帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是第二种常见的进行性神经退行性疾病，全世界50岁以上的人都会受到影响，预计到2030年该疾病的患者数量将达到930万^[1]。PD的病理特征是黑质致密部多巴胺神经元丢失，导致基底神经节功能障碍。壳核(putamen)是基底神经节的输入，从黑质接受多巴胺。以往的研究表明，PD患者壳核的多巴胺在排列的不同亚型之间存在差异。与其他PD表型相比，震颤或以震颤为主的表型与更好地认知和运动结果相关^[2]。PD的原发性姿势不稳定和以步态困难为主的表型与认知功能减退的速度更快和痴呆的发生率更高相关联。然而，这两种表型的作用机制尚不清楚。

       壳核活性异常导致不同亚型的PD患者的临床差异。正电子发射断层成像（positron emission tomography，PET)研究发现震颤与小脑-丘脑-皮层环路和壳核的高代谢有关^[3]。既往针对PD的影像学研究往往集中于对黑质致密带、黑质体积及黑质铁沉积的相关测定^[4]，以及纹状体-丘脑-皮质环路功能异常的研究，然而并不能很好地解释震颤症状的产生机制。近年来，随着功能影像学技术的不断进步，包括功能磁共振、单光子计算机断层显像（single photon emission computed tomography，SPECT)、正电子发射计算机断层显像在内的神经功能影像技术对PD的研究也在不断深入，但目前对PD临床不同运动亚型的神经机制仍不清楚，影响了其早期诊断和有效的针对性干预，因此加强对PD亚型神经机制的研究具有重要的理论价值和现实意义。本研究运用神经突方向离散度与密度成像（neurite orientation dispersion and density imaging，NODDI）技术来量化分析PD患者壳核的变化来探讨NODDI对PD患者的临床应用价值。

1　材料和方法

1.1　一般资料

       收集我院2017年12月至2019年6月41例PD患者，其中男21例，女20例，年龄（68.8±7.5)岁，病程(88.7±53.5)个月。我院神经内科帕金森专业组专家进行临床评估，每个PD患者经英国帕金森病协会脑库标准^[5]在Hoehn和Yahr量表评估处于Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ阶段。招募了22名和PD患者性别匹配的对照志愿者，其中男11名，女11名，年龄（70.4±8.4)岁。对照组无神经系统疾病或精神疾病史，MRI平扫显示结构无异常信号。受试者均通过医院伦理委员会审查批准。评估之前所有人签署知情同意书。

1.2　检查方法

       使用3.0 T聚源MR扫描仪获得所有MR图像。采用头部32相控线圈，高分辨率自旋回波回波平面成像(echo-planar imaging，EPI）扩散加权图像采用沿32个各向同性扩散梯度方向的变焦EPI序列。对于每个方向，获得具有3个b值(0、1000和2000 s/mm²）的扩散加权图像（diffusion weighted imaging，DWI)。行头部常规MR平扫、DWI及扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）扫描。T1WI：TR 1960 ms，TE 20 ms，TI 750 ms；T2WI：TR 4200 ms，TE 100 ms。将切片定位以覆盖整个纹状体和SNpc．在所有3个正交视图（轴向、矢状和冠状）中目视检查所有数据集。排除了具有严重伪影（例如总几何失真、信号丢失、整体运动）的数据集。

1.3　数据处理

       得到的原始数据传入后处理工作台，将DKI序列的DICOM格式转化为FSL-NIfTI格式，接下来，使用NODDI Matlab R2013a将得到的扩散加权数据拟合到NODDI模型。经过后处理最后得到细胞内体积分数（entracellular volume fraction，Vic）图、方向分散(orientation dispersion index，ODI）图和各向同性体积分数(volume fraction of the isotropic compartment，Viso）图。

1.4　感兴趣区的分析

       ROI由两名磁共振主治医师选取测量，他们对受试者的疾病状态不知情。通过使用单个轴向切片的b0图像作为参考，在壳核中绘制ROI （图1)。将这些ROI应用于同一切片的Vic、ODI和Viso图（图1D~1F)。本研究进行了对侧、同侧、PD患者的ROI （相对于疾病发作的侧向性）之间的双边比较。

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图1  男，71岁，帕金森病患者，两年前出现右侧上肢不自主抖动。A~C为常规MRI平扫，常规MRI上患者未见明显异常信号。D~F为NODDI技术得到的参数图，D为ODI图，经测量患者左侧壳核区ODI值与正常对照组比较明显减低，而同侧（右侧）ODI值与正常对照组相比较变化不明显。E为Vic图，经测量患者双侧壳核的Vic值都有减低，但是以左侧为著。F为Viso图，患者壳核区的Viso值与正常对照组相比未见明显差异
Fig.1  Male, 71 years old, with Parkinson's disease, developed involuntary tremor of the right upper limb two years ago. A—C were conventional MRI scan, and no obvious abnormal signal was found on routine MRI. D—F were the parameter map obtained by NODDI technique, and D is ODI diagram. The ODI value of the left putamen area of the patient is significantly lower than that of the normal control group, while the ODI value of the ipsilateral (right) side is not significantly different from that of the normal control group. E is a Vic diagram, the Vic values of bilateral putamen are decreased after measurement, but especially on the left side. F shows the Viso diagram. There is no significant difference in Viso value between the putamen area of the patient and the normal control group.

1.5　统计学分析

       所有统计分析均使用SPSS 23.0统计学软件分析数据，计量资料正态性分布用平均数±标准差表示，对于定性资料采用率和构成比来描述。两组间比较，首先对正态性和方差齐性进行检验，对满足正态性、方差齐的采用两独立样本的t检验进行统计学推断。而对不满足方差齐的则采用矫正的t检验或非参数检验。所有人口统计学和临床变量均为正态分布。使用Student's t检验连续变量和分类变量的χ²检验分析人口统计学和临床数据。统计显著性标准设定为P<0.05。非配对t检验用于评估Vic、ODI和Viso图的ROI之间的组间差异。通过使用组内相关系数评估评估者间的可靠性。最后将单因素分析P<0.05的变量带入二元Logistic回归模型，探索各指标和PD发生的相关性。研究设定检验水准α=0.05，P<0.05认为差异存在统计学意义。壳核是一种结构，其中扩散参数的显著变化已经在使用扩散MRI的先前PD研究中得到最一致的报道^[6]。因此，本研究选择壳核中的扩散参数作为预测变量。

2　结果

       年龄(P=0.22，Student's t检验）和性别分布(P= 0.47，χ²检验）在PD患者和健康对照者之间无显著性差异（表1)。各独立评分者之间的信度评估对所有ROI均有较强的一致性(P<0.05)。

       由于PD的发病是单侧的，因此获得了患侧、对侧（即各ROI的综合平均值）的结果（表2)。PD患者患侧和对侧壳核的Vic以及对侧的ODI均显著低于正常对照组（表1)。Viso在任何区域均未发生明显改变。

       多重线性回归分析NODDI不同参数对PD患者诊断效能的影像因素。本研究采用多重线性回归，根据同侧ODI值、对侧ODI值、同侧Vic值、对侧Vic值、同侧Viso值、对侧Viso值来诊断PD的可能性。在ROC分析中，帕金森病患者对侧壳核处的Vic值具有最大的敏感性和特异性，显示出最佳的诊断性能（见图2)。纳入的6个自变量中只有对侧患者的Vic值与PD的相关性具有统计学意义(P<0.05)。多因素分析显示，对侧壳核中的Vic值是PD的独立预测因素（表2)。

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图2  壳核的细胞内体积分数和方向分散指数的ROC曲线图。对侧SNPC处的Vic值具有最大的敏感性和特异性
Fig. 2  The ROC curve of the intracellular volume fraction (Vic) and orientation dispersion index (ODI) of the putamen. The Vic value at the contralateral SNPC has the greatest sensitivity and specificity.

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表1  帕金森病患者与对照组壳核扩散参数的比较
Tab. 1  Comparison of diffusion parameters in putamen between patients with Parkinson’s disease and controls

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表2  帕金森病相关因素二元Logistic回归分析结果
Tab. 2  Logistic regression analysis of diffusion parameters of substantia nigra pars compacta in Parkinson’s disease

3　讨论

3.1　NODDI新技术的介绍及特点

       在探讨脑生理功能的基础上，对相应脑区脑组织微结构的探索是近年来神经影像学研究的热点。NODDI是2012年提出的一种新磁共振扩散成像技术^[7]，NODDI是一种新兴的基于磁共振扩散成像(diffusion magnetic resonance imaging，dMRI）技术的显像方法，可用来评估神经轴突和树突微结构复杂程度，从而可以反映神经纤维的形态学信息，它可以更加直接、更具体地测量组织微结构。因此，神经突起形态学参数无损检测对研究大脑生理及病理机制具有重要价值，在国外已被广泛应用于中枢神经系统疾病的研究，与传统磁共振扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI)序列相比，DTI并不能全面刻画水在复杂大脑组织中的扩散行为，对组织微观结构的变化敏感但缺乏特异性，不能正确解析交叉和分叉白质纤维，对各向同性组织（如皮层灰质）的微观结构的敏感性差，仅能评估脑白质结构。而NODDI扩散成像技术同时包含了高斯各向同性及高斯各向异性模型，因而将扩散成像应用从脑白质扩展到了灰质的微观结构。该技术专门建立了能够区分细胞内（被指神经突起限制的空间）、细胞外（指神经突起周围空间，含神经胶质细胞、胞体）和脑脊液等3种微环境而成像的新型磁共振成像形式，其对神经突起的去向分散度及密度有较高的灵敏度和特异度。作为一种新的可量化神经细胞结构的影像技术，为无创探索脑组织微结构提供了广阔的前景，现阶段该技术通过专用matlab专用软件包可以测量下述3个微结构指标^[8]：(1）神经突内容积比（intra neurite volume fraction，Vic)，可以用来反映神经细胞的密度；(2) ODI，可用来量化神经突起的方向变化；(3) Viso. NODDI常用参数指标为Vin或神经突密度（neurite density index，NDI）和ODI，另外还有脑脊液液体体积分数（volume fraction of the isotropic compartment，Viso）和神经突外体积分数（entmcellular volume fraction，Vec）指标并规定Viso+Vec+Vic=1. ODI有两个广义上的应用，一是在白质中，ODI量化轴突的弯曲和分叉度，它有助于判定当前被认为具有交叉纤维的多个体素包含的是否为多条方向离散但沿着一个主要方向走行的纤维^[9]；二是在灰质中，ODI可以定量估算树突分布的情况，可以直接反映灰质的复杂性^[10]。此外，由于神经突密度和方向离散度都是影响部分各向异性（fractional anisotropy，FA）值大小的因素，因此NODDI能够探测出FA值变化的具体原因。

3.2　NODDI新技术在帕金森病壳核改变诊断中的应用及优势

       壳核是基底神经节的输入，从黑质接受多巴胺，为验证帕金森病患者壳核多巴胺能活动与症状显性侧对侧较大功能障碍相关的临床倾向，本研究选取临床上确诊为帕金森病的患者和正常健康志愿者进行NODDI技术进行检查，测得帕金森病患者壳核区的Vic值明显降低。磁敏感加权血管造影（susceptibility-weighted angiography，SWAN）技术主要通过某区域信号特征的改变来诊断病变，而NODDI技术可以精确测量壳核的变化，反映壳核区密度变化，进而引起壳核细胞丢失、树突长度的形态变化和树突棘的丢失。

       本研究确定了关于NODDI在PD患者中的诊断价值的两个方面。首先，研究显示，PD患者对侧壳核的ODI、Vic值明显低于健康对照组。其次，ROC分析显示对侧壳核中的Vic是诊断PD的最佳参数，多变量逻辑回归分析显示该参数作为预测PD的自变量尤其显著。以前的报告^[8]中指出基底神经节的FA也是减少的。DTI参数FA反映神经元密度、纤维取向离散度、轴突直径和髓鞘形成程度的变化。因为它的变化是非特异性的^[11]，FA在估计病理变化方面是有限的。NODDI模型有助于解释FA的变化，特别是它允许考虑神经纤维的密度和方向离散度^[12]。事实上，在本研究中，壳核中的Vic较低被认为是反映神经突起密度的指标。减少的Vic与过去病理检查中的估计一致，即到PD临床表现时，基底神经节大约有一半的多巴胺能细胞已经丢失^[13]。黑质致密部（substantia nigra pars compacta，SNPC）中的Vic与疾病呈负相关，与病理检查结果一致，显示壳核中多巴胺能神经元的丢失程度与疾病呈负相关。本研究观察到PD患者壳核的ODI和Vic明显减少，这些改变可能反映了黑质纹状体多巴胺能投射的主要靶点-纹状体中棘神经元的树突结构（如树突长度减少和棘突丢失)的变化，以及黑质致密部中多巴胺能投射的神经纤维的丢失。黑质纹状体多巴胺能投射的主要靶点是纹状体中棘层神经元的树突结构（如树突长度的减少和棘突的丢失）。此外，据研究基底神经节区ODI与病程和UPDRS-Ⅲ （即运动评分）呈负相关。在应用多巴胺转运体（dopaminergic transporter，DAT)-SPECT评估黑质纹状体多巴胺能投射丢失和改变的研究中，已有报道疾病分期和病程与基底神经节区DAT-SPECT结合减少呈负相关^[14]。因此，与DAT-SPECT一样，ODI可能是评估PD疾病进展的有用指标。考虑到PD患者通常出现不对称的临床症状，更值得关注的是，在主要临床症状的对侧，黑质致密部和基底神经节的Vic和ODI的减少更为显著。这些结果与临床假说一致，即黑质纹状体多巴胺活性在主要症状的对侧降低。

       此外，多变量逻辑回归分析显示壳核中的Vic作为预测PD的自变量尤其显著。到PD出现临床症状时，据报道基底神经节中大约有一半的神经元丢失^[15]。壳核中Vic的减少可被认为是捕捉壳核中神经元的丢失的有力证据，具有很好的敏感性。

       本研究表明NODDI可用于PD患者壳核评估。DKI是另一种基于非高斯水扩散的磁共振扩散分析新技术，据报道，DKI同样适用于评估黑质和基底节。Wang等^[16]使用DKI显示PD患者壳核的平均峰度（mean kurtosis，MK）增加。MK被认为是组织复杂性的一个指标，Wang等就是这样认为的，发现黑质和基底节MK增多与病理性铁沉积有关。以后的检查可能会比较NODDI和DKI作为PD诊断生物标志物的价值。

3.3　局限性与结论

       本研究仍然存在着一些局限性未能得到解决。首先，由于PD的诊断未经组织病理学证实，因此仍有误诊的可能。其次，ROI是手工绘制的，测量的重复性是不确定的。但盲法可避免评分者的偏倚，所有ROI均由两位作者绘制，组内相关系数为0.79~0.98。最后，NODDI仍然是一个模型，用来估计神经突起的结构和方向，使用方向分散的圆柱体模型和沃森分布，它的参数如Vic、ODI和Viso，本质上是现象学的。因此，必须积累更多的证据以评估模型准确估计神经突起结构的程度。

       总之，高分辨率的NODDI分析提供的结果很可能反映了壳核中树突长度的减少和树突棘的丢失，这与先前病理学研究的结果是一致的。

       综上所述，NODDI能够更好地提供大脑脑组织变化的微观结构变化的衰老过程。帕金森病的病理特征是黑质致密部多巴胺神经元丢失，导致基底神经节功能障碍。壳核是基底神经节的输入，从黑质接受多巴胺。本研究可以利用NODDI技术来定量反映帕金森病患者壳核的变化，作为评判帕金森患者疗效或预后的重要手段。