《Brain Research》：Assessing mTBI-related brain changes: insights from bi-exponential and tri-exponential intravoxel incoherent motion (IVIM) MRI models
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摘要这项初步研究采用双指数和三指数型体素内不协调运动MRI模型，探讨了轻度创伤性脑损伤患者的微观结构与灌注变化。研究纳入了20名处于亚急性期的轻度创伤性脑损伤患者以及20名健康对照者，其中11名对照者参与了重复检测可靠性分析。与传统的双指数模型相比，将扩散和灌注分为三个独立组的分
摘要
这项初步研究采用双指数和三指数型体素内不协调运动MRI模型，探讨了轻度创伤性脑损伤患者的微观结构与灌注变化。研究纳入了20名处于亚急性期的轻度创伤性脑损伤患者以及20名健康对照者，其中11名对照者参与了重复检测可靠性分析。与传统的双指数模型相比，将扩散和灌注分为三个独立组的分指数三指数IVIM模型展现出更高的灵敏度和重复性。逐体素分析显示，轻度创伤性脑损伤患者的IVIM参数存在广泛变化，包括表观慢扩散系数降低，以及与灌注相关的分数升高，这些变化在额叶白质、胼胝体及皮质下区域尤为明显。这些变化与蒙特利尔认知评估量表所测得的较低认知功能之间存在显著关联，从而体现了微观结构完整性、灌注状况与认知结果之间的联系。尽管IVIM参数与蒙特利尔认知评估量表得分呈现强相关性，但其与格拉斯哥预后评分扩展版的关联则相对较弱，这反映了脑损伤恢复过程的复杂性。本研究首次直接比较了两种IVIM模型在轻度创伤性脑损伤中的应用效果，证明了它们能够检测出传统成像技术和常规扩散模型无法发现的细微脑部变化。此外，这些研究结果表明，三指数IVIM方法可能是一种用于无创评估轻度创伤性脑损伤后脑部变化的可靠工具，有望成为脑损伤研究中的影像学生物标志物。
引言
轻度创伤性脑损伤是一种常见的神经系统疾病，由头部或身体受到撞击、碰撞或震动导致大脑在颅腔内快速移动而引发。这种突然的移动可能会拉伸或损伤脑组织，并引发化学变化，进而扰乱正常的脑功能（Patel等人，2024年）。轻度创伤性脑损伤的症状可能包括头痛、头晕、意识混乱、恶心、记忆问题以及情绪或睡眠模式改变（Willer和Leddy，2006年）。虽然大多数患者能在几周内康复，但仍有部分患者会出现持续症状，影响日常功能，可能需要更长时间的护理（Patel等人，2024年）。
对轻度创伤性脑损伤的临床评估通常包括症状清单检查、神经认知测试以及平衡功能评估，以此帮助诊断并监测康复情况（Park和Koo，2019年）。然而，这些方法只能间接反映脑功能异常，而传统的神经影像学技术，如计算机断层扫描和常规磁共振成像，由于难以检测到细微的组织损伤，往往在轻度创伤性脑损伤病例中无法显示出明显异常。这一局限性促使人们探索能够检测到常规临床影像学无法发现的微观结构和血流动力学变化的先进MRI技术。
虽然常规磁共振成像在轻度创伤性脑损伤患者身上通常显示正常（Bigler，2018年），但诸如扩散张量成像、功能性磁共振成像以及多模态成像等先进MRI技术，则能够发现常规扫描无法显示的微观结构和功能异常（Smith等人，2019年）。例如，扩散张量成像可以检测脑组织中水分子的运动情况，从而发现与轻度创伤性脑损伤及脑震荡症状相关的白质结构异常（Cubon等人，2011年）。静息状态功能性磁共振成像和多模态成像则进一步揭示了小脑、基底节和胼胝体等与轻度创伤性脑损伤症状相关的脑区在急性期和长期内的连接性、血流及组织磁化率变化（Meier等人，2020年）。
体素内不协调运动MRI是一种非侵入性成像技术，无需使用造影剂即可同时评估分子的扩散情况和微血管的灌注状况。该技术基于扩散MRI原理，通过采集不同b值的信号，再利用双指数模型区分真正的组织扩散与由灌注引起的伪扩散（Szubert-Franczak等人，2020年；Le Bihan等人，1988年）。这种双重评估方式能够同时反映组织的细胞结构与血管状况，因此常被应用于肿瘤成像等领域（Sigmund等人，2011年）。最近的研究还表明，IVIM技术有望检测出阿尔茨海默病和轻度创伤性脑损伤患者中与认知功能下降相关的细微微血管变化（Bergamino等人，2022年、2020年；Harritz等人，2025年；Bergamino等人，2025年）。
虽然传统的双指数IVIM模型在区分扩散和灌注效应方面发挥了重要作用，但它也存在一些局限性。该模型假设信号衰减仅由两个组分决定，即真正的组织扩散和由灌注引起的伪扩散，这可能简化了大脑复杂的组织环境。在实际应用中，这种简化会导致扩散和灌注参数的估计出现误差，尤其是在存在自由水、水肿或异质性微血管结构的区域（Bergamino等人，2021年；Vijayakumari等人，2021年；Wong等人，2020年；Fournet等人，2017年）。为解决这些问题，人们提出了更为先进的三指数IVIM模型（Ohno等人，2016年）。该模型将扩散加权信号分为三个组成部分，共产生六个参数。表观慢扩散系数及其对应分数主要反映组织内部（细胞内和细胞外空间）的真正分子扩散情况。中间扩散系数及其对应分数则反映速度稍快的信号衰减，这类衰减可能由自由水或水肿成分引起。最快扩散系数及其对应分数则通常与微血管或较大血管的伪扩散相关。通过引入这一额外的中间组分，三指数模型能够更灵活地描述扩散和灌注现象，从而更全面地反映炎症、损伤以及血管功能异常等情况下的微观结构与血管变化。
在这项初步研究中，我们采用了双指数和三指数IVIM模型，对处于轻度创伤性脑损伤亚急性期的患者进行了分析。我们对比了轻度创伤性脑损伤患者与健康对照组的脑部扩散和灌注指标的差异。为评估IVIM模型所得参数的可靠性，我们对部分健康对照组进行了重复检测分析，采用了类内相关系数、Bland-Altman分析法以及变异系数等统计方法（Shrout和Fleiss，1979年；Bland和Altman，1986年；Quan和Shih，1996年）。此外，我们还研究了IVIM参数与认知功能及功能状况之间的关系，这些状况是通过蒙特利尔认知评估量表和格拉斯哥预后评分扩展版来衡量的（Nasreddine等人，2005年；Wilson等人，1998年）。这项研究凸显了先进IVIM建模技术在检测轻度创伤性脑损伤后的细微微观结构和灌注变化方面的潜力，同时也证明了影像学生物标志物与临床相关结果之间存在重要关联。
章节摘录
研究对象
本研究共纳入20名健康对照者（11名男性，平均年龄29.6±6.5岁）和20名处于轻度创伤性脑损伤亚急性期的患者（10名男性，平均年龄28.0±7.5岁）。轻度创伤性脑损伤组的具体临床诊断如下：18例脑震荡，1例硬膜下出血，1例蛛网膜下腔出血。另外，还有11名健康对照者接受了第二次扫描，用以评估双指数IVIM模型参数的重复检测可靠性。
研究结果
健康对照组与轻度创伤性脑损伤组在性别方面不存在显著差异（卡方值=0.100，p值=0.752），年龄方面也不存在显著差异（Wilcoxon-W值=232.5，p值=0.385）。不过，正如研究假设的那样，轻度创伤性脑损伤患者的蒙特利尔认知评估量表得分明显低于健康对照者（Wilcoxon-W值=347，p值<0.001）。轻度创伤性脑损伤组的平均格拉斯哥预后评分扩展版得分为6.4±1.2，从脑损伤发生到接受MRI检查的平均时间为10.73±2.92天。此外，通过dMRI获得的运动参数也显示出了相应差异。
讨论
在本研究中，我们使用了双指数和三指数IVIM模型，对比分析了轻度创伤性脑损伤患者与健康对照组的微观结构及灌注状况。传统双指数IVIM模型最初由Le Bihan等人提出，该模型将扩散加权MRI信号分为两部分：一部分代表真正的分子扩散的慢扩散组分，另一部分则代表与微血管灌注相关的快伪扩散组分（Le Bihan等人）。
结论
本研究证明了双指数和三指数IVIM模型在评估轻度创伤性脑损伤患者的脑部微观结构与灌注状况方面的可行性和实用性。我们的研究结果表明，三指数IVIM模型对与轻度创伤性脑损伤相关的细微微观结构和灌注变化具有更高的敏感度。通过IVIM模型得到的参数不仅显示出了两组之间的显著差异，还与认知功能结果存在显著关联，这进一步体现了这类定量影像学方法在相关研究中的潜在价值。
CRediT作者贡献说明
M. Bergamino：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，数据验证，研究指导，软件开发，项目管理，资金筹集，正式数据分析，数据整理，研究概念设计。L.R. Ott：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，资源获取，方法设计，研究实施，数据整理。M.M. McElvogue：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，方法设计，研究实施，数据整理。R.M. Jha：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
M. Bergamino|L.R. Ott|M.M. McElvogue|R.M. Jha|C. Moreno|R. Wong|A.M. Stokes
美国亚利桑那州菲尼克斯市巴罗神经病学研究所巴罗神经影像创新中心，邮编85013
