注意缺陷多動障礙患兒腦結構和功能磁共振成像研究

謝娜，孫龍偉，徐守軍，曾偉彬

注意缺陷多動障礙患兒腦結構和功能磁共振成像研究

謝娜*，孫龍偉，徐守軍，曾偉彬

目的 使用三維高分辨結構磁共振和靜息態功能磁共振成像技術研究注意缺陷多動障礙（attention deficit/hyperactivity disorder， ADHD）兒童的腦部改變，探討其腦功能改變是否具有結構基礎。材料與方法 對10例ADHD患兒及10例正常對照組兒童進行全腦掃描，獲取高分辨T1加權圖像，得到每個被試的灰質及白質體積參數圖；獲取靜息態功能圖像，得到低頻振幅（amplitude of low frequency fluctuation， ALFF）參數圖。采用基于體素的分析方法比較兩組被試參數圖之間的差別。結果 與正常對照組相比，ADHD患兒雙側額中回、中央前回、前扣帶皮質、殼核，左側眶額皮質、尾狀核及右側小腦的灰質體積減小；雙側前額葉白質、胼胝體前部和后部及左側眶額白質體積減小。在前扣帶回、前額葉、尾狀核等區域，ADHD患兒存在顯著的ALFF的升高，提示自發功能活動更加活躍。結論 ADHD兒童在腦部功能和結構兩方面均有異常，且存在相互關聯，揭示該疾病的病理機制。

注意缺陷多動障礙；磁共振成像；腦；磁共振成像，功能；兒童

注意缺陷多動障礙（attention defcit/hyperactivity disorder， ADHD）是以注意渙散、多動和沖動為主要特征的精神障礙，在學齡兒童很常見，發病率約3%～7%。ADHD的發病機制尚不完全明確，有學者提出，ADHD有其神經生理學基礎，腦功能的異常可能是發病的原因，已經在以前的研究中得到較多闡述，同時腦組織結構形態的改變也在影像學研究多有報道［1］。本研究擬通過對同一批被試進行結構磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）和靜息態功能磁共振成像（restingstate functional MRI， rs-fMRI）研究，特別是通過基于體素的形態學（voxel-based morphometry， VBM）分析，獲取全腦白質與灰質體積的信息，來同時檢測ADHD患兒的腦結構及功能與健康兒童的差異，并探討二者的關系，為ADHD的發病機制提供影像試驗依據，為此病早期康復提供理論依據和指導。

1 材料與方法

1.1 研究對象

ADHD組為2012年1月至2013年12月在我院兒童保健科心理門診就診的ADHD患兒，共10例，均為男童，年齡6～16歲，平均10.5歲（SD=2.2）。所有患兒均符合美國精神障礙診斷與統計手冊第4版（DSM-IV）中關于ADHD的診斷標準；韋氏智力測驗智商≥80分；顱腦常規MRI表現正常。本研究經醫院倫理委員會批準通過，掃描前向受試者父母或監護人解釋清楚試驗目的、方法，并與其簽訂知情同意書。正常對照組10例，為年齡和性別與ADHD患者相匹配的健康兒童。20例受試者均為右利手。

1.2 MRI數據采集

磁共振掃描使用1.5 T MR全身成像系統（GE EXCITE， Mikaukee， USA）進行，并用8通道頭線圈接收信號。掃描前向被試介紹具體掃描情景，或者直接躺入磁體體驗，緩解緊張情緒。掃描時要求受試者仰臥，頭部采用軟泡沫外裹吸氣氣囊固定。首先進行常規頭部磁共振成像獲得標準的臨床T1與T2圖像，由放射科醫師進行實時診斷，未發現顯著形態學異常者繼續進行后續的掃描，此時確認被試已經適應掃描環境。

1.2.1 圖像后處理和統計分析

采用3D擾相梯度回波序列（SPGR）：重復時間（TR）=12 ms，回波時間（TE）=4 ms，反轉角12度，掃描視野（FOV）=22 cm×22 cm，層厚l.5 mm，矩陣192×192，信號累加兩次，全腦共采集232層軸位圖像。

1.2.2 圖像后處理和統計分析

采用單次激勵平面回波成像（echo planner imaging， EPI）序列，TR=2000 ms，TE=30 ms，FOV=20 cm×20 cm，掃描矩陣=64×64，無間隔軸位掃描30層，層厚=5 mm，層面方位左右對稱，前后方向沿矢狀位上前后聯合連線確定，掃描范圍包括全腦，掃描時間6 min，重復180個TR。掃描時受試者被要求安靜平臥，保持清醒并注視線圈上方通過反射鏡投射的屏幕中的十字標記，而避免其他思考，使用橡皮耳塞降低噪聲。被試的狀態在掃描結束后與其進行確認。

1.3 數據分析

1.3.1 三維高分辨率T1圖像采用優化的基于體素的形態學（voxel-based morphometry， VBM）方法處理

VBM是統計參數圖軟件（SPM8，http：//www. fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）內嵌的一套結構影像數據處理流程。優化的VBM算法流程如下：（1）創建平均全腦模板，將所有的原始圖像用12個參數的仿射變換配準到MNI（Montreal Neurological Institute）模板T1像，進行空間高斯平滑，及疊加平均。（2）創建灰白質模板，將原始圖像配準到之前產生的模板，分割提取灰質或白質，空間高斯平滑，及疊加平均。（3）優化的處理過程，對原始圖像進行分割，將原始的灰質或白質圖像用創建的灰質或白質模板進行標準化，所得的標準化參數應用于相應的原始圖像，得到最終標準化的全腦圖像。將標準化后的圖像進行分割，而后將灰質圖像進行平滑，對所得的圖像選擇合適的統計方法就可以進行灰質或白質體積或密度的比較，本研究取組織的體積作為形態學指標進行統計分析。

1.3.2 靜息態功能MRI影像數據使用SPM8預處理

先將靜息態功能數據的前5個剔除，以排除掃描開始階段由于縱向磁化未達穩態及受試者不適應掃描噪聲對結果造成的影響，隨后進行片層時序調整，頭動校正，標準化等步驟，并將頭動平移超過2 mm或轉動超過2度的數據排除。預處理過后的rs-fMRI數據在REST軟件（http：// resting-fmri.sourceforge.net）中完成帶通濾波（0.01～0.08 Hz）以去除生理噪聲如心跳及呼吸節律的影響，最后去線性。每個體素的時域信號經傅里葉變換到頻域，將頻域譜在0.01～0.08 Hz范圍內做均方根計算，即為該體素的低頻振幅（amplitude of low frequency fluctuation， ALFF）值。筆者用ALFF參數圖表征全腦的自發功能活動強度。

1.4 統計學分析

所有參數圖像（灰質體積、白質體積和ALFF）的組間比較均使用SPM8進行基于體素的分析。所有比較采用雙樣本t檢驗，首先設置體素水平的P＜0.005作為最初閾值，然后將經過多重檢驗校正的團簇水平P＜0.05，團簇體積＞10個體素作為確定顯著區域的條件，比較ADHD患兒與正常對照組間的差異。

圖1 ADHD患兒較對照組灰質體積顯示減少的腦區Fig. 1 Brain maps that show reduction of gray matter volumes in ADHD children compared with healthy controls

表1 與健康對照相比，ADHD患者灰質體積減小的區域Tab.1 Compared with healthy controls， children with ADHD showed gray matter volume decreases

2 結果

ADHD患兒與正常對照組相比，雙側額中回、中央前回、前扣帶皮質、殼核，左側眶額皮質、尾狀核及右側小腦的灰質體積減小（表1、圖1）。雙側前額葉白質、胼胝體前部和后部及左側眶額白質體積減小（表2、圖2）。靜息態數據的比較顯示，相比健康兒童組，ADHD兒童在雙側前扣帶回、右側額中回、右側額上回及雙側尾狀核ALFF顯著升高（表3、圖3）。

3 討論

ADHD是最常見的兒童行為問題，主要表現注意缺陷、沖動和多動，對患者的學習、工作及社交生活各個方面都有很大影響。結構MRI是研究腦部解剖及確定其改變最主要的影像學手段［2］。高分辨磁共振結構成像以及相關的圖像分析技術為研究大腦組織的形態結構特征提供了可行的技術手段［3］。rs-fMRI是被廣泛接受的腦功能研究技術［4］，尤其是對于執行特定任務難度較大的兒童，簡便易行，數據更加可靠，而ALFF是利用rs-fMRI得到的最直接的功能指標，反映局部腦神經元自發活動水平的高低。通常的假設是ALFF值增大，

圖2 ADHD患者較對照組白質體積顯示減少的腦區Fig. 2 White matter regions that show significant volume decrease in ADHD children compared to the controls

1表示腦區興奮性增高，反之則提示活動減弱。

本研究發現，與對照組相比，ADHD患兒雙側前扣帶回皮質和白質體積都較對照組減小，而ALFF顯著升高，說明ADHD患兒這個腦區無論是結構還是功能，都可能異常。前扣帶回位于額葉內側面，是前額葉-扣帶回腦區的一部分，主要維持背外側前額皮質、頂葉皮層和紋狀體之間的聯系。前扣帶回認知區在認知過程、反應選擇與抑制、目標檢測、差錯判別以及動機等多方面起著關鍵作用［5］。很多研究都證明前扣帶回認知區機能障礙可能導致注意缺陷多動障礙的一系列癥狀，如注意分散、活動過度、行為沖動等［6］。

圖3 ADHD患者較對照組rs-fMRI低頻振幅顯著升高的腦區Fig. 3 Map of increased ALFF between ADHD children compared with the controls

表2 與健康對照相比，ADHD患兒白質體積減小的區域Tab.2 Compared with healthy controls， children with ADHD showed decrease of white matter volumes

表3 相比正常對照兒童，ADHD患者的低頻振幅顯著升高的腦區Tab.3 Compared with healthy controls， children with ADHD showed increased ALFF in the bilateral

筆者發現，ADHD患兒額葉的其他幾個腦區，如雙側額中回及中央前回、左側眶額皮質等，灰質體積較對照組為低，雙側前額葉白質體積也減少，而功能數據中，右側額中回和額上回的ALFF增高。有研究報道，前額葉的眶額部與社會抑制和沖動控制有關，而背外側前額葉則和工作記憶和注意過程相關，前額部腦網絡的結構改變，及其與紋狀體和小腦的連接，已被發現與ADHD兒童和成年患者認識障礙，如注意力分散、健忘、沖動、不良計劃和多動有關［7-8］。

基底節區是另一受累的區域。筆者發現，雙側殼核和右側尾狀核灰質體積減小，而雙側尾狀核ALFF增高。基底節被認為與目標導向行為的準確執行有關［9］，而ADHD患者基底節，特別是紋狀體的結構與功能異常與其反應控制行為缺陷相關，這些都能夠解釋所觀察到的尾狀核及殼核區域結構和功能的異常。近年來的神經解剖［10］及神經影像研究［11］表明，小腦不僅參與機體運動調節和控制，也參與注意、工作記憶、視覺記憶等認知行為活動，而工作記憶缺陷是ADHD行為抑制缺陷的繼發表現之一。這也與本研究中右側小腦皮層體積較對照組減小相符。本研究中ADHD患兒胼胝體前部和后部體積均較對照組減小，而胼胝體作為最大的白質纖維束連接兩側大腦半球，它的異常可能影響依賴于雙側大腦共同作用的認知功能。一些針對成年ADHD患者的研究發現，基底節/紋狀體體積與正常對照組并沒有差異［12］。同時有臨床研究發現，ADHD患者雖然注意缺陷的癥狀很少消失，但多動/沖動的癥狀會隨著時間顯著減輕［13］。這可以解釋很多臨床病例成年后多動和沖動癥狀減少。研究發現額葉-紋狀體環路在執行功能中起重要作用［2］，這個環路包括背外側前額葉皮質、眶額葉、前扣帶回和基底神經節等。而本研究發現的異常腦區大部分都處于這個環路之上，更進一步證明ADHD患兒執行功能異常可能與此環路的異常有關，這也與之前的任務相關功能磁共振的研究結果大致吻合［14］。

由于本研究的樣本量較小，對于開展基于體素的影像學分析，精確度可能會受到一些影響。但筆者發現的ADHD患兒腦部結構和功能的異常與先前的研究基本一致，證實了結果的可靠性。同時腦部3D T1結構與靜息態數據的結果匹配，提示ADHD患兒同時存在的腦部結構和功能異常發育是互相關聯的。聯合運用結構MRI和功能MRI技術能夠更好地揭示ADHD的病理生理機制，有利于指導ADHD的臨床治療和康復。

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A study of brain structural and functional magnetic resonance imaging in children with attention defcit hyperactivity disorder

XIE Na*， SUN Long-wei， XU Shou-jun， ZENG Wei-bin
Department of Radiology， Shenzhen Children's Hospital， Shenzhen 518026， China
*

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of Shenzhen science and technology research and development fund project（No. JCYJ20130401114111467）； Shenzhen health science and research project（No. 201303267）.

Objective： To investigate the structural and functional brain changes in ADHD children using MRI. Materials and Methods： Ten ADHD children and 10 matched healthy controls underwent whole brain MRI scans on a GE 1.5 T scanner. High resolution 3-dimensional T1 weighted images and resting-state functional MRI were acquired. From MRI data， parametric maps （the volume maps of gray/white matter tissues and ALFF） were computed in standard toolkits， and group comparisons were performed in SPM8 using a voxel-based approach. Results： Compared with healthy controls， children with ADHD showed decrease of gray matter volumes in the bilateral mid-frontal cortex， precentral cortex， anterior cingulate cortex， putamen， and left orbitofrontal cortex and right caudate and cerebellum， decrease of white matter volumes in the bilateral prefrontal gyrus， anterior and posterior of corpus callosum and left orbitofrontal gyrus， and increased ALFF in bilateral anterior cingulate cortex， right mid- and superior-frontal cortex. Conclusion： ADHD is associated with both structural and functional defcits in brain development. High resolution 3D T1WI and rs-fMRI provides complementary neuropathological information underlying ADHD.

Attention deficit hyperactivity disorder； Magnetic resonance imaging；Brain； Magnetic resonance imaging， functional； Child

深圳市科技研發資金項目（編號：JCYJ20130401114111467）；深圳市衛生科研項目（編號：201303267）

深圳市兒童醫院放射科， 深圳518026

謝娜，E-mail：xiena@139.com

2016-04-15

接受日期：2016-07-25

R445.2；R742

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.08.005

謝娜， 孫龍偉， 徐守軍， 等. 注意缺陷多動障礙患兒腦結構和功能磁共振成像研究. 磁共振成像， 2016， 7（8）： 582-586.