MRI定量評(píng)估胎兒腦體積

任婧雅，董素貞

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心放射科，上海 200127)

胎兒大腦發(fā)育是復(fù)雜而精細(xì)的過程，妊娠中晚期是胎兒大腦發(fā)育最關(guān)鍵的階段，任何結(jié)構(gòu)發(fā)育異常均可能導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育障礙[1]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)生物學(xué)指標(biāo)是產(chǎn)前篩查顱腦畸形和評(píng)估胎兒大腦發(fā)育的重要參數(shù)。超聲是胎兒產(chǎn)前檢查首選的影像學(xué)方法[2]，但存在局限性，受羊水過少、孕周(gestational age, GA)過大、胎兒體位、胎兒肋骨鈣化、多胎和母體體型肥胖等因素影響，目前尚不能用于評(píng)估胎兒腦皮層細(xì)小結(jié)構(gòu)。MRI不受上述因素限制[3]，具有大視野成像、軟組織分辨率高、可多切面成像優(yōu)勢(shì)，對(duì)研究腦發(fā)育及診斷胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有較明顯優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)前準(zhǔn)確量化評(píng)估胎兒腦容積對(duì)評(píng)估胎兒腦發(fā)育至關(guān)重要。產(chǎn)前MRI應(yīng)用二維線性指標(biāo)，并借鑒超聲結(jié)果[4]評(píng)估胎兒腦發(fā)育，但目前關(guān)于產(chǎn)前三維MRI容積定量評(píng)估胎兒腦容積的報(bào)道較少[5]。本研究基于MRI分割測(cè)量中晚孕期胎兒腦體積，分析其與GA及腦二維線性指標(biāo)的相關(guān)性，評(píng)價(jià)MRI三維定量腦體積評(píng)估胎兒顱腦生長(zhǎng)發(fā)育的價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析自2018年10月—2019年12月60例因超聲疑診胎兒輕微非中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常或有發(fā)育不良孕產(chǎn)史而于上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心接受產(chǎn)前MR檢查孕婦，GA 21～37周，平均(28.4±4.4)周，見圖1。納入標(biāo)準(zhǔn)：①單胎妊娠，GA明確；②孕婦及配偶無遺傳病家族史；③妊娠期間無重大疾病及妊娠期并發(fā)癥史；④胎兒MRI未見中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常。排除標(biāo)準(zhǔn)：①胎兒產(chǎn)前基因檢測(cè)染色體異常；②MR圖像信噪比過低，影響測(cè)量；③MR掃描參數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)分割要求。

1.2 儀器與方法 采用Philips Achieva 1.5T MR儀，16通道線圈。囑孕婦仰臥或左側(cè)臥，平靜呼吸，足先進(jìn)采集胎兒腦軸位、矢狀位及冠狀位圖像。重單次激發(fā)快速自旋回波(single-shot turbo spin echo, SSTSE)序列，TR 15 000 ms，TE 120 ms，矩陣236×220，反轉(zhuǎn)角90°，層厚分別為2、3、4、5 mm，間隔0 mm。

圖1 GA頻數(shù)分布直方圖

1.3 圖像分析

1.3.1 腦二維徑線測(cè)量 由2名具有10年以上經(jīng)驗(yàn)的影像科主任醫(yī)師單獨(dú)對(duì)所有圖像進(jìn)行分析，參考超聲胎兒大腦測(cè)量方法，于層厚4～5 mm的軸位SSTSE序列圖像上測(cè)量胎兒腦二維徑線，包括腦雙頂徑(brain biparietal diameter, BPD)，即軸位所示胎兒最大腦寬(圖2A)；骨雙頂徑(skull biparietal diameter, SBD)，軸位所示胎兒頂骨最寬距離(圖2B)；額枕徑(skull fronto-occipitoal diameter, SOD)，軸位所示胎兒額骨和枕骨間最大距離(圖2C)以及頭圍(head circumference, HC)：HC=(SBD+SOD)枕1.62[6]。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)量3次，取均值為最后結(jié)果。

圖2 于軸位SSTSE序列圖像上測(cè)量2D徑線指標(biāo)示意圖 A.BPD； B.SBD； C.SOD

1.3.2 三維腦體積測(cè)量 采用MATLAB (The MathWorks Inc, Natick, MA)及SPM圖像分析軟件對(duì)層厚2 mm胎兒大腦3切面SSTSE序列圖像進(jìn)行后處理，以超分辨率體積重建(super-resolution volume reconstruction, SVR)方法[7]進(jìn)行高分辨率圖像三維體積重建，之后將經(jīng)過運(yùn)動(dòng)矯正的胎兒冠狀位MRI導(dǎo)入免費(fèi)軟件ITK-Snap 3.8 (http://www.itksnap.org/)，由1名經(jīng)過培訓(xùn)并具有3年兒童神經(jīng)影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的住院醫(yī)師手動(dòng)分割圖像，測(cè)量體下指標(biāo)：①胎兒顱腔內(nèi)體積(intracranial cavity volume, ICV)；②腦總?cè)莘e(total brain volume, TBV)，指大腦、腦干及小腦實(shí)質(zhì)體積總和；③腦脊液容積(cerebrospinal fluid volume, CFV)，包括腦室內(nèi)和腦室外腦脊液，CFV=ICV-TBV[8]。見圖3。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以Spearman相關(guān)性分析觀察GA與BPD、SBD、SOD、HC、ICV、TBV、CFV的相關(guān)性，以及TBV、ICV與BPD、SBD、SOD、HC之間、CFV與HC之間的關(guān)系。以GA為自變量，BPD、SBD、SOD、HC、TBV、ICV及CFV為因變量，分別進(jìn)行線性回歸分析。計(jì)算不同GA胎兒二維腦徑線指標(biāo)、三維腦體積指標(biāo)的平均值以及ICV、TBV、CFV的相對(duì)體積增長(zhǎng)速率[(lnV2-lnV1)/(GA2-GA1)×100%]，其中l(wèi)n是自然對(duì)數(shù),GA1、GA2為給定范圍內(nèi)的GA，V1和V2分別為時(shí)間點(diǎn)GA1和GA2的顱內(nèi)結(jié)構(gòu)平均體積[9]。|r|≥0.8為高度相關(guān)，0.5≤|r|<0.8為中度相關(guān)，0.3≤|r|<0.5為低度相關(guān)，0<|r|<0.3為弱相關(guān)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3 測(cè)量胎兒腦體積示意圖 A～C.冠狀位(A)、軸位(B)、矢狀位(C)原始SSTSE圖像； D～F.經(jīng)過運(yùn)動(dòng)偽影校正的冠狀位(D)、軸位(E)、矢狀位(F)圖像； G～I(xiàn).手動(dòng)分割重建圖像顯示三維腦體積，紅色(G)為ICV，藍(lán)色(H)為TBV，綠色(I)為CFV

圖4 胎兒腦二維徑線與GA的相關(guān)性散點(diǎn)圖 A.BPD； B.SOD； C.SBD； D.HC

圖5 胎兒三維腦體積與GA的相關(guān)性散點(diǎn)圖 A.TBV； B.ICV； C.CFV

2 結(jié)果

60胎中，男35胎，女25胎。不同GA各指標(biāo)平均值及其相關(guān)性結(jié)果見表1。ICV、TBV及CFV的相對(duì)體積增長(zhǎng)速率分別為10.50%/周、11.78%/周及8.68%/周。線性回歸分析結(jié)果示顯示BPD=2.63GA-10.27，SBD=2.60GA-1.31，SOD=2.98GA-0.40，HC=9.04GA-2.72，TBV=13.58GA-256.40，ICV=19.98GA-343.00，CFV=6.41GA-86.50，見圖4、5。BPD、SBD、SOD、HC均與TBV呈高度正相關(guān)(r=0.97、0.95、0.96、0.96，P均<0.01)，與ICV亦存在高度正相關(guān)性(r=0.97、0.95、0.95、0.96，P均<0.01)。HC與CFV呈高度正相關(guān)(r=0.91，P<0.01)。

3 討論

目前胎兒MRI臨床應(yīng)用趨于廣泛[10]，對(duì)于MRI數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的需求日益迫切。定量評(píng)價(jià)胎兒大腦體積對(duì)診斷腦疾病和神經(jīng)科學(xué)研究具有重要作用。監(jiān)測(cè)胎兒顱腦生長(zhǎng)發(fā)育情況有助于早期發(fā)現(xiàn)異常，指導(dǎo)臨床及時(shí)采取干預(yù)和治療措施[11]。隨著圖像后處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有效解決了胎兒運(yùn)動(dòng)、圖像低分辨率及母體組織偽影等帶來的問題，使得胎兒大腦三維體積分割成為可能[12]。本研究借鑒中晚孕期產(chǎn)前超聲檢查的部分常用生物學(xué)指標(biāo)，測(cè)量胎兒腦二維徑線指標(biāo)及三維腦體積指標(biāo)，并分析其相關(guān)性，以期獲得各孕齡胎兒大腦體積參考值，為評(píng)價(jià)胎兒腦發(fā)育提供可靠指標(biāo)。

本研究結(jié)果顯示，各三維腦體積指標(biāo)均與GA呈高度正相關(guān)，且ICV、TBV與GA的相關(guān)性及擬合程度高于BPD、HC，提示中晚孕期胎兒大腦生長(zhǎng)發(fā)育隨GA增長(zhǎng)迅速變化，與既往研究[13]相符。在三維腦體積指標(biāo)中，TBV與GA的相關(guān)系數(shù)最高,可作為評(píng)估大腦發(fā)育情況和估算GA的最佳指標(biāo)，其次為ICV；三維腦體積指標(biāo)均隨GA增加呈線性增長(zhǎng)，故可采用所獲線性回歸方程估算相應(yīng)GA胎兒大腦體積生物學(xué)正常參考指標(biāo)，對(duì)早期發(fā)現(xiàn)胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)畸形和評(píng)估胎兒顱腦生長(zhǎng)發(fā)育有重要意義[14]。

表1 胎兒腦二維徑線指標(biāo)及三維體積指標(biāo)與GA的相關(guān)性分析結(jié)果

相對(duì)體積增長(zhǎng)速率為相對(duì)于大腦結(jié)構(gòu)平均體積的體積增長(zhǎng)百分比。本研究觀察60胎GA 21～37周胎兒全部及局部腦結(jié)構(gòu)平均體積增長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)胎兒大腦二維徑線指標(biāo)與TBV及ICV均呈高度正相關(guān)，CFV與HC亦呈高度正相關(guān)。GHOLIPOUR等[9]評(píng)估25胎胎兒大腦TBV，GA 25周大腦時(shí)TBV為85 cm3，31周為185 cm3；CLOUCHOUX等[15]提出ICV相對(duì)增長(zhǎng)速率(10.33%/周)；本組相應(yīng)結(jié)果均與上述研究相似，表明三維腦體積指標(biāo)可定量分析胎兒大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育。既往研究[16]認(rèn)為二維徑線指標(biāo)對(duì)CFV變化不敏感，無法以之評(píng)估腦外腦脊液體積變化。本研究通過分割重建腦體積動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)CFV(側(cè)腦室內(nèi)外)變化，發(fā)現(xiàn)三維腦體積指標(biāo)對(duì)微小結(jié)構(gòu)的改變更為敏感，可有效補(bǔ)充傳統(tǒng)評(píng)估大腦發(fā)育指標(biāo)的不足。

綜上所述，MRI三維定量腦體積可較好評(píng)估GA 21～37周胎兒顱腦生長(zhǎng)發(fā)育，有望為產(chǎn)前診斷胎兒腦疾病及研究其發(fā)病機(jī)制提供新的影像學(xué)手段。本研究尚存的局限性：①未將大腦分割細(xì)節(jié)化，腦體積指標(biāo)較少；②手動(dòng)分割腦體積需耗費(fèi)大量時(shí)間，自動(dòng)分割腦體積的軟件和算法[17]能大大縮短分割時(shí)間，但對(duì)其精確度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步觀察。