陳甜 吳非

癡呆癥是一種廣泛的腦部疾病， 它通過(guò)引起記憶、思維、行為、取向等方面的退化，進(jìn)而影響大腦，從而導(dǎo)致人的日常功能下降，而阿爾茲海默?。ˋlzheimer's disease，AD） 是癡呆癥中最常見(jiàn)的一種。 輕度認(rèn)知功能障礙（mild cognitive dysfunction，MCI） 是介于正常衰老和癡呆之間的一種中間狀態(tài)，指有輕度的記憶或認(rèn)知損傷，但尚未達(dá)到癡呆程度的一種狀態(tài)，日常生活和社會(huì)功能不受影響，MCI 受試者中， 其中每年約10%～15%會(huì)進(jìn)展為AD［2］。 目前診斷主要是基于臨床以及心理神經(jīng)量表評(píng)估，但是當(dāng)患者被診斷為AD 時(shí)，腦組織已經(jīng)歷了廣泛和不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)元和突觸的損失，目前，這種疾病還沒(méi)有特定的治療方法，隨著病人的病情惡化，最終將導(dǎo)致死亡［3］。 近年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)已被應(yīng)用于檢測(cè)AD 的早期萎縮性改變。 本研究中，一種名為AccuBrain［4,5］的自動(dòng)腦區(qū)量化工具在腦分析中展示了其潛力。 它能夠自動(dòng)分割20 多個(gè)大腦區(qū)域，并在沒(méi)有任何交互的情況下測(cè)量它們的體積。 在本研究中， 筆者使用AccuBrain 來(lái)完成分割和量化任務(wù)。

資料與方法

1.臨床資料

使用對(duì)照研究的方式對(duì)患者和健康對(duì)照組展開(kāi)研究，本組AD、MCI 患者及年齡、性別匹配的健康老年人均來(lái)源于2017 年10 月～2018 年7 月我院神經(jīng)內(nèi)科和癡呆病房。 AD 組中男15 例， 女6例，平均年齡71 歲（64～84 歲），受教育年限大于8年， 其簡(jiǎn)易智力狀態(tài)檢查量表 （mini－mental state examination，MMSE） 評(píng)估患者情況，MMSE 總分范圍是0～30 分， 得分低于12 表示嚴(yán)重癡呆,13～20表示中度癡呆，20～24 表示輕度癡呆，24～30 表示正常對(duì)照。 MCI 組中男9 例，女15 例，平均年齡66 歲（61～88 歲），受教育年限大于8 年，其蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表 （Montreal cognitive assessment scale， MoCA）篩查MCI 患者，包括了注意與集中、執(zhí)行功能、記憶、語(yǔ)言、視結(jié)構(gòu)技能、抽象思維、計(jì)算和定向力等8 個(gè)認(rèn)知領(lǐng)域的11 個(gè)檢查項(xiàng)目，測(cè)試完后由測(cè)評(píng)員根據(jù)評(píng)分情況來(lái)篩查患者是否具有MCI。 總分為30 分，評(píng)分小于26 分說(shuō)明患者有認(rèn)知功能損害； 如果受試者受教育年限小于12年， 在測(cè)試結(jié)果上加1 分， 校正受教育程度的偏倚，得分越高認(rèn)知功能越好。 健康對(duì)照組中男10例，女14 例，平均年齡67 歲（53～79 歲），受教育年限大于8 年，MMSE 評(píng)分≥24 分，MoCA 評(píng)分≥26 分。 所有病例均由神經(jīng)內(nèi)科及精神科兩位主治醫(yī)生采用綜合病史以及相關(guān)系統(tǒng)性檢查對(duì)醫(yī)學(xué)或神經(jīng)系統(tǒng)疾病及大腦結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行排除可能的影響因素。

2.MRI檢查方法

所有患者均行3.0 T 超導(dǎo)型磁共振掃描儀（Siemens Magnetom Verio ）， 獲得頭部矢狀位3D－磁化準(zhǔn)備快速梯度回波T1WI 圖像， 它包含了176個(gè)1 mm 厚的連續(xù)矢狀切片覆蓋全腦，成像參數(shù)TR 2530 ms，TE 2.22 ms， 視野224 ms×224 ms， 矩陣為224×224，層厚1 mm。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Shapiro－Wilk 檢驗(yàn)兩組各區(qū)域體的正態(tài)性。對(duì)于符合正態(tài)性分布的區(qū)域，采用兩獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組各區(qū)域的絕對(duì)體積和相對(duì)體積的差異， 否則采用非參數(shù)Mann－Whitney U 檢驗(yàn)。 采用IBM SPSS Statistics 20 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

AccuBrain 是一種新型自動(dòng)定量測(cè)量大腦結(jié)構(gòu)的工具， 可以在全自動(dòng)模式下執(zhí)行大腦結(jié)構(gòu)的組織分割和定量測(cè)量。該程序在個(gè)人電腦上執(zhí)行，配置英特爾Xeon CPU E5－2683 v3@2.00 GHz（2 核）和RAM 112G, NVIDIA GPU GeForce GTX 1080。在分析過(guò)程中，采用基于多參數(shù)的分割方法，對(duì)單個(gè)腦MRI 進(jìn)行自動(dòng)分割。 AccuBrain 工作線路如圖1所示。 圖譜池由300 多個(gè)腦部MRI 組成，之前是用不同的掃描儀從不同的受試者那里獲得的，外觀變化很大。 地圖集圖像包含了先前編碼的放射學(xué)家指定的解剖信息，包括40 個(gè)大腦結(jié)構(gòu)（如海馬、側(cè)腦室、杏仁核等）和3 個(gè)主要腦組織（如白質(zhì)、灰質(zhì)及腦脊液）。 在處理過(guò)程中，AccuBrain 根據(jù)與主題圖像的相似性從圖譜池中選擇了一些地圖集。然后將地圖集和主題圖像與非剛性圖像配準(zhǔn)進(jìn)行匹配。注冊(cè)完成后，將圖譜池的預(yù)定義標(biāo)簽轉(zhuǎn)換為主題空間，融合生成主題圖像的分割標(biāo)簽，如海馬分割（圖2）。 AccuBrain 的特點(diǎn)是采用基于直方圖的歸一化步驟，對(duì)不同機(jī)器獲得的MRI 的強(qiáng)度水平進(jìn)行歸一化。此外，為了劃分每個(gè)主題，它從數(shù)百個(gè)腦核磁共振成像儀組成的大型地圖集中選擇了幾十個(gè)與目標(biāo)圖像最相似的地圖集。 為了保證時(shí)間效率，提出了一種基于GPU 的非剛性配準(zhǔn)算法。 本研究中每個(gè)T1WI 數(shù)據(jù)集的執(zhí)行時(shí)間約為25 min。

由AccuBrain 處理獲得的T1WI 的MRI 數(shù)據(jù)（DICOM 格式），AccuBrain 通過(guò)基于腦圖譜的完全自動(dòng)的腦皮質(zhì)以及皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的分割（圖3），并最終計(jì)算并輸出所分割的腦結(jié)構(gòu)的絕對(duì)體積。 根據(jù)分割結(jié)果，計(jì)算并報(bào)告了絕對(duì)體積（ml）和相對(duì)體積（絕對(duì)體積除以顱內(nèi)容積，intracranial volume,ICV），從而生成一份包含患者信息、 腦容量測(cè)量和解剖學(xué)信息摘要的PDF 格式的報(bào)告。 本研究中評(píng)估ICV、腦實(shí)質(zhì)、海馬、杏仁核、腦室系統(tǒng)、側(cè)腦室、第三腦室、側(cè)腦室下角、腹側(cè)間腦、丘腦、尾狀核、殼核、蒼白球、伏隔核、中腦、橋腦、延腦、小腦上腳、小腦、左/右海馬、左/右杏仁核、左/右側(cè)腦室、左/右側(cè)腦室下角、左/右腹側(cè)間腦、左/右丘腦、左/右尾狀核、左/右殼核、左/右蒼白球、左/右伏隔核、左/右額葉、左/右枕葉、左/右顳葉、左/右頂葉、左/右扣帶回、左/右島葉，以及這些區(qū)域的相對(duì)體積。

結(jié)果

MCI 和AD 患者的絕對(duì)體積的顯著性差異腦區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，MCI 和對(duì)照組相比， 海馬、左/右海馬、左/右扣帶回、左/右島葉、左/右顳葉體積減小，腦室、側(cè)腦室、第三腦室、側(cè)腦室下角、左/右側(cè)腦室、左/右側(cè)腦室下角體積增大，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。AD 組和對(duì)照組相比，海馬、杏仁核、殼核、左/右海馬、左/右杏仁核、左/右殼核、左/右伏隔核、左/右額葉、左/右顳葉、左/右扣帶回、左/右島葉體積減小，腦室、側(cè)腦室、第三腦室、側(cè)腦室下角、左/右側(cè)腦室、左/右側(cè)腦室下角體積增大，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 AccuBrain 工作線路（經(jīng)[5]授權(quán)許可）

圖2 AccuBrain 海馬分割結(jié)果（a，c），原始MRI T1WI 薄層切片（b，d），（經(jīng) [5] 授權(quán)許可） 圖3 腦結(jié)構(gòu)標(biāo)注后的分割示意圖

MCI 和AD 患者的相對(duì)體積的顯著性差異腦區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2， 在考慮到顱內(nèi)總?cè)莘e影響的情況下，MCI 患者的相對(duì)體積與對(duì)照組相比，結(jié)果顯示，海馬、腹側(cè)間腦、丘腦、左/右海馬、左杏仁核、左/右腹側(cè)間腦、左/右丘腦、左/右額葉、左/右顳葉、左扣帶回、左/右島葉所占比率減小，腦室、側(cè)腦室、第三腦室、側(cè)腦室下角、L/R 側(cè)腦室、L/R 側(cè)腦室下角所占比率則增大；且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。AD 患者的相對(duì)體積與對(duì)照組相比， 則顯示海馬、杏仁核、腹側(cè)間腦、丘腦、殼核、伏隔核、左/右海馬、左/右杏仁核、左/右腹側(cè)間腦、左/右丘腦、左/右殼核、左/右伏隔核、左/右額葉、左/右顳葉、左扣帶回、左/右島葉所占比率減小，腦室、側(cè)腦室、第三腦室、側(cè)腦室下角、左/右側(cè)腦室、左/右側(cè)腦室下角所占比率相對(duì)增大，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

討論

引發(fā)AD 的發(fā)病機(jī)制目前尚不明確， 但較為認(rèn)同的病理變化是神經(jīng)細(xì)胞之間和內(nèi)部異常蛋白的逐步沉積， 主要與膽堿能神經(jīng)元缺失、β-淀粉樣蛋白沉積、tau 蛋白過(guò)度磷酸化形成神經(jīng)纖維纏結(jié)相關(guān)［6］。 這種疾病通常開(kāi)始且最嚴(yán)重的是在內(nèi)側(cè)顳葉，尤其是內(nèi)嗅皮層和海馬，之后會(huì)擴(kuò)展到基底顳葉和后扣帶回等邊緣腦皮質(zhì)區(qū)。 在以往的相關(guān)研究中， 主要是采用基于體素的形態(tài)學(xué)測(cè)量方法（voxel-based morphometry，VBM）對(duì)腦MRI 進(jìn)行體積測(cè)量分析，這是英國(guó)學(xué)者Ashbumer 和Friston在2000 年首次提出的［7］?；隗w素的MRI 分析易受研究人員個(gè)體變化的影響， 也不提供大腦區(qū)域某些細(xì)微變化的詳細(xì)空間特征， 所以這種方法有很大的局限性。 筆者使用了AccuBrain 軟件［5］，根據(jù)前人［5］的研究顯示驗(yàn)證，與目前研究使用較廣泛的研究工具FreeSurfer 對(duì)海馬區(qū)的分割進(jìn)行對(duì)比，AccuBrain 對(duì)AD 患者進(jìn)行海馬區(qū)的分割具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。 AccuBrain 是一個(gè)腦量化工具， 可在完全自動(dòng)化的模式下進(jìn)行腦結(jié)構(gòu)和組織的分割和量化， 具有自動(dòng)化和可重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)。AccuBrain 精準(zhǔn)腦影像定量系統(tǒng)可在數(shù)分鐘內(nèi)準(zhǔn)確可靠的得到腦組織的三維體積以及正常同齡人群的百分?jǐn)?shù)，具有100%的可重復(fù)性，精確度可達(dá)93%以上。

表1 MCI組、AD組與對(duì)照組的絕對(duì)體積有顯著差異的腦區(qū)（±s）

表1 MCI組、AD組與對(duì)照組的絕對(duì)體積有顯著差異的腦區(qū)（±s）

腦區(qū)海馬區(qū)杏仁核腦室側(cè)腦室第三腦室側(cè)腦室下角殼核海馬（左）海馬（右）杏仁核（左）杏仁核（右）側(cè)腦室（左）側(cè)腦室（右）側(cè)腦室下角（左）側(cè)腦室下角（右）殼核（左）殼核（右）伏隔核（左）伏隔核（右）額葉（左）額葉（右）顳葉（左）顳葉（右）扣帶回（左）扣帶回（右）島葉（左）島葉（右）MCI 組6.70±0.96 3.57±0.74 152.12±30.11 34.39±19.52 3.52±1.12 0.29±0.18 9.52±1.04 3.28±0.43 3.41±0.56 1.62±0.27 1.96±0.51 18.18±10.70 16.21±8.92 0.17±0.11 0.12±0.08 4.62±0.63 4.66±0.48 0.38±0.08 0.41±0.08 78.81±10.10 82.16±10.12 50.42±7.78 49.49±8.09 11.50±2.05 13.08±2.17 5.57±1.08 6.02±1.05對(duì)照組6.76±0.65 3.59±0.45 127.45±17.71 19.91±12.03 2.84±0.83 0.20±0.15 9.09±0.95 3.35±0.32 3.42±0.35 1.66±0.20 1.93±0.27 10.76±6.82 9.14±5.36 0.11±0.09 0.09±0.06 4.86±0.52 4.47±0.44 0.39±0.06 0.42±0.06 79.22±8.62 83.59±9.94 52.30±5.92 52.36±5.70 11.53±1.45 13.15±1.53 5.91±0.71 6.20±0.65 P 值P 值0.023＊0.536 0.001＊0.004＊0.021＊0.016＊0.145 0.017＊0.020＊0.544 0.711 0.007＊0.002＊0.019＊0.027＊0.169 0.156 0.393 0.721 0.880 0.624 0.006＊0.033＊0.005＊0.014＊0.000＊0.001＊AD 組6.63±1.18 3.16±0.61 186.27±38.63 59.43±26.82 4.61±1.19 0.42±0.23 9.03±1.00 3.25±0.58 3.38±0.63 1.45±0.30 1.70±0.33 30.15±12.75 29.28±15.14 0.23±0.14 0.19±0.10 4.31±0.54 4.44±0.47 0.34±0.05 0.37±0.06 73.26±9.37 77.16±12.10 43.25±7.49 44.72±9.57 10.23±1.09 11.60±1.99 5.11±0.78 5.39±1.24對(duì)照組6.73±0.69 3.57±0.46 125.65±16.86 17.67±5.93 2.71±0.60 0.18±0.10 8.41±1.16 3.33±0.34 3.40±0.37 1.65±0.20 1.92±0.29 9.43±3.39 8.24±2.87 0.10±0.06 0.08±0.05 4.59±0.60 4.10±0.66 0.38±0.06 0.42±0.06 78.14±8.49 82.29±10.41 50.96±6.74 52.10±6.60 11.18±1.34 12.64±1.17 5.77±0.58 6.14±0.76 0.010＊0.016＊0.003＊0.005＊0.002＊0.001＊0.034＊0.006＊0.018＊0.014＊0.028＊0.001＊0.013＊0.001＊0.003＊0.036＊0.040＊0.022＊0.010＊0.047＊0.041＊0.001＊0.006＊0.015＊0.018＊0.000＊0.001＊

表2 MCI組、AD組與對(duì)照組的相對(duì)體積有顯著差異的腦區(qū)

在MRI 上評(píng)估腦萎縮有多種方法， 但是對(duì)于腦萎縮僅靠人眼去評(píng)估在常規(guī)的臨床環(huán)境中是不夠的， 而且圖像評(píng)估是主觀的。 當(dāng)需要定量測(cè)量時(shí)，如在臨床試驗(yàn)中估計(jì)組織損失的比率時(shí)，定量措施對(duì)于評(píng)估疾病必不可少。 為了評(píng)估單個(gè)大腦結(jié)構(gòu)的這種變化，通常是使用興趣區(qū)（region of interest, ROI）分析技術(shù)，主要是由一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的操作員在計(jì)算機(jī)屏幕上的一系列連續(xù)腦結(jié)構(gòu)中勾勒出有問(wèn)題的結(jié)構(gòu)［8］。 ROI 分析是迄今為止腦萎縮測(cè)量的黃金標(biāo)準(zhǔn)［9］，但存在著觀察者/操作員的依賴性、 腦結(jié)構(gòu)和解剖區(qū)域邊界選擇的偏差等主要缺陷， 而AccuBrain 可自動(dòng)分析整個(gè)大腦結(jié)構(gòu)，避免先驗(yàn)選擇區(qū)并消除觀察者的可變性。

眾所周知， 健康的大腦在結(jié)構(gòu)和功能上是不對(duì)稱的， 右側(cè)海馬比左側(cè)海馬大約大5%［10］。Thompson［11，12］等研究支持左半球多于右半球參與AD。 Karas 等［13］使用VBM 發(fā)現(xiàn)，除了早期海馬萎縮外， 還在AD 患者中展示了包括小腦、 丘腦內(nèi)側(cè)、 尾狀核頭部和扣帶回在內(nèi)的全腦灰質(zhì)體積的減少。根據(jù)Braak 等［1］研究顯示在MCI 及AD 的早期階段，首先是內(nèi)嗅皮層發(fā)生嚴(yán)重變化，而海馬、扣帶回、顳極及島葉發(fā)生輕微變化，隨著疾病的進(jìn)展，海馬等區(qū)域損傷顯著，同時(shí)損傷擴(kuò)展到新皮層關(guān)聯(lián)區(qū)域，但此時(shí)影響較輕，例如杏仁核、殼核基部、伏隔核、丘腦等邊緣腦區(qū)，最后病變會(huì)累及錐體外系系統(tǒng)的參與。 也有研究表示［14－16］，扣帶回中的灰質(zhì)丟失可能先于內(nèi)側(cè)顳葉及海馬的改變。Karas［17］的研究認(rèn)為MCI 組灰質(zhì)萎縮的主要部位為雙側(cè)海馬、雙側(cè)顳葉上部、雙側(cè)丘腦、左側(cè)島葉、左側(cè)扣帶回等區(qū)域。 雖然各家的研究結(jié)果不盡相同， 但大家較一致的認(rèn)同為：AD 患者灰質(zhì)萎縮的主要區(qū)域是內(nèi)側(cè)顳葉（如海馬、杏仁核等）、額葉、扣帶回、島葉等，而MCI 表現(xiàn)出與AD 相似的萎縮區(qū)域。 最新的研究調(diào)查［18］顯示，患者在MCI 期間的工作記憶和執(zhí)行功能下降， 此期也被稱為AD臨床前階段，MCI 是認(rèn)知重構(gòu)和神經(jīng)可塑性發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)期， 認(rèn)知變化是在AD 發(fā)病早期和輕度認(rèn)知障礙（MCI）中是明顯的。 65 歲以上的成年人中有10%～20%被診斷為MCI［19］，大約10%的MCI成年人進(jìn)展為AD［20］。與正常年齡匹配的成年人相比，患有MCI 的人進(jìn)展為AD 的速度要更快［21］。在神經(jīng)病理學(xué)上，MCI 成人表現(xiàn)出淀粉樣斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)在大腦中負(fù)責(zé)情景記憶的高級(jí)神經(jīng)區(qū)域，特別在內(nèi)側(cè)顳葉的嗅皮層、皮下和海馬旁回［22］，但是與AD 患者的大腦［23］相比程度較輕。 而研究表明，與工作記憶處理相關(guān)的有前額皮質(zhì)、頂葉區(qū)域、扣帶回和海馬體等腦區(qū)域，而與執(zhí)行功能相關(guān)腦區(qū)域有左側(cè)額葉、 左側(cè)島葉、 左側(cè)尾狀核和殼核、左側(cè)丘腦、扣帶回等，這些發(fā)現(xiàn)都進(jìn)一步支持了本研究的結(jié)果。

神經(jīng)退行性變過(guò)程中的萎縮速度可能不同，取決于大腦的不同解剖區(qū)域和疾病所處的階段，MCI、AD 的嚴(yán)重程度和進(jìn)展可通過(guò)不同解剖區(qū)域的萎縮表現(xiàn)在疾病的不同階段， 總腦容量可能會(huì)低估了腦區(qū)萎縮的嚴(yán)重程度，也有研究曾通過(guò)簡(jiǎn)單的絕對(duì)體積/ICV 的比值來(lái)進(jìn)行歸一化［24,25］，但是目前仍無(wú)明確研究表明腦結(jié)構(gòu)萎縮區(qū)域的絕對(duì)容積與總?cè)莘e之間的存在明顯的相關(guān)性。 在本研究中，絕對(duì)體積具有顯著性差異的腦區(qū)域，相對(duì)體積不一定具有顯著性差異， 考慮到顱內(nèi)總?cè)莘e的情況下， 絕對(duì)體積/ICV 的比值是可以無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義， 但是在定量測(cè)量和估計(jì)組織損失率方面此比值又是必不可少的。

綜上所述， 本研究使用AccuBrain 結(jié)合MRI圖像來(lái)分析全腦結(jié)構(gòu)是可行的， 可以定量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)AD 及MCI 患者的灰質(zhì)萎縮區(qū)域， 且表現(xiàn)方式更直觀，可輔助臨床的早期診斷。但本研究仍有很多不太一致的地方，需要大量的病例來(lái)輔證。