迟发脑病患者；④非CO的其他气体中毒患者；⑤婴幼儿患者。同时选取18名健康志愿者作为对照组，男10例，女8例，年龄25~ 70岁，平均（48.0±10.6）岁。纳入标准：(1)既往无脑炎、脑外伤、脑血管病、代谢性脑病、癫痫、精神疾病等病史者；（2）常规颅脑MRI检查无明显阳性发现者、神经系统检查无明确阳性体征者；（3）无各种潜在影响中枢神经系统的全身性疾病者、无患有无法配合或影响MRI扫描过程的疾病者。所有患者及健康志愿者均对本研究签署知情同意书并同意参加。

1.2　临床情况

       (1)中毒原因：炭火取暖7例，煤炉燃烧19例；（2）临床表现：轻者表现为不同程度头痛、头晕、恶心、呕吐、心悸和四肢无力；中重度患者主要表现为不同程度意识障碍和呼吸障碍；(3)临床专科医师根据格拉斯哥昏迷量表（glasgow coma scale，GCS）判断意识状态情况并获得GCS得分。格拉斯哥昏迷评分标准：最低3分，最高15分，意识清醒者为满分15分，意识障碍者为3~ 14分，其中13~ 15分为轻度昏迷，9~ 12分为中度昏迷，3~ 8分为重度昏迷^[4]。本组病例意识障碍者（GCS得分为3~ 14分）18例，意识清醒者（GCS得分为15分）8例；(4)COHb定性测量，阳性9例，假阳性6例，阴性11例。

1.3　检查方法

       采用Siemens Magnetom Skyra 3.0 T超导型MR扫描仪，标准32通道颅脑专用线圈。头颅常规MRI检查包括：T1WI、T2WI、T2WI-tirm、DWI，扫描参数：T1WI：TR 1670 ms，TE 11 ms，矩阵320 × 182，层厚5 mm，层间距6.5 mm，视野(FOV)151 mm × 230 mm，单次采集。T2WI：TR 4600 ms，TE 106 ms，矩阵320 × 320，层厚5 mm，层间距6.5 mm，FOV 230 mm × 230 mm，单次采集。T2WI-tirm：TR 8000 ms，TE 92 ms，矩阵256 × 168，层厚5 mm，层间距6.5 mm，视野（FOV） 175 mm × 230 mm，单次采集。DWI：TR 4500 ms，TE 102 ms，矩阵192 × 192，层厚5 mm，层间距6.5 mm，FOV 240 mm × 240 mm。DKI采用双自旋回波序列进行扫描，扫描参数为TR 6000 ms，TE 96 ms，FOV 122 mm × 122 mm，矩阵1440 × 1440，层厚2.3 mm，层间距3 mm，NEX 1，在30个方向施加弥散敏感梯度，b值取0、1000、2000 s/mm²。

1.4　图像处理

       通过Functool软件对DWI图像及DKI原始图像进行分析处理，构建表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）图、各向异性(fractional anisotropy，FA)图、平均扩散系数（mean diffusivity，MD）图、平均峰度（mean kurtosis，MK）图。见图1A~1D。参考T1WI、T2WI、T2WI-tirm序列图像，在T1WI图上由两位神经影像诊断医师选取感兴趣区（region of interest，ROI），共分为6组15个感兴趣区：半卵圆中心、侧脑室旁、外周白质（ROI：额叶、顶叶、颞叶、枕叶）、深部白质（胼胝体膝部、压部、干部）、深部灰质（苍白球、壳、丘脑）、幕下（小脑、中脑、脑干）。平均体素于半卵圆中心约400 mm³、侧脑室旁300 mm³、外周白质100 mm³、深部白质100 mm³、深部灰质90 mm³、小脑150 mm³、中脑50 mm³、脑桥100 mm³。不同部位ROI均取其能显示的最大层面，参照阳性患者组，放置阴性患者、对照组的部分感兴趣区，并尽可能确保不同测量对象在同一部位的测量层面、ROI放置位置及体素大小一致，对同一解剖部位行双侧对称测量（除胼胝体、中脑及脑桥外），记录相同ROI的DWI参数值：ADC值、DKI参数值（FA值、MD值、MK值），同一部位同一层面用相同大小ROI测量3次，取均值。

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图1  女，36岁，急性CO中毒8 h。A (ADC)、B (FA)、C （MD）苍白球区病灶如箭所示，与DWI相反呈低信号；D：MK如箭所示，病灶区域信号同样异常增高；E：DWI苍白球区为明显高信号，且病灶基本对称分布，呈典型“熊猫眼”征表现；F：DKI苍白球区亦为高信号表现，且在近似层面相比于DWI，信号强度更高、病灶显示范围也较大
Fig. 1  A 36-year-old woman had a history of 8 hours after acute carbon monoxide intoxication. A (ADC), B (FA), C (MD) In contrast to DWI, there was decreased signal in the focus regions as indicated by arrows; D: MK similarly, abnormal increased signal was seen in the bilateral GP as indicated by arrows; E: DWI markedly high signals were depicted in the bilateral GP, which were basically symmetrical and presented typical "panda eyes" sign; F: DKI clear hyperintense areas in the bilateral GP were also found on DKI images, compared to DWI, the intensity of signals was higher and the range of lesions was wider.

1.5　统计分析

       统计学软件采用SPSS 17.0，统计数值以均数±标准差表示。对数值变量行正态性检验。分类资料采用构成比的χ²检验，当n<40时，采用Fisher检验；年龄、昏迷时间、GCS得分与DWI扫描结果间的比较采用独立样本t检验；将病例组依据DWI图像中有无病灶检出分为阳性组和阴性组，采用配对样本t检验分别比较3组各部位的DKI参数是否存在侧别差异；若无差异则取各部位左右侧的均值（胼胝体、中脑及脑桥不取均值，分别进行比较），进而行独立样本t检验分别比较两病例组与对照组的各部位参数是否存在差异，若存在差异则于两病例组均出现差异部位分别对ADC值与MD值、MK值行Pearson相关性分析；以P< 0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1　DWI扫描结果

       通过对纳入本研究的26例急性期CO中毒患者进行DWI序列扫描，检出DWI上出现阳性病灶患者共17人，阴性者9人。阴性组患者DWI图上未出现明确异常高信号病灶。阳性组中，仅苍白球区出现病灶者10人，且病灶基本呈对称性分布，表现为长T1长T2信号，DWI为高信号，呈典型“熊猫眼”征表现，3例患者两侧苍白球病灶不对称，2例患者病灶为单侧；2例患者除苍白球区病灶外，白质区亦出现病灶，累及范围主要为半卵圆中心及侧脑室旁白质。见图1E、图1F。

2.2　DWI扫描结果与临床各因素的关系

       17例DWI扫描阳性组患者中，男性9例，年龄36~ 78岁，女性8例，年龄24~ 70岁，其中COHb阳性者11人，阴性者6人；9例阴性组患者中，男性6例，年龄45~ 74岁，女性3例，年龄50~ 72岁，其中COHb阳性者4人，阴性者5人。阳性组意识障碍持续时间7~ 15 h，GCS评分5~ 11分，阴性组意识障碍持续时间2~ 5 h，GCS评分12~ 15分。统计结果显示意识障碍持续时间较长、GCS得分减低是DWI扫描结果出现阳性的影响因素。见表1。

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表1  DWI扫描结果与临床因素的关系
Tab. 1  The relationship between DWI imaging and clinical factors

2.3　两病例组与对照组各部位FA、MD、MK值的比较

       阴、阳性组及对照组各部位的FA、MD、MK值左右侧差异无统计学意义(P>0.05)，胼胝体、中脑及脑桥未进行侧别比较。与对照组相比，病例组MD值减低部位位于双侧苍白球、半卵圆中心及侧脑室旁白质、胼胝体膝部；MK值升高部位位于双侧苍白球、丘脑、半卵圆中心及侧脑室旁白质；其中阴、阳两组患者苍白球同时存在MD值减低、MK值升高，丘脑同时存在MK值升高；此外，阳性组苍白球FA值减低，上述差异均具有统计学意义(P<0.05)。见表2。

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表2  两病例组与对照组各部位FA、MD、MK值(±s)
Tab. 2  The FA, MD, MK values in two case groups and the control group (±s)

2.4　两病例组分别与对照组不同部位ADC值与MD值、MK值的相关性分析

       阴、阳性病例组分别与对照组组间比较均出现显著性差异的部位，包括阳性组的半卵圆中心、侧脑室旁及两组的苍白球区，ADC与MD表现出良好的正相关性，与MK表现出良好的负相关性(P<0.05)。见表3。

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表3  病例组不同部位MD、MK分别与ADC的相关性分析
Tab. 3  The correlation between MD or MK and ADC at different area of case groups

3　讨论

       CO中毒是最常见的致死性气体中毒方式，而在幸存患者中亦可以引起广泛的脑损伤及后续的认知功能损害^[5]。中毒早期脑损害的严重程度可直接影响患者的预后恢复。而由于中毒者早期临床表现差异较大，故临床上目前尚无对其脑损害严重程度的有效评判方法。常规MRI序列可对CO中毒患者脑损伤进行一定的评估，但尚无法对中毒患者脑组织的损害程度与其微观组织学改变之间的关系进行定量评价，因而其价值有限。常规弥散序列DWI作为一种比较成熟的能够反映活体组织内水分子弥散运动的功能成像技术，相比于传统MR序列，可以更早且更灵敏地检测到尤其是脑白质的损害，间接反映其早期细胞毒性水肿的微观病理改变，还可将ADC值用于量化分析^[6]。但目前DWI仍较多用以监测与CO中毒慢性期症状有关的脑白质异常，对急性期渐进性的脑组织微结构改变的相关研究较少^[7]。

       DKI是近年逐渐被认识的一种新的功能成像技术，并逐渐得到越来越广泛的临床研究。常规弥散假设水分子在随机情况下其运动位移满足高斯分布，而有研究认为人脑组织水分子弥散的运动位移是非高斯分布的，DKI用扩散峰度描述水分子扩散分布偏移自由扩散高斯分布的程度。DKI的主要参数为MK值，文献中指出感兴趣区内组织结构越复杂，从而非高斯分布水分子扩散受限程度越显著，MK值也越大，其优势在于可不依赖于组织结构的空间方位，对脑灰、白质结构皆可描述^[8]。

       本研究所收集的病例组中并非所有患者在中毒急性期DWI上都会出现阳性病灶。统计分析DWI扫描结果与性别、年龄、意识障碍持续时间、GCS得分、COHb的关系，发现意识障碍持续时间较长、早期GCS得分的减低是DWI扫描阳性的影响因素。意识不清持续时间越长、GCS得分越低，表明患者脑损伤程度越重，DWI上越容易出现阳性结果，而COHb阳性并非是DWI上出现阳性病灶的影响因素，推测其原因，可能与患者撤离中毒环境并采取急救措施后血液中COHb含量下降有关，也有研究表明COHb含量在评估组织损害方面不是一个十分可靠的指标^[9]。

       一氧化碳与血红蛋白的结合力比氧与血红蛋白的结合力大200~ 300倍，碳氧血红蛋白的解离速度只有氧血红蛋白的1/3600。因此当一氧化碳被吸入人体，进入血液与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白时，不仅减少了红细胞的携氧能力，而且抑制、减慢了氧合血红蛋白的解离和氧的释放，从而加剧了组织缺氧。有研究表明引起CO中毒效应的直接因素是溶于血浆中的CO而不是碳氧血红蛋白，溶于血浆中的CO可以进入细胞并阻碍其有氧代谢过程^[10]。CO可与线粒体的细胞色素氧化酶结合，阻断电子传递链，从而导致细胞呼吸功能的紊乱。大脑对缺氧十分敏感，低氧可使脑细胞产生过多有害物质如亚硝酸盐类、过氧化物酶、蛋白酶及活性氧等，进而在脑组织中引起氧化应激反应，细胞坏死、凋亡，和持续不断的炎症反应^[9,10,11,12]。

       本研究的主要对象是CO中毒后1～7 d内的患者，均属急性期，MR扫描显示阳性组患者在苍白球区均出现长T1长T2信号灶，DWI呈高信号，部分呈典型的“熊猫眼”征（图1E）。研究显示，与正常对照组相比，病例组的阴、阳性两组患者苍白球均存在MD值减低、MK值升高，此外，阳性组苍白球FA值亦减低，差异具有统计学意义。这一结果更加证实了苍白球区是急性CO中毒的易损区。以往文献^[13,14,15]中也同样指出脑组织的不同区域对CO中毒反应的敏感性不一，其中以苍白球最易受损，其可能的原因有^[16]：（1）此区域由于血管吻合支较少、血供不丰富，易受低氧低血压作用的影响；(2)苍白球是脑组织中铁含量最高的区域，CO可直接与苍白球内的亚铁血红素相结合。DKI扫描亦可以得到FA值、MD值，本研究中针对两病例组分别与对照组组间比较中均出现显著性差异的部位，将DWI序列的ADC值分别与MD值、MK值做相关性分析，发现ADC与MD表现出良好的正相关性，与MK表现出良好的负相关性。而ADC值能够评估水分子的弥散受限，间接反映脑组织损伤后的微结构变化，因此从病理生理角度看，在CO中毒的急性期，缺氧使脑细胞发生细胞毒性水肿，导致细胞外间隙减小，水分子弥散受到限制，使MD值减低。而在早期发生细胞毒性水肿的同时，髓鞘脱失及细胞调亡过程已经开始显现，加之缺氧引起的氧化应激反应及脂质过氧化，可以激发免疫反应和增加小神经胶质细胞的活性，所以推测这些因素都可加剧细胞环境的复杂化，使MK值升高。

       本研究显示相对于对照组丘脑的MK值，病例组两组患者丘脑MK值的升高差异均具有统计学意义，可推测MK值对丘脑的病变较为敏感，可能原因如下：(1)丘脑本身内部结构复杂，分为不同的神经核团，有研究表明丘脑的中心区域易受损伤，即便是轻微的^[11]；(2)MK值不依赖于组织结构的空间方位，对于各向同性结构，如灰质，MK值较FA值更有意义^[12]。另外研究结果显示，在丘脑区，与正常对照组相比，阴性组MK值的升高差异有统计学意义，而FA及MD值的减低差异均无统计学意义，原因可能有：(1)MK值在探测深部灰质（如丘脑）神经元微结构的损伤方面具有更高的敏感性，在CO中毒急性期，即使常规MR扫描图像上未见明显异常，但通过MK值的变化，已能检出深部灰质微小的病理改变；(2)由于MK值反映的是ROI内组织结构的复杂程度，当脑细胞发生损害时，首先发生的是细胞内环境的紊乱和复杂化，进而导致了非高斯分布水分子的弥散受限，所以MK值可更早检测到细胞损害的发生。

       此外，有研究认为相比于脑灰质，MR扫描更易检出脑白质的损伤，其中最常受损的部位是半卵圆中心和侧脑室旁白质，脑白质受损也可发生于颞叶、枕叶、顶叶及胼胝体^[19,20]，但很少有文献提及有关小脑与脑干损伤的内容，原因可能为幕下组织对缺氧更具耐受力^[14]。本研究MR扫描仅2例患者白质区出现病灶，累及范围主要为半卵圆中心及侧脑室旁白质，但统计结果显示，阳性组患者双侧半卵圆中心及侧脑室旁白质同时存在MD值减低、MK值升高，胼胝体膝部亦出现MD值减低，而幕下ROI各参数值均未出现，差异有统计学意义。这表明一方面中毒患者MD、MK值的变化与上述观点一致，另一方面MD、MK值对脑白质损伤的检测要比常规MR扫描更加敏感，能更早检测到异常变化。此外，本研究中仅在阳性组的苍白球FA值显著降低，其他部位FA值差异均无统计学意义。FA值主要反映的是白质纤维束的完整性，是轴向扩散与径向扩散的相对比^[21]。FA值在急性期可无明显变化，因为CO中毒脑损害时，随着神经轴索发生髓鞘崩解、脱失，水分子的轴向扩散运动受限，其各向异性程度才会明显减低，而脱髓鞘改变是一个渐进发展的趋势，多在亚急性期及慢性期逐渐显现，急性期主要病理改变为细胞毒性水肿^[22,23]。

       总之，本研究表明DKI技术可以进一步完善微观结构信息，特别是MK值能够反映灰质的微结构改变，可更敏感且更早地发现急性期CO中毒患者脑部灰白质异常，有利于临床客观评估患者病情，并及早干预和给予恰当治疗。本研究的不足：（1）由于样本量小，暂时未做监测CO中毒脑损伤及其程度的界限值；(2)考虑到数据庞大，本研究只选取组间均存在差异性的部位的MD值、MK值与ADC值作相关性分析；（3）由于本研究是临床研究，在急性期难以获得CO中毒患者病理学资料，故本研究结果无法得到病理验证。