0 引言

       轻度创伤性脑损伤（mild traumatic brain injury, mTBI）是一个重大的公共卫生问题，约占所有TBI患者的70%~90%^{[1, 2]}。mTBI可导致头痛、抑郁、认知障碍等多种神经系统疾病，给社会及家庭带来巨大负担，早期采取干预措施可减少mTBI后遗症的发生，因此寻找一个可靠的生物标志物对早期评估mTBI后脑组织损伤具有重要意义。扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）可检测组织微观结构的变化，近10年来，关于mTBI的DTI研究有所增加，其可对脑外伤后白质损伤进行可视化及量化^{[1, 3]}。DTI的定量指标为各向异性分数（fractional anisotropy, FA）、平均扩散系数（mean diffusivity, MD）、轴向扩散系数（axial diffusivity, AD）及径向扩散系数（radial diffusivity, RD）^[4]。尽管DTI具有较大敏感度，但脑损伤后哪些脑束对脑组织微观结构变化影响最大、扩散张量成像参数值的变化情况研究结果不一。如研究最多的FA，是描述水分子扩散各向异性的指标，在脑损伤后的急性期既有减低也有增加^{[5, 6]}，DTI相关定量参数在评估mTBI患者脑微观结构方面具有很大不确定性。扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging, DKI）是一种基于水分子的非高斯扩散技术，是在DTI基础之上发展而来的新技术，既往文献表明DKI可比DTI更好地反映生物组织中的扩散，DKI也被证明在灰质损伤表征方面比DTI更敏感^{[1, 4, 7, 8]}。目前关于mTBI患者DKI参数值的研究都集中在平均峰度（mean kurtosis, MK）、轴向峰度（axial kurtosis, AK）、径向峰度（radial kurtosis, RK）^[4]，最近提出了峰度各向异性（kurtosis fractional anisotropy, KFA）这一定量参数值，反映峰度张量的各向异性，KFA可认为是FA的峰度类似物，但在具有多个白质纤维束方向的区域和脑深部结构中可能优于FA^{[7, 9, 10]}。此外，基于纤维束示踪的空间统计分析（tract-based spatial statistics, TBSS）方法减少了配准误差、不必进行空间平滑、可全面进行体素分析，从而可精确地分析神经影像学研究中白质的差异^[11]。然而，值得注意的是，很少有研究使用TBSS联合DKI参数来分析急性mTBI患者的白质变化特点。鉴于此，本研究旨在采用DKI 基于TBSS方法，研究急性mTBI患者脑白质微结构的变化，探讨DKI在急性mTBI患者的潜在临床应用价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究纳入2018年1月至12月就诊于首都医科大学附属北京潞河医院的mTBI患者27例（mTBI组）及健康对照者（对照组）27例。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，并且得到了北京潞河医院伦理委员会批准，伦理审查批文编号：2018-LHYY-007-01，全体受试者均签署了知情同意书。mTBI组纳入标准：（1）有明确的脑外伤病史，且为伤后7天内；（2）符合以下2005年世界卫生组织神经创伤工作组合作中心对mTBI的定义。①符合下列一项或多项症状，即精神错乱或定向障碍，意识丧失小于30分钟，创伤后遗忘小于24小时，和/或其他短暂性神经系统异常，如局灶体征、癫痫发作等；②受伤后30分钟或之后就诊时的格拉斯哥昏迷评分（Glasgow Coma Scale, GCS）为13~15分；（4）常规头部CT及MRI平扫检查无外伤导致的明显脑损伤征象；（5）均为右利手。排除标准：（1）有脑卒中病史；（2）有其他中枢神经系统疾病，如感染、脱髓鞘疾病等；（3）MRI检查禁忌证患者；（4）应用成瘾性药物、精神类药物，三个月内大量饮酒、咖啡等；（5）图像质量差，难以测量。对照组纳入标准：（1）性别、年龄及受教育年限与mTBI患者相匹配；（2）无颅脑外伤史；（3）均为右利手。对照组排除标准与mTBI组相同。

1.2 图像采集

       使用 SIEMENS 3.0 T磁共振（MAGNETOM Skyra）扫描仪和24通道头部表面线圈，采集过程中受试者头部两侧放置海绵垫防止运动伪影影响图像质量，扫描检查前为其佩戴耳塞，所有患者均采取仰卧位扫描，首先进行全脑轴位T2WI及T1液体衰减反转恢复（T1 fluid-attenuated inversion-recovery, T1-FLAIR）序列检查以除外颅内占位性病变，然后进行DKI图像采集。T2WI序列扫描参数如下：TR 6000 ms，TE 93 ms，FOV 240 mm×240 mm，层数30，层厚4 mm，层间距0 mm，NEX 2，翻转角度120°；T1-FLAIR序列扫描参数如下：TR 1840 ms，TE 105 ms，FOV 240 mm×240 mm，层数30，层厚1.5 mm，层间距0 mm，翻转角度180°；DKI扫描采用平面回波成像（echo planar imaging，EPI）序列，参数如下：TR 6000 ms，TE 70.8 ms，FOV 256 mm×256 mm，层数60，层厚2 mm，层间距0 mm，NEX 1，翻转角度120°；3个扩散梯度场（b=0、1000、2000 s/mm²），使用25个梯度方向。

1.3 数据处理

       （1）图像预处理：①采用dcm2niix软件将原始DICOM格式转换为.nii格式并整理数据；②用FSL（https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/）软件进行头动、涡流校正，并获取大脑mask；③检查数据，并排除部分不合格数据；④利用DKE（https://github.com/m-ama/DKE）软件计算得到DKI相关参数，包括FA、AK、RK、MK及KFA。

       （2）TBSS处理步骤：采用FSL中的TBSS工具包，通过非线性配准方法将FA图像按组别进行配准，再将配准后的FA图进行平均，生成平均FA的骨架图，再将所有被试FA图投射到平均FA白质骨架内。骨架化过程也应用于MK、AK、RK及KFA。最后将其他指标对齐到基于FA的白质骨架。得到的骨架数据用于统计分析。

1.4 统计分析

       采用SPSS 25.0统计分析软件，符合正态分布的结果以均数±标准差（x¯±s）表示，不符合正态分布的结果以中位数（四分位数）[M（Q1, Q3）]表示。mTBI组与对照组的年龄采用双样本t检验，性别采用卡方检验，受教育年限采用两独立样本的Mann-Whitney U检验；利用FSL软件对两组FA、AK、RK、MK及KFA参数进行置换检验，置换次数5000次，采用无阈值簇增强（threshold free cluster enhancement, TFCE）和族错误率校正（family wise error, FEW）对结果进行多重比较校正，统计过程中添加性别、年龄、受教育年限作为协变量。只有KFA可通过多重比较校正，其余参数后续根据JHU图谱进行提值，并采用双样本T检验分析两组间参数值的差异。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 mTBI组与对照组临床资料

       mTBI组及对照组各入组27例，两组之间年龄、性别及受教育年限差异无统计学意义（P>0.05），mTBI受伤原因主要为交通伤、殴打伤、坠落伤及跌倒伤。所有患者均有不同程度的头痛、头晕等症状，详见表1。

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表1  mTBI组与对照组临床资料
Tab. 1  Clinical data of the mTBI patients and control subjects

2.2 mTBI组及对照组DKI参数值差异

       （1）mTBI组左侧上纵束-颞叶部FA值（0.450±0.048）低于对照组（0.480±0.028，t=-2.253，P=0.028 5）；（2）mTBI组胼胝体辐射线枕部AK值（0.68±0.05）低于对照组（0.72±0.05，t=-2.407，P=0.019 7）；（3）mTBI组右侧扣带束海马部RK值（0.89±0.15）低于对照组（0.99±0.18，t=-2.044，P=0.046 0）；（4）与对照组相比，mTBI组右侧丘脑前辐射、右侧扣带束的扣带皮层部、右侧下额枕束、右侧下纵束、右侧上纵束-颞叶部KFA值均低于对照组（P均<0.05，图1、表2）；（5）mTBI组MK值与对照组相比差异无统计学意义（P>0.05）。

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图1  mTBI组与对照组相比存在显著差异的脑区。结果显示绿色代表平均白质骨架，红色区域代表mTBI患者组相对于对照组KFA值显著减低的区域，背景采用MNI152作为模板。mTBI：轻度创伤性脑损伤；KFA：峰度各向异性；MNI：蒙特利尔神经学研究所。
Fig. 1  The significant differences in brain regions between the mTBI patients subjects and the control subjects. The results show that green represents the average white matter skeleton, and the red area represents the area where the KFA values of the mTB patients subjects significantly reduced compared to the control subjects. The background images are from the MNI152 template. mTBI: mild traumatic brain injury; KFA: kurtosis fractional anisotropy; MNI: Montreal Neurological Institute.

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表2  mTBI组及对照组KFA值的差异
Tab. 2  Difference of KFA values between mTBI patients and control subjects

3 讨论

       本研究通过基于DKI的TBSS方法分析了mTBI患者脑微观结构损伤的分布及相应参数的变化特点。mTBI组FA值、AK值、RK值及KFA值均低于对照组，差异具有统计学意义。FA、AK、RK及KFA分别在上纵束-颞叶部、胼胝体辐射线枕部、扣带束海马部及右侧丘脑前辐射、右侧扣带束的扣带皮层部、右侧下额枕束、右侧下纵束、右侧上纵束-颞叶部减低。DKI参数为评估mTBI患者脑白质改变提供了重要的神经成像生物标志物，这些参数可揭示白质微结构的细微变化。

3.1 FA值、AK值、RK值在mTBI中的变化特点及潜在机制探讨

       本研究发现与正常健康志愿者相比，mTBI患者FA值、AK值、RK值均减低，存在统计学差异的脑区主要位于左侧上纵束-颞叶部、胼胝体辐射线枕部、右侧扣带束海马部。ZUO等^[7]的研究也显示mTBI患者在胼胝体、辐射冠、内囊、上纵束和丘脑等区域FA值、AK值、RK值均较正常对照组减低，与本研究一致。FA反映白质纤维中水分子各向异性的扩散程度，当纤维束遭到破坏时，FA值下降，KARLSEN等^[12]、GROSSMAN等^[13]的研究中mTBI患者的FA值均下降，提示患者纤维束不完整。本研究中mTBI患者胼胝体辐射线枕部AK值下降，分析原因可能是脑损伤后神经元、轴索丢失以及髓鞘的破坏导致的白质结构松散。胼胝体是连接两侧大脑半球的运动语言、听觉、视觉、运动调节中枢的连合纤维，在传递、整合协调运动、感觉、记忆和认知功能方面发挥着重要作用^[14]。文献表明，胼胝体后部更容易受到损伤^{[1, 8, 15]}，本研究中mTBI组在胼胝体后部AK值减低，与既往研究一致^[15]。分析原因可能是胼胝体后部更靠近大脑中心位置，当脑部受到外力作用时，这些区域可能受到更大的压力；另外胼胝体是大脑中最大的白质纤维束，因此经常被选为在人工勾画感兴趣区域时进行分析的目标，但这种选择可能会导致文献中的发现存在某种程度的偏差。而本研究中分析方法采用的是基于TBSS的方法，可允许全脑分析且是全自动流程，避免了不同研究者之间在勾画感兴趣区时存在的个体差异及选择偏倚，可能进一步证实了胼胝体后部易受到损伤。胼胝体的损伤，提示患者可能存在注意力下降、记忆力减退等障碍。本研究中mTBI患者RK值减低，与STOKUM等^[16]的研究一致，他们同样观察到mTBI组内囊前肢的RK值减低，分析其原因可能是由于脑外伤时轴突结构发生改变，髓鞘完整性遭到破坏，髓鞘密度减低，进而使得水分子的扩散异质性降低。

3.2 KFA值在mTBI中的变化特点及潜在机制探讨

       FA可能无法分辨具有复杂纤维组成的体素中的各向异性，而KFA源于峰度张量，是一个4D张量，有更多的空间来详细捕捉峰度的空间变化，反映组织扩散的复杂性。已知阿尔茨海默病^[17]、多发性硬化^[18]、肝性脑病^[19] 等方面被证明是有用的。ZUO等^[7]基于DKI的TBSS方法评价膀胱过度活动综合征患者脑微结构白质异常的研究中发现多个脑区的KFA值减低，且KFA值具有较高的敏感性和特异性诊断膀胱过度活动综合征。在关于多发性硬化患者DKI的研究中，KFA是表征脑灰质损伤最敏感的指标^[18]。本研究中mTBI患者右侧丘脑前辐射、右侧扣带束的扣带皮层部、右侧下额枕束、右侧下纵束、右侧上纵束-颞叶部等多个脑区KFA值均低于对照组。参数值存在差异的脑区主要位于右侧大脑半球，分析原因可能与双侧大脑半球额顶网络系统功能分工不同有关^[20]，还可能与患者的选择有关。本研究中KFA值出现减低的脑区较FA值及其他DKI参数值多，提示KFA可能对于检测mTBI患者脑白质变化更为敏感。微观结构越致密，KFA值越大。脑外伤后脑组织缺血缺氧引起神经元丢失，导致微观结构广泛破坏，微观结构复杂性减低，进而使得KFA值减低。然而，还需要进一步通过动物实验研究来证实。

3.3 MK值在mTBI中的变化特点及潜在机制探讨

       MK是平均扩散峰度，是扩散峰度方向上的平均值，是DKI研究中最为关注的一个指标^{[21, 22]}。本研究中mTBI组与对照组之间MK值差异无统计学意义。这与STOKUM等^[16]的研究结果相一致，他们发现后内囊、丘脑及胼胝体的MK值在受伤后10天内测量时，与正常对照组相比差异也无统计学意义。KARLSEN等^[12]的研究同样指出急性期mTBI患者MK值与对照组相比差异无统计学意义。然而，先前HUANG等^[15]的研究显示mTBI患者MK值较低。这种矛盾的结果可能是损伤机制差异所导致的，MK值的增加与反应性星形胶质细胞增生有关^[23]，而这种增生是中枢神经系统损伤和其他疾病过程的反应，增生的程度可能因损伤的严重程度而异^[24]。然而，本研究中GCS评分大多都是14~15分，且患者症状大都相对较轻，这可能影响了MK值的变化。此外，反应性星形胶质细胞增生通常在损伤后的4~7天达到高峰，尽管研究对象都是急性期，然后MRI扫描时间的不同也可能是导致MK值的变化尚未达到可检测水平的原因之一。

3.4 本研究的局限性

       本研究具有一定的局限性：（1）样本量较小，未来的研究中应招募更多的mTBI患者来验证本研究的结果；（2）未对DKI相关参数与临床评分之间的相关性进行分析；（3）在脑外伤的不同时期，DKI相关参数值可能随着时间的变化而变化，未来我们的研究方向之一是对患者进行随访，以评估DKI相关参数值，尤其是KFA随时间的变化，以检测其是否可作为预后的评价指标。

4 结论

       综上所述，本研究表明基于DKI的TBSS分析方法可发现mTBI患者脑微观结构的损伤，DKI参数为评估mTBI患者的脑白质改变提供了重要的神经成像生物标志物，这些参数能够揭示白质微结构的细微变化，未来在诊疗及预后评估中可能具有重要的临床价值。