基于體素的形態(tài)學(xué)分析方法在ADHD中的應(yīng)用

（湖南工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀

注意力缺陷多動(dòng)障礙（attention deficit/ hyperactivity disorder，ADHD）是兒童期最為常見的一種心理行為障礙[1]。在不同背景下，ADHD檢出率為5%～20%[2]，其中學(xué)齡前兒童發(fā)病率約為3%～7%[3]，約為31%～45%的ADHD患兒同時(shí)表現(xiàn)有學(xué)習(xí)障礙（learning disability，LD）[4]。成年后的ADHD患者主要癥狀為不能很好地規(guī)劃日常生活和簡單工作，甚至?xí)l(fā)展成為反社會(huì)傾向人格障礙，對家人和社會(huì)安全造成負(fù)擔(dān)[5]。因此，對ADHD患者病癥盡早做出判定并施加一定干預(yù)十分必要。

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是一種較有效的神經(jīng)影像檢測手段，通過它可以實(shí)現(xiàn)對大腦結(jié)構(gòu)和功能的在體評估[6]。然而MRI無法同時(shí)獲取影像和病理診斷信息，所以對磁共振成像的后期處理分析顯得格外重要。對神經(jīng)影像學(xué)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理分析技術(shù)包括感興趣區(qū)域法（region of interest，ROI）[7]、基于體素的形態(tài)學(xué)分析方法（voxel-based morphometry，VBM）等。 然 而 ROI法需要先設(shè)置感興趣的腦區(qū)，但應(yīng)表征的異常腦區(qū)或許只占ROI的一部分，或者跨越不同的ROI，此時(shí)應(yīng)用ROI將會(huì)影響后期的分析，所以VBM就成為較ROI更優(yōu)的選擇[8]。

VBM方法于2000年被正式提出[9]。其優(yōu)勢在于，它不僅能夠提供所檢測腦組織的正常分布信息，而且能量化記錄和疾病有關(guān)的腦區(qū)結(jié)構(gòu)的病理信息[10-11]。因此，本文擬通過利用VBM在結(jié)構(gòu)性磁共振上的分析優(yōu)勢，系統(tǒng)地對ADHD患者與正常人群進(jìn)行相關(guān)的對比探究。

2 基于體素的形態(tài)學(xué)分析方法

VBM是一種以體素為最小研究對象的方法（體素可以理解為類似于像素的一種三維圖像的最小組分），對磁共振圖像應(yīng)用VBM方法進(jìn)行分析，能夠定量檢測各腦區(qū)的體積和特征，并通過對比得到腦區(qū)體積的差異。VBM的優(yōu)勢明顯：首先，VBM不需要預(yù)先選取感興趣區(qū)，它直接對全腦進(jìn)行組間比較，而且可以定量地（通過體素的數(shù)量）檢測出差異腦區(qū)的相差程度；另外，VBM具有相對固定的處理過程和分析方式，所以能夠很大程度地減小實(shí)際操作過程造成的誤差。然而VBM也存在不足：VBM分析方法在空間標(biāo)準(zhǔn)化過程中，若個(gè)別腦區(qū)和預(yù)先確定的模板匹配程度低，則會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差，因此要注意腦區(qū)與模板的匹配；除此之外，在具體腦區(qū)分割過程中，不同腦組織成分交界區(qū)容易產(chǎn)生偽影。VBM對于一些腦部微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)的區(qū)分度很大程度上取決于最小單位體素的大小設(shè)置，因此選擇合理的體素大小十分重要。

VBM是一種基于全腦的自動(dòng)化分析技術(shù)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對神經(jīng)影像學(xué)相關(guān)原始圖像數(shù)據(jù)（研究中具體牽涉的數(shù)據(jù)格式見3.1.1圖像的標(biāo)準(zhǔn)化和分割）進(jìn)行自動(dòng)化處理，且最大程度減少人為誤差，它能夠?qū)θX的灰質(zhì)和白質(zhì)進(jìn)行分析，具有較高的客觀性和可重復(fù)性，能夠較為全面地評估患者腦組織形態(tài)變化[12]。目前，主要應(yīng)用的VBM技術(shù)多是優(yōu)化過的VBM技術(shù)，它能夠?qū)ρ芯康臉颖救后w選擇合適的標(biāo)配模板[13]，與傳統(tǒng)的VBM技術(shù)相比，該技術(shù)減少了系統(tǒng)自帶模板所造成的誤差。另外，經(jīng)檢測的組織密度經(jīng)自動(dòng)化的平滑處理之后，能夠轉(zhuǎn)化為體積，從而方便了數(shù)據(jù)的后續(xù)比較與分析[12]。自動(dòng)化處理的理論過程如下（具體的操作過程見“3數(shù)據(jù)處理與結(jié)果討論”部分）。

2.1 空間標(biāo)準(zhǔn)化

空間標(biāo)準(zhǔn)化能夠?qū)⒏鱾€(gè)備試對象的腦部MRI原始圖像轉(zhuǎn)置到一個(gè)預(yù)定的立體空間。此過程將MRI原始圖像與預(yù)定模板圖像的灰度值平方和進(jìn)行最小化處理。首先，對12個(gè)仿射變換參數(shù)與匹配圖像的區(qū)域大小和相應(yīng)位置進(jìn)行估計(jì)；然后，通過非線性變換來進(jìn)行腦結(jié)構(gòu)局部差異的校正；最后，進(jìn)行整個(gè)腦部的形狀匹配。

空間標(biāo)準(zhǔn)化，即通過對圖像的變形，以達(dá)到差別個(gè)體腦的相同腦區(qū)能被盡可能地匹配的目的，但是該過程并非點(diǎn)對點(diǎn)的精準(zhǔn)對應(yīng)。具體實(shí)行時(shí)務(wù)必提高匹配的水準(zhǔn)，但選擇模板要以不影響最終結(jié)果的正確性為準(zhǔn)，一般要求經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的MRI圖像具有較高的分辨率。

2.2 分割

按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)化后的MRI圖像分割成若干小集合，這些獨(dú)立的小集合都在一定的條件下具有同質(zhì)性。分割后的小集合就是腦組織的不同組分：白質(zhì)、灰質(zhì)、腦脊液等。簡而言之，就是將標(biāo)準(zhǔn)化后的腦結(jié)構(gòu)磁共振圖像類比為一個(gè)由幾種不同成分組成的整體，這些組分均勻并且不互相干擾，此時(shí)就能夠使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行差異表征。

2.3 平滑

對分割后的腦組分進(jìn)行平滑處理能夠提高圖像的信噪比，而提高信噪比的目的在于進(jìn)行數(shù)據(jù)對比時(shí)能夠使圖像在較為合理的空間標(biāo)度內(nèi)。為提高統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的有效性，應(yīng)盡量選擇趨于正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，而平滑處理能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)化分布。平滑處理最常使用的方式是將待檢測的圖像與三維高斯核進(jìn)行離散卷積處理。

2.4 統(tǒng)計(jì)建模和假設(shè)檢驗(yàn)

VBM對不同的體素選擇相同的模型，但設(shè)置不同的參數(shù)向量。通過進(jìn)行參數(shù)的估計(jì)和統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算，可得到對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)映射圖，選擇合理的對比度進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，最終結(jié)果以報(bào)告的形式顯示具有顯著差異的腦區(qū)。

常用的統(tǒng)計(jì)模型有協(xié)方差分析、雙樣本T檢驗(yàn)等。由于多數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型均是以廣義線性模型為基礎(chǔ)的，所以在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候要注意選取[10]。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果討論

3.1 數(shù)據(jù)的選取

課題組在1 000 Functional Connectomes Project（FCP）選取數(shù)據(jù)，最終選定兩組備試對象。由于具體實(shí)現(xiàn)過程中的主客觀原因，無法實(shí)現(xiàn)對當(dāng)?shù)貥颖镜牟蓸樱虼诉x擇FCP這樣的網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)庫。由于網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)庫的選樣范圍有限，最終選取兩組實(shí)驗(yàn)對象中A組為ADHD患者組、B組為正常對照組。通過兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終的對比，探究ADHD患者的差異腦區(qū)。

具體參數(shù)設(shè)置：Group A為NewYork_a_ADHD，組內(nèi)共25名研究對象（19名男性，4名女性），年齡范圍為20～50，TR取值為2，slices取值為39，timepoints取值為192；Group B 為NewYork_a，組內(nèi)共84名研究對象（43名男性，41名女性），年齡范圍為7～49歲，TR、slices及timepoints的取值同Group A。

兩組備試對象通過對MRI圖像的T1像應(yīng)用基于體素的形態(tài)學(xué)分析技術(shù)，對比得出顯著差異腦區(qū)。進(jìn)行性別（擬采用每組選取5名男性、4名女性）和年齡篩選（選擇20～40歲范圍內(nèi)對象進(jìn)行比較），最終選定的備試對象分為兩組：Group A選擇ADHD患者，共9名。其中5名男性對象，年齡分別為24,26,26,26,32歲；4名女性對象，年齡分別為20,23,24,24歲。Group B選擇正常對照組，共9名。其中5名男性對象，年齡分別為21,23,30,31,34歲；4名女性對象，年齡分別為20,21,23,28歲。

3.1.1 圖像的標(biāo)準(zhǔn)化和分割

研究過程中主要應(yīng)用SPM8、Xjview（基于Matlab的應(yīng)用軟件包）對圖像進(jìn)行一系列處理。

首先進(jìn)行圖像的標(biāo)準(zhǔn)化和分割（選擇MRI原始圖像，格式為.nii；該過程通過SPM8的Estimate and write操作實(shí)現(xiàn)），處理后新生成5個(gè)文件，分別如下：2個(gè)m0打頭的.nii文件（m0wp1對應(yīng)處理后的腦灰質(zhì)，m0wp2為處理后的腦白質(zhì)）；1個(gè).mat文件（分割矩陣）；1個(gè).txt文件（文件中第1～3列依次為分割后灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液體積）；1個(gè)wm打頭的文件（標(biāo)準(zhǔn)化后的T1加權(quán)像）。

3.1.2 處理后圖像的質(zhì)量評估和剔除

通過 Display one slice for all images 統(tǒng)一顯示所有備試對象T1像的相同圖層，以便進(jìn)行初步的篩選，且每個(gè)備試對象顯示的圖層上可標(biāo)注對應(yīng)的編號便于待測對象的選取。之后進(jìn)行樣本一致性分析，通過協(xié)方差樣本一致性分析，可以定量地進(jìn)行樣本之間的一致性/均質(zhì)性分析，通過該分析達(dá)到非最佳備試對象的剔除。

通過對分析結(jié)果的觀察（在SPM8中進(jìn)行Check sample homogeneity using covariance 操作），最終篩選決定：Group A選ADHD患者共8名。其中4名男性對象年齡分別為24,26,26,32歲；4名女性對象年齡分別為20,23,24,24歲。Group B 選擇正常對照組共7名。其中3名男性對象年齡分別為23,31,34歲；4名女性對象年齡分別為20,21,23,28歲。

3.2 圖像的平滑

選擇m0wp1*進(jìn)行平滑操作（過程通過SPM8中的Smooth選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)），采用默認(rèn)參數(shù)。新生成sm0*打頭文件，即為平滑后的灰質(zhì)圖像。

3.3 雙樣本T檢驗(yàn)

通過 Specify 2nd-level進(jìn)行 two sample t-text，進(jìn)行組間灰質(zhì)差異比較。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 具體參數(shù)設(shè)置Table1 Specific parameter settings

3.4 結(jié)果的估計(jì)

選擇在3.3節(jié)中生成的SPM.mat文件進(jìn)行估計(jì)（通過SPM8中Esimate操作進(jìn)行）。之后定義Contrast：選擇定義t。具體選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行設(shè)定。當(dāng)設(shè)定為[1 -1]，即only+效應(yīng)，具體可以理解為Group A>Group B顯示出的是T1加權(quán)像中Group A 大于 Group B的差異腦區(qū)。[-1 1]效應(yīng)與之相反。

完成上述操作后，會(huì)生成spmT_*打頭的文件（不同文件對應(yīng)于不同對比效應(yīng)）。

3.5 報(bào)告的生成

具體操作如下：在Xjview中選中spmT_0001，設(shè)置對比結(jié)果的精確度為0.01，cluster size（體素差異閾值）為100。選擇對應(yīng)的激活效應(yīng)，點(diǎn)擊report生成報(bào)告（包括具體差異腦區(qū)總體素的個(gè)數(shù)、MNI坐標(biāo)、具體腦區(qū)名稱等）。

圖1為同時(shí)顯示ADHD患者組大于和小于正常對照組的差異腦區(qū)。

圖1 腦區(qū)對比結(jié)果Fig.1 Brain region comparison results

圖1中，依次展示的為顱腦核磁共振分析結(jié)果的矢狀位圖（左上）、冠狀位圖（右上）、橫斷位圖（左下）的差異腦區(qū)結(jié)果。右下的彩色條帶，為對應(yīng)選取的差異衡量標(biāo)尺（一般選取Xjview軟件的默認(rèn)標(biāo)尺即可），標(biāo)尺以0為界（表示兩組對照沒有差異），正值區(qū)間對應(yīng)實(shí)驗(yàn)中組A大于組B的腦區(qū)標(biāo)色區(qū)間、負(fù)值區(qū)間對應(yīng)組A小于組B的腦區(qū)標(biāo)色區(qū)間（標(biāo)色與0的距離越遠(yuǎn)表示差異程度越大）。剖面圖中橙色對應(yīng)only+效應(yīng)腦區(qū)，青色對應(yīng)only-效應(yīng)腦區(qū)。

3.6 結(jié)果與分析

灰質(zhì) Group A 大于 Group B（only+）效應(yīng)結(jié)果如表2所示。

表2 ADHD患者組大于正常對照組的腦區(qū)Table2 Brain area of ADHD patient group larger than the normal control group

灰質(zhì)Group A小于Group B（only-）效應(yīng)結(jié)果見表3。

表3 ADHD患者組小于正常對照組的腦區(qū)Table3 Brain area of ADHD patient group smaller than the normal control group

ADHD有很大的概率（約30%～60%）[7]持續(xù)到患者的成年期，對罹患ADHD的家庭以及社會(huì)具有十分廣泛的影響。實(shí)驗(yàn)中通過進(jìn)行病人與對照組的T1加權(quán)像對比發(fā)現(xiàn)，ADHD患者成年個(gè)體中仍存在腦結(jié)構(gòu)的差異。

研究中發(fā)現(xiàn)的差異腦區(qū)包括：右側(cè)邊緣葉海馬旁回、左側(cè)枕葉舌回、右側(cè)額葉、右側(cè)枕葉/楔葉、左側(cè)邊緣葉扣帶回、左側(cè)額葉/中央旁小葉、左側(cè)丘腦部。其中左側(cè)丘腦部為ADHD患者組大于正常對照組腦區(qū)，其余均為小于正常對照組的腦區(qū)。另外報(bào)告中發(fā)現(xiàn)除灰質(zhì)外，部分腦區(qū)白質(zhì)也存在差異。這可能與ADHD成年個(gè)體的病情有一定的聯(lián)系。

4 已有研究及結(jié)果討論

既往研究表示ADHD患者有腦區(qū)體積減小現(xiàn)象，對于兒童時(shí)期的腦區(qū)研究發(fā)現(xiàn)差異腦區(qū)主要集中在額葉、顳葉、頂葉、楔葉、丘腦、枕葉、扣帶回、舌回等部位[4]。W.Dillo等[14]認(rèn)為，ADHD患者的舌回結(jié)構(gòu)和功能存在顯著的異常。隨著患兒的生長發(fā)育與該病的行為紊亂相關(guān)的腦區(qū)可能出現(xiàn)一定的變化，以藥物輔助治療可在一定程度上改善這些異常[15]。S.Durston等[16]表示，ADHD患兒左枕葉的灰質(zhì)、白質(zhì)較正常對照減少約9%。由于大腦作為一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)才能發(fā)揮其正常功能[1]，因此大腦白質(zhì)纖維傳導(dǎo)束，也起著十分重要的作用。所以白質(zhì)的減少不可避免地對患者的腦部功能造成影響。另外，有研究多次發(fā)現(xiàn)枕葉中部皮層在ADHD中存在異常，但研究人員并不認(rèn)為枕葉皮層異常與ADHD相關(guān)[17]，因此在ADHD的研究中應(yīng)進(jìn)一步增加對枕葉的探索。

研究中男女比例適中，約為1:1。研究對象集中于20～40歲人群，其中灰質(zhì)差異腦區(qū)符合以往的研究結(jié)果。ADHD組左丘腦部灰質(zhì)大于正常組，E.R.Sowell等也曾發(fā)現(xiàn)部分腦區(qū)灰質(zhì)體積增加[17]。以往研究結(jié)果表明兒童時(shí)期存在白質(zhì)差異腦區(qū)，研究中也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)論。研究中灰質(zhì)、白質(zhì)差異腦區(qū)的存在說明兒童時(shí)期的病癥可能影響其成年期的腦組態(tài)，因此通過對患者相關(guān)差異腦區(qū)進(jìn)行早期的干預(yù)有望成為一種新的治療方案。