功能磁共振成像技術在輕微肝性腦病應用中的研究進展

葛巖松，王培源

肝性腦病(hepatic encephalopathy，HE)是繼發于急性或慢性肝病以及嚴重肝功能損傷和(或)門體分流的神經精神綜合征，是肝硬化失代償期常見且較嚴重的并發癥之一。臨床上根據肝性腦病患者的精神狀態程度將肝性腦病分為輕微肝性腦病(minimal hepatic encephalopathy，MHE)及顯性肝性腦病(overt hepatic encephalopathy，OHE)[1]。MHE是指沒有典型的臨床表現及體征，但在某些認知領域已經發生異常的一種HE 亞型。對生活質量產生嚴重影響，并且隨著病情的進展，很多患者會出現典型臨床癥狀，發展為OHE[2]。因此，MHE 的早期檢測和及時干預對改善預后至關重要。然而，MHE 因其缺乏診斷“金標準”，在臨床上診斷往往較為困難。通常采用神經心理學(neuropsychological，NP)測試量表進行認知評估從而協助診斷[2]，主要包括數字連接試驗-A (number connection test-A，NCT-A)及數字符號試驗(digit-symbol test，DST)，但是其往往受患者自身年齡、文化水平等因素的影響，缺乏一定的客觀性[3]。隨著磁共振成像技術(magnetic resonance imaging，MRI)，尤其是功能磁共振成像技術(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的不斷發展，可以從形態學及功能學兩方面來早期診斷MHE。筆者對目前fMRI 在MHE 的應用進展進行綜述。

1 磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy)

MRS是一種無創性觀察活體組織生化及代謝改變的技術，目前在診斷許多代謝性疾病上具有很大的價值，并逐步用于研究HE 及MHE 的病理生理學過程。MHE 患者因肝衰竭導致體內氨代謝受阻，引發腦內氨水平升高，經過腦內唯一具有氨解毒作用的星形膠質細胞代謝，其產物谷氨酸或(和)谷氨酰胺水平升高[4-5]，同時作為滲透壓調節劑的膽堿及肌醇會被排出至細胞外后被清除，二者水平下降，從而維持細胞穩態[5-6]。因此MHE 患者經典的1H-MRS 表現為膽堿復合物(Cho/Cr)及肌醇(mi/Cr)明顯降低，谷氨酰胺(Gln/Cr)、谷氨酸(Glu/Cr)有所增高，表明MHE 患者已出現氨的代謝紊亂[7]。然而在經典的1H-MRS 表現中，N-乙酰天冬氨酸(NAA/Cr)基本未見明顯變化，Chen 等[5]認為NAA 主要位于神經元內，為神經元的生物學標志物，此結果表明神經元具有完整性，患者未發生神經元損傷及腦白質微細結構的改變。Oeltzschner 等[8]發現MHE 及HE 1 級患者視覺區γ-氨基丁酸/肌酸(GABA/Cr)比值明顯降低，并與血氨水平、mi/Cr 和Gln/Cr 呈顯著正相關，然而感覺運動區卻無此相關性，推測GABA 能神經遞質改變具有區域性的特點。黃天宇等[9]認為在所有代謝物指標中，Glu 濃度為評價肝硬化患者MHE 嚴重程度的最敏感指標。Lu 等[10]發現HE及NHE 肝硬化患者后扣帶回(sterior cingulate cortex，PCC)中的代謝活動和功能偶聯之間存在相關性，表明代謝異常為患者功能失調的基礎。Jain 等[11]發現用乳果糖對MHE 患者進行3 個月的治療后，MRS 異常的指標部分得到改善及恢復，提示MHE中代謝及生化的改變是可逆的。

2 磁共振擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)、磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)

DWI、DTI是非侵入性功能成像技術，以組織內水分子布朗運動為基礎，定量分析組織內水分子的彌散特性，不僅可以區分細胞毒性水腫以及血管源性水腫，而且能反映組織微觀結構的完整性及狀態的情況。在中樞神經系統疾病的診斷上具有較強的優勢，其最常用的參數為ADC、部分各向異性(fractional anisotropy，FA)和平均擴散率(mean diffusivity，MD)等[12]。Razek 等[13]認為ADC 值是定量MHE 患者低度水腫的可靠參數，發現MHE 患者ADC 值顯著增高且與NP 測試密切相關，推測ADC 值增高是由于星形膠質細胞合成谷氨酸增加或血氨升高引起血腦屏障通透性增加，大分子向細胞外遷移，繼而細胞外積水所致。同樣水分子向細胞外間隙擴散能力增強、組織內所含自由水分子增多也是導致MD 值增大的可靠因素。Srivastava 等[14]認為額葉腦白質MD 值是預測MHE 的最佳指標，其診斷MHE的可靠性遠高于血氨與炎性介質水平，且MD值升高的腦區數量和MD值與HE的嚴重程度密切相關；另外發現MHE患者FA值未發生顯著變化。FA值常反映白質纖維束的排列以及微結構是否發生異常，然而國內外對此在MHE 的患者中是否發生改變報道不一。劉梅紅等[15]通過研究發現由正常對照組、單純肝硬化(no MHE，NMHE)組至MHE 組胼胝體膝部及壓部的FA 值逐漸降低，提示腦白質纖維細微結構可能存在著損害。Rudler等[16]研究發現行TIPSS術后產生HE并發癥的肝硬化患者FA值術前較未發生HE并發癥的患者明顯減低，認為FA 值在篩選手術高風險患者中起到關鍵作用，有效預防并發癥的發生。因此FA值在MHE患者中的變化情況還需要進一步研究來明確。

對于DTI的分析，有學者通過選定與MHE相關指標變化有關的腦區作為感興趣區研究，分析其DTI 參數的改變，但主觀性較強，無法進行全面評估。對此部分學者采用基于體素分析(voxel based analysis，VBA)方法與基于纖維束示蹤的空間統計分析(tract-based spatial statistics，TBSS)的方法來進行研究[17]，這是全面、無創且具有客觀性的分析方法，可針對全腦白質進行研究，其中TBSS分析利用骨架化算法，無需標準化及平滑，解決了VBA分析存在的問題[18]，成為研究的熱點。

DKI是以DTI為基礎，與其不同的是，DKI是一種非高斯擴散成像技術，在觀察細微組織結構改變方面有著顯著優勢，其參數不僅包括FA、MD、軸向擴散張量(axial diffusion，AD)和徑向擴散張量(radical diffusion，RD)等傳統擴散張量參數，也包括平均峰度(mean kurtosis，MK)、軸向峰度(axial kurtosis，AK)、徑向峰度(radical kurtosis，RK)、峰度分數各向異性(kurtosis anisotropy，KA)及擴散峰度各向異性(diffusional kurtosis anisotropy，DKA)等特異性參數。Li 等[19]通過研究發現MHE 患者在某些不同的腦質內FA、MK、RK、AK 值降低，MD 值增高，AD、RD 和MD 的改變與認知評分密切相關，ROC 曲線顯示AD 對肝硬化患者的MHE 預測性能最高(曲線下面積為0.801，敏感度為77.05%，特異度為74.55%)。Sato等[20]發現MHE患者腦白質MK值廣泛降低，其中尾狀核、殼核、蒼白球和(或)丘腦的MK值降低較為顯著。ROC曲線顯示殼核MK 值區分MHE 及NMHE 患者的診斷效果最好(敏感度為89%；特異度為86%)，可作為診斷MHE的標記。

3 血氧水平依賴功能磁共振成像(blood oxygenation-level dependent fMRI，BOLD-fMRI)

BOLD-fMRI是將內源性血紅蛋白作為對比劑，利用磁場激發腦神經元活動時血氧飽和度的改變來實現成像，從而了解組織的代謝情況，獲得其他檢查無法提供的信息[21-22]。目前研究的熱點主要是分析局部腦區神經活動以及腦功能連接(functional connection，FC)的改變。

3.1 局部腦區神經

局部腦區神經活動的改變主要通過分析低頻波動幅度(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)、區域同質性(regional homogeneity，ReHo)的變化來實現。ALFF為每個體素在低頻(0.01～0.08 Hz) BOLD 信號中的平均振蕩強度[23]，Reho 為某一給定體素簇中相鄰體素在同一時間內非參數的相似性或一致性[24]，二者均可以反映患者的自發性神經元活動，對病情進行評估和分析。典型的表現為部分腦區ALFF 及Reho 降低，提示存在功能障礙；同時另有部分腦區ALFF 及Reho 增高，有學者認為這是代償機制的一種反映，部分腦區更高的神經活動可以補償患者因局部腦區神經活動降低而造成的功能缺損[25-26]，這與Zhong 等[27]的研究結果基本一致，其中右側楔前葉(precuneus，PCUN)和左側前額葉內側皮層中自發神經元異常而造成的損害可能在MHE 中起重要作用，ALFF 和低頻振幅率(fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF)的變化可作為診斷MHE 的潛在標志物。Chen 等[28]分析發現ALFF 區分NHE 與MHE 患者的準確率為80.6% (敏感度為81.3%，特異度為80.0%)，并且在大腦的默認網絡(deflult-mode network，DMN)、視覺皮層和初級感覺運動皮層中最具有區分性。Zhang 等[29]發現肝硬化患者ReHo 呈頻率依賴性變化，在慢5 和慢4 波段觀察到HE 和NMHE之間存在顯著差異，表明選擇合適頻率在臨床監測HE 中有著重要意義。

3.2 腦功能連接

FC 可以無創性反映不同腦區之間的相互關系，通過分析大腦有效FC 的改變，進而揭示中樞神經系統相關疾病的特征，成為診斷MHE 潛在的生物標志物[30]。García-García 等[31]運用獨立成分分析法(independent component analysis，ICA)得到MHE 患者認知能力下降與腦網絡FC 降低和灰質體積(grey matter，GM)萎縮有關的結論，ROC 曲線顯示RS-FC 在DMN、突顯網絡(salience network，SN)和基底神經節網絡(basal ganglia network，BGN)診斷MHE 中具有良好的特異性和敏感性。楊旭等[32]選取DMN 部分腦區作為種子點以及通過ROC曲線分析研究發現MHE患者DMN部分腦區FC下降，其中額前內側回(medial prefrontal cortex，MPFC)的功能連接性改變對于診斷MHE 的可靠性最高(敏感度81.5%，特異度70.4%)。同樣，Zhan 等[33]通過全腦功能網絡分析方法，認為DMN內部以及DMN與幾個網絡(如軀體感覺網絡和語言網絡)之間的連接性降低是MHE發生的潛在機制，DMN功能障礙可能是MHE 病理生理學的核心問題之一。Tsai 等[34]研究指出MHE 患者在認知控制網絡(cognitive control network，CCN)內相關腦區存在異常的Fc，并與認知功能障礙和血氨及炎性細胞因子等生化特征有關，提示這些可能參與了異常連接的發生。Lin等[35]發現MHE患者海馬萎縮，雙側海馬連接網絡的平均FC強度明顯降低，與認知能力下降顯著相關，并且隨著HE 的進展而加重，提示海馬的結構和功能異常是導致認知能力下降的重要因素之一。Sun等[36]通過聯合Reho以及基于ROI的FC，認為NMHE及MHE患者腦功能異常是部分腦網絡及丘腦局部一致性和功能連接性綜合改變的結果。腦區FC 的研究方法除上述外還有格萊杰因果分析(Granger causality analysis，GCA)和雙側大腦半球間體素鏡像同倫(voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC)等，對了解MHE的病理生理基礎及發病機制起到重要的作用。

HE 及MHE 不僅僅與某些單一腦區的FC 有關，其通常與更大規模的網絡結構密切相關，然而腦網絡具有顯著復雜性。為了尋找與MHE 相關的異常子網絡，Zhang 等[37]提出了一種基于頻繁子圖的子網絡挖掘方法，不僅可以識別出與疾病相關的子網絡，而且可以用于MHE 分類，從而更好地用于研究MHE的病理生理學。

4 磁化傳遞成像技術(magnetization transfer imaging，MTI)

MTI是一種特殊的磁共振技術，通過選擇性抑制結合在大分子上的質子信號，評價患者腦內水成分的改變，其量化指標常用的是磁化傳遞率(magnetization transfer ratio，MTR)。MHE患者由于存在腦水腫、細胞膜通透性及細胞質結構的改變，MTR 值整體降低[12]，且MTI 可以較敏感地監測常規TIWI、T2WI 中難以發現的腦水腫。Rai 等[38]通過研究發現MHE患者及NMHE 患者部分腦區MTR 值下降，與血氨及炎癥標志物水平呈相關性；用乳果糖和利福昔明治療數周后患者部分腦區MTR 值較前升高，反映出肝硬化所致腦水腫是可逆性的。軸突喪失以及脫髓鞘亦可導致MTR 的降低[39]，但Grover 等[40]認為這與1H-MRS 中的NAA/Cr 以及DTI 中FA 值無明顯改變的結果相反，提示MHE 患者軸突未發生異常，同時也無脫髓鞘的病變，故此觀點還需進一步研究與探討。

5 磁共振腦血流灌注成像技術

腦血流灌注與腦微循環密切相關，可以反映腦內毛細血管的血流灌注情況，對疾病的早期監測和預防起到顯著作用[41]。磁共振腦血流灌注成像技術主要包括動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)、動態磁敏感對比增強(dynamic susceptibility contrast-enhanced，DSC)和 對 比 增 強 MRI(contrast-enhanced MRI，CE-MRI)等，其相關參數主要有腦血容量(cerebral blood volume，CBV)、腦血流量(cerebral blood flow，CBF)和平均通過時間(mean transit time，MTT)等。汪楠等[42]推測患者腦內通過谷氨酸鹽介導的神經元一氧化氮合成酶活化及一氧化氮(NO)增多，從而導致血管擴張，CBF 升高[43]。Felipo 等[44]認為小腦是對CBF 變化最敏感的部位，其CBF值的升高可出現在患者NP測試改變之前，并根據實驗推測NO-cGMP 系統與小腦CBF 的變化密切相關。Li 等[45]結合FC 研究發現神經節-丘腦-皮質環路所致的連接障礙可能在MHE 患者的神經認知功能損害中起重要作用，其中右側殼核CBF 診斷MHE 的準確性最高(敏感度為85.7%，特異度為89.4%)，可作為檢測MHE 的潛在生物標志物。與其他磁共振腦血流灌注技術不同的是，ASL是通過利用內源性血液中的水分子作為對比劑進行成像，具有無創性的特點[45]。楊炯等[41]利用ASL技術研究發現MHE患者較對照組基底節區各部位CBF值及其與白質CBF 比值均增加，表明患者基底節區血流灌注增加是由于血流從皮質到基底節的重新分配所造成的，這與Li等[46]通過DSC技術研究所得到的結論相符合，并提出MHE對患者的優勢半球會產生更大影響的觀點。

小結與展望：fMRI具有無創性的特點，在顯示形態學結構的同時更好地了解腦功能及代謝情況，在臨床及基礎實驗中得到廣泛地應用，對于MHE的早期診斷具有積極作用，同時為研究MHE 發生發展的病理生理學機制提供了影像學層面的可靠依據。相信隨著fMRI的不斷發展，必將能更加客觀、準確的早期診斷MHE，并在MHE的預防以及疾病的監測中取得更大的進展。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。