Freesurfer與VBM測量海馬體積的一致性

徐玉玉XU Yuyu

錢學(xué)華1QIAN Xuehua

鄧 玲1DENG Ling

呂發(fā)金2LV Fajin

Freesurfer與VBM測量海馬體積的一致性

徐玉玉1XU Yuyu

錢學(xué)華1QIAN Xuehua

鄧 玲1DENG Ling

呂發(fā)金2LV Fajin

作者單位
1. 重慶醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室 重慶400016
2. 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科 重慶400042

目的 通過比較Freesurfer和基于體素的形態(tài)學(xué)測量軟件（VBM8）分別與手動測量海馬體積的相關(guān)性和一致性，探討能夠代替手動分割海馬體積及腦部結(jié)構(gòu)的自動測量方法。資料與方法 分別收集青年（20～40歲）受試者67例、老年（60～80歲）受試者75例，全腦MRI掃描后分別使用手動分割、導(dǎo)入Freesurfer和VBM8中獲得海馬體積，應(yīng)用Pearson相關(guān)分析和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）分別統(tǒng)計(jì)Freesurfer和VBM與手動測量的相關(guān)性，用Bland-Altman散點(diǎn)圖分析一致性。結(jié)果 Freesurfer、VBM與手動測量的相關(guān)性較高，青年組Freesurfer和VBM左右兩側(cè)r值分別為0.633、0.679和0.666、0.703，老年組r值分別為0.627、0.765和0.663、0.708；而ICC有明顯差異，F(xiàn)reesurfer測得青年組（ICC=0.377、0.502）＞老年組（ICC=0.307、0.459）；但總體上ICCVBM＞ICCFreesurfer，右側(cè)海馬體積＞左側(cè)。由Bland-Altman散點(diǎn)圖顯示VBM與手動測量的一致性高于Freesurfer。結(jié)論 Freesurfer可局限性地用于青年受試海馬體積測量；而VBM較Freesurfer可更準(zhǔn)確地代替手動分割以測量成人海馬體積，可應(yīng)用于海馬相關(guān)臨床疾病或?qū)嶒?yàn)所需要的體積測量。

海馬；磁共振成像；軟件；圖像處理，計(jì)算機(jī)輔助；成年人；老年人

海馬在記憶、情感觸發(fā)以及空間定位方面具有關(guān)鍵作用，加之其本身邊界劃分的復(fù)雜性，一直以來都是神經(jīng)解剖研究的熱點(diǎn)腦部結(jié)構(gòu)。海馬體積的改變與部分精神、神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。如海馬體積的變化已用于癲癇、阿爾茨海默病的診斷[1]；海馬體積的測量也是研究關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容[2]。目前，腦部結(jié)構(gòu)的測量方法主要分為手動和自動測量。自動測量主要包括Freesurfer、基于體素的形態(tài)學(xué)分析（VBM）、FSLFIRST等方法，可無創(chuàng)及較為精確地測量人腦部皮質(zhì)厚度和腦組織體積，實(shí)現(xiàn)腦部結(jié)構(gòu)的三維重建[3]；手動測量再現(xiàn)性不佳，但其優(yōu)勢在于能夠準(zhǔn)確劃分解剖邊界。目前，在神經(jīng)解剖學(xué)的領(lǐng)域仍以專家手動測量作為海馬體積測量的標(biāo)準(zhǔn)方法[4]；但手動測量耗時(shí)較長，且不同測量者易造成較大數(shù)值偏差，故尋找能夠準(zhǔn)確代替手動測量的自動測量方法具有重要意義。

Freesurfer和VBM是2種較為常用的腦部結(jié)構(gòu)密度、體積自動測量軟件，兩者均可利用MRI圖像進(jìn)行灰白質(zhì)分割；但由于腦部區(qū)域不匹配、灰白質(zhì)搭界、腦脊液覆蓋及系統(tǒng)算法不同等原因，使2種測量方法對不同腦部結(jié)構(gòu)體積測量的準(zhǔn)確性不同。本研究主要通過對海馬體積的測量，比較手動測量與Freesurfer、VBM測量的一致性，為選擇適用于測量海馬體積的自動測量方法提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象 收集2015年5月—2016年8月重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院體檢門診受試者142例。青年組（20～40歲）67例，平均（28.30±6.52）歲；老年組（60～80歲）75例，平均（73.54±5.81）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：所有受試者經(jīng)常規(guī)體檢未見明顯異常，頭顱常規(guī)MRI未見異常，均為右利手，母語均為漢語，無語言及聽力障礙，無心血管及神經(jīng)系統(tǒng)疾病手術(shù)史，無腦外傷、藥物濫用情況，排除抑郁。所有受試者對本研究知情并簽署知情同意書后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 儀器與方法 采用GE SignaHDxt 3.0T TX雙梯度雙射頻源MRI儀，頭部正交8通道相控陣線圈，無間隔連續(xù)掃描全腦。利用三維快速擾相梯度回波序列（three-dimensional fast spoiled gradient-recalled，3D-FSPGR）獲取全腦高分辨率軸位三維結(jié)構(gòu)T1WI圖像。掃描參數(shù)：TR 8.0 ms，TE 3.1 ms，TI 400 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，矩陣240×240，激勵次數(shù)1，Echo 1/1，視野24 cm×18 cm，層數(shù)158，層厚1 mm。掃描后所得數(shù)據(jù)傳入ADW 4.2圖像處理工作站備用。1.3 測量方法

1.3.1 邊界確定和手動測量 掃描結(jié)果經(jīng) GE ADW 4.2處理后從矢狀位、冠狀位、水平位3個(gè)方位對海馬和杏仁體進(jìn)行觀測。海馬與杏仁核的邊界作為海馬前界；海馬后界多使用冠狀層面上側(cè)腦室下角中下部開始出現(xiàn)卵圓形灰質(zhì)團(tuán)塊的層面，從而避免傳統(tǒng)應(yīng)用海馬后穹窿作為海馬后界時(shí)可能會遺漏的穹窿后部海馬尾部分的測量誤差。海馬上界常將海馬槽和側(cè)隱窩的連線作為標(biāo)志[5]；下界和外側(cè)邊界界定爭議較少，一般以海馬以下白質(zhì)與灰質(zhì)的分界確定海馬下界，海馬外側(cè)邊界則以側(cè)腦室作為標(biāo)志[6]。杏仁體屬端腦基底核，位于大腦顳葉背內(nèi)側(cè)部，海馬旁回鉤深面，側(cè)腦室下角尖端前方和頂部上方。前鄰前穿質(zhì)，后連尾狀核，背靠豆?fàn)詈恕Ｕ３赡耆薓RI下手動勾畫海馬邊界見圖1。

由2名經(jīng)驗(yàn)豐富的臨床醫(yī)師借助上述邊界在冠狀位上勾畫海馬邊界并計(jì)算面積，面積乘以掃描厚度（1 mm）為該層面體積，逐層相加之和為海馬總體積。為消除個(gè)體頭顱大小對上述數(shù)據(jù)的影響，數(shù)據(jù)均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。體積標(biāo)準(zhǔn)化值=（原始數(shù)據(jù)/顱腔體積）×顱腔體積平均值；顱腔體積為顱腔左右徑、前后徑、上下徑的乘積。

以上測量值均測量3次后取平均值作為試驗(yàn)最終取值。部分層面解剖位置不易辨認(rèn)時(shí)，可以結(jié)合其他2個(gè)方位圖像獲得信息。

圖1 男，46歲，MRI下手動測量海馬邊界劃分。A、B、C分別為冠狀面、矢狀面和橫斷面的海馬邊界劃分。Hc：海馬；AG：杏仁體；PG：海馬旁回；CA：環(huán)池；Tha：丘腦；CC：胼胝體；LV：側(cè)腦室；UR：側(cè)隱窩；Fi：海馬傘

1.3.2 Freesurfer測量 Freesurfer軟件（http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/）是美國MIT Health Sciences & Technology和Massachusetts General Hospital共同開發(fā)了一款MRI數(shù)據(jù)處理軟件，是用于分析腦神經(jīng)數(shù)據(jù)的工具集合。它不僅能利用高分辨率的MRI進(jìn)行大腦皮質(zhì)的三維重建，還可以提取大腦表面的形狀特征進(jìn)行組間差異分析，手工提取感興趣區(qū)（ROI）進(jìn)行特征分析。正常成年人三維重建后腦部模型和使用Freesurfer自帶查看器Freeview顯示左側(cè)腦半球灰白質(zhì)劃分見圖2、3。

圖2 男，35歲，三維重建后腦部模型

圖3 女，40歲，F(xiàn)reesurfer查看器Freeview顯示左側(cè)腦半球灰白質(zhì)劃分

1.3.3 VBM測量 采用VBM8（http://dbm.neuro.unijena.de/vbm//），其可以進(jìn)行定量分析全腦體素腦灰質(zhì)密度或體積的變化，客觀反映腦內(nèi)結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)差異[7]。將海馬作為ROI，原始的MRI圖像格式DICOM轉(zhuǎn)換成NIFTI格式后，進(jìn)行圖像預(yù)處理：①配準(zhǔn)、校正；②分割；③空間標(biāo)準(zhǔn)化；④平滑。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 21.0和Medcalc（Broekatrast 52 B-9030 Mariakerke，Belgium）軟件。計(jì)量資料以x±s表示。分別使用Pearson分析和相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）分析海馬體積使用手動測量與Freesurfer、VBM測量結(jié)果的相關(guān)性，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Bland-Altman圖顯示2種自動測量方法與手動測量結(jié)果的一致性。手動測量使用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)做相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 Freesurfer和VBM與手動測量相關(guān)性分析 本研究142例受試者分別使用3種測量方法，測量各參數(shù)見表1；Freesurfer和VBM測量結(jié)果分別與手動測量使用Pearson分析可得出青、老年組海馬左右側(cè)體積均有較高的相關(guān)性，而2種自動測量方法與手動測量的ICC均有明顯差異，VBM測量值與手動測量的相關(guān)性均 高 于 Freesurfer， 右 側(cè) ＞ 左 側(cè)（P＜0.01）， 見 表 2。Freesurfer測量結(jié)果較手動分割和VBM數(shù)值更大，尤其在青年組（P＜0.05）；年齡差異在Freesurfer中較為顯著，而左右側(cè)差異則在手動分割和VBM中較為顯著。

2.2 Freesurfer和VBM與手動測量一致性比較 由圖4可知，老年組右側(cè)海馬體積Freesurfer和手動測量一致性較差，2種測量方法未達(dá)到互換標(biāo)準(zhǔn)。青年組一致性較好，2種方法可互換。圖5中各組VBM與手動測量左右側(cè)海馬體積的一致性較好，可互換。Bland-Altman一致性分析結(jié)果顯示與Freesurfer相比，VBM能更準(zhǔn)確地代替手動方法測量海馬體積。

表1 青、老年組3種測量方法海馬體積比較（x±s，mm3）

表2 Freesurfer、VBM分別與手動測量結(jié)果相關(guān)性

圖4 Freefurfer與手動測量海馬體積一致性

圖5 VBM與手動測量海馬體積一致性

3 討論

3.1 測量方法選擇和數(shù)據(jù)處理 海馬是極少數(shù)隨著年齡的增長而仍能保留神經(jīng)發(fā)生潛能的腦組織，其存在與人類記憶和學(xué)習(xí)認(rèn)知能力息息相關(guān)[8]。海馬體積的測量也成為多種神經(jīng)及精神類疾病的臨床診斷依據(jù)，如阿爾茨海默病、顳葉癲癇、精神分裂癥、抑郁癥等。由于海馬位置深入、邊界劃分復(fù)雜，研究者在手動測量時(shí)往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其是在完成大量數(shù)據(jù)的處理時(shí)更為困難；而腦部結(jié)構(gòu)自動測量軟件如Freesurfer、VBM等的應(yīng)用可提高數(shù)據(jù)處理時(shí)間，更能夠?qū)⒄麄€(gè)大腦或ROI進(jìn)行三維重建，將其可視化處理；但較自動測量具有較強(qiáng)的海馬結(jié)構(gòu)再現(xiàn)性[9]。手動測量的優(yōu)點(diǎn)在于測量者在各個(gè)MRI圖片上均能較準(zhǔn)確地辨別海馬解剖邊界[10]。所以目前階段，手工測量仍然是海馬體積測量的首選和最準(zhǔn)確的方法。本研究利用手動測量的這一優(yōu)點(diǎn)，對Freesurfer和VBM海馬體積測量結(jié)果進(jìn)行比較。而海馬體積測量中存在性別差異的原因可能與研究者所使用的樣本人群顱腦體積大小有關(guān)。本研究已對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以減少顱腦體積差異帶來的誤差。

一致性和相關(guān)性的數(shù)據(jù)處理方法較多。Boccardi等[11]使用Pearson相關(guān)系數(shù)和ICC分析手動測量和Freesurfer海馬體積測量的差異，結(jié)果顯示r值均大于0.7，而ICC數(shù)值較低，其原因可能是ICC和r均可作為信度系數(shù)，兩者原理相似，區(qū)別在于僅當(dāng)每一被測對象的所有測得值相等（即截距為0，且斜率為1時(shí)，ICC才等于1）[12]。因此r值常高于其真實(shí)的信度，簡單相關(guān)系數(shù)不適用于比較測量相同數(shù)據(jù)不同方法相關(guān)性的臨床試驗(yàn)。研究結(jié)果顯示r值普遍處于較高水平，無法對2種自動測量方法做出較明確的比較。Grimm等[13]采用Freesurfer和VBM測量海馬與杏仁體，檢驗(yàn)與手動測量的一致性，發(fā)現(xiàn)VBM與手動測量值一致性較高，但此統(tǒng)計(jì)方法存在計(jì)算流程繁瑣、驗(yàn)證困難等缺點(diǎn)。Wenger等[14]使用Bland-Altman圖的方法發(fā)現(xiàn)應(yīng)用Freesurfer測量青年人海馬體積與手動測量的一致性低于老年人，認(rèn)為Freesurfer的使用具有一定的局限性。本研究使用相關(guān)系數(shù)、ICC和Bland-Altman圖相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方式，將受試者分為青年組和老年組，將年齡因素和側(cè)差同時(shí)參與比較，發(fā)現(xiàn)Freesurfer可用于青年海馬體積測量，而VBM與手動測量一致性較高（rVBM＞rFreesurfer，ICCVBM＞ICCFreesurfer）。

3.2 Freesurfer和VBM測量差異 手動測量作為海馬體積測量的標(biāo)準(zhǔn)方式，比手動測量結(jié)果相關(guān)性與一致性較高的自動測量方法更準(zhǔn)確。本研究結(jié)果表明Freesurfer評估青年人海馬體積差異具有可行性；而對于老年人則與手動分割結(jié)果一致性較低，不推薦使用。Freesurfer在左右側(cè)差異不明顯，無法體現(xiàn)優(yōu)勢半球。造成上述差異的原因可能是青年組灰白質(zhì)分界較為明顯，更加容易生成展平或脹平圖像，并能得到皮質(zhì)厚度、面積、灰質(zhì)容積等解剖參數(shù)[15]；Freesurfer分割灰白質(zhì)區(qū)域矯正時(shí)，海馬底部相鄰的白質(zhì)、嗅皮層和側(cè)腦室的夾雜物以及海馬與杏仁核的分割不準(zhǔn)確[16]。VBM與手動測量的一致性較高，能夠更好地代替手動完成海馬體積的測量工作，原因可能是VBM在進(jìn)行灰、白質(zhì)分割的基礎(chǔ)上將腦脊液等也進(jìn)行了明確的密度定義；同時(shí)VBM也存在一定的局限性[17]。在進(jìn)行灰白質(zhì)與腦脊液分割時(shí)，由于兩者體素量差別較大，易產(chǎn)生偽影；同時(shí)進(jìn)行高緯度空間標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，部分區(qū)域和模板不匹配會造成系統(tǒng)性腦區(qū)形態(tài)差異，故對于結(jié)構(gòu)較小較為復(fù)雜的海馬，VBM與手動測量尚存在一定的差異。

3.3 本研究的局限性與展望 VBM和Freesurfer與手動測量的一致性比較具有一定的臨床使用意義，然而自動測量軟件圖像識別存在差異。目前，海馬體積僅能通過全腦體積整體測量獲得。而手動測量作為標(biāo)準(zhǔn)，海馬的神經(jīng)解剖邊界仍是一個(gè)有爭議的問題。同時(shí)，樣本數(shù)量、各年齡階段、性別、神經(jīng)精神類經(jīng)病等對測量結(jié)果的影響需要更深層次的討論，有待于收集更多的樣本數(shù)量、病種分類，進(jìn)行更深層次的研究。

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（本文編輯 聞 浩）

Coherence of Hippocampal Volume Measurement Using Freesurfer and Voxel Based Measurement Segmentation

Purpose To explore an automatic measurement method to replace the manual segmentation of hippocampal volume and brain structure by comparing the relevance and consistency between Freesurfer, as well as voxel based morphometry software (VBM8),and manual measurement of hippocampal volume, respectively. Materials and Methods Totally 67 young subjects (aged 20-40 years) and 75 elderly subjects (aged 60-80 years)were collected separately. After the whole brain MRI scan, the volume of the hippocampus was obtained by manual segmentation, importing to Freesurfer and VBM8 software respectively. Pearson correlation analysis and intraclass correlation coefficient (ICC) were used to statistically analyze the correlation of Freesurfer and VBM with manual measurement. Meanwhile, Bland-Altman scatter plot was used to reflect the consistency.Results Freesurfer and VBM were both highly related with manual measurement. The left and right r values of Freesurfer and VBM were 0.633, 0.679 and 0.666, 0.703, respectively in the young group, and 0.627, 0.765 and 0.663, 0.708, respectively in the elderly group;while ICC results showed an obvious difference. The value measured by Freesurfer in young group (ICC=0.377, 0.502) was larger than that in the elderly group (ICC=0.307,0.459). However, on the whole, ICC VBM was larger than ICC Freesurfer and right hippocampal volume was larger than left one. The Bland-Altman diagram showed that the consistency of VBM with manual measurement was better than that of Freesurfer.Conclusion Freesurfer can be applied locally on the measurement of hippocampal volume in young subjects. VBM is more accurate than Freesurfer in replacing manual segmentation for measurement of adult hippocampal volume and for volume measurements used in hippocampus related clinical diseases or needed in experiments.

Hippocampus; Magnetic resonance imaging; Software; Image processing,computer-assisted; Adult; Aged

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.09.002

錢學(xué)華

Department of Anatomy, Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China

Address Correspondence to: QIAN Xuehua E-mail: q-xh@163.com

R322.81；R445.2；G243

2017-04-22

修回日期： 2017-07-18

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2017年 第25卷 第9期：646-650

Chinese Journal of Medical Imaging 2017 Volume 25 (9): 646-650