基于圖譜的纖維束分析方法觀察皮質(zhì)脊髓束擴散特征對稱性

張 苗，段紹峰，盧 潔*，李坤成，單保慈

(1.首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院放射科，北京 100053；2.磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053；3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049)

DTI利用腦組織內(nèi)水分子自由熱運動的各向異性原理，能應用特殊軟件處理圖像實現(xiàn)3D顯示腦白質(zhì)纖維束，是目前唯一可活體顯示腦白質(zhì)纖維束的無創(chuàng)成像技術[1]。DTI反映人體組織的幾何結構，通過計算擴散張量，可定量分析水分子擴散的自由程度、各向異性大小以及擴散方向，已廣泛應用于腦白質(zhì)病、腦血管病及腦腫瘤等疾病的研究，成為臨床有效評價腦白質(zhì)結構完整性及連接性的重要手段[2]。研究[3-4]發(fā)現(xiàn)大腦半球的細微結構和功能具有不對稱性。本研究構建正常成人原始擴散權重數(shù)據(jù)張量圖譜，提取雙側皮質(zhì)脊髓束(corticospinal tract, CST)以實現(xiàn)纖維束參數(shù)化，定量評估其擴散特征的對稱性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2012年5月—6月15名無中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史及臨床表現(xiàn)的健康成年志愿者，男10名，女5名，年齡33～62歲，平均(52.4±6.4)歲；均為右利手，教育程度為高中畢業(yè)或大學本科。本研究經(jīng)我院醫(yī)學倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Magnetom Trio Tim 3.0T超導型MR掃描儀，12通道相控陣頭線圈，梯度場強度為23 mT/m。掃描范圍從顱底至顱頂。掃描序列及參數(shù)：T1W，TR 155 ms，TE 2.81 ms；T2W，TR 3 830 ms，TE 98 ms；液體衰減反轉恢復序列，TR 8 500 ms，TE 87 ms；DWI，TR 3 000 ms，TE 91 ms，b值取0、500、1 000 s/mm2；層厚5.0 mm，層間距1.5 mm。完成常規(guī)掃描后行DTI數(shù)據(jù)采集，采用EPI脈沖序列，TR 8 000 ms，TE 83 ms，矩陣128×128，層厚2.0 mm，無間隔，體素2.0 mm×2.0 mm×2.0 mm，b值取0、700 s/mm2，梯度方向64，采集時間9 min 6 s。

1.3 擴散張量數(shù)據(jù)后處理

1.3.1 圖像預處理 采用FSL軟件(http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)對DTI數(shù)據(jù)進行預處理。首先對圖像進行渦流校正和頭動校正，利用腦提取工具(brain extraction tool, BET)對DTI中b=0的圖像進行去顱骨及頭皮處理，獲得腦內(nèi)組織的掩模。之后將校正后的DTI數(shù)據(jù)和腦內(nèi)組織掩模導入explore DTI軟件進行擴散張量擬合，生成擴散張量數(shù)據(jù)。

1.3.2 構建對稱DTI模板 采用explore DTI軟件，以FA圖像為參照，構建DTI模板。首先選取一個左右半球?qū)ΨQ程度較高受試者的FA圖像，沿腦中縫將圖像分為左右半球，保留左側部分，復制左半球并進行鏡像操作，與左側原始圖像合并，獲得完整的對稱FA(symmetric FA, sFA)圖。將所有受試者的FA數(shù)據(jù)與sFA數(shù)據(jù)配準，利用獲得的變換矩陣將擴散張量數(shù)據(jù)轉換到目標空間，同時采用保留主本征向量方向的方法，保證配準后擴散的主方向保持不變；將原始DTI數(shù)據(jù)的圖形矩陣進行左右翻轉，對擴散梯度參數(shù)表x方向做反向操作，重新擬合擴散張量數(shù)據(jù)，獲得新的FA圖像；將其與sFA配準，利用上述方法變換到目標空間，對所有變換后的擴散張量數(shù)據(jù)進行Log-Euclidean平均[5]，將平均后的數(shù)據(jù)作為對稱DTI(symmetric, sDTI)模板。

1.3.3 提取雙側CST 采用explore DTI軟件中的確定纖維束算法對sDTI模板數(shù)據(jù)進行全腦纖維束追蹤[6]。均勻分布(間隔2 mm)種子點，沿體素的主方向進行纖維束追蹤(步長1 mm)，以FA<0.2和偏轉角度>45°作為追蹤的終止條件，并以20～500 mm長度進行纖維束過濾，以排除假纖維束。獲得全腦纖維束之后，按照Zhang等[7]的方法提取左右兩側CST，重新定位CST上的每一根纖維，保證纖維束的起始方向相同；然后采用三次B樣條插值法對纖維束進行格點重新采樣，保證纖維束的格點數(shù)相同。將調(diào)整后的CST作為模板纖維束。

1.3.4 圖像配準 將所有DTI數(shù)據(jù)及DTI模板數(shù)據(jù)轉換為DTI-TK兼容格式，并利用DTI-TK配準到模板空間，同時生成FA、平均擴散率(mean diffusivity, MD)、軸向擴散率(axial diffusivity, AD)和徑向擴散率(radial diffusivity, RD)圖像。

1.3.5 圖像分析 采用Colby等[8]的方法沿纖維束分析CST，對配準的FA、MD、AD和RD圖像進行重新采樣，然后對橫截面格點FA、MD、AD和RD值進行平均，分別獲得左右兩側CST的平均FA、MD、AD和RD曲線。

1.4 統(tǒng)計學分析 采用R語言(R,https://www.r-project.org/)進行統(tǒng)計學分析，構建混合效應模型，其中固定效應為“格點”“側別”(左側或右側)，交叉效應為“側別和格點”。將“受試者”作為隨機效應，采用多因素方差分析比較模型中各效應的差異。以“格點”檢測CST曲線上不同位置之間參數(shù)值的差異，“側別”為左右兩側平均參數(shù)值之間的差異，“側別和格點”交叉效應反映兩側CST曲線上對稱位置處“側別”效應是否有影響。以雙樣本t檢驗比較左右兩側CST曲線上對應格點的差異。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

15名志愿者常規(guī)MRI均未見異常改變，各參數(shù)曲線同一側別不同格點的數(shù)值比較差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)；FA曲線左右兩側平均值比較差異有統(tǒng)計學意義(P=0.005)，而MD、AD及RD參數(shù)曲線左右兩側比較差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)；各參數(shù)曲線左右兩側對稱部位格點的數(shù)值比較差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.999)，見表1、圖1。

表1 各參數(shù)統(tǒng)計學分析結果[檢驗值(P值)]

3 討論

人群中大腦白質(zhì)形態(tài)學的差異，使不同個體間不具有可比性，且白質(zhì)纖維束上點的空間解剖位置難以對應，臨床常將同一病變側纖維束的擴散張量信息與對側鏡像區(qū)進行對照分析，但前提是兩側大腦半球的白質(zhì)纖維束的擴散特征具有對稱性。有研究者[9]采用基于ROI分析、基于體素分析(voxel-based analysis, VBA)、基于纖維束的空間統(tǒng)計(tract based spatial statistics, TBSS)等方法定量分析正常人群白質(zhì)纖維束的擴散信息，所獲結論不一?；赗OI的分析是對某一特定的解剖位置通過手動勾畫提取ROI進行整體分析，優(yōu)點是不需配準，但需根據(jù)先驗知識確定對稱ROI，無法獲得與分析因素相關的所有異常信息，且需對ROI內(nèi)的參數(shù)值進行平均操作，不能獲得更加詳細的定位結果。VBA是基于體素水平的全腦結構分析方法，可完全自動化處理[9]，克服了基于ROI分析方法存在的人為偏倚以及需要先驗知識的局限性，但對圖像配準和平滑要求較高，且無法確定差異性的結果是由于體素強度值的改變還是來源于圖像未能對齊。

圖1 健康志愿者左右側CST參數(shù)曲線圖 A.FA； B.MD； C.AD； D.RD (陰影部分表示對應的標準差)

TBSS是一種逐體素的自動化分析方法，通過對受試者間白質(zhì)纖維束的對齊、配準，將擴散屬性值投射到白質(zhì)骨架上，能準確地分析DTI數(shù)據(jù)，不需先驗信息及進行平滑處理，避免了基于ROI和VBA方法的缺陷；但TBSS方法只能分析白質(zhì)骨架上的纖維束，無法分析骨架以外及其他細小的白質(zhì)纖維[10-11]。

DTI模板是基于圖譜的纖維分析方法的基礎。DTI工具包(DTI tool kit, DTI-TK)利用方向信息進行配準，是基于解剖圖譜的纖維束分析方法中較準確的方法之一[12]。本研究對原始DTI數(shù)據(jù)構建擴散權重圖像模板，再將FA、MD、AD和RD圖像配準到該模板。由于該模板不是由特定模型生成，而是基于原始擴散權重數(shù)據(jù)構建而成，包含了全部原始信息，故可演變成多種參數(shù)的模板，均具有較高的信噪比和對比度。對白質(zhì)纖維束配準和重新定位后進行參數(shù)化處理，能夠從更加微觀的角度對白質(zhì)纖維進行精準分析，有助于正確認識和理解疾病對白質(zhì)纖維的損傷程度和機制，為評估腦白質(zhì)病變提供依據(jù)。

CST是聯(lián)系運動皮質(zhì)和脊髓核團的主要功能纖維，在肢體肌肉隨意運動中發(fā)揮決定性作用。CST由中央前回中、上部和中央旁小葉前部等處皮質(zhì)的錐體細胞軸突集中而成，下行經(jīng)內(nèi)囊后肢的前部、大腦腳底中3/5的外側部和腦橋基底部至延髓錐體，多數(shù)纖維在延髓錐體下部交叉后形成皮質(zhì)脊髓側束，部分不交叉的纖維則延續(xù)為皮質(zhì)脊髓前束。本研究中，各參數(shù)曲線同一側別不同格點的數(shù)值比較差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)，擴散參數(shù)曲線呈波浪狀，提示CST在中央前回、基底核、腦橋、延髓等部位的擴散屬性不同，上述部位病變均可造成CST損傷。研究CST有助于評估腦、脊髓損傷疾病的病理機制，為診斷和治療提供有效信息。本課題組前期研究[13]采用ROI分析健康成人CST在延髓、橋腦、中腦大腦腳、內(nèi)囊后肢、半卵圓中心兩側對稱部位的FA值，發(fā)現(xiàn)上述對稱部位FA值差異均無統(tǒng)計學意義。本研究結果顯示，雖然FA曲線左右兩側平均值差異有統(tǒng)計學意義(P=0.005)，但兩側對稱部位格點的FA、MD、AD和RD值差異均無統(tǒng)計學意義，提示采用基于圖譜的纖維束分析方法獲得的健康成人兩側CST參數(shù)值均具有對稱性；對于病理狀態(tài)下病變側纖維束的擴散張量信息，可與對側鏡像區(qū)進行對照分析，從而為深入研究腦血管病、腦白質(zhì)病變以及其他原因?qū)е翪ST損傷的病理狀態(tài)下腦組織內(nèi)水分子擴散運動的改變提供了理論依據(jù)和參考模板。

本研究的局限性在于樣本量較小，結果可能存在偏倚，今后需擴大樣本量，按照年齡、受教育程度等影響因素分組，進一步深入分析。