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创伤性脑损伤的神经影像学研究进展
发布时间发布时间:2020-10-25 21:31

  )是由外伤引起的大脑结构损伤和(或)脑功能的损坏,从而出现一系列的临床症状,包括意识水平的下降或丧失、记忆丧失、精神状态的改变、短暂的或长期的神经功能的缺损及颅内病变。TBI是临床常见的神经外科疾病,严重影响人类健康,在全球范围内均具有较高的致死率和致残率。因此,对TBI的损伤机制及损伤后脑组织的病理生理变化的认识,以及实现TBI早期诊断及早期治疗尤为重要。

  现在人们普遍认为TBI由于原发性及继发性损伤导致脑部结构和功能的损害,它是一个复杂的多式级联的疾病过程,而不是单一的病理生理事件。

  原发性损伤是直接接触和(或)惯性力造成的机械损伤,即在创伤性冲击时发生的脑部损伤。这种损伤包括神经元,胶质细胞和其他细胞的直接损伤、挫伤、血管损伤(出血)和轴突的剪切伤。

  继发性损伤是在伤后数分钟、数天、数月、数年后随时间逐渐发展,是细胞、分子及代谢级联相互作用的结果。他们彼此相互作用导致内源性神经化学物质的改变及炎症的产生,最终导致脑细胞死亡、组织损伤和细胞萎缩。

  一系列复杂的生化改变包括细胞内钙稳态的改变、谷氨酸兴奋毒性、线粒体功能障碍的扰动,自由基的产生、炎症、脂质过氧化作用的增强,细胞凋亡和弥漫性轴索损伤(diffuseaxonalinjury,DAI)等导致TBI的二次损伤。

  随着医学影像技术的发展,目前先进的神经影像成像技术可以发现毫米级水平的病变,使得对疾病的诊断水平有了大幅度的提高,当代神经影像学不仅可以直接地检测到大脑的微观结构的变化,还可预测早期功能的改变。

  磁敏感加权成像(susceptibilityweightedimaging,SWI)是一种利用不同组织间磁敏感性不同而成像的磁共振技术。它对脑出血和颅内矿物沉积特别敏感,因此对脑卒中、肿瘤、多发性硬化及创伤性脑损伤引起的颅内出血等疾病均具有重要的诊断价值。TBI的病理生理包括微血管损伤、炎症反应及后期的白质进行性变性。DAI是导致严重神经功能障碍的主要原因,占重型颅脑损伤的30%以上。

  DAI是由于剪切力引起的脑白质损伤,剪切损伤小血管是轴索损伤的标志。而SWI能够显示静脉血管的连续性,可以检测弥漫性轴索损伤,且检测微出血灵敏度是常规MRI的6倍。此外,SWI确定微出血的数量、程度和格拉斯哥昏迷评分量表及昏迷持续时间具有相关性。研究发现,SWI可以作为儿童急性期脑损伤严重程度的有用指标,有助于预测不良社会认知功能的风险,故SWI可以对颅脑损伤的评价、治疗及预后判断等方面均起到重要作用。

  弥散加权成像(diffusionweightedImaging,DWI)能够敏感检测组织中水分子含量,反映水分子在微观结构中的分布及活动规律。DWI可以根据周围环境的温度、结构模式及组织损伤来反映水分子扩散的程度,对脑组织微观结构的改变高度敏感,能敏感检测出脑组织微观结构的改变。水分子的扩散程度可以用表观扩散系数(apparentdiffusioncoefficient,ADC)值来表达。急性弥漫性轴索损伤后细胞会发生病理学改变,如细胞肿胀、缺血,从而导致其水分子扩散受到限制,因此DWI呈高信号、ADC值降低。

  TBI引起的脑水肿主要有二种类型,包括细胞毒性水肿和血管源性水肿。细胞毒性水肿与细胞肿胀有关,随着细胞外液减少和髓鞘内水分的聚集,最终导致髓鞘水肿。细胞内毒性水肿在DWI图像常为高信号。血管源性脑水肿是由于血脑屏障的破坏引起血管通透性改变,在DWI图像表现为低信号,通过ADC值的改变可以反映创伤性脑水肿的类型。ADC值对预测TBI结局具有一定的价值。重度颅脑损伤患者胼胝体和脑白质的ADC值变化与患者预后功能具有相关性。

  Hudak等通过DWI对患者预后进行预测,发现虽然细胞毒性水肿组和血管源性水肿组伤后6个月达成相似的功能恢复程度,但是细胞毒性水肿的临床症状表现更严重。Sevick等对家兔TBI实验研究发现,急性期ADC值降低,30天后神经功能评分低,预后结果也较差,这表明ADC值的变化与脑损伤程度有关,故ADC值对脑外伤的预后具有预测价值。

  扩散张量成像(diffusionTensorImaging,DTI)是DWI的延伸,具有测量白质水分子弥散的能力,可以检测TBI后脑白质结构完整性。ADC和平均扩散率(MD)可以衡量水分子的扩散速率。各向异性分数(FA)与白质纤维束完整性呈正相关;ADC/MD值与白质纤维束完整性呈负相关。FA值越高、ADC/MD值越低,表明白质纤维束越完整;FA值越低、MD/ADC值越高,表明神经纤维受损。

  在病理状态下,如水肿、轴索变性、脱髓鞘或纤维破坏,会导致FA值降低。DTI能够检测轴突损伤,且比传统的成像方法更敏感。研究者制造小鼠轻度皮质冲击损伤模型,发现胼胝体和外囊的轴向扩散系数(AD)和相对各向异性(FA)值显著降低,且海马连合轴突损伤与组织学检测相一致。

  DTI可以作为有用的生物标志物来衡量白质的损伤,Roberts等发现,轻度至重度小儿TBI的白质微观结构的完整性降低,Ptak等发现,慢性脑外伤患者白质损伤区的FA值低于对照组平均水平,并与其严重程度和认知功能障碍相关。故扩散张量成像可以为脑创伤之后脑白质微观结构的受损提供更为敏感的信息,通过FA值的变化能够细致的反映脑白质损伤的情况,为脑创伤后功能恢复提供有力的证据。

  比DTI更为先进的是高清晰度的纤维束成像(high-definitionfibertracking,HDFT),该技术高分辨率追踪皮层与皮层下纤维束,能够从256个方向显示超过250000个以上的纤维,同标准DTI相比,具有更高的分辨率,能展现复杂的3D解剖。HDFT因应用扩散频谱成像,具有很高的角分辨率,能够高分辨率展示轴突的细节,显示轴突损伤的位置及程度。

  Shin等应用HDFT成像技术,对一个重度脑外伤23岁男子(格拉斯哥昏迷评分6分)研究发现左(右)大脑的白质纤维束呈不对称的表现,同时放射冠的皮质脊髓束损伤与功能障碍具有相关性;左上肢无力与左侧运动皮层纤维投射数量减少相对应。HDFT可以量化相邻的基底神经节区皮质脊髓束从而显示内囊后肢的病变。鉴于HDFT的高分辨率,对比左、右侧白质纤维束可以对特征性运动病理学提供重要的诊断信息。HDFT能够为TBI提供更为细致的相当于病理诊断的信息。

  磁共振波谱(magneticresonancespectroscopy,MRS),是一种基于分子水平的神经影像技术,能够反映细胞内代谢状态,可以作为微观损伤的证据。N-乙酰天门冬氨酸(NAA)的减少与神经元的损失或功能障碍有关;肌酸(Cr)可以反映脑能量代谢;髓鞘损伤时胆碱(cho)峰增加。当细胞的能量代谢异常,膜转运障碍、炎症损伤时,乳酸和谷氨酸增加。

  当发生TBI后,细胞的代谢功能会发生障碍,代谢物的相对浓度间比值会出现异常。Harris等发现,TBI大鼠的20种代谢产物会发生改变。在皮质损伤部位14种神经化学物质显著降低,5种化学物质(Gln、PCho、Lac、Ala和Ser)增加。研究表明,颅脑损伤时,NAA/Cr比值降低;NAA减少的水平可以预测TBI的功能预后。Henry发现脑震荡运动员的NAA/Cr在初级运动皮层显著减少。

  Vagnozzi等发现运动相关的脑震荡运动员伤后3~4天NAA/Cr比值减少,15天后出现有限的恢复,30天后恢复到正常水平。Maudsle等研究40例闭合性颅脑外伤患者的DTI和MRS,发现MRS反映代谢的变化要比DTI反映的空间范围要广。这些广泛的代谢变化也反映损伤的不同方面。MRS联合DTI预测预后结果的敏感性和特异性显著提高,Tollard等对43例TBI患者研究发现,脑桥、丘脑、岛叶的NAA/Cr比值预测预后结果的敏感性和特异性分别为75%、75%。当联合DTI后,预后结果的敏感性和特异性增加到86%、97%。磁共振波谱作为分子水平的神经影像技术,能够通过细胞内代谢状态的改变来反映脑创伤后微观结构损伤的情况,为脑创伤提供代谢方面的信息。

  单光子发射计算机断层扫描(single-photonemissioncomputedtomography,SPECT)显像是一种利用99mTc乙基半胱氨酸乙酯(ECD)作为示踪剂评估脑灌注功能的成像技术。SPECT可以反映TBI局部脑血流的变化,灌注区的变化与急性损伤的严重程度、意识丧失、认知障碍、脑萎缩有关,且对慢性症状检出率较其他影像检查方法高。国外研究发现TBI显示损伤部位附近脑功能区的局部脑血流(CBF)减少,而且在额前叶、颞叶、顶叶或枕叶出现不对称的低灌注。对29例脑外伤的研究显示,SPECT对慢性症状检出率为66%,而MRI和CT分别约45%、34%。

  Newberg等研究表明TBI后头痛患者的右额叶和顶叶脑血流量差异显著。Jacobsa等对67例脑外伤进行前瞻性研究,在初始损伤4周内扫描,其中33例无明显异常,三个月内则发现97%有临床症状。SPECT显像可以提高脑外伤慢性症状检出率,可以比临床更早的发现慢性症状,为临床早期诊断与治疗争取更多的时间,预防TBI的进一步发展。

  TBI严重影响人类的健康,对于TBI的早期诊断和干预尤为重要。TBI对脑部结构和功能的损害是一个动态发展的过程,各个阶段的病理变化是极其复杂的。SWI可以检测弥漫性轴索损伤及发现早期微出血灶;DWI能敏感检测出脑组织微观结构的改变;高清晰度的纤维束成像(HDFT)可以提供相当于病理诊断的信息;MRS可以反映细胞代谢的变化;SPECT显像可以提高脑外伤慢性症状检出率。各种影像检查方法各有利弊,且只能反映脑创伤影响的某个方面,因此未来对TBI的诊断必定是多种先进功能成像技术的结合与融合,从而对TBI的诊断形成精准化定位与定性,实现对继发性损伤的超早期诊断。

  来源:陆菲菲,肖慧.创伤性脑损伤的神经影像学研究进展[J].功能与分子医学影像学(电子版),2018(03):1521-1525.

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