基于自動分割技術的輕度阿爾茨海默病皮層下灰質結構MRI成像分析

李亞迪，董海波，謝國民

（寧波市醫療中心李惠利醫院，浙江 寧波 315040）

阿爾茨海默病（AD）患者神經元內淀粉樣斑塊沉積和神經纖維纏結導致大腦皮質神經元的大量“丟失”，從而引起腦灰質萎縮，導致相關腦功能障礙。有關AD腦灰質萎縮模式及其在疾病的診斷中應用的研究已經不少[1-3]，但多關注于海馬及皮質結構（如扣帶回等），而對皮層下灰質結構的研究相對較少。Braak等[4]通過病理研究發現，一些皮層下灰質結構可與海馬同時出現神經纖維纏結。這一發現提示了皮層下灰質結構的萎縮可能與海馬等灰質結構萎縮一起導致了AD患者認知功能障礙。本研究旨在采用FSL（FMRIB’s Software Library）軟件內FIRST（FMRIB’s Integrated Registration and Segmentation Tool）工具[5]自動分割輕度AD患者皮層下灰質結構（包括海馬、杏仁核、伏隔核、尾狀核、殼核、蒼白球、丘腦）并測量其體積，研究AD患者這些結構萎縮的特點、其與患者總體認知功能損害的關系，及其在疾病診斷中的應用價值。

1 材料和方法

1.1 研究對象

輕度AD患者組：2010年1—11月寧波市醫療中心李惠利醫院神經內科“老年記憶障礙”專病門診就診的29例病例，其中男15例，女14例，年齡54～ 80歲。所有患者符合美國精神疾病診斷及統計手冊第四版 （DSM-Ⅳ）的癡呆標準和美國神經病學、語言障礙和卒中-老年性癡呆和相關疾病學會（NINCDS-ADRDA）制定的很可能AD診斷標準；簡易精神狀態檢查（MMSE）評分18～24分，平均21.5分，臨床癡呆分級（CDR）為1，均屬于輕度AD。

健康老年對照組：從社區招募正常老年志愿者30例，其中男16例，女14例，年齡50～81歲。所有志愿者均符合以下診斷標準：①有獨立的行為能力且神經檢查正常；②無任何精神或神經病史；③MRI除了腦萎縮和深部白質少量T2WI高信號 （最大直徑<1 cm）外，無其它異常改變；④MMSE評分≥28分。所有被試者體內均無金屬植入物或沒有MRI檢查禁忌癥，自愿參加并簽署知情同意書。

1.2 磁共振成像

所有被試掃描均使用GE公司生產的Signa Excite 1.5T磁共振成像系統，8通道頭顱線圈。常規三平面定位后，先行常規掃描，包括：SE T1WI和快速SE T2WI橫斷面及矢狀面掃描，以排除顱腦其他器質性病變；再采用快速擾相位梯度回波翻轉恢復（3DFSPGRIR）脈沖序列（T1WI），行結構像（3D T1圖像）橫斷位掃描，掃描范圍從顱頂至枕骨大孔，TR= 11.1 ms，TE=5 ms，FLA=20°，層厚=1.2 mm，無間隔連續掃描，FOV=240 mm×240 mm，矩陣=256×256，NEX=1。

1.3 數據分析

所有被試的3D T1圖像的各個皮層下灰質結構采用FIRST工具進行分割：①3D T1圖像配準到MNI（Montreal Neurological Institute)152標準空間。②根據軟件自帶的各個灰質結構的蒙板 （mask）對每個被試的3D T1圖像進行分割。③邊界校正，以明確每個灰質結構邊界上哪些體素屬于該結構。④計算各個灰質結構mask內的體積。完成以上步驟后，所有灰質結構的mask在FSLview內經肉眼檢查有無錯誤。各灰質結構的mask示例見圖1。

圖1 皮層下灰質結構經FIRST分割后所得到mask示例。Figure 1. Examplesofmasksofsubcorticalgray matter structures segmented using FIRST.

所有被試的3D T1圖像經FSL內SIENAX工具計算其顱內總體積（ICV），包括灰質、白質及腦脊液。

1.4 統計分析

統計分析應用軟件SPSS 19。輕度AD與正常對照組間性別比較采用卡方檢驗，年齡、教育程度、MMSE組間比較采用雙樣本t檢驗。兩組間各個灰質結構相對體積（灰質結構體積/ICV×100）比較采用雙樣本t檢驗。各皮層下灰質結構相對體積分別與患者的MMSE評分行偏相關分析，年齡、性別、教育程度作為控制因素以消除其影響。最后，在二項邏輯逐步回歸分析中，本研究將各皮層下灰質結構相對體積作為協變量，變量篩選方法設定為向前逐步法（條件似然比）以期望找到最合適的區分正常對照與輕度AD的模型。此外，因為年齡會對影像學測量結果的診斷效能產生影響[6]，本研究也將之作為協變量參與邏輯回歸分析。ROC曲線被用來分析邏輯回歸所得最終模型在AD診斷中的敏感度、特異度。

2 結果

2組被試年齡、性別、教育程度、MMSE評分信息見表1，年齡、性別及教育程度無組間差異，兩組間MMSE評分有顯著性差異。

輕度AD組的各個灰質結構平均相對體積均較正常對照組小，其中有統計學意義的是左側海馬、右側杏仁核、雙側丘腦、右側尾狀核、左側殼核、雙側蒼白球相對體積有顯著性差異（P<0.05），見表2。

表1 2組被試者一般資料比較（±s）

表1 2組被試者一般資料比較（±s）

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輕度AD組各皮層下相對結構與MMSE行偏相關分析結果（見表3）顯示左側海馬、杏仁核、殼核、丘腦與MMSE評分具有相關性。

表2 2組被試者各灰質結構相對體積比較（±s）

表2 2組被試者各灰質結構相對體積比較（±s）

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表3 輕度AD組各灰質結構相對體積與MMSE評分偏相關分析（±s）

表3 輕度AD組各灰質結構相對體積與MMSE評分偏相關分析（±s）

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二項邏輯逐步回歸分析最終進入模型的協變量為年齡與左側海馬相對體積，準確率為86.3%。ROC曲線（見圖2）示曲線下面積（AUC）為0.897，設定約登指數（敏感度+特異度-1）最大值的點為診斷點，該點的敏感度為83.3%，特異度為96.3%。

3 討論

圖2 二項邏輯逐步回歸最終模型ROC曲線。AUC為0.897。診斷點敏感度為83.3%，特異度為96.3%。Figure 2.The final model of binary logistic regression analysis.The area under the curve was 0.897.In the diagnostic point, the sensitivity was 83.3%and the specificity was 96.3%.

本研究采用FIRST工具對皮層下灰質結構進行分割。該軟件使用波士頓麻省總醫院的形態學分析中心開發的表面模型對上述灰質結構進行精確的自動化分割。較之手動分割的分析方法，FIRST能夠自動判斷體素之間信號強度的微小差別從而做出準確的分割，因此，可重復性也更高。基于體素的形態學分析（VBM）在組間分析有優勢，但其在對皮層下灰質結構進行配準時易產生偽影，且不適用于對個體分析，FIRST則不存在這些問題。

AD的病理學研究結果已經顯示，神經纖維纏結首先出現在內嗅皮層及海馬，其中海馬是隔區-海馬-邊緣膽堿能神經回路的重要部位，與動物和人類的學習、記憶關系密切，此部位病變即為AD病患者記憶力減低的解剖基礎[7]，上述觀點已廣為學者接受。本研究不僅發現了輕度AD患者左側海馬萎縮，還發現了諸多皮層下灰質結構包括右側杏仁核、雙側丘腦、右側尾狀核、左側殼核、雙側蒼白球的萎縮。Braak等[4]的病理研究結果也顯示AD早期一些皮層下灰質結構已經出現病理改變。Baron等[8]通過VBM方法發現了尾狀核、殼核、丘腦的萎縮。Hensel等[9]報道了杏仁核的萎縮。但尚無研究發現雙側蒼白球的萎縮。

同海馬一樣，杏仁核參與構成邊緣系統。海馬在長時記憶尤其是情節記憶的存儲與再現中發揮著重要的作用，杏仁核則與短時記憶中的情緒記憶密切相關。不少研究[1-2]發現杏仁核在輕度認知障礙階段就已出現萎縮。Poulin等[10]則認為在AD的最早期臨床階段，杏仁核萎縮程度與海馬相當，且與總體疾病嚴重程度有關。有研究發現殼核在概率學習任務[11]及工作記憶任務[12]時出現激活。還有研究[13]發現殼核在多種神經退行性疾病如帕金森病中與癡呆的發生有關。以上發現提示了殼核的萎縮與認知功能損害有關。丘腦由多個神經核團構成。其參與對注意功能的指引，也參與抑制無關的感覺信息輸入[14]，其內多個核團在記憶功能中起到重要的作用。Callen等[15]報道了AD患者丘腦前部較正常對照顯著縮小。Braak等[4]則發現丘腦內所有核團都出現了淀粉樣斑塊及神經纖維纏結，其中以背內側核團最為顯著。本研究發現輕度AD患者右側杏仁核、左側殼核及丘腦的體積均與其總體認知程度有相關性，提示除了海馬，這些灰質結構的萎縮也可能參與了AD患者認知功能損害的病理過程，但其影響認知功能的機制仍需要進一步研究。

關于AD蒼白球的研究更少。影像學研究尚未有關于輕度AD蒼白球萎縮的報道。本研究發現雙側蒼白球萎縮，但未發現其與患者認知功能有相關性。Lehericy等[16]通過免疫組化的方法發現AD患者蒼白球腹側及背側部分的膽堿能神經元顯著地 “丟失”，提示了蒼白球在AD中可以因膽堿能神經元死亡而出現萎縮。但是Lehericy等未告知所研究AD患者所處病理階段。

與其他腦灰質結構相比，皮層下灰質結構形態較規則、邊界較清，通過FIRST工具能夠方便、精確地勾畫并計算其體積，因此可以用于臨床疾病的診斷中。本研究二項邏輯逐步回歸分析最終模型中剔除了其他皮層下灰質結構相對體積，只保留了年齡與左側海馬相對體積，該模型判別正常老年與輕度AD的準確率較高，ROC曲線示診斷點的敏感度及特異度也均較高，可見在皮層下灰質結構中，海馬體積最具有診斷意義。

本研究采用FIRST工具對輕度AD患者各皮層下灰質結構進行體積分析。但是本研究中的輕度AD患者都是臨床診斷的可能AD患者，樣本量也不夠大。總之，對大樣本進行長期隨訪，采用多種MRI成像方式如DTI聯合分析灰質結構將會是將來研究的方向。

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