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腰背痛静息态功能核磁共振的研究

作　者: 张珊珊
导　师: 吴文
学　校: 南方医科大学
专　业: 康复医学与理疗学
关键词: 腰背痛静息态功能核磁共振成像局部一致性功能连接默认网络
分类号: R445.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

[背景]疼痛是与文化、病理、生物等多种因素有关的一种不愉快感觉与情绪体验。腰背痛作为临床最常见的慢性疼痛,不仅给患者带来躯体上的痛苦,也使患者在精神上产生巨大压力,严重地影响了生活质量。腰背痛是一种渐进性病理过程,涉及感觉、情感、认知等多种属性的脑功能改变,可引起抑郁、焦虑、睡眠紊乱、决策失误等认知方面的损害。目前普遍认为人脑对痛觉的处理涉及多种功能,包括痛觉的感知、辨别、记忆、情绪以及回避反应等；参与处理痛觉的脑区也很多,在疼痛性疾病中存在涉及多个脑区的痛觉调控功能受损。功能核磁共振成像(fMRI)研究表明,持续的疼痛导致大脑血流动力学的改变,引起疼痛加工脑区功能关系改变,使疼痛模式环路受损。静息态fMRI研究的是受试者保持清醒、不接收任何外部刺激或执行任何高级功能的状态时的自发活动,即在没有明确的输入或输出因素状态下大脑内部发生的血氧水平依赖性信号的自发调节。近年来凭借其无创性及可明确脑区之间连接性等特点,已成为研究大脑自发和持续脑功能活动的有效工具。目前静息态fMRI已广泛应用于肌纤维痛、偏头痛、复杂性区域疼痛综合征及糖尿病神经痛等神经性疾病的病理机制的研究。这些结果均显示出疼痛性疾病患者静息态脑功能连接网络的改变和缺损,,且多与病程、疾病严重程度、治疗效果及恢复程度等密切相关。静息态的核磁共振成像是脑功能研究的发展方向,包括低频涨落相关性、局部一致性、脑区之间的功能连接三个部分。研究表明,在静息状态下,磁共振信号中存在同步慢频(f<0.08Hz)起伏波形,在功能相关的脑区存在着高度时间相关性。局部一致性评价血氧水平依赖性(BLOD)信号在同一时间序列中波动的相似性程度,可以反映局部脑区神经元活动的时间一致性程度。功能连接主要集中于对各脑区功能连接性的研究,其中默认网络是静息态脑功能网络研究中引起最广泛关注的网络之一,包括前额叶中部、后扣带回／楔前叶、顶下小叶和颞叶内侧皮层等脑区。这个网络维持着人脑在静息状态下正负激活之间的平衡,是结构连接和功能连接的关键节点。研究证明,慢性疼痛患者默认网络的功能连接存在异常,因此,探讨疼痛时静息态的大脑活动将有助于对腰背痛发生机制及疼痛网络功能的进一步理解。[目的]静息态各脑区功能活动的研究是脑功能研究的延伸,主要集中于大脑皮层功能相关性研究,近年来已取得了较大的进步,但各个脑区之间的功能联系机制仍旧不清楚,针对腰背痛默认网络和岛叶静息态的功能变化研究很少。为了进一步探讨疼痛感知和疼痛相关过程时各脑区激活的脑机制,本研究利用静息态功能核磁共振成像局部一致性及功能连接方法,观察腰背痛静息状态下局部一致性及功能连接的脑功能变化特点,分析默认网络与岛叶及其功能相关脑区连接方式的异常。[方法]1研究对象选择性别、年龄、受教育程度相似的健康者15例,其中男8例,女7例；年龄22-30岁,平均(25.7±7.3)岁；受教育程度集中在15-18年,平均(17±3)年；均为右利手。纳入标准：(1)体重在标准体重(中国大陆)的±10%范围内；(2)无精神或神经系统疾病,无严重器质性疾病；(3)1月内未有过疼痛经历(包括痛经),未使用解热镇痛药物、安眠及激素类等药物；(4)经焦虑自评量表(SAS)及抑郁自评量表(SDS)评定结果为正常者；(5)无MRI检查禁忌证且脑内未见异常病灶。该试验已经获得了南方医科大学珠江医院伦理委员会批准,所有受试者均签署了知情同意书。2腰背痛模型与数据采集在试验前10min,每个受试者在脊椎腰4(L4)棘突右侧旁开2.0cm处的腰部肌肉内植入留置针软管(24号),软管末端连接装有0.8ml3%高渗盐水的1ml注射器。所有受试者首先完成结构像扫描及正常状态时静息态扫描,然后通过留置软管向腰背部肌肉注入0.3m13%高渗盐水,20s后开始第二次静息态功能扫描。试验完成后,对扫描过程中疼痛开始时间、最痛时间、结束时间进行评估,采用改良视觉模拟评分法(VAS)对疼痛强度(0-10分,0=无,10=无法忍受的痛)进行评估,并采用情绪量表对试验过程中包括紧张、恐惧、疲惫等方面的不愉快疼痛体验进行评估(0-10分,0分为无,10分为无法忍受)。磁共振图像数据采集使用飞利浦3.0T Achieva磁共振仪,在一个正交头颅线圈内完成扫描。扫描时,受试者仰卧于检查床上,嘱其保持清醒,放松、闭目,尽量保持头部不动,尽量不进行思考。常规结构像扫描采用快速自旋回波序列获得T1加权图像(24层,TR/TE=500/14ms,矩阵=256×256,FOV=220mm×220mm, FA=90°).静息态功能扫描采用单次激发梯度回波-平面回波成像(single shot GRE-EPI)序列获得T2加权图像(24层,TR/TE=3000/40ms,矩阵=64×64, FOV=220mm×220mm, FA=90°,层厚／间距=5/0.5mm)。3数据处理采用静息态功能磁共振数据处理助手(Data Processing Assistant for Resting-State fMRI, DPARSF)对获得数据进行预处理及局部一致性／功能连接计算。考虑扫描开始阶段时由于机器磁场未达稳定及受试者不适应扫描环境对结果的影响,去掉前10个时间点。然后行时间校正、头动校正,依头动校正曲线,将头动平移<2mm、转动<2。数据纳入(所有受试者均符合)。此外,VAS评分疼痛强度≥3分的数据进入后续分析(所有受试者均符合)。3.1局部一致性数据分析每个受试者的图像配准到标准平面回波成像模板并重采样到每体素3×3x3mm3,空间标准化后采用线性回归方法去线性漂移和滤波(0.01<f<0.08Hz),再将生成的图像进行局部一致性分析,得到平均的ReHo图,以4mmx4mmx4mm全宽半高的高斯核做空间平滑处理后进行统计学分析。3.2功能连接数据分析每个受试者的图像配准到标准平面回波成像模板并重采样到每体素3x3x3mm3,将配准后的图像以全宽半高的高斯核(4mm)做空间平滑处理,得到的fMRI数据去线性漂移后均行带宽为的0.01-0.08Hz时域带通滤波。基于磁共振成像的既往研究,进行感兴趣区(ROI)的选择。以MNI坐标为中心,6mm为半径选择默认网络(包括前额叶中部、后扣带回、颞叶内侧)、岛叶(包括前岛叶、后岛叶)为ROIs。以ROI中各体素的时间信号的平均值作为种子点的时间信号,去除6个头动参数、全脑信号、脑白质和脑脊液信号,通过分析种子点与全脑各体素的时间序列得到Pearson相关系数,利用Fisher Z变换将相关系数转化为z值而使其标准化,最终每个受试者得到1张相关图。[统计学方法]应用SPSS13.0软件对研究对象的一般资料(年龄、性别、教育程度)、VAS及情绪量表结果进行分析,应用单因素方差分析(ANOVA)对试验前、试验中及试验后的不愉快疼痛体验进行分析,计量资料采用均数±标准差(χ±s)表示。1局部一致性统计分析为比较正常与腰背痛两种状况在静息状态下的脑功能ReHo差异,应用统计参数图软件(’SPM8, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk)对进行高斯平滑后的ReHo图进行统计分析。组内比较采用单样本t检验,以P<0.001(未校正)及体素K≥10为组内比较有统计学意义；组间比较采用配对t检验,以P<0.005(未校正)及体素K≥10为组间有统计学意义。2功能连接统计分析为比较正常与腰背痛两种状况在静息状态下的脑功能差异,应用SPM8对Z值进行单样本t检验,获得各个种子点功能连接图。应用Xjview软件(http://www.alivelearn.net)FDR校J正检验分析组内单样本数据激活区阈值,P<0.05、激活体素范围K≥10的连续激活区域考虑为有意义的激活区。组间比较采用配对t检验,获得各个种子点两种状态下的脑区激活差异脑图。以P<0.001(未校正)及体素K≥10为组间差异有统计学意义。[结果]1疼痛感知与问卷结果右侧腰背部肌肉注射高渗盐水(3%)后,受试者在10-15s后开始有疼痛的感觉,约20s后疼痛感觉最明显,持续4～5分钟后疼痛开始减弱,8分钟后完全消失。采用VAS对其疼痛强度进行评分,分数在3-9分之间,平均(6.33±2.29)分。所有受试者在试验前、中、后均有轻微的紧张和恐惧情绪,其中试验进行过程中紧张和恐惧评分分别为(2.92±1.78)和(1.50±1.62),试验前、中、后三者之间的紧张和恐惧情绪得分均无统计学差异(单因素方差分析,P>0.05)。2ReHo改变与正常状态相比,腰背痛状态下ReHo显著增高的脑区包括双侧前额叶内侧、左额下回、右额中回、右小脑顶叶小脑扁桃体、右脑桥、右岛叶、右尾状核、右楔前叶、右海马旁回、后扣带回(P<0.005,K≥10,未校正)。腰背痛状态下ReHo减低的脑区包括右颞上回、左颞中回、左中央前回、左中央后回、左海马旁回、左梭状回、左前扣带、左脑顶上小叶、右脑顶下小叶(P<0.001,K≥10,未校正)。3默认网络与岛叶功能连接改变腰背痛受试者疼痛状态与正常状态相比静息态存在显著的功能连接改变。在疼痛刺激下,腰背痛受试者岛叶与前额叶内侧、颞叶内侧皮层的功能连接增高,与后扣带回、楔前叶、顶下小叶的功能连接减低。以双侧前岛叶作为种子点,其功能连接图谱显示与皮质区域—前扣带回、中央旁小叶、小脑后叶(主要是小脑扁桃体)功能连接减低,与前额叶的功能连接增高。以双侧后岛叶为种子点,其功能连接图谱显示在静息状态下与前额叶、丘脑、海马旁回的功能连接增高,与颞叶内侧皮层、舌回、顶下小叶功能连接减低。此外,我们发现,静息状态下前扣带回与前岛叶、后岛叶的连接方式均有明显的改变,其中与前岛叶连接减低,与后岛叶连接增强。这一结果提示前后岛叶与前扣带回连接方式是不同的。本研究结果表明,疼痛改变了岛叶与前额叶内侧、后扣带回／楔前叶及顶下小叶的功能连接。[结论]腰背痛在静息状态下存在广泛的脑活动局部一致性异常,以及默认网络与岛叶存在广泛的皮质及皮质下结构的功能连接异常,这可能与腰背痛的感知觉、认知执行、情绪加工及记忆等脑功能改变有关。

全文目录

摘要  3-9
ABSTRACT  9-19
第一章研究背景  19-32
  第一节慢性疼痛的脑机制及其研究方法  19-23
    1 慢性疼痛的脑机制  19-21
    2 慢性疼痛脑机制的研究方法  21-23
  第二节慢性疼痛的静息态功能核磁共振研究进展  23-26
    1 静息态功能核磁共振的原理及运用  23-25
    2 静息态功能核磁共振研究慢性疼痛脑机制的现状、优势、不足  25-26
  第三节腰背痛的功能核磁共振研究进展  26-28
  参考文献  28-32
第二章实验部分  32-58
  第一节对象和方法  32-38
    1 研究对象  32-33
    2 腰背痛模型预实验  33
    3 数据采集  33-34
    4 数据处理  34-36
    5 统计学处理  36-38
  第二节结果  38-44
    1 疼痛感知  38
    2 局部一致性改变结果  38-41
    3 功能连接结果  41-44
  第三节讨论  44-51
    1 局部一致性分析  44-47
    2 功能连接分析  47-50
    3 总结  50-51
  参考文献  51-58
攻读学位期间成果  58-59
附录  59-64
  附录一中英文简写对照表  59-60
  附录二关于“腰背痛的脑功能研究”的问卷调查  60-64
致谢  64-66

腰背痛静息态功能核磁共振的研究

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