運(yùn)動(dòng)功能障礙卒中患者的腦區(qū)時(shí)間變異性改變

許強(qiáng)，盧光明＊，胡建平，杜鵑，張志強(qiáng)，楊昉

（1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 南京 210002；2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016；3.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，江蘇 南京 210002）

運(yùn)動(dòng)功能障礙卒中患者的腦區(qū)時(shí)間變異性改變

許強(qiáng)1，2，盧光明＊1，2，胡建平1，杜鵑3，張志強(qiáng)1，楊昉3

（1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 南京 210002；2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016；3.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，江蘇 南京 210002）

研究目的：評估急性期腦梗死患者運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的腦區(qū)時(shí)間變異性改變及其臨床預(yù)后相關(guān)性；材料與方法：收集20位急性腦梗死患者梗死后1周及2周內(nèi)的兩次靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)以及患者三個(gè)月后的運(yùn)動(dòng)功能評估量表，運(yùn)用復(fù)旦馮建峰團(tuán)隊(duì)的時(shí)間變異性程序計(jì)算腦區(qū)的時(shí)間變異性，并采用配對T檢驗(yàn)比較患者狀態(tài)的改變，采用Pearson相關(guān)評價(jià)時(shí)間變異性改變在臨床運(yùn)動(dòng)評估的能力。結(jié)果：對比第一次掃描，腦梗死患者發(fā)生改變的腦區(qū)主要在運(yùn)動(dòng)腦區(qū)，額葉腦區(qū)及皮層下腦區(qū)，患側(cè)中央前回的變異性改變程度與臨床量表的改變程度正相關(guān)。結(jié)論：功能磁共振及時(shí)間變異性指標(biāo)是有效的評價(jià)卒中患者運(yùn)動(dòng)功能改變及恢復(fù)的工具，皮下腦區(qū)的改變可能與代償機(jī)制有關(guān)。

急性卒中；靜息態(tài)功能磁共振成像；時(shí)間變異性

1 研究背景

運(yùn)動(dòng)功能障礙是腦卒中后最常見的并發(fā)癥。大部分腦卒中運(yùn)動(dòng)功能障礙患者在卒中發(fā)生6個(gè)月內(nèi)運(yùn)動(dòng)功能有不同程度的恢復(fù)[1,2]。但卒中后運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的潛在神經(jīng)機(jī)制尚不完全清楚，基于神經(jīng)成像的技術(shù)已表明其是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能腦運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重組過程[1,2]。

靜息態(tài)功能磁共振（Resting-state functional Magnetic Resonance Image, RS-fMRI）是無創(chuàng)的實(shí)時(shí)探測腦活動(dòng)的神經(jīng)影像測量方法[3]，在神經(jīng)精神疾病的研究中應(yīng)用廣泛[4-7]。目前也有RS-fMRI研究應(yīng)用于卒中的研究，但目前主要集中于慢性期卒中的改變和恢復(fù)[8,9]。目前尚無急性期的靜息態(tài)功能磁共振研究。

腦區(qū)時(shí)間變異性是基于功能連接時(shí)間變異性的新指標(biāo)。它主要考察局部腦區(qū)功能連接改變的時(shí)間變異性，不僅能考察全腦的功能網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間變異性也可考察局部腦區(qū)與其相關(guān)功能腦區(qū)之間的連接關(guān)系[10]。該方法作為考察腦區(qū)應(yīng)變性和適應(yīng)性的新方法已被用于一些諸如精神分裂癥、孤獨(dú)癥等精神疾病的研究[10]。目前，腦梗死后運(yùn)動(dòng)功能障礙腦區(qū)間變異性改變的研究未見報(bào)道。

2 方法與材料

1.1 被試收集

表1 卒中患者人口學(xué)及臨床信息Table 1 Demograpic and clinical data of stroke patients

被試來自于2015年9月起南京軍區(qū)南京總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科收集的20例急性腦卒中患者（18男/2女;平均年齡：52.1 ±2.51歲），其中12例患者左側(cè)運(yùn)動(dòng)功能受損，其余8例右側(cè)受損（表1）。被試均采集了兩次簡式運(yùn)動(dòng)功能評定(Fugl-Meyer Motor Assessment, FMA)，三個(gè)月后再次隨訪評定一次。每個(gè)被試均采集了兩次靜息態(tài)功能磁共振，入院一次，一周后復(fù)查一次。

1.2 掃描參數(shù)

磁共振數(shù)據(jù)采集在3.0T磁共振掃描儀（Discover MR750，GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA）上進(jìn)行。靜息態(tài)功能磁共振成像參數(shù)如下：TR=2000ms, TE=30ms, 翻轉(zhuǎn)角=80°, 掃描野=240mm×240mm, 成像矩陣=64×64, 層厚 = 3.0mm,無層間距, 層數(shù)=43，掃描時(shí)間點(diǎn)=205，掃描時(shí)長6分50秒。高清成像結(jié)構(gòu)像參數(shù)：TR=8.2ms, TE=3.2ms, 翻轉(zhuǎn)角=12°, 掃描野=220mm×20mm, 成像矩陣=256×256, 層厚= 1mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為統(tǒng)一患側(cè)及擴(kuò)充數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)力度，將8例右側(cè)運(yùn)動(dòng)功能損傷患者的數(shù)據(jù)左右翻轉(zhuǎn)后均算成左側(cè)運(yùn)動(dòng)功能受損組納入分析[11]。為減少卒中損傷結(jié)構(gòu)對配準(zhǔn)的誤差影響，仿照前人文獻(xiàn)[11]，構(gòu)建代價(jià)函數(shù)圖像用于配準(zhǔn)分析。兩位有資質(zhì)的醫(yī)生在高清結(jié)構(gòu)像上勾勒病灶腦區(qū)，并構(gòu)建平均T1模板和總體代價(jià)函數(shù)圖像，用于原始T1圖像分割，并記錄T1圖像的分割配準(zhǔn)信息用于功能圖像的標(biāo)準(zhǔn)化配準(zhǔn)。

靜息態(tài)功能磁共振的數(shù)據(jù)預(yù)處理主要采用DPARSFA（http://rfmri.org/DPARSF_V2_3）和spm8(http://www.fil.ion.ucl. ac.uk/spm/)進(jìn)行，主要做了層間時(shí)間校正，空間對齊，并將功能圖像中心對齊到T1圖像上，然后運(yùn)用前面獲取的T1圖像配準(zhǔn)分割信息將功能圖像配準(zhǔn)到MNI（Montreal Neurological Institute, MNI）空間，并采樣成3 x 3 x 3mm3，然后濾波（0.01-0.08Hz），回歸頭動(dòng)，全腦，白質(zhì)，腦脊液平均信號(hào)。

1.3.2 時(shí)間變異性度量計(jì)算

時(shí)間變異性的度量計(jì)算依照復(fù)旦大學(xué)馮建峰教授團(tuán)隊(duì)的文章[12]。首先，將功能圖像按照AAL（Anatomical Automatic Labeling, AAL）模板提取116個(gè)腦區(qū)的平均信號(hào)。將平均信號(hào)用窗寬為10的不重疊滑動(dòng)窗分離，計(jì)算窗內(nèi)腦區(qū)間相關(guān)系數(shù)，并計(jì)算不同窗之間相關(guān)系數(shù)的方差作為兩個(gè)腦區(qū)間隨時(shí)間變化的相似變異性的度量，第k個(gè)腦區(qū)的時(shí)間變異性計(jì)算公式如下：

其中n為窗的數(shù)目，i，j表示是不同的時(shí)間窗， 表示的是第i個(gè)窗的相關(guān)矩陣。

為了得到減少窗寬選擇帶來的誤差，窗長度遍歷了10-20時(shí)間點(diǎn)，并將所有時(shí)間點(diǎn)得到的 平均，作為最終的時(shí)間變異性度量。

每個(gè)腦區(qū)都可以得到一個(gè)時(shí)間變異性度量，最終我們得到了兩個(gè)116×20的矩陣，用于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)及相關(guān)分析

兩次掃描的時(shí)間變異性度量指標(biāo)的差異的比較采用的是配對T檢驗(yàn)分析，p＜0.05為有顯著差異的區(qū)域。相關(guān)分析采用的是Pearson相關(guān)分析，兩次時(shí)間變異性度量的差異與臨床三個(gè)月后的FMMS量表的差異進(jìn)行了相關(guān)性分析，以p＜0.05為顯著相關(guān)。

3 結(jié)果

3.1 時(shí)間變異性改變

與發(fā)病一周時(shí)比較，急性腦梗死后2周患者腦區(qū)時(shí)間變異性明顯增高的腦區(qū)有雙側(cè)中央前回、患側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、健側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、雙側(cè)顳中回、患側(cè)額上回、雙側(cè)額下回島蓋、雙側(cè)枕上、中回、雙側(cè)梭形回、患側(cè)舌回、以及健側(cè)海馬和患側(cè)海馬旁回等腦區(qū)（見圖1及表2）。

圖1：配對T檢驗(yàn)顯示兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)腦區(qū)時(shí)間變異性差異（1周vs基線）。Figure 1: Difference area of Temporal Variability between one week and baseline（paired T test）

3.2 相關(guān)性分析結(jié)果

與臨床運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)性分析顯示患側(cè)中央前回的時(shí)間變異性改變程度與3個(gè)月臨床運(yùn)動(dòng)功能的改善程度呈正相關(guān)（見圖2）。

表2：時(shí)間變異性差異腦區(qū)：一周vs基線Table 2: Difference areas of temporal variability between one week and baseline

圖2:患側(cè)M1區(qū)短期腦區(qū)時(shí)間變異性改變與3個(gè)月后上肢運(yùn)動(dòng)功能增加值呈正相關(guān)。Figure 2 Positive correlation between increased FMA value and increased temporal variability of ipsilateral precentral area

4 討論

腦區(qū)時(shí)間變異性是相似度指標(biāo)，正常如軀體感覺皮層等單模態(tài)腦區(qū)功能連接較為單一，通常表現(xiàn)為低時(shí)間變異性；而多模態(tài)皮層腦區(qū)如海馬、海馬旁回等腦區(qū)則表現(xiàn)為較高的時(shí)間變異性[12]。我們觀察到腦梗死后康復(fù)過程中，由于腦區(qū)功能重組，原本表現(xiàn)為低時(shí)間變異性的軀體運(yùn)動(dòng)腦區(qū)，如患側(cè)的SMA區(qū)域，雙側(cè)中央前回，對側(cè)中央后回等等，腦區(qū)連接的時(shí)間變異性明顯增高，這些腦區(qū)在以往的研究中被認(rèn)為是在康復(fù)中起著重要作用[13-15]。這些結(jié)果表明腦區(qū)時(shí)間變異性指標(biāo)可反映腦梗死患者腦區(qū)重塑改變，可作為評估腦梗死患者預(yù)后的指標(biāo)。非運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦區(qū)的連接異常也和前人的工作相互印證[8,9]，評價(jià)人腦異常的改變不僅應(yīng)該考慮直接影響腦區(qū)的改變，還應(yīng)考慮到全局腦區(qū)的連帶影響。患側(cè)中央前回時(shí)間變異性的改變與臨床功能評價(jià)改善呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，提示了患側(cè)中央前回的興奮性水平可能是標(biāo)志功能恢復(fù)的一個(gè)重要影像學(xué)指標(biāo)。

5 結(jié)論

一周的干預(yù)和治療有助于腦卒中運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的腦功能偏向于興奮性改變，運(yùn)動(dòng)腦區(qū)的改變與量表改變的正相關(guān)關(guān)系提示了運(yùn)動(dòng)腦區(qū)的一周前后的興奮性改變有預(yù)測評估患者預(yù)后前景的潛力。非運(yùn)動(dòng)腦區(qū)的改變可能與腦區(qū)重組代償有關(guān)。

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Changes of Regional Temporal Variability for Acute Stroke Patients with Hemiparesis

Qiang Xu1,2, Guangming Lu*1,2, Jianping Hu1, Juan Du3, Zhiqiang Zhang1, Fang Yang3
(1.Department of Radiology, Jinling Hospital, Nanjing Jiangsu 210002, China; 2.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China; 3.Department of Neurology, Jinling Hospital, Nanjing Jiangsu 210002, China )

Objective: To investigate changes of regional temporal variability for acute stroke patients with hemiparesis. Material and Method：A total of 20 patients underwent MRI examinations at two consecutive time points after the fi rst ever ischemic stroke (one week and two week after stroke. At each time point，a rest state fMRI (RS-fMRI) scans was performed. The hand motor function of each patient was assessed using Fugl-Meyer Motor Assessment (FMA) at admit and three months later. The time variability program, produced by Prof. Feng Jianfeng of Fudan University, was used to calculate the index of RS-fMRI. Paired T test was used to assess Changes of regional temporal variability for acute stroke patients with hemiparesis between two time points. Correlations between the increment value of variability and motor impairment score was analysed by Pearson correlation tests. Results: Paired T test showed that these regions, mainly located at sensory-motor areas, frontal lobe area and subcortical area. Correlation analyses between variability change and FMA change revealed that the increment value of variability in ipsi-lesional precentral gyrus was positively correlated to the increment value of motor score in the three month after stroke. Conclusion: RS-fMRI and the time-variability index could be used to evaluate the brain changes of stroke patients and might be used to be the marker of recovery of motor ability. The changes of subcortical area might be related to the mechanism of compensatory.

Acute Stroke; Rest state fMRI; Temporal Variability

O436

A

10. 11967/ 2017150104

O436

A DOI：10. 11967/ 2017150104

?通訊作者：盧光明(1957-), 男, 湖南, 漢, 主任醫(yī)師/教授，研究方向?yàn)榉肿印⒐δ苡跋窕A(chǔ)與應(yīng)用，江蘇省南京市中山東路305號(hào),210002，cjr.luguangming@vip.163.com