利用腦局部一致性算法對原發性復雜部分性發作癲癇的磁共振研究

內蒙古醫學院附屬醫院MRI室（內蒙古 呼和浩特 010050）

喬鵬飛 牛廣明 韓曉東

利用腦局部一致性算法對原發性復雜部分性發作癲癇的磁共振研究

內蒙古醫學院附屬醫院MRI室（內蒙古 呼和浩特 010050）

喬鵬飛 牛廣明 韓曉東

目的 采用靜息態功能磁共振成像(rfMRI)技術，通過與正常人對比，觀察原發性癲癇復雜部分性發作患者腦局部一致性(ReHo）的改變情況，探討其腦活動的神經機制。方法對20例復雜部分性發作癲癇患者與20例年齡、受教育程度相匹配的健康志愿者進行靜息態磁共振掃描，使用ReHo算法對比分析MRI數據，觀察兩組被試血氧水平依賴(BOLD)信號局部一致性不同的區域。 結果 病人大腦的左右內側顳葉、頂葉局部一致性較正常人高；另外在雙側楔前葉、小腦半球及左內側前額葉的局部一致性較正常人低。結論ReHo 方法可以有效地用于癲癇基礎和臨床研究。

靜息態功能磁共振成像;原發性復雜部分性發作癲癇;局部一致性

癲癇（Epilepsy）是由于多種病因引起的慢性腦部疾病，以腦神經元過度放電所致的突然、反復和短暫的中樞神經系統功能失常為特征。癲癇的發病率在發達國家、經濟轉軌國家、發展中國家、不發達國家分別為0.5%、0.6l%、0.72%、1.12%，以此估計，全球大約有5000萬癲癇病人，我國癲癇病人總數約900萬，這是一個非常驚人的數字。目前認為，癲癇已經成為神經系統疾病中僅次于腦卒中的第二大常見病，癲癇性猝死也日益引起研究者的關注[1]，其病因復雜，臨床表現多樣性，治療效果及預后受眾多因素的影響[2]。近年來MRI技術發展迅速,對癲癇的研究不再只局限于對形態學應用研究,已拓展到腦功能成像等更廣闊的領域[3]。復雜部分性發作是原發性癲癇的一個亞型，為常見的癲癇發作形式。本文采用一種基于局部一致性（regional homogeneity，ReHo）算法的fMRI技術，利用靜息態功能磁共振成像(resting-state functional MRI, rfMRI)技術對其腦活動情況進行觀察，并與正常人作對比研究，探索其病理生理機制，討論局部一致性算法在癲癇研究中的應用價值。

材料與方法

1.1 研究對象從2010年3月至2011年4月來自內蒙古自治區的原發性復雜部分性發作癲癇患者20例（根據臨床診斷、MRI檢測結果及國際抗癲癇聯盟2001年診斷標準篩選），其中男11例，年齡17-45歲，平均34.2歲，女9例，年齡14-41歲，平均32.9歲（病例組）；同時選擇在性別、年齡、受教育年限上相匹配的健康志愿者20例（對照組）。受試者均為右利手，視力、聽力正常，無MRI掃描禁忌；無嚴重軀體疾病，利用神經癥篩選表及精神衛生篩選表排除個人精神疾病史，掃描前利用焦慮自評量表及抑郁自評量表排除焦慮及抑郁情緒狀態，排除藥物、酒精依賴者、近期內有過嚴重感染或經歷手術者、妊娠或哺乳期婦女及參加其他臨床藥物研究者。本實驗得到了內蒙古醫學院醫學倫理委員會的批準，所有受試者均簽署知情同意書。

圖1-2 病例組ReHo值升高(圖1)及降低(圖2)的區域（單樣本t檢驗，暖色代表ReHo值增強的腦區）.

表1 病例組較對照組ReHo值增高的腦區

表2 病例組較對照組ReHo值降低的腦區

1.2 數據采集使用美國GE公司3.0T Signa HDx超導型MR掃描儀(GE-Signa HDx, Milwaukee, US.)，8NV－Head線圈，以頭部線圈作為發射和接受線圈。掃描時受試者清醒、閉眼、頭部固定、安靜平臥于檢查床，不執行特定的認知任務。相關掃描序列及參數如下：

1.2.1 常規檢查序列包括軸位T2加權成像（T2WI）和軸位彌散加權成像（DWI），以排除顱內器質性病變。

（1）T2WI掃描參數：TR/TE=6280/104ms，層厚:5mm，間隔:l.5mm，NEX:1，FOV:24x24cm，Matrix:320x320，掃描層數為19層，掃描時間為82秒。

（2）DWI掃描參數：TR/TE=4450/72.9ms，層厚:5mm，間隔:1.5mm，NEX:2，FOV:24x24cm，Matrix:128xl28，掃描層數為19層，掃描時間為40秒。

1.2.2 T1-3D BRAVO序列掃描，參數：TR/TE=7.8/3.0ms，層厚:lmm，間隔:0，NEX:0.5，FOV:24x24cm，Matrix:256x256，FA（Flip Angle）:13°。從右向左采集，采集層數為176層，掃描時間為209秒。

1.2.3 靜息態參數：采用梯度回波（GRE）單次激發回波平面成像（EPI）技術，TR/TE=2000/30ms，層厚:4mm，間隔:0mm，FOV=24x24cm，Matrix：64x64，FA（Flip Angle）：90°，層數:38，采集256個時間點，掃描時間為512秒，共獲得9728幅圖像。

1.3 數據預處理采集到的靜息態數據使用SPM8(statistical parametric mapping, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)進行預處理。對每個被試對象的fMRI數據首先進行時間校正，接著進行頭動校正，排除頭部平動大于2.5mm，轉動大于2.5°的被試對象；而后將校正后的圖像進行標準化，采用SPM自帶EPI模板，歸一化到標準的MNI（Montreal Neurological Institute)系統，并將每個體素重采樣至3mm*3mm*3mm;最后使用高斯核函數進行平滑(smooth)，降低空間噪聲，全寬半高值（FWHM）為4mm。對處理后的數據,采用基于窗函數的自編濾波軟件行0.01-0.08Hz帶通濾波,去除高頻呼吸心跳及低頻噪聲。所有受試者均未被排除。

圖3 病例組與對照組的ReHo值對比（雙樣本t檢驗，暖色代表ReHo值增強的腦區）：ReHo值增強的腦區主要位于雙側內側顳葉、雙側頂葉；ReHo值減弱的腦區主要位于前扣帶回、雙側楔前葉、小腦半球。

1.4 ReHo數據分析使用北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室開發的REST軟件完成。計算出腦內每個體素與其周圍相鄰的體素在時間序列上的一致性，得出該體素的肯德爾和諧系數（Kendall's coefficient of concordance，KCC），即為該體素的ReHo值，每個體素均有一個 ReHo值，構成了受試者的ReHo腦。

一個給定點的肯德爾和諧系數KCC的計算公式如下：

其中W就是給定點的肯德爾和諧系數KCC，其取值范圍在0-1之間;n是時間點數，本研究中 n=250；K是給定體素點與其鄰域體素點的總數，本研究中K=27，即給定點本身及其26個鄰域點，這27個體素點又稱為一個簇（cluster）；Ri是第i個時間點的27個體素點的體素值的等級總數；R是Ri的平均值[2]。

1.5統計分析使用SPM8軟件,（1）對病例組統計腦圖進行單樣本t檢驗（圖1、2），(2）對病例組和對照組統計腦圖進行雙樣本t檢驗（圖3），最后結果疊加在標準avg152 T1像上進行顯示。取閾值為p<0.05(未校正)，經過Alphasim校正，去除少于85個體素的區域（校正后p≤0.05），得到兩組人靜息狀態下大腦ReHo值統計差異。

結 果

研究顯示：病人大腦左右內側顳葉(mesial temporal lobe,mTL)、頂葉(parietal lobe)區域ReHo值較正常人高；另在雙側楔前葉(precuneus,Pcu)、小腦半球（cerebrum）及左內側前額葉(medial prefrontal cortex,MPFC)的局部一致性較正常人低。

各腦區的位置及t值大小詳見表1、表2。

討 論

rfMRI是一種無創的功能影像技術,在研究基線狀態腦功能或自發神經活動方面具有優勢。大多數rfMRI研究都采用功能連接的方法分析功能網絡,很少直接探討局部神經活動。功能連接表現的是兩個或多個腦區之間神經活動的同步性,其異常說明患者的腦功能網絡異常,但不能提供更多的信息說明在這個異常網絡內某個特定腦區的活動是否異常。

在癲癇發作間期,致癇灶及其周圍腦組織有癲癇樣放電(interictal epileptiform discharges,IEDs),該種放電會帶來功能變化,引起缺省模式腦區負激活[3],從而伴隨血氧水平的改變,這為rfMRI的應用提供了條件。檢測與IEDs相關的血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent,BOLD)信號變化,經數據分析處理,可得到致癇灶的三維定位[6]。Zang等[4]提出的ReHo方法就是其中之一,可了解不同任務狀態下和靜息狀態下腦功能。該方法基于以下思路：假設功能簇內不同體素的時間序列具有相似性，KCC值(也被稱為ReHo值)被用來衡量某一體素與其周圍若干體素的相似性，每一體素對應有一個ReHo值，從而構成了一個全腦ReHo圖。該方法可反映腦區局部時間序列的同步性，從而間接反映腦區局部神經元自發活動的同步性。ReHo方法與模型驅動方法有很好的互補性,可用于分析任務狀態(如手指運動、閱讀等)和靜息狀態下的數據及其它非線性狀態(如藥物應用對腦血流的影響)的數據。

在本研究中，ReHo值被用來衡量全腦每個體素與其臨近的26個體素的時間序列的同步性。利用REST軟件計算出全腦每個體素的ReHo值，從而每個受試者得到一個ReHo圖。將每個體素的ReHo值除以全腦所有體素ReHo值的均值而使ReHo圖標準化，然后對標準化后的ReHo圖進行統計學分析。

研究發現，內側顳葉區域的ReHo值較正常人變化最大，由于ReHo反映的是局部腦區的同步性，具有檢測異常腦活動區域的能力[7]，因此該處較高的ReHo值表明癲癇患者在該腦區的同步性較正常人高，印證了目前認為內側顳葉是原發性復雜部分性發作癲癇最主要起源灶的理論。本研究還發現ReHo值的升高同時發生在雙側頂葉區域，該現象與腦電聯合同步功能磁共振研究結果一致[8]。許多研究表明癲癇源不僅在于海馬，其他顳葉結構，甚至更廣泛腦結構網絡，也參與癲癇活動的起始和易化[9]。大腦皮層中顳葉皮層及運動區的ReHo值增強，可能是受到癲癇源活動影響，異常神經電活動通過聯絡、連接及聯合纖維激活皮層下腦區，以致同步性增強。由于顳葉皮層與聽覺、語言和記憶功能有關[10]，ReHo值增強可導致幻聽、幻味、幻嗅等精神癥狀和語言障礙；而頂葉的功能與軀體感覺有關[10]，其ReHo值增強，可能是癲癇發作時肢體抽搐、口角歪斜等行為異常的原因。

同時研究還發現了ReHo值降低的區域，主要表現在雙側小腦半球、楔前葉及左內側前額葉等，這些腦區較常人同步性減弱，可能反映了正常腦功能遭到抑制或破壞[11]。

另Raichle等[12]用PET研究大腦血流和血氧情況發現,前扣帶回(anterior cingulate cortex,ACC)、楔前葉(precuneus, Pcu)、內側前額葉(medial prefrontal cortex,MPFC)、后扣帶回(posterior cingulated cortex,PCC)及兩側頂下小葉(Inferior parietal cortex,IPC)等腦區構成一個網絡系統,該系統在靜息時,活動明顯,保持著很強的代謝活動;而在任務狀態時,網絡被掛起,這些腦區的活動強度會衰減。提出了“默認網絡(default mode network,DMN)”的概念。本研究顯示在靜息狀態下左內側前額葉和雙側楔前葉的活動減弱，可能原因是：作為一種顱內自發的異常神經電活動,當癲癇產生并傳播時,抑制了DMN的活動,導致該網絡活動的中斷所致。

結 論

本研究采用 ReHo 方法分析靜息功能磁共振數據，發現病例組較正常人局部一致性存在異常，提示該方法可檢出癲癇活動造成的局部腦組織血氧水平信號同步性的改變，進而達到對癲癇活動的定位檢測。這些結果從時間相似的角度更客觀地反映全腦的功能狀態,可以有效地用于癲癇基礎和臨床研究。

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MRI Study on Primary Complex Partial Epilepsy Using Regional Homogeneity Analysis

QIAO Peng-fei, NIU Guang-ming, HAN Xiao-dong. Department of Radiology, The Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical College, Inner Mongolia, Hohhot 010050, China.

ObjectiveTo observe differences of regional homogeneity (ReHo) between patients with primary complex partial epilepsy and healthy people by applying the resting state fMRI, and to investigate patients’ neuromechanism of cerebration.MethodsThe resting state fMRI were performed to 20 patients with complex partial epilepsy and 20 healthy volunteers who were age and education background matched. MRI data was compared and analyzed using ReHo analysis. The regions with different BOLD regional homogeneity in two groups were observed.ResultsThe regional homogeneity of bilateral mesial temporal lobes and parietal lobe of patients was higher than healthy people. The regional homogeneity of bilateral precuneus, cerebellar hemisphere and left medial prefrontal lobe was lower than healthy people.ConclusionReHo analysis can be used for the fundamental and clinical research of epilepsy.

resting state functional MRI; primary complex partial epilepsy; regional homogeneity

R445.2；R74

A

10.3969/j.issn.1672-5131.2011.05.010

喬鵬飛，男，專業為影像醫學與核醫學，醫師，主要研究方向為腦功能磁共振的研究及其相關。

牛廣明

2011-06-04