基于VBM的輕度認(rèn)識障礙患者腦灰質(zhì)體積改變的縱向研究

劉 浩， 趙小虎， 王湘彬， 張樂樂， 席 芊

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院影像科，上海 200065)

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·臨床研究·

基于VBM的輕度認(rèn)識障礙患者腦灰質(zhì)體積改變的縱向研究

劉 浩， 趙小虎， 王湘彬， 張樂樂， 席 芊

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院影像科，上海 200065)

目的 探討輕度認(rèn)知障礙患者隨訪1年后腦灰質(zhì)體積改變。方法 利用體素的形態(tài)測量學(xué)(voxel-based morphometry, VBM)方法，對來自ADNI(Alzheimer disease Neuroimaging Initiative)數(shù)據(jù)庫的70例MCI患者及44例正常對照者基線及隨訪1年的腦灰質(zhì)體積改變進(jìn)行對比研究。對兩組人2次3D磁共振T1結(jié)構(gòu)像進(jìn)行預(yù)處理，得到平滑后的全腦灰質(zhì)數(shù)據(jù)，運用配對樣本t檢驗，分別比較正常對照組前后1年腦灰質(zhì)體積差異及MCI組前后1年腦灰質(zhì)體積差異。結(jié)果 正常對照者在1年前后腦灰質(zhì)體積無明顯改變；MCI組患者皮質(zhì)腦灰質(zhì)體積在隨訪1年后相關(guān)腦區(qū)有明顯的萎縮(P<0.05)，這些區(qū)域主要集中在: 記憶相關(guān)的顳葉區(qū)域，包括左顳下回、左顳中回、右顳上回、左側(cè)海馬、右側(cè)海馬；語言功能及軀體感覺相關(guān)區(qū)域等，包括左側(cè)島葉、右楔葉、右中央后回。結(jié)論 MCI患者在1年時間內(nèi)腦灰質(zhì)在與記憶相關(guān)的顳葉區(qū)域及與語言功能和軀體感覺相關(guān)區(qū)域有發(fā)生萎縮，可為阿爾茨海默病的早期診斷提供影像學(xué)依據(jù)。

阿爾茨海默病； 輕度認(rèn)知障礙； 磁共振成像； 海馬； VBM

阿爾茨海默病(Alzheimer disease， AD)是癡呆的最常見病因。臨床上以隱匿起病和緩慢進(jìn)行性的認(rèn)知功能下降為特征。輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment， MCI)是指以認(rèn)知障礙為主訴，但未達(dá)到癡呆標(biāo)準(zhǔn)的臨床狀態(tài)[1]，因此被認(rèn)為是介于正常老齡化與AD之間的“過渡狀態(tài)”。AD的早期干預(yù)治療可改善患者的臨床癥狀，提高生活質(zhì)量，降低致殘率和致死率。因此，如何更早診斷MCI，從而采取有效的干預(yù),阻止或者延緩向AD的進(jìn)展顯得十分重要。

近年來，基于體素的形態(tài)測量學(xué)(voxel-based morhpometry， VBM)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于AD和MCI研究中。已知VBM方法對MCI與AD患者的研究，主要集中在正常老齡化、MCI與AD之間的橫向比較，對MCI及AD腦結(jié)構(gòu)的縱向改變鮮有研究報道?？v向研究MCI患者在疾病發(fā)展過程中腦灰質(zhì)體積改變，對預(yù)測MCI在AD轉(zhuǎn)化方面有一定作用。較之前的興趣區(qū)域(regions of interese， ROI)分析方法，VBM方法可以對全腦的解剖結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行評價，更加全面，受人為主觀因素影響小，精確性和效率更高。本研究利用VBM方法對70例MCI患者及44例正常人基線及1年后隨訪大腦3T結(jié)構(gòu)磁共振掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別比較兩組人群腦灰質(zhì)體積在1年內(nèi)的改變，為研究AD早期的腦灰質(zhì)體積改變提供有效信息。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究的數(shù)據(jù)均來自國際公共數(shù)據(jù)庫(ADNI)數(shù)據(jù)庫。本研究所選數(shù)據(jù)是在西門子3T磁共振機(jī)器上采集的薄層3DT1加權(quán)結(jié)構(gòu)像，圖像數(shù)據(jù)參數(shù)為: TR=2300ms，TE=2.98ms，TI=900ms，翻轉(zhuǎn)角9°，層厚=1.2mm，無層間距，矩陣為240×256。經(jīng)過預(yù)處理，共有114例受試者納入研究。其中輕度認(rèn)知障礙患者70例(男43例，女27例)，基線掃描時平均年齡(70.8±6.6)歲，1年后圖像采集時平均年齡為(71.9±6.6)歲；正常老年人44例(男23例，女21例)，基線掃描平均年齡為(74.3±6.3)歲，1年后圖像采集掃描時平均年齡為(75.3±6.3)歲。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析方法

VBM方法是利用SPM8(Statistical Parametric Mapping 8)基于體素的形態(tài)學(xué)分析方法。數(shù)據(jù)處理流程為空間標(biāo)準(zhǔn)化、腦組織的分割、平滑、統(tǒng)計建模和假設(shè)檢驗。首先對兩組MRI圖像進(jìn)行前聯(lián)合-后聯(lián)合(anterior commissure-posterior commissure， AC-PC)手動矯正；接下來把所有數(shù)據(jù)的T1加權(quán)像標(biāo)準(zhǔn)化到一個標(biāo)準(zhǔn)的立體模板空間(MNI空間)；然后將標(biāo)準(zhǔn)化后的腦結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，得到灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液；對分割后的灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液圖像進(jìn)行重新采樣，重采樣后體素大小為1.5mm×1.5mm×1.5mm；利用SPM8隨機(jī)效應(yīng)分析，采用配對樣本t檢驗，分別比較正常對照組前后1年組間的灰質(zhì)體積差異及MCI組前后1年組間的灰質(zhì)體積差異，體素個數(shù)K≥40為一簇，得到統(tǒng)計參數(shù)圖用Xjview軟件顯示并映射到三維大腦皮質(zhì)。

2 結(jié) 果

2.1 正常組腦灰質(zhì)體積改變

運用配對樣本t檢驗，體素個數(shù)K≥40，T=3.2909，P<0.001(未校正)，對正常對照組基線及1年后掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行全腦灰質(zhì)體積分析發(fā)現(xiàn)，正常對照組1年后與1年前腦灰質(zhì)體積無明顯萎縮改變。

2.2 MCI組腦灰質(zhì)體積改變

MCI組1年后腦灰質(zhì)萎縮明顯的區(qū)域主要可以分為以下兩大類： (1) 與記憶相關(guān)的顳葉區(qū)域，包括左顳下回、左顳中回、右顳上回、左側(cè)海馬、右側(cè)海馬，見圖1、圖2；(2) 語言功能及軀體感覺相關(guān)區(qū)域等，包括左側(cè)島葉、右楔葉、右中央后回(P<0.05，t=4.8982，經(jīng)FWE校正)。MCI患者1年后腦灰質(zhì)萎縮明顯的區(qū)域及對應(yīng)的MNI坐標(biāo)值和不同腦區(qū)包含的體素數(shù)見表1。

表1 MCI患者灰質(zhì)萎縮區(qū)域峰值點Tab.1 The grey matter atrophy regions and peak MNI coordinate of MCI patients

*MNI空間是蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所基于大量的正常被試的MRI掃描得到的新的標(biāo)準(zhǔn)腦空間，前聯(lián)合和后聯(lián)合連線與正中矢狀面的交點為MNI坐標(biāo)原點。PFWE-corr指總1類錯誤率

圖1 MCI患者腦灰質(zhì)萎縮分布3維表面投影圖Fig.1 The distribution of gray matter atrophy in MCI patients隨訪1年后腦灰質(zhì)萎縮區(qū)域，腦灰質(zhì)萎縮區(qū)域以紅色標(biāo)記。A: 前面;B: 后面;C: 右外側(cè)面;D: 左外側(cè)面;E: 下面;F: 上面

圖2 雙側(cè)海馬萎縮MRI圖像Fig.2 The atrophy of the hippocampus showed in MRI images隨訪1年后右側(cè)海馬萎縮區(qū)域萎縮斷面結(jié)構(gòu)像，萎縮區(qū)域標(biāo)記為黃色。其MNI坐標(biāo)為(-34.5，-12，-15)。A: 矢狀位;B: 冠狀位;C: 橫斷位

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)，MCI進(jìn)展為AD的比率相比正常對照組明顯增高[2]，對MCI的早期診斷及干預(yù)治療可提高患者的生活質(zhì)量，延緩病情的進(jìn)展，因此MCI的早期診斷具有重要意義。MCI目前的臨床診斷主要依據(jù)患者的臨床資料，缺乏特異性[3]，而影像學(xué)手段探索MCI患者的腦灰質(zhì)體積縱向改變，可為早期診斷MCI提供影像學(xué)依據(jù)。

本研究采用VBM方法分析正常對照組及MCI患者基線掃描及1年后隨訪的腦灰質(zhì)體積改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常對照組在1年時間內(nèi)腦灰質(zhì)體積未發(fā)現(xiàn)明顯萎縮改變；而MCI患者在1年時間內(nèi)腦灰質(zhì)體積萎縮，主要發(fā)生在與記憶相關(guān)的顳葉區(qū)域，其中包括左顳下回、左顳中回、右顳上回、左側(cè)海馬、右側(cè)海馬等；此外左側(cè)島葉、右楔葉、右中央后回等區(qū)域也有一定程度萎縮。

正常對照組在1年時間內(nèi)腦灰質(zhì)體積未發(fā)現(xiàn)明顯萎縮改變，其原因考慮為隨訪時間較短。Resnick等[4]對116例正常老年人(59～85歲)的腦灰質(zhì)、腦白質(zhì)以及腦室體積的1年隨訪研究也發(fā)現(xiàn)，局部腦區(qū)(包括額葉、頂葉、顳葉、枕葉)的腦灰質(zhì)體積及全腦體積(包括腦灰質(zhì)和腦白質(zhì))在1年時間內(nèi)無顯著改變[4]，與本研究結(jié)果一致。Tondelli等[5]對148例認(rèn)知正常老年人[平均年齡(76.07±5.69)歲]10年隨訪研究發(fā)現(xiàn)，受試者從基線掃描到轉(zhuǎn)化為MCI或AD，至少需要4～5年時間[5]。

本研究發(fā)現(xiàn)顳葉與海馬在隨訪過程中有較明顯的萎縮，有諸多的研究表明這兩個區(qū)域在AD發(fā)病起一定作用。Kaye等[6]利用MRI方法對30例正常老年人進(jìn)行了平均42個月的隨訪研究，通過手動測繪方法評估顳葉、海馬、海馬旁回體積改變，發(fā)現(xiàn)顳葉可在癡呆發(fā)病6年前就出現(xiàn)一定程度萎縮，表明顳葉的萎縮可能標(biāo)志著癡呆的起始[6]。基于MRI的方法，Jack等[7]通過人工繪出海馬邊界并計算海馬體積，對80例MCI患者海馬體積縱向研究，結(jié)果表明基線掃描時海馬的萎縮程度可以作為預(yù)測MCI轉(zhuǎn)化為AD的指標(biāo)，海馬萎縮越嚴(yán)重，轉(zhuǎn)化為AD的概率也越高。Karas等[8]使用VBM-MRI方法對22例MCI患者與14例正常老年人全腦灰質(zhì)體積進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)MCI患者萎縮區(qū)域主要在內(nèi)側(cè)顳葉、島葉及丘腦。由此可見，顳葉及雙側(cè)海馬、島葉是MCI患者疾病進(jìn)展中的關(guān)鍵區(qū)域。

除了顳葉與海馬萎縮外，本研究還發(fā)現(xiàn)中央后回、楔狀葉也有一定萎縮。關(guān)于中央后回、楔葉結(jié)構(gòu)研究報道較少，但有部分功能研究提到這兩個區(qū)域。一項SPECT研究[9]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化為AD的MCI患者比起穩(wěn)定的MCI患者，其主要在中央后回的腦灌注更低。另一項靜息態(tài)功能MRI研究[10]發(fā)現(xiàn)相對于正常人，MCI患者雙側(cè)楔狀葉等區(qū)域與左側(cè)丘腦和右側(cè)丘腦的功能連接有所下降。中央后回及島葉在MCI患者中功能發(fā)生改變，提示以上兩個區(qū)域在AD的發(fā)病中有一定作用。

利用VBM方法分析MCI患者基線掃描及1年后隨訪的腦灰質(zhì)體積改變，本研究發(fā)現(xiàn)萎縮主要發(fā)生在與記憶相關(guān)的顳葉區(qū)域，其中包括左顳下回、左顳中回、右顳上回、左側(cè)海馬、右側(cè)海馬等；此外左側(cè)島葉、右楔葉、右中央后回等區(qū)域也有一定程度萎縮。該結(jié)果表明，對MCI患者進(jìn)行影像學(xué)隨訪，可發(fā)現(xiàn)MCI患者大腦不同區(qū)域腦灰質(zhì)體積的縱向改變，對AD的早期診斷及預(yù)測中具有一定的影像學(xué)依據(jù)。

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Grey matter volume in mild cognitive impairment patients:a longitudinal study based on VBM

LIUHao，ZHAOXiao-hu，WANGXiang-bin，ZHANGLe-le，XIQian

(Dept. of Radiology， Tongji Hospital， Tongji University， Shanghai 200065， China)

Objective To investigate the changes of grey matter volume in mild cognitive impairment(MCI) patients during 1-year follow up. Methods 3.0T MRI images of 70 MCI patients and 44 healthy subjects were download from Alzheimer disease Neuroimaging Initiative(ADNI) database. Based on the voxel-based morphometry(VBM) method, the images were preprocessed and the smoothed data of whole brain gray matter were obtained. Statistical analysis was performed for the differences between baseline and 1-year follow-up data of patients and controls. Results There was no grey matter atrophy found in baseline imagines and after 1-year follow up in controls. Compared to controls, the atrophy of grey matter detected during the follow up in MCI patients, was mainly located in the following regions: regions related to memory, including the left temporal gyrus, the left middle temporal gyrus, the right superior temporal gyrus, the left hippocampus and the right hippocampus; regions related to linguistic function or somatic sensation， including the left insula gyrus， the right cuneus and right postcentral gyrus. Conclusion The atrophy of gray matter in MCI patients is mainly located in certain regions and these findings may provide imaging basis for early diagnosis of Alzheimer disease.

Alzheimer disease; mild cognitive impairment; MRI; hippocampus; VBM

10.16118/j.1008-0392.2015.04.011

2015-04-23

國家自然科學(xué)基金(81271552，81301200)

劉 浩(1988—)，男，碩士研究生.E-mail： zeen-liuhao@163.com

趙小虎.E-mail： xhzhao999@263.net

R 74

A

1008-0392(2015)04-0053-04