基于磁共振成像的早產(chǎn)兒海馬發(fā)育體積分析

王慧 喬艷 王琪 苗朋 王崇蔚

摘要：目的：研究早產(chǎn)兒海馬發(fā)育過程中的體積變化，探究該階段性別與半球差異。方法：選擇28到37孕周的138例早產(chǎn)兒，其中男84例，女54例，使用ITK-SNAP分割其海馬，通過MATLAB最小二乘法擬合，得出體積—孕周變化曲線，并計(jì)算其性別與半球差異。結(jié)果：28到37孕周早產(chǎn)兒海馬總體積從927.1立方毫米增長(zhǎng)到1155.6立方毫米，男性海馬體積從956.1立方毫米增長(zhǎng)到1202.4立方毫米，女性海馬體積從887.8立方毫米增長(zhǎng)到1082.6立方毫米，左半球海馬體積從438.4立方毫米增長(zhǎng)到585.8立方毫米，右半球海馬體積從488.6立方毫米增長(zhǎng)到569.8立方毫米。結(jié)論：28到37孕周早產(chǎn)兒海馬體積隨孕周增加而增大，近似線性關(guān)系，而性別和半球無明顯差異。

關(guān)鍵詞：海馬；磁共振成像；體積分析；半球差異；性別差異

【中圖分類號(hào)】445.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2107-2306（2019）02-154-02

引言

早產(chǎn)越來越普遍，全世界每年約有1500萬(wàn)嬰兒在母親妊娠不到37孕周時(shí)出生，其中約有20%非常早產(chǎn)的嬰兒在不到32孕周時(shí)出生[1]。而早產(chǎn)兒與足月兒的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律是否相同，早產(chǎn)兒是否會(huì)承受更大的腦功能異常或其他功能異常的風(fēng)險(xiǎn)，便成為了家長(zhǎng)、醫(yī)生至社會(huì)各界人士所急于了解的問題，并隨著我國(guó)早產(chǎn)率的上升而愈發(fā)重要。

早產(chǎn)對(duì)腦功能的不良影響已被大量研究所證實(shí)，Thuy等人認(rèn)為早產(chǎn)與執(zhí)行功能障礙和記憶功能障礙有關(guān)，并可能導(dǎo)致青少年期早產(chǎn)兒在語(yǔ)言流暢性、認(rèn)知靈活性、計(jì)劃組織、工作記憶、語(yǔ)言和視覺空間記憶上表現(xiàn)更差，即使排除了神經(jīng)感覺障礙和智商低于70的樣本后，仍與正常對(duì)照組有較大差異[2]。

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像手段如CT、超聲乃至較低場(chǎng)強(qiáng)的磁共振都無法清晰地顯示海馬，難以對(duì)海馬進(jìn)行形態(tài)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)上的分析。因此利用較高場(chǎng)強(qiáng)的磁共振技術(shù)觀察早產(chǎn)兒海馬，可以為分析早產(chǎn)與腦功能異常之間的聯(lián)系提供更加準(zhǔn)確、客觀的依據(jù)。

體積分析作為研究海馬發(fā)育的重要手段已被廣泛使用，但因?yàn)橐酝氖茉囌叨酁槲鞣饺耍栽谖覈?guó)重新研究具備一定的實(shí)際意義，可以更加準(zhǔn)確的掌握我國(guó)早產(chǎn)兒海馬的實(shí)際發(fā)育過程，有利于探索其與早產(chǎn)兒腦功能異常之間的關(guān)系。

1方法

1.1被試篩選

138例早產(chǎn)兒腦部磁共振圖像被用于此次研究，其中男84例，女54例。圖像由徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院提供，從2005年到2018年的約420例早產(chǎn)兒腦部磁共振圖像中隨機(jī)抽取，排除病人重復(fù)、畸形、嚴(yán)重腦病，得出研究樣本。

1.2 掃描參數(shù)

場(chǎng)強(qiáng)：1.5 T 。

層厚 5～6 mm，層間隔 ≤ 層厚 × 20% 。

FOV：（200～240）mm ×（200～240）mm，矩陣 ≥ 256 × 192 。

TR、TE、TI等與序列特征相對(duì)應(yīng)。

增強(qiáng)釓對(duì)比劑一般采用手推靜脈注射，常規(guī)劑量為 0.1 mmol/kg 或遵藥品使用說明書。

1.3圖像采集

在電子病歷系統(tǒng)上，以磁共振和早產(chǎn)兒為關(guān)鍵詞，篩選得出2005年到2018年的全部早產(chǎn)兒腦部磁共振圖像，記錄其放射號(hào)。再?gòu)募s420例放射號(hào)中隨機(jī)選取200例，查詢電子病歷系統(tǒng)并記錄其的姓名、性別、檢查時(shí)間、檢查原因和是否有腦部疾病。然后排除病人重復(fù)、畸形和有嚴(yán)重腦病的圖像，得到138例符合要求的早產(chǎn)兒腦部磁共振圖像。最后依據(jù)其放射號(hào)，從PACS系統(tǒng)中獲取目標(biāo)圖像。

1.4分割

通過利用ITK-SNAP（醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，支持DICOM標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)早產(chǎn)兒腦部磁共振圖像進(jìn)行海馬分割，分割參考標(biāo)志使用側(cè)腦室下角和側(cè)腦室后角。用紅、綠兩種顏色分別分割左、右側(cè)海馬，生成相應(yīng)mask像并進(jìn)一步得出左、右側(cè)海馬的三維模型，計(jì)算其左、右側(cè)海馬的體積。

1.5統(tǒng)計(jì)分析

利用MATLAB對(duì)男海馬體積—孕周、女海馬體積—孕周、左海馬體積—孕周、右海馬體積—孕周分別進(jìn)行最小二乘法擬合，并加以組合對(duì)比，為更加全面地觀察變化趨勢(shì)，最小二乘法N值從2取到3為一個(gè)系列。

2結(jié)果

取最小二乘法n=2，在28孕周到37孕周：

海馬總體積隨孕周增加而增加，從927.1立方毫米增長(zhǎng)到1155.6立方毫米，增長(zhǎng)228.5立方毫米。

男性海馬體積隨孕周增加而增大，從956.1立方毫米增長(zhǎng)到1202.4立方毫米，增長(zhǎng)246.3立方毫米，均值1107立方毫米；女性海馬體積隨孕周增加而增大，從887.8立方毫米增長(zhǎng)到1082.6立方毫米，增長(zhǎng)194.8立方毫米，均值1060立方毫米。

左側(cè)海馬體積隨孕周增加而增大，從438.4立方毫米增長(zhǎng)到585.8立方毫米，增長(zhǎng)147.2立方毫米，均值533立方毫米；右側(cè)海馬體積隨孕周增加而增大，從488.6立方毫米增長(zhǎng)到569.8立方毫米，增長(zhǎng)81.2立方毫米，均值537立方毫米。

3討論

早產(chǎn)兒的海馬總體積是隨著時(shí)間穩(wěn)定增加的，且在一定區(qū)間內(nèi)接近線性關(guān)系。同時(shí)Jacob 等人發(fā)現(xiàn) 21.3 孕周到 31.9 孕周的胎兒，其海馬體積表現(xiàn)為線性增長(zhǎng)[3]，這說明雖然多數(shù)早產(chǎn)兒的海馬體積比足月兒要小，但它們可能都是以近似線性關(guān)系不斷發(fā)育而來的，也就是說早產(chǎn)兒和足月兒的海馬體積差異主要體現(xiàn)在增長(zhǎng)速率不同，即k值的不同。因此，探究影響海馬發(fā)育速率的因素是降低早產(chǎn)兒腦功能異常發(fā)生概率的首要工作，而這些則有賴于更進(jìn)一步的研究去發(fā)現(xiàn)。

男性早產(chǎn)兒海馬體積可能比女性早產(chǎn)兒海馬體積微大，但差異不明顯。不能排除樣本人群代表性不足、女性樣本較少、疾病、環(huán)境因素等等所造成的誤差，仍需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本，改進(jìn)設(shè)備以獲取更具有說服力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

雖然有研究表明早產(chǎn)兒海馬發(fā)育具有不對(duì)稱性，但在本次研究中得到了左、右半球的海馬體積并沒有明顯差異的結(jié)論。

4結(jié)論

此次研究通過手動(dòng)分割28到37孕周的早產(chǎn)兒海馬MRI圖像，創(chuàng)建3D模型并測(cè)定其體積，最后利用最小二乘法擬合得到幾種體積隨時(shí)間變化的曲線，得到以下認(rèn)識(shí)：早產(chǎn)兒海馬總體積存在著一定線性特征，早產(chǎn)兒左、右半球海馬體積差異不明顯，男性早產(chǎn)兒海馬體積比女性早產(chǎn)兒海馬體積微大，但兩者差異較不明顯。

建議改善實(shí)驗(yàn)條件、擴(kuò)大樣本、改進(jìn)樣本方法，除體積分析以外，還可進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析，更可以借助人工智能，更加精確高效地診斷出早產(chǎn)兒海馬情況。進(jìn)一步摸索影響海馬發(fā)育線性特征的因素，為改善早產(chǎn)兒海馬發(fā)育情況，降低早產(chǎn)兒腦功能異常發(fā)生率打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Chang， H.H.， Larson， J.， Blencowe， H.， Spong， C.Y.， Howson， C.P.， Cairns-Smith， S.， Lackritz， E.M.， Lee， S.K.， Mason， E.， Serazin， A.C.， Walani， S.， Simpson， J.L.， Lawn， J.E.， 2013. Preventing preterm births： analysis of trends and potential reductions with interven- tions in 39 countries with very high human development index. Lancet 381 （9862）， 223–234.

[2]Thuy ML， Ment L， Allan W， Schneider K， Vohr BR （2011）： Executive and Memory Function in Adolescents Born Very Preterm. Pediatrics 127：E639–E646

[3]Jacob， F.D.， Habas， P.A.， Kim， K.， et al.， Fetal hippocampal development： analysis by magnetic resonance imaging volumetry. Pediatr Res. 2011. 69， 425-429