动态增强MRI联合弥散加权成像评价脑外伤及高压氧治疗疗效的实验研究

第一章绪论
脑外伤(traumatic brain injury,TBI)的发生率约为0.235%,是年轻人最常见的致残和致死原因之一.TBI后会出现一系列病理生理改变,包括原发性损伤和继发性损伤,这些变化在急性期会导致患者死亡,在恢复期会产生一系列神经功能受损的表现.因此在外伤后对其损伤程度进行客观定量评价、了解外伤后损伤脑组织所发生的动态变化,对于指导治疗、改善预后至关重要.
然而目前评价外伤后损伤程度的方法仍存在一定的不足,比如神经功能评分操作比较复杂,易受主观因素的影响,不同程度致伤因素产生的损伤在一定程度上产生交叉,死亡率不能反映每个存活个体的实际损伤程度,此外组织学方法又不能对同一个体进行连续动态研究.而对脑外伤患者的治疗,高压氧(hyperbaric oxygen,HBO)的应用目前还存在一定的争议,主要原因除了缺乏大样本完全随机对照的临床试验外,主要是缺乏对高压氧治疗过程中损伤脑组织所发生变化的动态直观了解.
外伤性脑水肿在外伤后较为常见,是脑外伤的一个重要继发性损伤,在外伤后扮有重要的角色.它分为细胞毒性脑水肿和血管源性脑水肿,细胞毒性脑水肿是损伤组织缺血缺氧所致,而血管源性水肿则是由血脑屏障的破坏与开放所引起,因此在外伤后对脑水肿进行动态监测有望对脑外伤在康复过程中所发生的变化做出一个较为客观的评价,此外也能够对高压氧治疗的疗效做出一个客观评价.
MRI具有多种成像手段,能够在活体情况下对实验对象进行无创动态研究.动态增强MRI(dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI)及跨膜转运系数(Ktrans值)测定能够定量检测血脑屏障的通透性,而弥散加权成像(diffusion weight imaging)及表观弥散系数(ADC值)测定能够定量评价细胞毒性脑水肿的程度和范围.
本实验研究通过使用MRI来定量监测外伤后脑水肿的程度和范围,探讨外伤后对血脑屏障的定量测定能否客观反映损伤的程度:了解外伤后脑水肿的动态变化过程;评价高压氧治疗的疗效以及其潜在机制;并以此探讨外伤后早期对血脑屏障进行定量测定能否预测高压氧治疗后的预后.我们希望通过本课题研究能够为脑外伤治疗提供更多客观的影像学依据.
第二章动态增强MRI评价脑外伤后损伤程度和血脑屏障通透性的实验研究
目的:评价动态增强MR/(DCE-MRI)及其定量参数(Ktrans)在反映不同程度脑外伤中的应用价值.
材料与方法:采用不同打击力量造成不同程度的脑外伤(打击高度20cm,打击力度30g,60g,90g不等),在外伤后1天使用DCE-MRI和T2W对各外伤组和假手术组进行评价,并将获得的定量参数Ktrans值与T2W图像上的病灶体积进行相关分析.此外,各组实验兔在MRI扫描后处死,进行组织学检测,包括普通HE染色、透射电镜检测、免疫组化方法检测MMP-9的表达.
结果:重度外伤组和中度外伤组的病灶体积均大于轻度外伤组(P<0.01).重度外伤组病灶体积相对与中度外伤组有增大的趋势(P=0.053).伤后外伤各组的病灶区Ktrans值要高于假手术组(P<0.01).此外,中度和重度外伤组的Ktrans值高于轻度损伤组(P<0.01),重度外伤组的Ktrans值相对于中度外伤组有增加的趋势(P=0.08).外伤各组的Ktrans值与病灶体积都存在良好的相关性,其中轻度外伤组是r=0.766(P=0.01),中度外伤组是r=0.731(P=0.04),重度外伤组是r=0.886(P=0.019).HE染色表明假手术组无明显异常,轻度外伤组见少量出血及血栓形成,神经元坏死也较少,而重度外伤组则可见到明显的出血、血栓形成,神经元坏死也较明显.透射电镜显示重度外伤组的血脑屏障破坏明显,而轻度外伤组的血脑屏障破坏较轻.免疫组化MMP-9在不同组间表达存在差异,其中在重度外伤组最明显.
结论:DCE-MRI以及Ktrans值能够准确的反映出外伤后血脑屏障的破坏程度,也能反映脑外伤的损伤程度,在评价脑外伤后血脑屏障的破坏程度及脑组织的损伤程度中具有一定的实用价值.
第三章动态增强MRI联合弥散加权成像评价创伤性脑水肿动态演变的实验
研究
目的:使用动态增强MRI和DWI来了解兔脑外伤后脑水肿的动态演变规律.
材料与方法:21只实验兔被随机分为外伤(TBI)组(n=15)和假手术(Sham)组(n=6),在外伤后的3小时,1天,3天,7天,30天进行DCE-MRI和DWI检查,同时计算TBI组局部病灶区、病灶周围区和病灶对侧区以及Sham组相应区域的Ktrans值和ADC值.
结果:在局部病灶区,与Sham组相比,TBI组的Ktrans值在外伤后3小时开始上升,在第3天达高峰,此后逐渐降低,至外伤后30天时仍高于Sham组(p≤0.001).局部病灶区的ADC值在外伤后3天轻度上升,随后开始下降,在外伤后第1天时下降至sham组水平,此后持续下降,至外伤后第7天达到最低,此后再转而上升,在外伤后30天显著高于Sham组(p<0.001).在病灶周围区,与Sham组相比,TBI组的Ktrans值从外伤后第1天开始升高,高峰在外伤后3-7天之间(p≤0.001),在外伤后30天又恢复到Sham组的水平.病灶周围区的ADC值在外伤后1天开始有增高的趋势(p=0.075),此后持续上升(p<0.01).而在病灶对侧区,无论是Ktrans值还是ADC值,都没有发生显著的变化(p>0.05).此外,在所有时间点上,局部病灶区和病灶周围区之间的Ktrans值或ADC值都没有统计学相关性(p>0.05),而且不管是在局部病灶区还是病灶周围区,任何时间点的Ktrans值和ADC值之间也不存在统计学相关性(p>0.05).
结论:本研究表明外伤局部病灶区和病灶周围区的脑水肿类型是不同的,在外伤后急性期局部病灶区细胞毒性脑水肿占主导地位,而病灶周围区则是血管源性脑水肿占主导地位.此外局部病灶区的血脑屏障存在继发性开放.尽管本研究没有发现Ktrans值和ADC值之间存在相关性,但是急性期血脑屏障的破坏可能是加重细胞毒性脑水肿的驱动力之一,因此可以成为治疗的目标.
第四章动态增强MRI联合弥散加权成像评价脑外伤后高压氧治疗疗效的实验研究
目的:利用DCE-MRI和DWI来动态观测HBO治疗后脑外伤组织本身以及周围区域的变化情况,为HBO的临床应用提供影像学基础.
材料与方法:42只实验兔随机分为4组,即外伤(TBI)组(n=15),外伤+高压氧(TBI+HBO)组(n=15),假手术(Sham)组(n=6),假手术+高压氧(Sham+HBO)组(n=6).TBI组和TBI+HBO组接受自由落体打击以造成脑外伤,而Sham组和Sham+HBO组只进行开颅手术.TBI+HBO组和Sham+HBO组接受7天共10次的高压氧治疗,而TBI组和Sham组不进行高压氧治疗.在外伤后的3小时,1天,3天,7天,30天对上述实验兔分别进行MRI扫描.此外,在外伤前、外伤后1天和30天对所有实验兔进行神经功能评分(VCS评分).在最后一次扫描结束后,处死实验兔取脑组织标本进行尼氏染色并计数.
结果:在局部病灶区,TBI+HBO组的Ktrans值在外伤后3小时,1天和3天均大于Sham+HBO组(p's<0.001).TBI+HBO组的Ktrans值在伤后1天(p=0.047),3天(p<0.001),7天(p<0.001)和30天(p<0.001)均低于TBI组;TBI+HBO组局部病灶区的ADC值在外伤后3小时(P<0.001)和1天(p=0.001)大于Sham+HBO组,但是在外伤后第3天(p=0.009)和第7天(p=0.029)低于Sham+HBO组,在外伤后第30天时又高于Sham+HBO组(p<0.001);与TBI组相比,TBI+HBO组局部病灶区的ADC值在伤后1天(p<0.001),3天(p=0.009),7天(p<0.001)显著增高,而在30天时(p=0.034)明显低于TBI组.在病灶周围区,TBI+HBO组在外伤后1天(p=0.001)的Ktrans值高于Sham+HBO组,而外伤后第3天的Ktrans值有增高的趋势(p=0.076).与TBI组相比,TBI+HBO组病灶周围区的Ktrans值在伤后第3天(p<0.001)和第7天(p<0.001)均显著降低.TBI+HBO组病灶周围区的ADC值在外伤后3天(p=0.003),7天(p=0.001)和30天(p=0.001)均高于Sham+HBO组.TBI+HBO组病灶周围区的ADC值在伤后1天(p=0.012),3天(p<0.001),7天(p=0.002)和第30天(p=0.002)均低于TBI组.TBI+HBO组在外伤后30天时的VCS评分要高于TBI组(p=0.036).TBI组尼氏体计数要明显少于TBI+HBO组(p=0.001).
结论:本研究结果表明HBO能够缩短局部病灶区血脑屏障开放时间,降低开放幅度,推迟细胞毒性水肿的发生,降低细胞毒性脑水肿的程度,加速病灶周围区血脑屏障的修复,延缓周围区细胞损伤的发生,并且在亚急性期减轻损伤的程度,进而减少了局部病灶区和周围区神经元的丢失,促进TBI兔神经功能的恢复.
第五章高压氧治疗后的MRI定量测定在预测脑创伤预后中的价值研究
目的:探讨外伤后早期对血脑屏障通透性和细胞毒性脑水肿的定量检测在预测高压氧治疗相关预后中的价值,以明确高压氧治疗后早期的MRI定量检测能否预测预后.
材料与方法:21只实验兔随机分为2组,即外伤+高压氧(TBI+HBO)组(n=15),假手术+高压氧(Sham+HBO)组(n=6).TBI+HBO组接受自由落体打击以造成脑外伤,而Sham+HBO组只进行开颅手术.两组实验兔接受7天共10次的高压氧治疗.在外伤后的3小时,1天,3天,7天,30天对上述实验兔分别进行MRI扫描.此外,在外伤前、外伤后1天和30天对所有实验兔进行VCS评分(Veterinary coma scale).
结果:TBI+HBO组的VCS评分在外伤后1天和30天均低于外伤前(p=0.001),外伤后30天的VCS评分要大于外伤后1天的水平(p=0.001).在局部病灶区,外伤后第1天和第3天的Ktrans值与30天的VCS评分存在负相关性(r=-0.617,p=0.014;r=-0.587,p=0.022),而3小时的Ktrans值与30天的VCS评分之间存在负相关的趋势(r=-0.49,p=0.064),其他时间点无明显相关性(p>0.05).而局部病灶区在外伤后第1天和第3天的ADC值与30天的VCS评分存在正相关性(r=0.556,p=0.031;r=0.603,p=0.017),其他时间点无明显相关性(p>0.05).在病灶周围区,外伤后第1天的Ktrans值与30天的VCS评分存在负相关性(r=-0.645,p=0.009),而3天的Ktrans值与30天的VCS评分存在负相关的趋势(r=-0.468,p=0.078),其他时间点无明显相关性(p>0.05).病灶周围区在外伤后第3天的ADC值与30天的VCS评分存在负相关性(r=-0.653,p=0.008),而1天和7天的ADC值与30天的VCS评分存在负相关的趋势(r=-0.459,p=0.085;r=-0.501,p=0.057),其他时间点无明显相关性(p>0.05).
结论:本研究中,尽管高压氧治疗后改变了局部病灶区和周围区BBB的开放状态和ADC值的变化规律,但是在外伤后急性期使用MRI对局部病灶区和周围区进行定量测定仍然能够预测预后.