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阿尔茨海默病的影像学研究进展①

2013-01-24石庆丽韩利坤袁春张玉梅

中国康复理论与实践 2013年4期
关键词:顶叶颞叶额叶

石庆丽,韩利坤,袁春,张玉梅

阿尔茨海默病的影像学研究进展①

石庆丽,韩利坤,袁春,张玉梅

近年来,神经影像学技术在神经系统疾病的应用越来越广泛。在神经影像学飞速发展的背景下,对阿尔茨海默病(AD)的神经影像学研究也越来越深入。其主要目的就是通过影像学特征来识别出早期AD患者(无临床表现时),从而达到早期治疗和预防的目的。本文就各种影像学检查在AD的应用进展进行综述。

阿尔茨海默病;神经影像学;功能磁共振;早期诊断;综述

[本文著录格式]石庆丽,韩利坤,袁春,等.阿尔茨海默病的影像学研究进展[J].中国康复理论与实践,2013,19(4):354-359.

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)即老年性痴呆,是一种老年人常见的神经系统退行性疾病,常隐匿起病,临床表现为进行性认知功能减退。其典型的病理改变为老年斑(senile plaque,SP)、神经原纤维缠结(neuronal fibrillary tangles,NFT)及神经元丢失。AD确诊需要根据美国神经病学、语言障碍和脑卒中-老年性痴呆和相关疾病协会(the National Institute of Neurological and Communicative Disorders and Stroke and the Alzheimer's Disease and Related Disorders Association, NINCDS-ADRDA)临床诊断标准的要求,从活检或尸检的病理学得到证实[1]。然而,AD临床诊断大都在中晚期,治疗效果常常不令人满意,故AD的早期诊断和干预成为大多数研究关注的焦点。本文就可以用于AD诊断及鉴别诊断的影像学方法进行综述。

1 平扫CT及CT灌注成像(computed tomography perfusion, CTP)

CT是医学影像学的重要检查手段之一,它能够提供AD患者脑形态学改变的资料。AD主要特征是脑萎缩。早期CT即可显示出脑萎缩征象:脑室不成比例地增大,脑沟、脑池加深、加宽;后期则可表现为弥漫性脑萎缩,以颞叶内侧和海马尤为明显。CT上表现出的海马萎缩可作为AD的一个特异性指标。

但常规平扫CT由于软组织分辨率低、扫描层面不够全面、对海马和颞叶的结构显示不清及易受颅底骨质结构的伪影干扰等缺点,使其在AD早期诊断方面受到限制,逐渐被其他影像学检查方法所取代。

CT灌注成像是一种反映脑微循环信息的功能成像,能准确地反映组织血管化程度和血流灌注情况,可在形态学发生改变前早期探查异常。一次CTP检查可同时观察脑血容量(cerebral blood volume,CBV)、脑血流量(cerebral blood flow,CBF)、平均通过时间(mean transit time,MTT)、达峰时间(time to peak, TTP)多个参数。研究提示CT灌注参数以TTP〔TTP指从开始注射对比剂至浓度达峰时间,反映血液到达感兴趣区(region of interest,ROI)的快慢[2]〕较为稳定。

最近,有对CT灌注成像与认知功能的相关性以及CT灌注成像对AD病情诊断作用的研究[3]。该项研究表明,TTP与AD患者认知功能状态呈明显相关,AD患者CT灌注中提示慢血流状态(全脑皮质,以颞叶和海马为著),推测AD患者中长期的脑低血流灌注状态是影响其发展与进程的关键因素,它可进一步加重神经元损伤及微循环障碍,造成不可逆的认知损害,因此,改善慢血流状态,并与临床认知功能检查结合,监测AD进程,可能对临床痴呆诊治和干预有一定的指导意义;且发现AD患者TTP与简易精神状态量表(Mini-Mental State Examination,MMSE)评分呈负相关,即额叶、颞叶、基底节及海马这些ROI的达峰时间越长,患者的认知功能越差。因此,此研究发现可能对临床痴呆早期诊断、干预有一定的指导意义。

2 磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)

与CT相比,MRI软组织分辨率高,能清晰区分灰白质,并可从冠状位、轴位及水平位三维显示脑组织;不受颅底骨质伪影的干扰,对脑部结构显示更清晰。

有研究表明,60岁以上组海马体积较60岁以下组显著缩小,这说明,随着年龄增长,海马体积会逐渐缩小[4]。且AD患者颞叶结构较正常人有明显萎缩,海马体积的年变化率在AD的诊断和进展评估中有一定参考价值[5-6]。

又有研究发现,可以将MRI上的海马萎缩作为区分AD与正常老年人的一项敏感指标,其敏感度为80%~90%[7]。然而,近年来研究发现,AD患者最早发生病理改变的部位不在海马,而在内嗅皮质,与健康老年人相比内,嗅皮质厚度存在显著性差异,故将内嗅皮质的萎缩作为AD早期预测指标[8]。并且,随访内嗅区皮质体积年萎缩率比单次测量萎缩程度敏感度和特异度更高,可作为轻度认知功能障碍(mild cognitive impairment,MCI)向阿尔茨海默病性痴呆进展的良好预测指标[9]。

采用MRI线性与体积测量对海马萎缩量化评估,均能为AD诊断提供客观依据,与临床认知功能评估有较好的一致性;AD海马萎缩的方式有别于其他类型的痴呆,前者主要表现为整体弥漫性萎缩,T2信号增高,而血管性痴呆海马可表现萎缩,萎缩的海马内常见多个腔隙性病灶,T2WI通常海马信号正常[10-11]。近年来研究证实,磁共振体积测量比线性测量诊断AD更敏感,尤其对轻中度的AD患者,定期随访的体积测量可以认为是目前诊断AD最敏感的形态学方法。对于MCI的随访研究表明,伴有海马萎缩的颞叶新皮质萎缩程度的进展情况,可以作为预测MCI转化为AD的一项指标;且对于MCI的定期随访使AD诊断的灵敏度和特异度均有提高[12-13]。

海马体积测定不仅对AD的早期诊断有价值,还可作为识别MCI的一种方法。Saka等研究证实,对颞叶萎缩程度的磁共振成像线性测量有助于区别MCI和轻度AD,是一种临床应用简单有效的测量方法[14]。

然而,在其他疾病如颞叶癫痫、精神分裂症时也可见颞叶及内嗅皮质的萎缩,故不能作为AD的特异性诊断指标;并且AD在出现神经元缺失的同时伴有胶质的增生,可在一定程度上造成对脑萎缩程度判断的错误,故需要结合其他检查方法;且体积测量费时费力,故尚未在临床上得到推广。

磁共振容积再现(volume rendered,VR)可用于AD的诊断,但当出现明显的、可以用此种方法显示出的脑皮质萎缩时,AD往往已到中晚期,因此,容积再现成像在AD早期诊断中价值不大,其主要用于AD与其他痴呆,如额颞性痴呆(fronto-temporal dementia,FTD)的鉴别诊断:如AD患者出现额、颞、顶叶联合区轻中度的皮质萎缩,萎缩基本对称,中央区基本正常;而FTD的萎缩部位多位于颞叶前部和额叶,且萎缩不对称,进展的FTD可出现顶叶和中央区的萎缩[15]。

fMRI包括扩散、灌注成像及基于血氧水平依赖技术的功能性成像。基于血氧水平依赖-功能磁共振成像是目前应用最广泛的方法。

fMRI是通过测定磁共振信号变化来反映血氧饱和度及血流量。fMRI空间分辨率和时间分辨率较高,且不具放射性,可对同一患者重复检查而无危险性,可广泛应用于人脑认知功能的研究。

Ikonomovic等研究认为,MCI的海马胆碱乙酰基转移酶活性增高是由于内嗅皮层传入减少,导致海马去神经改变进展的一种代偿反应,与内嗅皮层-海马连接的破坏有关[16]。

有对轻度AD患者的功能磁共振成像研究发现,AD患者相对于正常人来说,在进行任务学习时,其额叶和顶叶活动范围及强度减少[17-18]。

fMRI可以在认知任务下和静息状态下获得特定脑网络内的功能连接。任务相关性和静息态fMRI技术都可以用来观察AD相关的早期脑功能障碍;多数关于MCI和AD的早期fMRI研究集中于海马和内侧颞叶相关结构区域的fMRI激活的模式。研究表明,在临床诊断为AD的患者,在对新信息进行编码的过程中,海马部位出现活动的减低[19]。

大量数据表明,记忆功能是由脑区网络支配的,不仅包括内侧颞叶系统,也包括一系列的皮质区域,包括楔前叶、后扣带回、侧顶叶、侧颞叶及内侧前额叶区,它们被共同称为“默认网络”,在记忆编码过程中及其他集中于外界刺激过程的认知要求的任务执行中出现活动减低[20-21]。

近期有很多研究强调使用BOLD fMRI技术来研究静息态下的自发脑活动和区域间的连接。多项研究发现MCI和AD患者在静息状态下都存在默认网络内在功能连接的破坏[22-27]。

由于这些技术对于头部的活动较敏感,故对于较严重的认知障碍患者的检测仍然存在较多的问题。如果患者不能充分地完成认知任务,任务依赖的fMRI活动研究的优势就会丢失。静息态fMRI可能更适用于较严重的认知障碍患者。

4 弥散张量磁共振成像(DTI)

DTI主要用来分析水分子弥散的各向异性,从而观察组织的细微结构,可以提供人体组织微观结构、神经纤维走向及受损情况等方面的信息。DTI能显示脑白质异常改变并进行定量研究。它常用于脑白质纤维完整性的研究,近来被用于AD患者的脑部病变早期诊断的研究,用部分各向异性(fractional anisotropy,FA)和平均弥散率(mean diffusivity,MD)来描述脑白质微结构完整性。FA是最敏感的指标,其值越大则各向异性越强,则组织结构的排列越规则紧密;MD是与弥散方向无关的弥散程度,值越大,弥散程度越高。基于弥散张量成像的纤维素追踪成像技术(diffusion tensor tractography,DTT)也被用于AD的研究中,该方法突破了离体解剖纤维示踪的局限,使脑白质活体纤维束的重构及可视化成为可能。

Takahashi等的研究表明,AD患者与对照者相比,颞叶皮质下白质,胼胝体后部和前、后扣带回的FA分数明显下降[28]。Yoshiura等研究不同病程的AD患者时发现,MD与简易精神状态量表评分有显著相关性,即与AD的严重程度有显著相关性[29]。

近期有研究结果显示,AD患者的白质纤维束与健康老人比较明显减少,额叶白质的损害与健康老人相比有显著性差异[30],AD早期即有FA值的降低[31]。

另外,付剑亮等对正常老年人、AD、遗忘型轻度认知障碍(aMCI)、皮质下缺血性血管性痴呆(SIVD)患者进行的DTI研究发现:aMCI组扣带束FA值下降明显;SIVD组患者下额枕束、胼胝体膝部、胼胝体压部、上纵束等部位FA值明显降低,ADC值升高;而AD组除了扣带束外,其他部位如前额叶、颞叶、海马等FA值也有明显下降;因此推测扣带束FA值异常是诊断早期aMCI的一个敏感性指标,并可用来对aMCI及AD进行鉴别诊断[32]。

对于DTT研究方法的运用,Yasmin等利用DTT技术对19例AD患者的弓状束(uncinate fasciculus,UF)进行研究,发现患者弓状束的FA能反映AD相关的组织病理进程。但这一技术尚未完全成熟,关于此方面的研究甚少,故尚需更多的研究支持[33]。

虽然DTI为AD的临床诊断拓宽了思路,并可进行药物疗效评价,但导致DTI异常的神经生物学机制尚不明确,故DTI在神经系统疾病诊断的应用研究尚需进一步深入。

5 磁共振波谱(MRS)成像

MRS成像是一种研究组织代谢和功能的无创性方法。目前以1H MRS应用最多,它检测的代谢物有N-乙酰天冬氨酸(NAA)、胆碱(Cho)、肌醇(MI)、肌酸(Cr)等。NAA代表神经元及其轴突活性的变化和数量的多少;Cho参与细胞膜及髓鞘的形成,升高说明有鞘磷脂的分解及细胞膜的崩解;MI是神经胶质细胞的标志物;Cr含量比较稳定,常作为对照值来衡量其他代谢物的含量。

有研究表明,在AD进展过程中,最初表现为MI/Cr增高,晚期出现NAA/Cr减低,说明在AD临床症状出现前的NAA/Cr水平的降低,表明1H MRS可以监测疾病的病理生理进程,从而可对其进行早期预防和干预[34]。

研究发现,AD患者顶叶灰质比额叶灰质NAA/MI水平低,这与AD的神经纤维病理学的局域性分布一致[35]。MRS还可用于识别aMCI是否能向AD转化。aMCI患者的顶叶[36]、极轻度AD患者[37]MI/Cr水平升高,然而,NAA/Cr水平与正常老年对照组相比可以轻度降低或正常。因此,MI/Cr和NAA/Cr的水平对于预测MCI向AD转化及监测出现症状前的AD患者都是有用的。研究发现,后来转化为AD的aMCI患者比长期病情稳定的患者NAA/Cr水平低[38-40]。

一项对认知正常的老年人及临床症状出现前的AD患者进行的1H MRS队列研究表明,Cho/Cr水平的升高可能是老年AD患者的临床症状出现前的一个标记物[41]。在AD早期,尚未发现海马容积萎缩时,扣带回后部的MI已经升高。扣带回后部与学习记忆神经回路密切相关,该部损害会严重影响脑的学习记忆功能。该部MI升高,可能是AD的临床前期表现。因此,在研究AD脑早期病变时,应对扣带回后部予以重点关注[42]。

以上研究结果表明,1H MRS所显示的不同部位的代谢改变情况,可以用来作为监测AD进程的重要检查,从而在临床症状出现之前进行早期干预和预防,延缓疾病进展,提高患者生活质量。

6 单光子发射计算机断层扫描(SPECT)

SPECT是利用注入人体内的放射性核素发射出的γ光子为射线源穿透人体,不但可以显示器官的形态学变化,而且可以观察功能的变化。可通过对脑血流灌注、能量代谢、神经受体等的检测来客观反映脑功能变化,从而可以观察到疾病早期的病理生理异常,对脑部病变进行早期诊断、预后及疗效判断等。

SPECT研究发现,AD患者的扣带回后部局部脑血流量(regional cerebral blood flow,rCBF)显著降低,可作为AD和额颞叶痴呆(frontotemporal dementia,FTD)的鉴别诊断的参考依据,还能用来预测aMCI向AD的转化[43-44]。

多数研究表明,SPECT脑低灌注分布模式可以体现出MCI的临床异质性,即不同部位脑部低灌注预示着不同类型MCI (MCI及aMCI)的稳定性及其进展为AD的快慢。同AD颞顶区的低灌注相比,MCI表现为扣带回后部和中部的低灌注[45]。对易进展为AD的MCI来说,其右顶[46]、海马旁回、扣带回后部皮质[47]灌注较病情稳定的MCI减低。海马旁回及颞下回低灌注与aMCI进展为AD显著相关[48]。aMCI表现为显著的左海马、海马旁回及额顶颞区低灌注;执行功能障碍为主的MCI呈左额上回、额中回及扣带回显著低灌注;多个认知领域损伤的MCI除左海马、海马旁回及额顶颞区低灌注外,还可见左扣带回后部的低灌注[49]。

综上,我们得出SPECT在预测MCI向AD进展方面有着重要的作用,但由于SPECT的分辨率低,使其在临床的应用受到限制。

7 正电子发射计算机断层扫描(PET)

PET是将发射正电子的核素标记物引入人体内,通过采集得到器官断层影像的一种新技术,分辨力较SPECT明显提高。PET图像实质上是反映某种生理物质在人体内的动态变化和代谢过程,是在分子水平上反映人体的生理或病理变化,可以在器官尚未发生结构变化的阶段对疾病进行早期诊断。其中最常用的显像剂是用18F-氟脱氧葡萄糖(FDG)反映脑的葡萄糖代谢水平。

神经影像方法CT、MRI等不能整体评价痴呆患者认知障碍的严重程度及脑功能状态,对于无症状或早期痴呆者的诊断没有PET敏感。大脑局部病变首先出现代谢活动的降低,后为血流改变,最后才出现结构变化,而18F-FDG PET反映脑代谢活动,故可以发现脑组织的早期病变。PET可行早期诊断和病程分期,AD患者临床症状的严重程度与葡萄糖代谢减低的程度直接相关。

Small等指出局部脑葡萄糖代谢率(regional cerebral metabolic rate of glucose,rCMRglu)的减低与认知障碍显著相关,认知障碍程度取决于代谢障碍的程度,并发现智力衰退迅速的患者额叶rCMRglu是否降低及降低的幅度决定病情的严重程度,据此可以对AD进行病程和病情的分级和分期[50]。rCMRglu与rCBF相比,前者更为敏感,能更早地反映AD的病理生理变化,有研究表明,在轻度AD患者海马rCMRglu已有降低,而rCBF值仍保持正常[51]。

AD具有独特的PET影像特征。如果18F-FDG PET显像上出现双侧或单侧顶叶或颞顶叶代谢减低,或者同时伴有双侧或单侧额叶代谢减低,即可诊断为AD[52]。AD病变分布有其特征的PET表现,病变主要累及颞顶叶[53-54]、扣带回后部[55]和内侧颞叶[56],不累及基底节和丘脑[57]。

一般地,AD的皮质代谢明显比正常人低。一般认为正常老年人葡萄糖代谢正常,双侧额叶、颞叶、顶叶18F-FDG呈对称正常分布。AD在一定部位如顶叶下部、颞叶、额叶都可呈现示踪减低,而小脑、纹状体、感觉运动皮质、视觉皮质区域正常[54,56]。额叶受累与否,可作为鉴别早期AD的诊断标准,早期AD病灶一般不累及额叶,而中晚期AD常累及额叶[58]。

近年来,一种新型PET示踪剂——PIB(Pittsburgh Compound-B)被应用于AD患者的研究。PIB与β-淀粉样蛋白有很强的亲和力[59]。一些PIB-PET研究表明,AD患者的额叶皮质、颞顶叶、扣带回后部/楔前叶、顶叶、丘脑、纹状体PIB残留率明显高于对照组[59-63]。在90%以上临床诊断的AD患者,60% MCI[60-66]和30%认知功能正常的老年人[63],都能观察到显著的PIB示踪剂残留。然而,PIB残留率与认知功能的关系十分微弱[67],另外,一些关于PIB-PET的前瞻性及病例对照研究发现,在认知正常的老年人,MCI及AD患者中,PIB的摄取率并没有呈增加趋势[68-70]。有研究发现,尽管AD患者的临床症状和FDG-PET显示的低代谢呈进行性加重,但其PIB残留率却处于停滞状态[68]。因此看来,PIB及类似的示踪剂可能不能作为长期前瞻性研究的最佳选择。

一项关于FDG和PIB-PET对MCI和AD患者的诊断价值和一致性的研究发现[65],同正常对照组相比,AD表现为全脑的葡萄糖代谢率减低,MCI为海马、顶叶下部脑葡萄糖代谢率(cerebral metabolic rate of glucose,CMRglc)的减低,而在PIB成像中,AD患者额中叶、后扣带回及顶叶下部均表现为摄取的明显升高,而MCI组同AD组和正常老年组均不同。海马CMRglc值及额中回的PIB残留率是区分MCI及AD者同正常老年人的最主要的标志。这两种差别对AD的诊断表现出更高的一致性(94%),故两者联合运用不能明显提高AD诊断的准确率。对于正常老年人和MCI患者之间的鉴别,联合运用这两个衡量工具(PIB和FDG)可以将诊断准确率(分别是75%和85%)增加至90%。从而得出,对于AD的诊断,虽然两种方法之间的有一定的差异,但是两者准确率都很高;对MCI来说,FDG更优于PIB,两者联合运用可增加MCI诊断的准确度。

8 小结

确诊的AD患者往往已经到了中晚期,此时已严重影响到患者的生活质量,并给治疗带来很大困难,因此需要早期发现才能起到很好的防止疾病进展和改善患者生活质量的作用。综上所述,我们看到,CT灌注成像、MRI体积测量、1H MRS、PET对AD的早期诊断及AD与MCI鉴别方面的指导意义相对比较大,但这些影像学技术均不能够较准确地对AD做出早期诊断,因此如何利用影像学技术对早期AD做出准确的诊断,以期对其进行早期干预、早期预防,仍需要进行更深层次的探索。

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Advances in Neuroimaging for Alzheimer's Disease(review)

SHI Qing-li,HAN Li-kun,YUAN Chun,et al.Capital Medical University, Beijing Tiantan Hospital,Beijing 100050,China

Recently,neuroimging techniques are widely applied in the nervous systemic disease.With the development of neuroimaging,the neuroimaging studies of Alzheimer's disease(AD)are more and more in-depth.The main purpose is to identify AD patients in the early stage(clinically normal),to treat and prevent the disease in the early stage.This article reviewed the progress of various of imaging studies inAD disease.

Alzheimer's disease;neuroimaging;functional magnetic resonance imaging;early diagnosis;review

R742.5

A

1006-9771(2013)04-0354-06

2012-12-04)

1.国家自然科学基金(No.31171073,2012-2014);2.北京市卫生系统高层次卫生技术人才培养计划(No.2011-3-024);3.北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室办公室开放课题(No.20120808)。

首都医科大学附属北京天坛医院,北京市100050。作者简介:石庆丽(1987-),女,山东菏泽市人,硕士研究生,主要研究方向:脑血管病。通讯作者:张玉梅,女,北京市人,硕士生导师,主任医师,主要研究方向:脑血管病。

10.3969/j.issn.1006-9771.2013.04.009

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