基于自動腦分割技術(shù)分析中國正常中老年人群腦結(jié)構(gòu)體積

張春艷，程敬亮，陳 晨，趙瑞琛，彭媛媛

(鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院磁共振科，河南 鄭州 450052)

自動腦分割技術(shù)將測量分析腦形態(tài)整合到磁化強度預(yù)備梯度回波序列(magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo, MPRAGE)中，掃描結(jié)束直接自動生成腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)體積測量報告[1]，直觀快速，無需后處理，可用于研究帕金森病[2-3]、阿爾茲海默病[1]等常見中老年疾病腦體積改變。目前該技術(shù)所用體積標(biāo)準參考值是依據(jù)國外正常人群的腦結(jié)構(gòu)制定。本研究采用自動腦分割技術(shù)觀察中國正常中老年人群腦結(jié)構(gòu)體積，分析年齡對腦內(nèi)各組織結(jié)構(gòu)體積的影響，以期為制定中國正常中老年人群腦結(jié)構(gòu)體積標(biāo)準值提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2018年4—11月96名健康中老年志愿者，男、女各48名，年齡40～79歲，平均(60±9.9)歲；均為右利手；將其按年齡分為40～49、50～59、60～69、70～79歲(第1、2、3、4組)，各含18、19、42、17名志愿者。納入標(biāo)準：①腦部無外傷史和器質(zhì)性病變；②無相關(guān)家族病史及精神神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病；③近期無服用特殊藥物史；④無藥物及毒品濫用和依賴史；⑤無過度飲酒史；⑥顱腦MRI未見異常。本研究經(jīng)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會批準(批準號：SS-2018-10)，檢查前志愿者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Prisma 3.0T MR掃描儀，64通道頭部相控陣線圈。T2WI： R/TE 4 000/95 ms、層厚 4 mm，層間距 1 mm，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層數(shù) 45；全腦矢狀位MPRAGE TR/TE 2 300/2.9 ms，層厚 1.2 mm，層間距 0 mm，TI 900 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，反轉(zhuǎn)角9°，iPAT因子2，掃描時間 5 min 12 s。掃描結(jié)束獲得原始圖像(圖1A)、腦體積分割圖像(圖1B、1C)和腦結(jié)構(gòu)體積報告，包括全腦、灰質(zhì)、皮層灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液、丘腦、殼核、尾狀核、蒼白球、海馬、腦室、額葉、頂葉、枕葉、顳葉、扣帶回、島葉、小腦及腦干(中腦、橋腦、延髓)的絕對體積值和標(biāo)準體積值。標(biāo)準體積值=絕對體積值/顱腦總體積×100%。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件。以±s表示計量資料。采用雙因素方差分析性別和年齡對腦結(jié)構(gòu)體積的影響；以獨立樣本t檢驗比較不同性別腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積差異，以配對t檢驗比較腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)左右側(cè)體積差異，計算t檢驗的效應(yīng)值：效應(yīng)值=2組均值之差/標(biāo)準差；采用單因素方差分析比較各年齡組腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積差異，以LSD檢驗行兩兩比較，采用FDR方法對結(jié)果進行校正，計算方差分析效應(yīng)值：效應(yīng)值采用Pearson相關(guān)分析觀察腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積與年齡的關(guān)系。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖1 患者女，61歲，MPRAGE序列掃描圖像 A.原始正中矢狀位圖像；B、C.正中矢狀面腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)自動體積分割圖像

2 結(jié)果

2.1 正常中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)標(biāo)準體積值 顱腦總體積(絕對體積值)為(1 343.97±129.12)ml，腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)標(biāo)準體積值見表1。

2.2 不同性別腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積比較 性別及年齡對腦內(nèi)所有結(jié)構(gòu)的影響不存在交互作用(P均>0.05)。不同性別之間，顱腦總體積絕對值及右側(cè)殼核、左、右側(cè)尾狀核、尾狀核、右側(cè)蒼白球、右側(cè)額葉灰質(zhì)、左側(cè)頂葉灰質(zhì)標(biāo)準體積值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05，表2)，余各結(jié)構(gòu)標(biāo)準體積值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)。

2.3 腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)左右側(cè)標(biāo)準體積值比較 丘腦、殼核、尾狀核、額葉、頂葉、枕葉、顳葉、島葉、扣帶回灰質(zhì)及側(cè)腦室左右側(cè)標(biāo)準體積值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)，余結(jié)構(gòu)左右側(cè)差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05，表3)。

表1 正常中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)標(biāo)準體積值(%，±s)

表1 正常中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)標(biāo)準體積值(%，±s)

腦結(jié)構(gòu)體積值腦結(jié)構(gòu)體積值腦結(jié)構(gòu)體積值灰質(zhì)46.08±2.10左側(cè)額葉灰質(zhì)6.76±0.43左側(cè)顳葉白質(zhì)2.14±0.23皮層灰質(zhì)35.87±1.74右側(cè)額葉灰質(zhì)6.33±0.76右側(cè)顳葉白質(zhì)2.26±0.25白質(zhì)31.81±2.29左側(cè)額葉白質(zhì)5.64±0.54左側(cè)扣帶回灰質(zhì)0.45±0.05腦脊液22.11±2.94右側(cè)額葉白質(zhì)5.41±0.52右側(cè)扣帶回灰質(zhì)0.62±0.06左側(cè)丘腦0.50±0.04左側(cè)頂葉灰質(zhì)4.56±0.31左側(cè)島葉0.40±0.04右側(cè)丘腦0.52±0.04右側(cè)頂葉灰質(zhì)4.43±0.29右側(cè)島葉0.45±0.04左側(cè)殼核0.55±0.04左側(cè)頂葉白質(zhì)3.43±0.04小腦8.32±0.67右側(cè)殼核0.49±0.06右側(cè)頂葉白質(zhì)3.32±0.34中腦0.72±0.05左側(cè)尾狀核0.32±0.03左側(cè)枕葉灰質(zhì)1.93±0.20橋腦1.12±0.15右側(cè)尾狀核0.34±0.03右側(cè)枕葉灰質(zhì)2.15±0.24延髓0.39±0.03左側(cè)蒼白球0.15±0.01左側(cè)枕葉白質(zhì)1.00±0.16第三腦室0.14±0.04右側(cè)蒼白球0.15±0.02右側(cè)枕葉白質(zhì)1.18±0.18第四腦室0.16±0.04左側(cè)海馬0.26±0.03左側(cè)顳葉灰質(zhì)4.23±0.34右側(cè)側(cè)腦室0.84±0.44右側(cè)海馬0.25±0.02右側(cè)顳葉灰質(zhì)4.51±0.40左側(cè)側(cè)腦室0.92±0.53

表2 不同性別中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積比較(±s)

表2 不同性別中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積比較(±s)

組別顱腦總體積(ml)右側(cè)殼核(%)左側(cè)尾狀核(%)右側(cè)尾狀核(%)尾狀核(%)右側(cè)蒼白球(%)右側(cè)額葉灰質(zhì)(%)左側(cè)頂葉灰質(zhì)(%)男性1 421.84±115.590.48±0.080.31±0.030.33±0.030.64±0.060.14±0.0126.16±0.954.48±0.29女性1 266.09±89.160.51±0.040.33±0.030.34±0.030.67±0.060.15±0.016.50±0.474.64±0.31t值7.39-2.61-2.31-2.21-2.46-2.36-2.18-2.56效應(yīng)值1.750.930.440.430.480.520.700.50P值<0.050.010.020.030.020.020.030.01

表3 中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)左右側(cè)標(biāo)準體積值比較(%，±s)

表3 中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)左右側(cè)標(biāo)準體積值比較(%，±s)

組別丘腦殼核尾狀核側(cè)腦室額葉灰質(zhì)額葉白質(zhì)頂葉灰質(zhì)左側(cè)0.50±0.040.55±0.040.32±0.030.92±0.536.76±0.435.64±0.544.56±0.31右側(cè)0.52±0.040.49±0.060.34±0.030.84±0.446.33±0.765.41±0.524.43±0.29t值-6.2610.31-9.823.626.249.775.73效應(yīng)值0.390.840.540.160.570.460.46P值<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05組別頂葉白質(zhì)枕葉灰質(zhì)枕葉白質(zhì)顳葉灰質(zhì)顳葉白質(zhì)扣帶回灰質(zhì)島葉左側(cè)3.43±0.401.93±0.200.99±0.164.23±0.352.14±0.230.45±0.050.40±0.04右側(cè)3.32±0.342.15±0.241.18±0.184.51±0.402.26±0.250.62±0.060.45±0.04t值3.95-12.62-12.52-14.10-10.41-43.00-15.58效應(yīng)值0.320.931.060.710.492.801.08P值<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05

注：效應(yīng)值不受樣本容量影響，值越大表明效應(yīng)越明顯、組間差異越大，更具臨床意義

2.4 不同年齡腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)標(biāo)準體積值差異 不同年齡標(biāo)準體積值差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦內(nèi)結(jié)構(gòu)及其多重兩兩比較見表4。腦脊液、右側(cè)側(cè)腦室、第三腦室標(biāo)準體積值與年齡呈正相關(guān)(r=0.60、0.51、0.57，P均<0.05)，皮層灰質(zhì)、雙側(cè)額葉灰質(zhì)、雙側(cè)額葉白質(zhì)、雙側(cè)頂葉灰質(zhì)、左側(cè)枕、島葉灰質(zhì)、雙側(cè)顳葉灰質(zhì)標(biāo)準體積值與年齡均呈負相關(guān)(r=-0.62、-0.46、-0.36、-0.36、-0.37、-0.38、-0.37、-0.30、-0.43、-0.35、-0.32，P均<0.05)。

3 討論

正常人大腦發(fā)育、成熟及老化過程中其各結(jié)構(gòu)的體積不斷發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為生長發(fā)育期和成熟初期腦結(jié)構(gòu)體積逐漸增大，之后隨老化進展而不斷減小[4]。本研究采用Siemens自動腦分割技術(shù)觀察正常中老年人腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積改變，分析其與性別、年齡、左右大腦半球等因素的關(guān)系，并對腦結(jié)構(gòu)絕對體積值進行標(biāo)準化，以去除個體差異，獲得健康中老年人腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積參考值，為研究中老年人群常見腦疾病提供參考。

本研究結(jié)果顯示中國正常中老年男性顱腦總體積大于女性[5-6]，女性腦內(nèi)右側(cè)殼核、蒼白球及額葉灰質(zhì)、左側(cè)頂葉灰質(zhì)及尾狀核體積大于男性。中老年人腦結(jié)構(gòu)體積存在性別差異，通常隨年齡增大，男性腦結(jié)構(gòu)體積萎縮程度較女性更顯著[7-8]，可能是生活習(xí)慣、思維方式、激素水平、自然社會環(huán)境等多方面因素共同作用導(dǎo)致[9-10]。

既往研究[11-13]表明人類大腦具有不對稱性，左右側(cè)大腦半球結(jié)構(gòu)存在明顯差異。大多數(shù)右利手者大腦左半球的優(yōu)勢表現(xiàn)在語言、運動及邏輯分析等方面，殼核與執(zhí)行運動計劃有關(guān)，額頂葉是大腦的語言運動中樞，而大腦右半球的優(yōu)勢表現(xiàn)在非語言的、視聽覺及空間知覺等方面，丘腦、島葉、扣帶回等與記憶、情感等功能相關(guān)，枕顳葉與視聽覺密切相關(guān)。本組所有志愿者均為右利手，左側(cè)殼核、側(cè)腦室及額頂葉灰白質(zhì)體積大于右側(cè)，可能與左半球優(yōu)勢相關(guān)；左側(cè)丘腦、尾狀核、枕顳葉灰白質(zhì)、扣帶回灰質(zhì)及島葉體積小于右側(cè)，可能與右半球的非語言及情感記憶功能等優(yōu)勢有關(guān)。

文獻[14-16]指出中老年人腦內(nèi)廣泛存在增齡性萎縮，主要包括腦室擴大、腦溝增寬及腦實質(zhì)減輕等。SALAT等[14]和WALHOVD等[15]研究均證實額葉、島顳葉等腦區(qū)體積隨年齡增大而減小。本研究不同年齡組間腦脊液、側(cè)腦室及第三腦室體積存在差異，且與年齡呈正相關(guān)；皮層灰質(zhì)、額葉灰白質(zhì)、頂枕顳葉灰質(zhì)及島葉體積亦存在差異，與年齡呈負相關(guān)，表明中老年人腦結(jié)構(gòu)體積隨年齡增長而發(fā)生廣泛改變，且60歲后腦體積萎縮較明顯，與既往研究[16-17]結(jié)果相符。

表4 不同年齡中老年人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)標(biāo)準體積值比較的統(tǒng)計學(xué)結(jié)果

綜上所述，自動腦分割技術(shù)可直觀快速有效分析腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積；不同性別健康中老年人腦內(nèi)結(jié)構(gòu)體積存在差異，腦脊液、側(cè)腦室及第三腦室體積隨年齡增加而增大，皮層灰質(zhì)、額葉灰白質(zhì)、頂枕顳葉灰質(zhì)及島葉體積則隨之縮小。本研究樣本量較少，有待擴大樣本量進一步研究。