纖維自動(dòng)量化技術(shù)在中重度OSAHS患者腦白質(zhì)損傷中的應(yīng)用

李丹陽(yáng)，孫雨美，劉婉晴，胡冰，伍建林，張清

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS)是指在睡眠過(guò)程中部分或完全的上呼吸道阻塞為特征的慢性睡眠呼吸障礙性疾病，反復(fù)上呼吸道阻塞會(huì)導(dǎo)致夜間間歇性缺氧和睡眠碎片化。流行病學(xué)研究顯示此病的男性發(fā)病率為13%～33%，女性發(fā)病率為6%～19%[1-3]。OSAHS患者由于長(zhǎng)期急性/慢性間歇性缺氧，可導(dǎo)致與調(diào)節(jié)情緒、自主神經(jīng)、認(rèn)知和呼吸控制相關(guān)的腦白質(zhì)損傷[4]，進(jìn)而出現(xiàn)焦慮、注意力障礙和日間嗜睡等問(wèn)題[5]。其中焦慮是OSAHS最常見(jiàn)的癥狀之一，發(fā)病率可達(dá)11%～70%[6]。自動(dòng)纖維量化(automated fiber quantification，AFQ)技術(shù)是由Yeatman團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一款基于Matlab平臺(tái)的開(kāi)源軟件(https://github.com/jyeatman/AFQ)，可自動(dòng)識(shí)別并量化分析腦白質(zhì)纖維通路[7]，它可以自動(dòng)、高效提取全腦20條主要神經(jīng)纖維束，并將每一條神經(jīng)纖維束細(xì)分為100個(gè)等距節(jié)段，之后再將FA等擴(kuò)散張量指標(biāo)映射到纖維束的每一個(gè)細(xì)分節(jié)段，從而實(shí)現(xiàn)將纖維束張量成像指標(biāo)異常改變的準(zhǔn)確定位。由于疾病可以僅造成局部纖維束發(fā)生改變，所以對(duì)于全腦纖維束擴(kuò)散張量成像指標(biāo)的測(cè)量就更加需要進(jìn)一步的精細(xì)研究[7]。近年來(lái)AFQ技術(shù)已在阿爾茲海默病、癲癇、抑郁癥及原發(fā)性失眠等疾病的相關(guān)神經(jīng)影像領(lǐng)域的研究中得到較為廣泛的應(yīng)用[8-11]。但是在OSAHS領(lǐng)域尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本研究首次利用AFQ分析方法來(lái)探究OSAHS患者腦白質(zhì)纖維束的具體損傷情況，并分析這種損傷程度與焦慮量表評(píng)分之間的相關(guān)性，旨在通過(guò)此方法為OSAHS相關(guān)腦白質(zhì)損傷提供更多精準(zhǔn)信息，并揭示其可能的神經(jīng)病理學(xué)基礎(chǔ)，為臨床診治提供客觀的影像信息。

材料與方法

1.基本臨床資料

于2018年10月—2019年7月在本院耳鼻喉科門(mén)診招募33例經(jīng)臨床確診的中重度OSAHS患者。其中，男29例，女4例；年齡(40.15±8.52)歲，同期招募了28例性別、年齡和受教育年限與患者組相匹配的無(wú)障礙睡眠者(no sleep disorder，NSD)作為正常對(duì)照組。本項(xiàng)研究已經(jīng)得到本院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，且每例受試者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前簽署了知情同意書(shū)。

中重度OSAHS組的納入標(biāo)準(zhǔn)：①根據(jù)2012年中華醫(yī)學(xué)會(huì)呼吸病學(xué)分會(huì)睡眠呼吸障礙學(xué)組《阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征診治指南(2011年修訂版)》的診斷標(biāo)準(zhǔn)[12]，經(jīng)夜間(>7h)多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀(polysomnography，PSG)監(jiān)測(cè)顯示低通氣指數(shù)(apnea hypopnea index，AHI)>15次/小時(shí)；②首次就診，且未接受過(guò)針對(duì)此疾病的任何形式的治療；③年齡25～60歲，受教育年限>9年，右利手，體重<125kg；④無(wú)OSAHS之外的其它類型的睡眠障礙性疾病；⑤無(wú)精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，未服用過(guò)精神類藥物；⑥無(wú)磁共振檢查禁忌證。OSAHS組的排除標(biāo)準(zhǔn)：①有高血壓、糖尿病、嚴(yán)重心血管疾病及阿爾茲海默癥等疾病史；②顱內(nèi)腦結(jié)構(gòu)有異常改變(嚴(yán)重的腦白質(zhì)病變、腦萎縮、 腦梗死、腦外傷、腦血管性及腫瘤性病變)。

NSD組的納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡25～60歲，受教育年限>9年，右利手，體重<125kg；②經(jīng)臨床診斷無(wú)OSAHS等睡眠障礙性疾病，且AHI<5次/小時(shí)；③無(wú)精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無(wú)服用精神類藥物史。NSD組的排除標(biāo)準(zhǔn)同OSAHS組。

2.PSG檢查

在行頭顱MRI檢查前于本院耳鼻喉科睡眠監(jiān)測(cè)室使用Philips Alice 6多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀對(duì)受試者進(jìn)行整晚睡眠監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)當(dāng)日禁服興奮或催眠類藥物。

3.焦慮癥狀評(píng)分

采用焦慮自評(píng)量表(self-rating anxiety scale，SAS)對(duì)受試者的焦慮癥狀進(jìn)行評(píng)估，以50分作為界值[13]。受試者均在MRI檢查前進(jìn)行測(cè)試，且處于清醒狀態(tài)下(無(wú)倦怠、困意感等)，在安靜、柔和的光線環(huán)境下完成此量表的填寫(xiě)，并由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員進(jìn)行評(píng)估。

4.MRI檢查方法

使用Siemens Magnetom Verio 3.0T磁共振掃描儀和12通道相控陣頭線圈，使用海綿墊固定受試者頭部以減少運(yùn)動(dòng)偽影。DTI采用單次激發(fā)SE-EPI序列，掃描參數(shù)：TR 6000 ms，TE 95 ms，層厚3.0 mm，矩陣128×128，翻轉(zhuǎn)角90°，視野230 mm×230 mm，帶寬1502 Hz/Px，b=0和1000 s/mm2，30個(gè)擴(kuò)散梯度方向。同時(shí)采用3D高分辨率預(yù)磁化快速梯度回波(magnetization-prepared rapid acquisition with gra-dient echo,MPRAGE)序列行矢狀面薄層T1WI，為前-后連合(anterior commissure-posterior commissure,AC-PC)的定位提供解剖信息，掃描參數(shù)：TR 1900 ms，TE 2.79 ms，層厚1.0 mm，矩陣384×384，視野259 mm×259 mm，翻轉(zhuǎn)角9°。

5.AFQ數(shù)據(jù)處理

首先利用牛津大學(xué)腦功能磁共振成像軟件FSL(http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/)進(jìn)行圖像處理[14]，計(jì)算4項(xiàng)DTI指標(biāo)，包括各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy,FA)、平均擴(kuò)散系數(shù)(mean diffusivity,MD)、軸向擴(kuò)散系數(shù)(axial diffusivity,AD)及徑向擴(kuò)散系數(shù)(radial diffusivity,RD)。AFQ技術(shù)識(shí)別和量化分析纖維束的過(guò)程主要有以下步驟[7]：①運(yùn)用確定性流線型纖維追蹤算法(streamlines tracking algorithm,STT)對(duì)每一例被試進(jìn)行全腦纖維束追蹤[15-16]；②基于Waypoint ROI程序進(jìn)行全腦纖維束的分割[17]，同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)Waypoint ROI則被定義為一條特定的纖維束；③通過(guò)概率性纖維圖譜來(lái)進(jìn)行纖維的細(xì)分[18]，并將概率性圖譜轉(zhuǎn)換到個(gè)體空間上；④利用迭代次數(shù)來(lái)刪除由于數(shù)據(jù)中的噪聲、纖維束方向區(qū)域的復(fù)雜性及模糊的停止標(biāo)準(zhǔn)所造成的纖維示蹤技術(shù)的誤差；⑤在每條纖維束上確定100個(gè)等距節(jié)段，并根據(jù)每個(gè)節(jié)段的平均位置確定出纖維束的核心位置；⑥在纖維束上通過(guò)取加權(quán)平均值來(lái)計(jì)算出每個(gè)節(jié)段的擴(kuò)散張量特征值。

6.統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)兩組受試者的基本臨床資料及焦慮抑郁量表評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，兩組間性別構(gòu)成的比較采用卡方檢驗(yàn)。對(duì)兩組間采用AFQ分析方法獲得的20條纖維束上每一節(jié)段的DTI指標(biāo)值進(jìn)行500次的隨機(jī)置換檢驗(yàn)[19]，最終進(jìn)行TFCE多重對(duì)比校正。將具有組間差異的纖維節(jié)段的DTI指標(biāo)值與患者的焦慮量表評(píng)分進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

OSAHS組和NSD組間基本臨床資料的比較結(jié)果見(jiàn)表1。兩組之間性別、年齡、受教育年限和SAS量表評(píng)分的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，兩組間體質(zhì)指數(shù)(body mass index，BMI)的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

表1 兩組受試者基本臨床資料的比較

采用AFQ分析結(jié)果顯示(圖1)：與NSD組比較，OSAHS組的胼胝體大鉗第77～78節(jié)段FA值減低，右丘腦輻射第23～24節(jié)段的MD值增高，右下額枕束第54～57節(jié)段和右上縱束第66～68節(jié)段的AD值增加，組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

將OSAHS組中受損纖維節(jié)段的擴(kuò)散張量指標(biāo)值與患者的SAS評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示(圖2)：胼胝體大鉗第78節(jié)段的FA值與SAS量表評(píng)分呈正相關(guān)(r=0.447，P=0.009)；右下額枕束第56節(jié)段的AD值與SAS量表評(píng)分呈負(fù)相關(guān)(r=-0.434，P=0.013)。

討 論

OSAHS患者腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性發(fā)生改變，可能是因?yàn)樯畈磕X白質(zhì)的血供來(lái)源于穿通動(dòng)脈，這些動(dòng)脈是一些細(xì)小的分支(直徑100～400μm)，缺乏吻合和有效的側(cè)支循環(huán)，很容易受到血流和壓力變化的影響，OSAHS患者夜間間歇性缺氧和腦血流減少，會(huì)造成這些小動(dòng)脈發(fā)生急性或慢性缺血，進(jìn)而造成腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變。既往關(guān)于OSAHS患者腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變的研究中多采用基于全腦體素(voxel-based analysis，VBA)和基于纖維束空間統(tǒng)計(jì)(tract-based spatial statistics，TBSS)的分析方法，其結(jié)果顯示OSAHS患者的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變可以出現(xiàn)在多個(gè)腦區(qū)，如Macey等[20]采用VBA方法發(fā)現(xiàn)胼胝體前部、前后扣帶皮質(zhì)和扣帶回束、穹窿右柱、腹側(cè)前額葉、頂葉和島葉皮質(zhì)、雙側(cè)內(nèi)囊、小腦中腳和皮質(zhì)脊髓束及小腦深核等部位出現(xiàn)白質(zhì)纖維完整性的改變。但是，VBA方法存在配準(zhǔn)誤差及平滑問(wèn)題，并且由于受試者之間長(zhǎng)程纖維束的形態(tài)不一，因此容易導(dǎo)致它在個(gè)體水平上沒(méi)有足夠的準(zhǔn)確性。為了提高對(duì)白質(zhì)病變的檢出特異性TBSS方法應(yīng)運(yùn)而生，它具有主觀誤差低和精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，有學(xué)者[21]采用該方法發(fā)現(xiàn)OSAHS患者腦白質(zhì)改變主要發(fā)生在胼胝體、內(nèi)外囊、放射冠和矢狀束區(qū)域[20,22-23]。但是TBSS法也存在一定的局限性：它無(wú)法確保每個(gè)體素都對(duì)應(yīng)著不同受試者相同的腦區(qū)。總的來(lái)說(shuō)在沿著每條纖維束進(jìn)行白質(zhì)完整性的研究中基于體素水平的技術(shù)無(wú)法提供定位的特異性。而AFQ克服了兩者的局限性，它可以量化一條纖維束上多個(gè)位置的擴(kuò)散特性，以便更好的定量分析并為研究提供更多的信息。

在DTI的4個(gè)指標(biāo)中，F(xiàn)A值是反映組織各向異性最敏感的指標(biāo)，當(dāng)它減低時(shí)代表纖維束完整性受到破壞。本研究中發(fā)現(xiàn)胼胝體大鉗的FA值減低，提示白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性破壞。在既往關(guān)于OSAHS患者腦白質(zhì)改變的研究中，已有較多結(jié)果顯示胼胝體纖維的完整性受損[20,24]，早在2008年Macey等[20]就報(bào)道了胼胝體前部的FA值減低，并且有研究顯示胼胝體體積亦減小[25]。雖然既往關(guān)于OSAHS患者腦白質(zhì)損傷的部位尚未有統(tǒng)一結(jié)論，但是相關(guān)研究中較一致的結(jié)論是胼胝體損傷是OSAHS中最常見(jiàn)的表現(xiàn)。胼胝體(callosum forceps)是大腦的主要聯(lián)合纖維，負(fù)責(zé)連接左右大腦半球，它由大約2億條重要神經(jīng)纖維髓鞘組成[26]。胼胝體的不同區(qū)域由不同的神經(jīng)纖維組成，其中壓部和體部的神經(jīng)纖維直徑較大，有溝通兩側(cè)大腦半球間的感覺(jué)纖維穿過(guò)，可進(jìn)行信息的高速交換[27]，其主要功能是調(diào)節(jié)情緒狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)能力和注意力，因此胼胝體損傷會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)功能的下降。有研究報(bào)道，OSAHS患者胼胝體前部微結(jié)構(gòu)的完整性與較差的前瞻記憶和持續(xù)注意力有關(guān)[24]。在本研究中我們發(fā)現(xiàn)胼胝體大鉗部分損傷節(jié)段的FA值減低與SAS量表評(píng)分呈正相關(guān)，既往也有研究發(fā)現(xiàn)高危焦慮人群的腦白質(zhì)異常可累及胼胝體前部[28]。這些結(jié)果表明胼胝體損傷會(huì)造成大腦半球之間缺乏半球間的交流，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)功能異常，如情緒紊亂等。

AD值主要代表了軸突損傷的情況。由于OSAHS的主要特征——在睡眠期間發(fā)生反復(fù)的氣道阻塞伴隨著持續(xù)的膈肌活動(dòng)進(jìn)而呼吸暫停，會(huì)導(dǎo)致持續(xù)暴露于間歇性缺氧中，隨后在呼吸恢復(fù)時(shí)再進(jìn)行復(fù)氧，這就會(huì)造成供給腦組織氧氣需求不匹配，使細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)鈉和鉀離子發(fā)生變化，進(jìn)一步會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)、外水分子的分布，導(dǎo)致細(xì)胞和軸突腫脹，減少胞外/軸突間隙而出現(xiàn)相應(yīng)的AD值改變。既往研究結(jié)果顯示OSAHS患者AD值改變出現(xiàn)在多個(gè)腦區(qū)[29]，如雙側(cè)后扣帶回、右側(cè)顳上回和右側(cè)顳下回等；Chen等[30]在最近的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)OSAHS患者右皮質(zhì)脊髓束AD值增加。在本研究中我們發(fā)現(xiàn)右下額枕束及右上縱束局部AD值增加，與Chen等[30]的研究中AD值的變化趨勢(shì)是一致的。既往有研究報(bào)道OSAHS患者認(rèn)知損害主要表現(xiàn)為延遲回憶及注意力、語(yǔ)言能力、視空間、執(zhí)行功能和抽象能力的損害[31]，而上縱束主要參與調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)行為、空間注意、視覺(jué)動(dòng)眼功能、頂葉和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)之間的體感信息傳遞等，因此我們推測(cè)OSAHS患者視空間及注意力等的減低與上縱束的損傷可能存在一定的相關(guān)性，有待今后進(jìn)一步的研究。下額枕束起于額葉前方皮層及額下回，與鉤束上緣毗鄰，走行于外囊，后方大部分纖維束到達(dá)枕葉，少部分到達(dá)頂葉。它可以將聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)相關(guān)皮質(zhì)整合到前額葉皮質(zhì)，因其通過(guò)外囊區(qū)將枕顳(和頂葉)區(qū)連接到額葉，這種解剖部位的特殊性使其比其他纖維束更容易受到損傷。在本研究中，右下額枕束的AD值與SAS量表評(píng)分呈負(fù)相關(guān)。既往已有較多文獻(xiàn)報(bào)道，下額枕束的損傷與焦慮癥狀有關(guān)[32-33]。在一項(xiàng)關(guān)于青少年廣泛性焦慮癥的報(bào)道中[34]，就發(fā)現(xiàn)右下額枕束完整性受損。因此我們推測(cè)可能是因?yàn)橛蚁骂~枕束受損時(shí)導(dǎo)致枕葉與額葉的連接減少，干擾感覺(jué)統(tǒng)合和對(duì)感覺(jué)刺激的認(rèn)知或情緒調(diào)節(jié)，進(jìn)而會(huì)使患者出現(xiàn)相應(yīng)的功能障礙。

MD主要反應(yīng)水分子擴(kuò)散的平均速率，與纖維束的方向無(wú)關(guān)，它對(duì)細(xì)胞數(shù)量、水腫和壞死較敏感[35]，可以將缺氧/缺血后的急性期與慢性期區(qū)分開(kāi)來(lái)，急性期數(shù)值降低，亞急性期數(shù)值與正常情況相似，慢性期數(shù)值增加[36]，因此，MD比FA能更敏感地區(qū)分病理分期，有助于確定OSAHS患者腦損傷的病理性質(zhì)[37]。有研究報(bào)道OSAHS患者M(jìn)D值增加出現(xiàn)在多個(gè)部位，如右側(cè)皮質(zhì)脊髓束、右上縱束等，可能是因?yàn)镺SAHS患者低氧血癥慢性階段的脫髓鞘或軸突丟失將減少組織屏障，增加細(xì)胞外體積，并加劇血管源性水腫，這些都將導(dǎo)致MD值增加[30]。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，島葉、扣帶回束、胼胝體、顳葉、枕葉和放射冠區(qū)的MD值減低[21]，這可能是由于OSAHS患者處于低氧血癥的亞急性期伴隨細(xì)胞毒性水腫，導(dǎo)致組織屏障的增加而MD值降低。本研究結(jié)果顯示右丘腦輻射的MD值增加，可能是因?yàn)楸窘MOSAHS受試者為中重度患者，且大部分病程較長(zhǎng)，根據(jù)低氧血癥的嚴(yán)重程度，大多數(shù)軸突和細(xì)胞可能會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展為慢性病理狀態(tài)，因此，會(huì)出現(xiàn)OSAHS患者受損纖維MD值的增加。

除了上述研究結(jié)果以外，本研究中OSAHS組的BMI高于NSD組，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。既往有研究表明肥胖是易患OSAHS的一個(gè)主要高危因素[38]，這可能與肥胖患者頸部呼吸道周圍的脂肪堆積，造成氣道形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致呼吸氣道狹窄有關(guān)。在本研究中我們發(fā)現(xiàn)BMI與SAS量表評(píng)分存在一定的相關(guān)性(正相關(guān))，但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)BMI與差異纖維節(jié)段的DTI指標(biāo)值之間具有相關(guān)性，這與秦芳等[39]的研究結(jié)果一致，排除了BMI對(duì)腦白質(zhì)損傷的影響，但研究結(jié)果同樣受研究對(duì)象及樣本量等客觀問(wèn)題的限制，因此或許不能完全反映出肥胖因素對(duì)腦白質(zhì)的影響，同時(shí)本研究中女性被試較少，并且中青年患者相對(duì)較多，因此仍需擴(kuò)大樣本量進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

綜上所述，本研究基于DTI成像技術(shù)首次采用AFQ數(shù)據(jù)分析處理方法發(fā)現(xiàn)了OSAHS患者腦白質(zhì)纖維束受損的特定位置，并且胼胝體大鉗及右下額枕束的部分損傷纖維節(jié)段與SAS量表評(píng)分具有一定的相關(guān)性，從而提示OSAHS患者出現(xiàn)的焦慮癥狀與其特定的白質(zhì)纖維束損傷有關(guān)。因此，AFQ能夠成為檢查和監(jiān)測(cè)OSAHS疾病發(fā)生發(fā)展有用性的潛在工具，并可以促進(jìn)目前對(duì)于OSAHS患者神經(jīng)病理學(xué)基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)。