基于fALFF及ReHo法觀察低氧暴露后飛行員靜息態(tài)腦功能的變化

劉潔，張挽時(shí)，錢龍，徐先榮，劉明熙，孟利民，王萍

基于fALFF及ReHo法觀察低氧暴露后飛行員靜息態(tài)腦功能的變化

劉潔，張挽時(shí)，錢龍，徐先榮，劉明熙，孟利民，王萍

目的 探討靜息態(tài)功能核磁共振成像(rs-fMRI)分?jǐn)?shù)低頻振幅(fALFF)和局域一致性(ReHo)方法在低氧暴露后飛行員靜息態(tài)腦功能評價(jià)中的應(yīng)用價(jià)值。方法 30名男性健康飛行員先后接受常壓常氧、氧濃度為14.5%的常壓低氧暴露，采用fALFF及ReHo方法對受試者低氧暴露前后rs-fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，觀察低氧暴露之后fALFF及ReHo值發(fā)生變化的腦區(qū)。結(jié)果 低氧暴露后，30名飛行員脈搏、血氧飽和度分別為64.0±10.6次/min、92.4%±3.9%，較暴露前(分別為71.4±10.9次/min、96.3%±1.3%)有所下降(P<0.05)。靜息態(tài)下，30名飛行員低氧暴露后fALFF值降低的腦區(qū)包括雙側(cè)顳上回、右側(cè)額上回，fALFF值增高的腦區(qū)為左側(cè)楔前葉，ReHo值降低的腦區(qū)為右側(cè)額上回(P<0.05)，未發(fā)現(xiàn)ReHo值增加的腦區(qū)。結(jié)論 低氧暴露對靜息態(tài)下某些腦區(qū)功能活動(dòng)有明顯影響，可能與認(rèn)知功能變化有關(guān)。

缺氧；靜息態(tài)腦功能；磁共振成像；分?jǐn)?shù)低頻振幅；局域一致性

飛行員作為一種特殊職業(yè)，在日常工作中常常需要面臨和克服各種極端的外界環(huán)境，如缺氧、低氣壓、加速度、溫度、噪聲、振動(dòng)、環(huán)境照明度改變等[1]。其中，影響較普遍、較明顯的是缺氧。氧氣是人類新陳代謝及生命活動(dòng)不可或缺的物質(zhì)，但在實(shí)際工作中，飛行員常常是在“不知不覺”中發(fā)生缺氧，極易危及飛行安全，導(dǎo)致飛行事故[2]。以往多采用工效學(xué)(神經(jīng)心理量表)、腦電圖測定及腦事件相關(guān)電位(ERP)[3-5]等方法評定飛行員急性缺氧時(shí)的腦認(rèn)知能力。本研究應(yīng)用靜息態(tài)血氧水平依賴性功能磁共振成像技術(shù)(BOLD-fMRI)，采用分?jǐn)?shù)低頻振幅(fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF)和局部一致性(regionalhomogeneity，ReHo)兩種分析方法來觀察低氧暴露對飛行員基礎(chǔ)腦活動(dòng)的影響。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2014年3月－2014年8月在空軍總醫(yī)院空勤科進(jìn)行改裝體檢的男性飛行員30名，年齡30.6±4.8(24～40)歲，累計(jì)飛行時(shí)間1328.1±940.1(310～3800)h，均為右利手。除外精神疾患和腦外傷、腦手術(shù)等病史，經(jīng)臨床和MRI檢查確定為健康者。所有被試者均同意配合完成此項(xiàng)研究，并簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 儀器 使用美國GE公司Discovery MR750 3.0T磁共振成像系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的8通道頭線圈。脈搏血氧儀為CMS-50型(秦皇島市康泰醫(yī)學(xué)系統(tǒng)有限公司)。

1.2.2 低氧條件 采用北京兆格氧氣廠以氮?dú)饧把鯕饣旌吓渲贫裳鯘舛葹?4.5%的低氧混合氣體，低氧裝置包括高壓氣瓶、減壓閥門、醫(yī)用氧氣枕及呼吸面罩，每個(gè)被試者通過呼吸面罩吸入相當(dāng)于3000m海拔高度的低氧混合氣體，實(shí)驗(yàn)前后用脈搏血氧儀監(jiān)測脈搏及血氧飽和度。

1.2.3 MRI數(shù)據(jù)采集 采用GE MR750 3.0T磁共振掃描儀，8通道頭顱相控陣列表面線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在掃描之前用脈搏血氧儀測量并記錄被試者的脈搏及血氧飽和度。被試者頭先進(jìn)，仰臥位，頭部軸位掃描以聽眥線為掃描基線，進(jìn)行以下序列掃描。

常規(guī)掃描：①矢狀位T1加權(quán)像液體反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(T1weighted imaging-fluid attenuation inversion recovery，Sag-T1WI-FLAIR)：TR/ TE=2041.7ms/24.0ms，層厚5mm，層間距1.5mm，層數(shù)19，視野FOV 24cm×24cm，帶寬BW 50kHz，激勵(lì)次數(shù)NEX=1，掃描時(shí)間56s；②軸位T2加權(quán)像螺旋槳技術(shù)(T2weighted imaging-periodically rotated overlapping parallel lines with enhanced reconstruction，OAX-T2WIPropeller)：TR/TE=6000ms/101ms，層厚5mm，層間距1.5mm，層數(shù)20，視野FOV 24cm×24cm，帶寬BW 83.33kHz，激勵(lì)次數(shù)NEX=1.5，掃描時(shí)間1min24s；③軸位T2加權(quán)像液體反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(T2weighted imaging - fluid attenuation inversion recovery，OAX-T2WIFLAIR)：TR/TE=8600ms/155ms，層厚5mm，層間距1.5mm，層數(shù)20，視野FOV 24cm×24cm，帶寬BW 62.50kHz，激勵(lì)次數(shù)NEX=1，掃描時(shí)間1min44s。

低氧暴露前靜息態(tài)fMRI掃描：囑被試者佩戴眼罩及連接氧氣袋的面罩，清醒閉目平靜呼吸，安靜平臥于檢查床，使用泡沫頭墊固定頭部并最大限度減少頭部與身體主動(dòng)及被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，用橡皮耳塞降低噪音。采用梯度回波-平面回波序列，參數(shù)TR/ TE=2000ms/35ms，反轉(zhuǎn)角(FA)90°，層厚4.0mm，層數(shù)38，F(xiàn)OV 24cm×24cm，矩陣64×64，掃描時(shí)間6min50s。

T1WI容積掃描：打開氧氣袋閥門，使被試均勻吸入氧濃度14.5%混合氣體直至本次實(shí)驗(yàn)操作完成為止。采用三維快速擾相梯度回波序列容積成像技術(shù)(three dimension- fast spoiled gradient echo-brain volume imaging，3D-FSPGR BRAVO)，采集全腦結(jié)構(gòu)像(包含頭皮)，參數(shù)TR/TE=8.2ms/3.2ms，反轉(zhuǎn)角(FA)12°，帶寬31.25kHz，層厚1.2mm，共100層，F(xiàn)OV 24cm×24cm，矩陣256×256，掃描時(shí)間2min59s。

低氧暴露后靜息態(tài)fMRI掃描：序列及參數(shù)與低氧暴露前靜息態(tài)fMRI掃描一致。

1.3 磁共振靜息態(tài)腦功能數(shù)據(jù)分析 采用DPARSF (http://www.restfmri.net)和SPM8(http://www. fil.ion.ucl. ac.uk)軟件包進(jìn)行磁共振靜息態(tài)腦功能數(shù)據(jù)分析。

1.3.1 預(yù)處理 靜息fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理包括時(shí)間校正、頭動(dòng)校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化，其中fALFF分析進(jìn)行空間平滑，而ReHo分析不進(jìn)行空間平滑。為去除機(jī)器的自旋飽和效應(yīng)和受試者適應(yīng)環(huán)境對數(shù)據(jù)的影響，將吸氧前和吸氧后的各靜息態(tài)掃描前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)剔除。依據(jù)頭動(dòng)校正曲線，將頭動(dòng)平移>2mm和(或)轉(zhuǎn)動(dòng)>2%的數(shù)據(jù)剔除(本組30例均符合要求)。將數(shù)據(jù)空間標(biāo)準(zhǔn)化至MNI(montreal neurological institute)標(biāo)準(zhǔn)空間，重新采樣為3mm×3mm×3mm的體素，空間平滑采用6mm×6mm×6mm半高等寬的高斯核進(jìn)行。

1.3.2 fALFF分析 fALFF分析采用平滑后未濾波數(shù)據(jù)，對0.01～0.08Hz信號的功率譜行開方計(jì)算，得到低頻振蕩幅度值，相加得總和值，再除以全頻段振幅總和值，得fALFF值[6]。

1.3.3 ReHo分析 首先計(jì)算出全腦每個(gè)體素與其周圍相鄰的26個(gè)體素在時(shí)間序列上的相似性，得到該體素的肯德爾和諧系數(shù)(Kendall's coefficient of concordance，KCC)。然后以每個(gè)體素的KCC值除以全腦所有體素KCC的均值，得到標(biāo)準(zhǔn)化的ReHo值[7]。最后，以一個(gè)半高全寬(full-width at half maximum，F(xiàn)WHM)為6mm的各向同性的高斯核對ReHo圖進(jìn)行平滑處理。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用XjView(http://www. alivelearn.net/xjview)軟件確定對應(yīng)MNI坐標(biāo)上有統(tǒng)計(jì)意義腦區(qū)的具體解剖位置。低氧暴露前后fALFF 及ReHo值比較采用配對t檢驗(yàn)，P<0.05(FDR校正)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 低氧暴露后脈搏及血氧飽和度的變化 30名受試者吸入氧濃度為14.5%氮氧混合氣體，由于磁共振設(shè)備條件限制，僅能獲取低氧暴露前后脈搏及血氧飽和度的變化。經(jīng)測定，低氧暴露后飛行員脈搏為64.0±10.6次/min，較吸氧前(71.4±10.9 次/min)有所下降，低氧暴露后飛行員血氧飽和度為92.4%±3.9%，較吸氧前(96.3%±1.3%)亦有所下降，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

2.2 低氧暴露對靜息態(tài)腦功能的影響 fALFF分析結(jié)果顯示，低氧暴露后fALFF值降低的腦區(qū)包括雙側(cè)顳上回、右側(cè)額上回，fALFF值增高的腦區(qū)包括左側(cè)楔前葉(表1，圖1)。ReHo分析結(jié)果顯示，低氧暴露后ReHo值降低的腦區(qū)僅右側(cè)額上回(P<0.05，F(xiàn)DR校正)，未發(fā)現(xiàn)ReHo值增加的腦區(qū)(圖2)。

表1 低氧暴露后fALFF變化的腦區(qū)(n=30)Tab. 1 Brain areas of significantly changed fALFF after hypoxia exposure (n=30)

圖1 低氧暴露后腦區(qū)fALFF變化圖Fig. 1 The maps of fALFF changes after hypoxia exposure

圖2 低氧暴露后腦區(qū)ReHo變化圖Fig. 2 The maps of ReHo changes after hypoxia exposure

3 討 論

3.1 BOLD-fMRI的概念 血氧水平依賴性功能核磁掃描(BOLD-fMRI)的原理是基于血紅蛋白的磁化特性[8]，氧合血紅蛋白是逆磁性物質(zhì)而脫氧血紅蛋白具有順磁性，血氧飽和度水平會影響周圍水分子的橫向弛豫時(shí)間，這一變化可通過磁共振T2加權(quán)像信號呈現(xiàn)，其中脫氧血紅蛋白含量和T2信號負(fù)相關(guān)，T2信號降低往往伴隨著脫氧血紅蛋白含量增加[9]。

3.2 靜息態(tài)BOLD-fMRI分析方法 靜息態(tài)fMRI 研究獲取數(shù)據(jù)的狀態(tài)單一，與基于任務(wù)態(tài)研究中的腦激活圖不同，需要特定的數(shù)據(jù)分析方法。目前，臨床應(yīng)用較多、相對簡單的兩類靜息態(tài)BOLD-fMRI數(shù)據(jù)分析方法包括局部功能活動(dòng)特性分析方法和線性相關(guān)分析方法[10]。前者包括低頻振幅(ALFF)、fALFF和ReHo[11]，即局部腦區(qū)內(nèi)部慢波振蕩的特性分析，用于描述靜息態(tài)腦局部功能活動(dòng)特性；后者包括種子相關(guān)分析、等級聚類分析及獨(dú)立成分分析等，即不同腦區(qū)之間慢波振蕩的同步性分析，用于靜息態(tài)腦功能連接的數(shù)據(jù)分析；不同的數(shù)據(jù)處理方法其側(cè)重性及敏感性有所不同。本研究采用fALFF 和ReHo兩種分析方法觀察低氧暴露前后飛行員局部腦功能活動(dòng)變化。

fALFF是一種改良的ALFF方法[6]，由于腦脊液靜脈血竇和大靜脈在0.01～0.08Hz也可表現(xiàn)出較高的低頻振蕩信號強(qiáng)度，與真正的神經(jīng)元活動(dòng)無法區(qū)分，而在整個(gè)頻譜上腦脊液靜脈血竇和動(dòng)靜脈在0.01～0.08Hz頻段的信號強(qiáng)度只占很小的比例，fALFF通過采用0.01～0.08Hz之間的信號振蕩平均強(qiáng)度和整個(gè)頻段振蕩信號的比值，可去除生理噪音的影響，提高檢測腦自發(fā)活動(dòng)的敏感度和特異性。ReHo技術(shù)通過計(jì)算鄰近幾個(gè)體素之間的KCC來衡量某一功能腦區(qū)的體素與周圍體素時(shí)間序列變化的一致性和相似程度，反映局部腦組織的同步性活動(dòng)，從而間接反映腦功能活動(dòng)[7]。ReHo體現(xiàn)的是全腦中每個(gè)體素與其鄰近體素時(shí)間序列的同步性，從本質(zhì)上反映的是體素間時(shí)間序列相似性的大小而非活動(dòng)強(qiáng)度的高低。

3.3 低氧暴露后飛行員靜息態(tài)fALFF及ReHo值的變化 本研究結(jié)果顯示，低氧暴露后，飛行員脈搏及血氧飽和度均有所下降，且血氧飽和度維持在92%上下，達(dá)到輕度缺氧狀態(tài)閾值水平[1]；應(yīng)用fALFF方法分析腦自發(fā)活動(dòng)的程度，結(jié)果顯示低氧暴露后雙側(cè)顳上回、右側(cè)額上回腦功能活動(dòng)較前減弱，左側(cè)楔前葉功能活動(dòng)較前增強(qiáng)，而應(yīng)用ReHo方法分析時(shí)間序列的一致性，結(jié)果顯示低氧暴露后右側(cè)額上回局部一致性降低，間接說明該腦區(qū)功能活動(dòng)減弱。

額上回屬背內(nèi)側(cè)前額葉的一部分，在復(fù)雜認(rèn)知控制方面扮演了重要角色，如視覺工作記憶、選擇注意、決策、自我表達(dá)以及對行為進(jìn)行監(jiān)督和及時(shí)糾正錯(cuò)誤[12-14]；顳葉除易受年齡影響之外[15]，對缺氧也十分敏感[16]。既往認(rèn)為顳上回是聽覺皮層，隨著對腦功能研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)還與社會信息的加工、人類和其他哺乳動(dòng)物的高級認(rèn)知功能密切相關(guān)[17]，顳上回功能受損可出現(xiàn)精神、記憶(包括空間和時(shí)間記憶)障礙，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明顳上回參與了大鼠記憶和注意信息加工[18]。低氧暴露后這兩個(gè)腦區(qū)功能減弱說明缺氧在一定程度上抑制了飛行員的認(rèn)知功能。楔前葉位于頂葉內(nèi)側(cè)，位置較為隱蔽，因而較易被忽視，近年來的腦功能研究發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)廣泛參與了人腦的高級認(rèn)知功能，如視覺空間成像、情景記憶和自我相關(guān)信息加工，并且楔前葉和它周圍的頂葉后內(nèi)側(cè)區(qū)代謝極為旺盛[19]，易受外界環(huán)境因素的影響，部分研究結(jié)果提示楔前葉可作為急性腦梗死[20]、一氧化碳(CO)中毒[12]患者大腦整體基線功能的監(jiān)測指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)左側(cè)楔前葉在低氧暴露后fALFF值升高，可能是低氧暴露后腦功能調(diào)節(jié)的代償性改變。

與以往評價(jià)飛行員腦功能活動(dòng)的方法相比，BOLD-fMRI作為一種新的實(shí)驗(yàn)方法具有明顯的優(yōu)越性，如簡單、無創(chuàng)、可重復(fù)性高，時(shí)空分辨率高，一次成像可同時(shí)獲得解剖圖像和功能圖像，不僅可以實(shí)時(shí)觀察靜息態(tài)腦功能活動(dòng)變化，而且可以準(zhǔn)確定位神經(jīng)元活動(dòng)變化的腦區(qū)，更直觀、清晰地顯示缺氧時(shí)飛行員靜息態(tài)腦功能活動(dòng)及功能連接的改變，對以往的神經(jīng)心理學(xué)量表認(rèn)知評分測試提供了客觀依據(jù)和補(bǔ)充。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，我們無法實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)掃描過程中飛行員的脈搏及血氧飽和度(但從暴露前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，被試已達(dá)到輕度缺氧狀態(tài)，符合實(shí)驗(yàn)條件)。本實(shí)驗(yàn)為探索應(yīng)用更低的氧濃度，模擬更高飛行高度(如6000m高空)研究飛行員靜息態(tài)腦功能的影響奠定了基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低氧暴露后部分腦區(qū)fALFF、ReHo值較前發(fā)生變化，提示低氧暴露影響了飛行員靜息態(tài)腦功能，為低氧暴露后飛行員認(rèn)知功能的變化提供了神經(jīng)影像學(xué)方面的證據(jù)。BOLD-fMRI技術(shù)用于缺氧對飛行員靜息態(tài)腦功能影響的研究具有廣闊的應(yīng)用前景，可為飛行員腦功能鑒定提供一種新的方法。

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Changes in resting-state brain function of pilots after hypoxic exposure based on methods for fALFF and ReHo analysis

LIU Jie1, ZHANG Wan-shi1*, QIAN Long2, XU Xian-rong3, LIU Ming-xi1, MENG Li-min1, WANG Ping11Department of Radiology,3Department of Flight Division, Air Force General Hospital, Beijing 100142, China
2Department of Biomedical Engineering, Peking University, Beijing 100871, China
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, E-mail: cjr.zhangwanshi@vip.163.com

ObjectiveThe objective of this study was to evaluate the basic changes in brain activity of pilots after hypoxic exposure with the use of resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) and regional homogeneity (ReHo) method.MethodsThirty healthy male pilots were successively subjected to normal and hypoxic exposure (with an oxygen concentration of 14.5%). Both the fALFF and ReHo methods were adopted to analyze the resting-state functional MRI data before and after hypoxic exposure of the subjects, the areas of the brain with fALFF and ReHo changes after hypoxic exposure were observed.ResultsAfter hypoxic exposure, the pulse was 64.0±10.6 beats/min, and the oxygen saturation was 92.4%±3.9% in these 30 pilots, and it was lower than those before exposure (71.4±10.9 beats/min, 96.3%±1.3%, P<0.05). Compared with the condition before hypoxic exposure, the fALFF value was decreased in superior temporal gyri on both sides and the right superior frontal gyrus, and increase in the left precuneus, while the value of ReHo was decreased in the right superior frontal gyrus (P<0.05). No brain area with an increase in ReHo value was found.ConclusionsHypoxic exposure could significantly affect the brain functions of pilots, which may contribute to change in their cognitive ability.

anoxia; resting-state brain function; magnetic resonance imaging; fractional amplitude of low frequency fluctuation; regional homogeneity

R445.2

A

0577-7402(2015)06-0507-06

10.11855/j.issn.0577-7402.2015.06.18

2015-02-11；修順日期：2015-04-27)

(責(zé)任編輯：李恩江)

劉潔，碩士研究生。主要從事磁共振靜息態(tài)腦功能與腦血流灌注的應(yīng)用研究

100142 北京 空軍總醫(yī)院磁共振科(劉潔、張挽時(shí)、劉明熙、孟利民、王萍)，空勤科(徐先榮)；100871 北京北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系(錢龍)

張挽時(shí)，E-mail：cjr.zhangwanshi@vip.163.com