合成MRI聯(lián)合VBM 腦分區(qū)在早期帕金森病診斷中的應(yīng)用

陳苗，張崗*，王文佳，張銳，祁金鵬，粱智博，郜麗紅

0 前言

帕金森?。≒arkinson's disease, PD）是第二大最常見的神經(jīng)退行性疾病[1]，影響著全球數(shù)百萬患者，且隨著年齡增加而患病率呈指數(shù)級增長[2]。隨著人口老齡化加劇，PD 患病率預(yù)計(jì)將持續(xù)增長[3]，這將嚴(yán)重增加醫(yī)保和社會的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]。在病理水平上，PD 特征是交織的皮層下多巴胺能黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)的進(jìn)行性變性、路易體聚集以及紋狀體中多巴胺的消耗。在組織學(xué)和功能上，這種變性的特征是神經(jīng)元的破壞以及該區(qū)域的總鐵含量增加[5-6]。PD患者的運(yùn)動功能障礙主要表現(xiàn)為運(yùn)動遲緩、強(qiáng)直、震顫和姿勢不穩(wěn)[7-9]。目前，對PD 的診斷主要基于患者的病史和臨床檢查[10]。必須有運(yùn)動癥狀（運(yùn)動遲緩、震顫、姿勢不穩(wěn)定）和對傳統(tǒng)抗PD藥物的反應(yīng)，并排除繼發(fā)性PD的可能原因（如頭部損傷或暴露于有毒藥物）[11]。因此PD 的明確體征和癥狀只會在疾病的晚期才出現(xiàn)，此時(shí)臨床上已經(jīng)很難進(jìn)行治療[12]。如果能在臨床癥狀出現(xiàn)之前診斷PD 并盡早干預(yù)，將開啟PD 診斷和治療的新篇章。

合成MRI（synthetic MRI, sMRI）是一種新的成像方法，可以在一次掃描中同時(shí)提供定量圖譜和多個(gè)合成對比加權(quán)圖像[13]。其衍生的序列可得到T1、T2和質(zhì)子密度（proton density, PrD）值是組織性質(zhì)的絕對量化，在同一大腦位置進(jìn)行測量和對比。此外，通過自動分割也可獲得灰質(zhì)（gray matter, GM）、白質(zhì)（white matter, WM）、腦脊液（cerebral spinal fluid, CSF）含量。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中應(yīng)用sMRI可以更快地完成掃描，并降低患者不適。因此，sMRI 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

基于體素的形態(tài)學(xué)測量（voxel-based morphometry,VBM）對于腦組織異常的檢測至關(guān)重要。VBM 是一種MRI 分析方法，可檢測各組間腦組織的局部結(jié)構(gòu)差異，有助于理解神經(jīng)精神疾病[14]的病理生理學(xué)改變。既往的一些VBM 研究已經(jīng)探測了PD 患者和健康對照（healthy control, HC）之間的灰質(zhì)體積（gray matter volume, GMV）差異，但結(jié)果并不一致[15-16]。

sMRI 已廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病[17-19]，而sMRI 在PD 早期診斷方面的臨床價(jià)值尚未被充分評估，文獻(xiàn)中尚未見有聯(lián)合VBM 及sMRI 對早期PD（early-stage PD, ESP）診斷的相關(guān)研究，本研究旨在探討其可行性。

1 材料和方法

1.1 受試人群

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，并經(jīng)過呼倫貝爾市人民醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，獲得所有受試者的書面同意并簽署了對本研究的知情同意書，批準(zhǔn)文號：2020syy-105。本研究為前瞻性研究，共納入了2020 年7 月至2021 年5 月期間就診于呼倫貝爾市人民醫(yī)院的22 例ESP 患者（ESP 組）和年齡及性別相匹配的25例HC（HC組）。

ESP 組納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）通過兩位高年資臨床醫(yī)生診斷，符合1992 年英國帕金森病協(xié)會腦庫臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)以及2016 年制定的中國帕金森病的診斷標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了簡易精神狀態(tài)檢查（Mini-Mental State Examination, MMSE）及Hoehn-Yahr（H&Y）分級量表評分測試；（2）無MRI 檢查禁忌；（3）評估前12 h 以內(nèi)停止服用多巴胺類藥物；（4）H&Y評分≤2.5分。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）存在神經(jīng)精神疾?。ㄈ缫钟舭Y、焦慮癥、精神分裂癥等）；（2）存在代謝性疾?。ㄈ缂谞钕俟δ軠p低、葉酸和維生素B12 缺乏等）；（3）既往有腦外傷病史；（4）影像圖像在后處理過程中配準(zhǔn)不佳等。

HC組納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）與ESP組年齡和性別相匹配；（2）無MRI 檢查禁忌；（3）身體健康，近一年內(nèi)常規(guī)頭顱CT 或MRI 檢查未發(fā)現(xiàn)大面積腦梗死及腦腫瘤等異常情況。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）有腦外傷病史；（2）影像圖像在后處理過程中配準(zhǔn)不佳等。

樣本量估算方法：研究目標(biāo)為驗(yàn)證sMRI聯(lián)合VBM腦分區(qū)對ESP的診斷準(zhǔn)確性，勾畫ESP組與HC組之間有差異腦區(qū)的多條ROC 曲線，并對AUC 進(jìn)行分析；顯著性水平為雙側(cè)P＜0.05；效應(yīng)大小為0.9；統(tǒng)計(jì)方法為兩樣本ROC檢驗(yàn)。

1.2 研究方法

1.2.1 圖像采集

本研究所用的MRI 圖像來自一臺配備標(biāo)準(zhǔn)32 通道相控陣頭頸線圈的3.0 T MR掃描儀（Pioneer，GE，美國）。受試者在篩查時(shí)采集了常規(guī)軸位T1 和T2 加權(quán)圖像（T1WI 和T2WI）、矢狀位T2WI 和液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（fluid attenuated inversion recovery, FLAIR）圖像，以排除腦部損傷的情況。應(yīng)用了32 通道頭頸聯(lián)合線圈，F(xiàn)OV 240 mm×192 mm，平面分辨率0.8 mm×1.0 mm，矩陣320×192，TE1/TE2 17.5 ms/87.7 ms，TR 5669 ms，回 波 鏈 長 度16，激 發(fā) 次 數(shù)2，帶 寬31.25 kHz，相位加速因子2.5，掃描時(shí)間7 min 30 s。高分辨率圖像采用了三維腦體積（3D-BRAVO）序列，矩陣240×240，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，TR 6.0 ms，TE 2.9 ms，準(zhǔn)備時(shí)間400 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，帶寬35.71 kHz，激發(fā)次數(shù)2，掃描時(shí)間3 min 34 s。

1.2.2 圖像處理及數(shù)據(jù)收集

本研究應(yīng)用瑞典制造的SyMRI 8.0 軟件對sMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，生成弛豫圖，并通過自動分割技術(shù)獲得了全腦體積特征、48 個(gè)腦區(qū)域體積特征以及腦區(qū)域弛豫值特征。選擇的28個(gè)腦區(qū)域包括中央前回、前額葉、直回、眶額皮層、島葉、枕葉、梭狀回、中央后回、頂葉、緣上回、角回、楔前葉、旁中央小葉、顳橫回、顳葉、小腦、小腦蚓、前扣帶回以及雙側(cè)海馬體、雙側(cè)海馬旁回、雙側(cè)杏仁核、雙側(cè)距狀回、雙側(cè)楔葉、雙側(cè)舌回、雙側(cè)尾狀核、雙側(cè)殼核、雙側(cè)蒼白球、雙側(cè)丘腦等感興趣區(qū)（region of interest, ROI）。使用MATLAB R2020a 軟件和SPM 12 軟件對3D-BRAVO圖像和sMRI 圖像進(jìn)行剛性配準(zhǔn)，提取腦區(qū)域T1、T2和PrD值，圖1為顯示整個(gè)過程的示意圖。

圖1 合成MRI數(shù)據(jù)的后處理和測量示意圖。選擇從定量圖譜磁共振成像（MAGiC）圖像生成的弛豫圖進(jìn)行定量分析。總體積包括腦脊液體積（CSFV）、白質(zhì)體積（WMV）、灰質(zhì)體積（GMV）。對三維腦體積（3D-BRAVO）圖像和弛豫圖進(jìn)行剛性配準(zhǔn)；其次，從原生空間到標(biāo)準(zhǔn)蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所（MNI）模板獲得組織概率圖和歸一化松弛圖的單個(gè)圖像。最后，根據(jù)解剖學(xué)自動標(biāo)記（AAL）模板（33）提取選定區(qū)域的腦區(qū)域體積和弛豫測量。GM為腦灰質(zhì)；WM為腦白質(zhì)；CSF為腦脊液；PrD為質(zhì)子密度。Fig.1 Schematic diagram of post-processing and measurement of synthetic MRI data.Select relaxation maps generated from magnetic resonance imaging compilation (MAGiC) images for quantitative analysis.The total volume includes cerebrospinal fluid volume (CSFV), white matter volume (WMV),gray matter volume (GMV).Rigid registration of 3D-BRAVO images and relaxation maps; second, individual images of tissue probability plots and normalized relaxation maps were obtained from native spaces to standard Montreal Neurological Institute (MNI) templates; finally, brain region volume and relaxation measurements in selected regions are extracted according to the anatomical auto-labeling (AAL) template (33).GM: gray matter; WM: white matter; CSF: cerebrospinal fluid; PrD: proton density.

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

本研究所有統(tǒng)計(jì)分析采用MATLAB R2020a軟件、SPSS 26.0版軟件、MedCalc統(tǒng)計(jì)軟件。數(shù)據(jù)正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)。人口統(tǒng)計(jì)學(xué)（性別、年齡）組間差異性采用多個(gè)獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由于數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布且方差不齊，因此采用獨(dú)立樣本秩和檢驗(yàn)比較ESP組及HC組之間各區(qū)域腦體積、T1、T2和PrD值，P＜0.01為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用Spearman 相關(guān)分析對ESP 患者區(qū)域腦體積、腦T1、T2和PrD值與臨床變量（MMSE評分）進(jìn)行相關(guān)性分析，以確定定量參數(shù)和臨床變量（MMSE評分）之間的關(guān)系，P＜0.05為有相關(guān)性。利用MedCalc繪制了差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)T1、T2和PrD值的ROC曲線，并對該腦區(qū)在各序列的弛豫值做聯(lián)合診斷，分析AUC。

2 結(jié)果

2.1 基線資料分析結(jié)果

本研究最終共納入了22 例ESP 患者，其中男12 例，女10 例，年齡為（66±8）歲。納入了25 例HC，其中男14 例，女11 例，年齡為（58±7）歲。ESP 組與HC 組之間年齡差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。MMSE評分為25（12, 29）。

樣本量估算結(jié)果：樣本量最低標(biāo)準(zhǔn)為32例，其中PD組與HC組最低樣本含量為16例。

2.2 腦體積差異分析結(jié)果

Mann-Whitney 檢驗(yàn)比較ESP 組、HC 組之間腦體積差異腦區(qū)結(jié)果，GMV有差異腦區(qū)為：島葉、楔前葉、顳橫回、顳葉、腦室；白質(zhì)體積（white matter volume,WMV）有差異腦區(qū)為：右側(cè)海馬體、左側(cè)海馬旁回，具體如表1所示，表中未提及的腦區(qū)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 ESP組與HC組之間體積有差異的腦區(qū)Tab.1 Brain regions with volume differences between ESP and HC group

2.3 腦弛豫值差異分析結(jié)果

Mann-Whitney 檢驗(yàn)比較ESP 組、HC 組之間腦體積及T1、T2 及PrD 弛豫值差異腦區(qū)結(jié)果具體如表2～4所示，表中未提及的腦區(qū)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表3 ESP組與HC組之間T2弛豫值有差異的腦區(qū)Tab.3 Brain regions with differences in T2 relaxation between ESP and HC group

2.4 相關(guān)性分析結(jié)果

Spearman相關(guān)性分析結(jié)果顯示與MMSE評分有相關(guān)性的GMV 腦區(qū)、WMV 腦區(qū)以及與腦弛豫值有相關(guān)性腦區(qū)，詳見表5。

表5 ESP組腦區(qū)體積，T1、T2及PrD弛豫值與MMSE評分的相關(guān)性Tab.5 Correlations between brain region volumes, T1, T2,and PrD relaxation values, and MMSE scores in individuals with ESP group

2.5 診斷試驗(yàn)結(jié)果

因腦弛豫值在ESP 組及HC 組各序列均有差異且與量表有相關(guān)性腦區(qū)為右側(cè)丘腦，故作右側(cè)丘腦在T1灰質(zhì)、T1白質(zhì)、T2灰質(zhì)、T2白質(zhì)的ROC曲線，結(jié)果如圖2 所示，具體AUC 值及其置信區(qū)間見表6。聯(lián)合診斷效能最高，AUC為0.822（0.697-0.911）。

表6 右側(cè)丘腦灰質(zhì)及白質(zhì)腦區(qū)的T1、T2弛豫值ROC曲線相關(guān)參數(shù)Tab.6 The relevant parameters of the ROC curve for the T1 and T2 relaxation values in the gray and white matter brain regions of the right thalamus

圖2 右側(cè)丘腦（Thalamus_r）灰質(zhì)及白質(zhì)腦區(qū)的T1、T2 弛豫值ROC 曲線。GM：腦灰質(zhì)；WM：腦白質(zhì)。Fig.2 ROC curves for T1 and T2 relaxation values in the gray and white matter brain regions of the right thalamus (Thalamus_r).GM: gray matter; WM:white matter.

3 討論

本研究的優(yōu)勢在于借助VBM全腦分區(qū)技術(shù)和sMRI技術(shù)，首次對ESP患者進(jìn)行疾病預(yù)測診斷。結(jié)果表明，腦區(qū)體積與臨床量表有相關(guān)性者較多，推測ESP存在廣泛的腦體積萎縮改變。部分腦區(qū)在HC組及ESP組之間有差異，但右側(cè)丘腦的弛豫值差異性及MMSE評分之間相關(guān)性存在于全部各個(gè)序列，故應(yīng)用右側(cè)丘腦的各序列弛豫值作ROC 診斷效果良好，應(yīng)用右側(cè)丘腦在T1及T2各序列弛豫值作聯(lián)合診斷效能最高。

3.1 腦體積特征

腦萎縮被認(rèn)為是評估PD后續(xù)殘疾的一個(gè)重要預(yù)后因素[20-22]。已發(fā)表的關(guān)于PD 中腦區(qū)體積變化的VBM 研究結(jié)果并不一致。相關(guān)研究顯示，相比HC 組，PD 患者的基底神經(jīng)節(jié)[23]、眶額葉[24]、海馬體和顳葉[25]等區(qū)域灰質(zhì)體積存在萎縮或變薄。雖然存在差異性結(jié)果，但在PD中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)眶額葉，腹外側(cè)前額葉和枕頂皮質(zhì)區(qū)域的皮質(zhì)變薄，以及尾狀和殼膜的體積減小[26-27]。其他研究結(jié)果未發(fā)現(xiàn)常規(guī)MRI 下PD 患者和HC 組之間的明顯差異[28-29]。在有嗅覺障礙的PD 患者中，與HC組相比，嗅球和束中的體積減小是顯而易見的[30]。在PD 呼吸功能障礙患者中，與肺功能正常的PD 相比，左海馬旁回、右梭形回、右小腦和左中央后回中報(bào)告了GM 萎縮[31]。PD 步態(tài)癥狀的凍結(jié)與后GM萎縮（特別是左楔形、前楔形、舌回和后扣帶皮質(zhì)）有關(guān)[28]。在晚期PD 中，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)下GM 結(jié)構(gòu)的萎縮比早期PD階段的萎縮更明顯[32]。

本研究結(jié)果表明，PD 腦萎縮主要累及腦灰質(zhì)，幾乎不影響WM。其發(fā)病機(jī)制中的一些潛在的神經(jīng)病理導(dǎo)致腦萎縮，sMRI 可以監(jiān)測這些體積變化。目前，我們已經(jīng)研究了sMRI在確定PD萎縮的腦區(qū)方面的應(yīng)用。sMRI腦體積測量顯示，PD患者的GMV顯著降低。同時(shí)，WMV未見明確改變，提示PD對腦體積的影響主要累及皮質(zhì)，這與之前的研究結(jié)果相吻合，PD 最早累及黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元，繼而引起錐體外系運(yùn)動系統(tǒng)相關(guān)癥狀。證實(shí)了VBM全腦分區(qū)腦萎縮診斷PD的可靠性。

3.2 弛豫值特征

正常腦組織的T1、T2、PrD值范圍相對較窄，而病理組織的弛豫值明顯偏離[33]。神經(jīng)元和軸突丟失或死亡，水分含量變化鐵沉積等均可導(dǎo)致弛豫時(shí)間的變化，即使腦組織在T1WI 或T2WI 上肉眼觀顯示信號正常，也已存在潛在的弛豫值異常。sMRI 可檢測腦組織T1、T2、PrD 弛豫值的改變，這可能推測PD 的潛在病理生理學(xué)機(jī)制，并在預(yù)測PD 的疾病進(jìn)展方面具有臨床意義。弛豫值測量法對大腦的微結(jié)構(gòu)和組成很敏感，并有可能揭示特定腦組織的改變[34]。

之前的一項(xiàng)研究顯示，腦干和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的變化在疾病早期更為明顯，而皮質(zhì)結(jié)構(gòu)改變主要見于晚期PD[35]。在本研究得出的結(jié)果有三項(xiàng)指導(dǎo)意義：一是腦灰質(zhì)存在差異腦區(qū)較白質(zhì)明顯多，證明腦灰質(zhì)弛豫值變化較腦白質(zhì)變化更為敏感，PD 早期腦信號異常發(fā)生于腦皮質(zhì)；二是T1 和T2 弛豫值有差異腦區(qū)較PrD 弛豫值有差異明顯多，證明T1 和T2 較PrD更為敏感，此項(xiàng)研究結(jié)果與一項(xiàng)關(guān)于sMRI 應(yīng)用于阿爾茨海默病的結(jié)果相一致[17]，關(guān)于PrD 弛豫值值診斷PD 的研究，還應(yīng)在以后的研究中多加關(guān)注；三是ESP組和HC組之間腦弛豫值有差異腦區(qū)為右側(cè)丘腦。

有研究顯示，PD 患者丘腦底核動力學(xué)障礙導(dǎo)致行走障礙[36]。震顫的發(fā)生是由丘腦底腦驅(qū)動運(yùn)動皮層介導(dǎo)的，丘腦振幅與震顫動態(tài)狀態(tài)下的震顫振幅呈正相關(guān)[37]。本研究也進(jìn)一步證實(shí)了丘腦在PD 早期即有較好的敏感性，可應(yīng)用這些腦區(qū)T1 及T2 弛豫值改變對ESP做出診斷。

此外，本研究驗(yàn)證了sMRI 特征與PD 神經(jīng)變性的形態(tài)學(xué)成像相關(guān)。高場強(qiáng)MRI 和sMRI 序列的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了可視化PD 患者微小的腦組織變化，從而產(chǎn)生了新的MRI 特征和參數(shù)用于評估疾病的生物標(biāo)志物。VBM 檢測各組間腦組織如全腦體積、GMV、WMV 等局部結(jié)構(gòu)差異，有助于理解PD的病理生理學(xué)，可應(yīng)用于PD的早期診斷。

3.3 本研究的局限性

本研究應(yīng)用右側(cè)丘腦的T1 及T2 弛豫值改變對ESP 作出診斷。但仍存在一定局限性：一方面，受限于掃描期間患者的配合程度，本研究樣本量相對較少，未來將擴(kuò)大樣本量，繼續(xù)探討相關(guān)問題；另一方面，需要注意的是，某些臨床特征并不是PD的特定表現(xiàn)，也可見于某些非典型的帕金森綜合征，未來將納入其他病例進(jìn)行分組研究。

4 結(jié)論

綜上所述，PD患者可出現(xiàn)全腦和特定區(qū)域的腦體積和腦弛豫值的改變，右側(cè)丘腦的相關(guān)sMRI衍生的參數(shù)可作為臨床特定定量標(biāo)志物，有助于PD的早期診斷。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：張崗設(shè)計(jì)本研究的方案，對稿件重要的智力內(nèi)容進(jìn)行了修改，獲得了2020 年度內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助；陳苗起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；王文佳、張銳、祁金鵬、梁智博、郜立紅獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)，對稿件重要的智力內(nèi)容進(jìn)行了修改；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負(fù)責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠信。