基于自動分割技術(shù)的輕度阿爾茨海默病皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)MRI成像分析

李亞迪，董海波，謝國民

（寧波市醫(yī)療中心李惠利醫(yī)院，浙江 寧波 315040）

阿爾茨海默?。ˋD）患者神經(jīng)元內(nèi)淀粉樣斑塊沉積和神經(jīng)纖維纏結(jié)導(dǎo)致大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的大量“丟失”，從而引起腦灰質(zhì)萎縮，導(dǎo)致相關(guān)腦功能障礙。有關(guān)AD腦灰質(zhì)萎縮模式及其在疾病的診斷中應(yīng)用的研究已經(jīng)不少[1-3]，但多關(guān)注于海馬及皮質(zhì)結(jié)構(gòu)（如扣帶回等），而對皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究相對較少。Braak等[4]通過病理研究發(fā)現(xiàn)，一些皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)可與海馬同時出現(xiàn)神經(jīng)纖維纏結(jié)。這一發(fā)現(xiàn)提示了皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的萎縮可能與海馬等灰質(zhì)結(jié)構(gòu)萎縮一起導(dǎo)致了AD患者認(rèn)知功能障礙。本研究旨在采用FSL（FMRIB’s Software Library）軟件內(nèi)FIRST（FMRIB’s Integrated Registration and Segmentation Tool）工具[5]自動分割輕度AD患者皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)（包括海馬、杏仁核、伏隔核、尾狀核、殼核、蒼白球、丘腦）并測量其體積，研究AD患者這些結(jié)構(gòu)萎縮的特點(diǎn)、其與患者總體認(rèn)知功能損害的關(guān)系，及其在疾病診斷中的應(yīng)用價值。

1 材料和方法

1.1 研究對象

輕度AD患者組：2010年1—11月寧波市醫(yī)療中心李惠利醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科“老年記憶障礙”專病門診就診的29例病例，其中男15例，女14例，年齡54～ 80歲。所有患者符合美國精神疾病診斷及統(tǒng)計手冊第四版 （DSM-Ⅳ）的癡呆標(biāo)準(zhǔn)和美國神經(jīng)病學(xué)、語言障礙和卒中-老年性癡呆和相關(guān)疾病學(xué)會（NINCDS-ADRDA）制定的很可能AD診斷標(biāo)準(zhǔn)；簡易精神狀態(tài)檢查（MMSE）評分18～24分，平均21.5分，臨床癡呆分級（CDR）為1，均屬于輕度AD。

健康老年對照組：從社區(qū)招募正常老年志愿者30例，其中男16例，女14例，年齡50～81歲。所有志愿者均符合以下診斷標(biāo)準(zhǔn)：①有獨(dú)立的行為能力且神經(jīng)檢查正常；②無任何精神或神經(jīng)病史；③MRI除了腦萎縮和深部白質(zhì)少量T2WI高信號 （最大直徑<1 cm）外，無其它異常改變；④MMSE評分≥28分。所有被試者體內(nèi)均無金屬植入物或沒有MRI檢查禁忌癥，自愿參加并簽署知情同意書。

1.2 磁共振成像

所有被試掃描均使用GE公司生產(chǎn)的Signa Excite 1.5T磁共振成像系統(tǒng)，8通道頭顱線圈。常規(guī)三平面定位后，先行常規(guī)掃描，包括：SE T1WI和快速SE T2WI橫斷面及矢狀面掃描，以排除顱腦其他器質(zhì)性病變；再采用快速擾相位梯度回波翻轉(zhuǎn)恢復(fù)（3DFSPGRIR）脈沖序列（T1WI），行結(jié)構(gòu)像（3D T1圖像）橫斷位掃描，掃描范圍從顱頂至枕骨大孔，TR= 11.1 ms，TE=5 ms，F(xiàn)LA=20°，層厚=1.2 mm，無間隔連續(xù)掃描，F(xiàn)OV=240 mm×240 mm，矩陣=256×256，NEX=1。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有被試的3D T1圖像的各個皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)采用FIRST工具進(jìn)行分割：①3D T1圖像配準(zhǔn)到MNI（Montreal Neurological Institute)152標(biāo)準(zhǔn)空間。②根據(jù)軟件自帶的各個灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的蒙板 （mask）對每個被試的3D T1圖像進(jìn)行分割。③邊界校正，以明確每個灰質(zhì)結(jié)構(gòu)邊界上哪些體素屬于該結(jié)構(gòu)。④計算各個灰質(zhì)結(jié)構(gòu)mask內(nèi)的體積。完成以上步驟后，所有灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的mask在FSLview內(nèi)經(jīng)肉眼檢查有無錯誤。各灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的mask示例見圖1。

圖1 皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)FIRST分割后所得到mask示例。Figure 1. Examplesofmasksofsubcorticalgray matter structures segmented using FIRST.

所有被試的3D T1圖像經(jīng)FSL內(nèi)SIENAX工具計算其顱內(nèi)總體積（ICV），包括灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液。

1.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析應(yīng)用軟件SPSS 19。輕度AD與正常對照組間性別比較采用卡方檢驗(yàn)，年齡、教育程度、MMSE組間比較采用雙樣本t檢驗(yàn)。兩組間各個灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積（灰質(zhì)結(jié)構(gòu)體積/ICV×100）比較采用雙樣本t檢驗(yàn)。各皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積分別與患者的MMSE評分行偏相關(guān)分析，年齡、性別、教育程度作為控制因素以消除其影響。最后，在二項邏輯逐步回歸分析中，本研究將各皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積作為協(xié)變量，變量篩選方法設(shè)定為向前逐步法（條件似然比）以期望找到最合適的區(qū)分正常對照與輕度AD的模型。此外，因?yàn)槟挲g會對影像學(xué)測量結(jié)果的診斷效能產(chǎn)生影響[6]，本研究也將之作為協(xié)變量參與邏輯回歸分析。ROC曲線被用來分析邏輯回歸所得最終模型在AD診斷中的敏感度、特異度。

2 結(jié)果

2組被試年齡、性別、教育程度、MMSE評分信息見表1，年齡、性別及教育程度無組間差異，兩組間MMSE評分有顯著性差異。

輕度AD組的各個灰質(zhì)結(jié)構(gòu)平均相對體積均較正常對照組小，其中有統(tǒng)計學(xué)意義的是左側(cè)海馬、右側(cè)杏仁核、雙側(cè)丘腦、右側(cè)尾狀核、左側(cè)殼核、雙側(cè)蒼白球相對體積有顯著性差異（P<0.05），見表2。

表1 2組被試者一般資料比較（±s）

表1 2組被試者一般資料比較（±s）

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輕度AD組各皮層下相對結(jié)構(gòu)與MMSE行偏相關(guān)分析結(jié)果（見表3）顯示左側(cè)海馬、杏仁核、殼核、丘腦與MMSE評分具有相關(guān)性。

表2 2組被試者各灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積比較（±s）

表2 2組被試者各灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積比較（±s）

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表3 輕度AD組各灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積與MMSE評分偏相關(guān)分析（±s）

表3 輕度AD組各灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積與MMSE評分偏相關(guān)分析（±s）

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二項邏輯逐步回歸分析最終進(jìn)入模型的協(xié)變量為年齡與左側(cè)海馬相對體積，準(zhǔn)確率為86.3%。ROC曲線（見圖2）示曲線下面積（AUC）為0.897，設(shè)定約登指數(shù)（敏感度+特異度-1）最大值的點(diǎn)為診斷點(diǎn)，該點(diǎn)的敏感度為83.3%，特異度為96.3%。

3 討論

圖2 二項邏輯逐步回歸最終模型ROC曲線。AUC為0.897。診斷點(diǎn)敏感度為83.3%，特異度為96.3%。Figure 2.The final model of binary logistic regression analysis.The area under the curve was 0.897.In the diagnostic point, the sensitivity was 83.3%and the specificity was 96.3%.

本研究采用FIRST工具對皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割。該軟件使用波士頓麻省總醫(yī)院的形態(tài)學(xué)分析中心開發(fā)的表面模型對上述灰質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的自動化分割。較之手動分割的分析方法，F(xiàn)IRST能夠自動判斷體素之間信號強(qiáng)度的微小差別從而做出準(zhǔn)確的分割，因此，可重復(fù)性也更高?；隗w素的形態(tài)學(xué)分析（VBM）在組間分析有優(yōu)勢，但其在對皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配準(zhǔn)時易產(chǎn)生偽影，且不適用于對個體分析，F(xiàn)IRST則不存在這些問題。

AD的病理學(xué)研究結(jié)果已經(jīng)顯示，神經(jīng)纖維纏結(jié)首先出現(xiàn)在內(nèi)嗅皮層及海馬，其中海馬是隔區(qū)-海馬-邊緣膽堿能神經(jīng)回路的重要部位，與動物和人類的學(xué)習(xí)、記憶關(guān)系密切，此部位病變即為AD病患者記憶力減低的解剖基礎(chǔ)[7]，上述觀點(diǎn)已廣為學(xué)者接受。本研究不僅發(fā)現(xiàn)了輕度AD患者左側(cè)海馬萎縮，還發(fā)現(xiàn)了諸多皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)包括右側(cè)杏仁核、雙側(cè)丘腦、右側(cè)尾狀核、左側(cè)殼核、雙側(cè)蒼白球的萎縮。Braak等[4]的病理研究結(jié)果也顯示AD早期一些皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)病理改變。Baron等[8]通過VBM方法發(fā)現(xiàn)了尾狀核、殼核、丘腦的萎縮。Hensel等[9]報道了杏仁核的萎縮。但尚無研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)蒼白球的萎縮。

同海馬一樣，杏仁核參與構(gòu)成邊緣系統(tǒng)。海馬在長時記憶尤其是情節(jié)記憶的存儲與再現(xiàn)中發(fā)揮著重要的作用，杏仁核則與短時記憶中的情緒記憶密切相關(guān)。不少研究[1-2]發(fā)現(xiàn)杏仁核在輕度認(rèn)知障礙階段就已出現(xiàn)萎縮。Poulin等[10]則認(rèn)為在AD的最早期臨床階段，杏仁核萎縮程度與海馬相當(dāng)，且與總體疾病嚴(yán)重程度有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)殼核在概率學(xué)習(xí)任務(wù)[11]及工作記憶任務(wù)[12]時出現(xiàn)激活。還有研究[13]發(fā)現(xiàn)殼核在多種神經(jīng)退行性疾病如帕金森病中與癡呆的發(fā)生有關(guān)。以上發(fā)現(xiàn)提示了殼核的萎縮與認(rèn)知功能損害有關(guān)。丘腦由多個神經(jīng)核團(tuán)構(gòu)成。其參與對注意功能的指引，也參與抑制無關(guān)的感覺信息輸入[14]，其內(nèi)多個核團(tuán)在記憶功能中起到重要的作用。Callen等[15]報道了AD患者丘腦前部較正常對照顯著縮小。Braak等[4]則發(fā)現(xiàn)丘腦內(nèi)所有核團(tuán)都出現(xiàn)了淀粉樣斑塊及神經(jīng)纖維纏結(jié)，其中以背內(nèi)側(cè)核團(tuán)最為顯著。本研究發(fā)現(xiàn)輕度AD患者右側(cè)杏仁核、左側(cè)殼核及丘腦的體積均與其總體認(rèn)知程度有相關(guān)性，提示除了海馬，這些灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的萎縮也可能參與了AD患者認(rèn)知功能損害的病理過程，但其影響認(rèn)知功能的機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。

關(guān)于AD蒼白球的研究更少。影像學(xué)研究尚未有關(guān)于輕度AD蒼白球萎縮的報道。本研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)蒼白球萎縮，但未發(fā)現(xiàn)其與患者認(rèn)知功能有相關(guān)性。Lehericy等[16]通過免疫組化的方法發(fā)現(xiàn)AD患者蒼白球腹側(cè)及背側(cè)部分的膽堿能神經(jīng)元顯著地 “丟失”，提示了蒼白球在AD中可以因膽堿能神經(jīng)元死亡而出現(xiàn)萎縮。但是Lehericy等未告知所研究AD患者所處病理階段。

與其他腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)較規(guī)則、邊界較清，通過FIRST工具能夠方便、精確地勾畫并計算其體積，因此可以用于臨床疾病的診斷中。本研究二項邏輯逐步回歸分析最終模型中剔除了其他皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)相對體積，只保留了年齡與左側(cè)海馬相對體積，該模型判別正常老年與輕度AD的準(zhǔn)確率較高，ROC曲線示診斷點(diǎn)的敏感度及特異度也均較高，可見在皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)中，海馬體積最具有診斷意義。

本研究采用FIRST工具對輕度AD患者各皮層下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行體積分析。但是本研究中的輕度AD患者都是臨床診斷的可能AD患者，樣本量也不夠大。總之，對大樣本進(jìn)行長期隨訪，采用多種MRI成像方式如DTI聯(lián)合分析灰質(zhì)結(jié)構(gòu)將會是將來研究的方向。

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