多模態影像學在不同階段阿爾茨海默病中應用研究

曹 慧， 李月春

阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)是目前老年期癡呆的主要原因，疾病早期僅表現為輕度的記憶力減退，易被忽視；隨著病程進展，逐漸至癡呆階段，日常生活能力下降至生活不能自理，出現失語、失用、失認等，晚期伴發精神行為異常，影響社交、工作以及日常生活能力。由于目前沒有特效治愈疾病藥物，因此迫切需要在早期發現及診斷疾病，提早進行干預，來達到延緩疾病發展的目的。

彌散張量成像是一種采用非侵入性手段就可觀察及追蹤腦白質纖維束變化的影像學方法。白質纖維束病變在AD發病過程中具有重要意義，而使用彌散張量成像觀察白質纖維束的損傷，可作為AD早期纖維束斷開的標志。DTI技術以及后處理纖維束成像和網絡分析方法的發展，使我們能夠在大腦內構建腦網絡，觀察其功能連接。迄今為止，功能連接功能、神經解剖學和神經病理學研究證實AD中存在網絡連接損傷，支持白質變性在疾病中的作用，以及部分癥狀是由于遠端皮質區域連接受損所致[1～6]。本文采用圖論分析方法，來觀察認知正常、輕度認知功能障礙期患者(aMCI)及癡呆階段阿爾茨海默病患者中，白質纖維束變化與認知程度的關系。影像學技術的再次飛躍是正電子發射計算機斷層顯像技術(PET/CT)的應用，其可采用18氟標記的PET/CT，更可直觀的觀察到腦內葡萄糖代謝變化，為阿爾茨海默病的診斷及分期提供客觀的檢查依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

募集2016年12月1日至2018年11月30日就診包頭市中心醫院神經內科門診及病房患者，以Petersen等和2011年美國國立老化研究院(NIA)和阿爾茨海默病協會(AA)提出的診斷標準[7]為入組標準，共納入56例：其中符合輕度認知功能障礙期患者18例，癡呆階段阿爾茨海默病患者18例，正常對照組20例。并詢問受試者的一般資料，包括：年齡、性別、文化程度等，既往史(包括高血壓和糖尿病等)。記錄生化實驗室結果(包括同型半胱氨酸、血脂等結果)。病例組與對照組均為右利手，具有良好的視聽功能和語言功能或經矯正后可完成神經心理學檢查及配合影像學檢查。

1.2 研究方法及后處理方法

1.2.1 彌散張量成像 由VERIO 3.0T磁共振(德國西門子)掃描，4 通道相控陣頭正交線圈。囑受檢者靜息閉目平臥，固定頭部，使用橡皮耳塞降低噪音。行頭部磁共振，包括軸位T1WI及FLAIR，排除病變后，選用平面回波脈沖(Echo Planar Imaging，EPI) 序列行頭部軸位彌散張量(DTI)掃描。參數：頭部磁共振序列：軸位T1WI：重復時間(Repeatition time，TR)：1900 ms；回波時間(Echo time，TE)：2.22 ms；層厚1.0 mm，層間距0.5 mm，視野(Field of View，FOV)256 mm×256 mm；FLAIR序列參數：TR：8000 ms，TE：94 ms，層厚：5.0 mm，層間距：1.5 mm，FOV：240 mm×240 mm。(2)DTI序列：TR：11000 ms，TE：98 ms，層厚：2.0 mm，層間距：0 ms，FOV：256 mm×256 mm。

所有影像數據均由北京師范大學信號與信息處理專業人員進行處理。DTI數據的預處理流程：包括對原始數據渦流和運動偽影校正，彌散張量使用部分各向異性(FA)的計算。首先，通過應用彌散加權圖像與彌散敏感系數為0圖像的仿射對準來校正DTI數據集中的渦流失真和運動偽影[8]。因此，基于變換矩陣重新定向彌散敏感系數矩陣。在此過程之后，通過求解Stejskal和Tanner方程來計算彌散張量，并且將重構的張量矩陣對角化以獲得3個特征值(λ1，λ2，λ3)及其對應的特征向量，并計算每個白質纖維束的FA值[9]，將圖像匹配到標準模板上，采用自動解剖標記圖譜將整個大腦劃分為90個區域(每個半球45個)，是由Gong等提出的程序[10]，是在每個個體的大腦中定義節點，使用這種程序，我們為白質網絡獲得了90個節點，使用DTI-studio軟件(H. Jiang，S. Mori，Johns Hopkins University)使用“纖維跟蹤”進行纖維分配[11]。結合腦模板分區進行連接矩陣構建，構建纖維各項異性、纖維長度、纖維數目不同屬性的連接矩陣，具體方法參考圖1。然后進行圖論分析，通過測量全局屬性和節點屬性，其中全局屬性包括：全腦網絡效率、全腦局部效率和小世界屬性；節點屬性包括：節點介數中心屬性、節點聚集系數、節點度中心性、節點網絡效率、節點局部效率和節點最短路徑長度，具體使用方法及解釋參考既往文獻[8，9，12，13]。使用FSL中的FMRIB擴散工具箱(FDT)(fsl. fmrib. ox. ac. uk/fsl/fslwiki/FDT)進行DTI數據的預處理[14]。

1.2.2 PET/CT 使用SIEMENS Biogragh mCT 64s PET/CT 儀，即所用的儀器為54環、鍺酸鉍晶體的探測器；同時配有64層螺旋CT，并將18F-FDG作為檢查時的跟蹤試劑，放射化學純度大于95.0%；患者在空腹4～6 h后對其進行檢查，在對其實施檢查前進行血糖測定得到血糖范圍在8.4 mmol/L以內，封閉患者視聽安靜休息30 min后，根據患者的體質量為其靜脈注射0.1～0.15 mCi/kg體重的18F-FDG，在靜脈注射藥物40 min～1 h后對其行PET/CT顯像。將CT旋轉速度設為0.8 s/r，床速則設為20.5 mm/s，接上120 kV的電壓和80 mA的電流，每次掃描時間大概在15 s左右。隨后自患者顱底至顱頂部行PET發射掃描，在掃描期間保持患者初始體位不變，通過3D采集模式，將矩陣設置為128×128，對每一個床位進行15 min的采集。并且每個床位其斷層面皆為21層，而兩個相鄰的床位之間又包含1個層面疊代。采用高清HD-PET法(TrueX+TOF)進行圖像的重組，通過Syngo MI工作站對圖像進行融合，并收集橫斷面、矢狀面以及冠狀面PET圖像和CT圖像，并獲取兩者融合后的圖像。處理使用Scenium PET-FDG軟件，應用Scenium軟件對所得腦PET圖像進行歸化并勾畫腦區，獲得各腦區標準化攝取值(Standardized Uptake Values，SUV)的平均值。對比不同認知程度損害患者各腦區葡萄糖代謝水平的差異。

1.3 統計方法

2 結果與結論

2.1 AD組、MCI組、正常組構建DTI模板 圖2分別為AD組、MCI組、正常組三組的FA(各向異性連接矩陣)，AD組連接明顯稀疏于MCI組和正常組，且對應自動解剖標記圖譜模板中海馬、海馬旁回(35-40)等記憶標志性腦區的連接模塊化明顯稀疏于其他兩組；MCI組和正常組的連接無顯著性差異，總體上相似。分別計算了AD組、MCI組和正常對照組三組受試者的小世界屬性指標，全腦網絡效率以及全腦局部效率等指標，在回歸了年齡與性別等協變量后進行了雙本t檢驗，在全局屬性結果中，AD組與正常對照組，AD組與MCI組，MCI組與正常對照組，這三組數據的小世界屬性指標在P<0.05時，均沒有顯著差異；其中t值在以上三個指標中均為負值。全局屬性結果中，AD與正常對照組，AD組與MCI組，MCI組與正常對照組，這三組數據的全局效率和全局局部效率指標在P<0.05時，均沒有顯著差異；其中，t值在以上三個指標中均為正值。

2.2 AD組和MCI組，AD組與正常組，MCI組和正常對照組三組間腦網絡連接比較 分別計算AD組、MCI組和正常組三組受試者的節點屬性指標；在回歸了年齡與性別等協變量后，進行了雙樣本t檢驗，并在此基礎上進行了FDR多重比較分析(90個腦區數值的置換檢驗)。節點屬性分區模板選用自動解剖圖譜標準腦模板(90個腦區)；以下腦網絡連接圖中，節點的大小由顯著性T值來表示，標明標簽并且為紅色的節點表示在當前P值(P<0.05，P<0.001，P<0.0001)情境下，兩組比較中具有顯著性差異的腦區。其中各腦區中英文對照參考：https：//www. cnblogs. com/minks/p/5480818.html。

2.2.1 AD組與MCI組的節點屬性比較 MCI組與AD組相比較，節點屬性的介數中心性、度中心性和節點效率三個指標存在顯著差異。分別表現為介數中心性屬性在右側的嗅皮質(Olfactory cortex，OLF. R)和顳上回(Temporal pole：superior temporal gyrus，TPOsup. R)；度中心性屬性在左側枕上回(Superior occipital gyrus，SOG. R)和距狀裂周圍皮質(Calcarine fissure and surrounding cortex，CAL. L)以及右側的三角部額下回(Inferior frontal gyrus，triangular part，IFGtriang. R)和顳上回(TPOsup. R)；節點局部效率在右側三角部額下回(IFGtriang. R)中均有統計學差異(P<0.05)，其余節點指標不存在顯著差異。

2.2.2 正常組與AD組節點屬性比較 正常組與AD組相比較，節點屬性的介數中心性、集聚系數、度中心性、節點效率和最短路徑長度五個指標存在顯著差異。分別表現在介數中心性屬性的左側三角部額下回(IFGtriang. L)、距狀裂周圍皮質(CAL. L)和內側額上回(Superior frontal gyrus，medial，SFGmed. L)以及右側補充運動區(Supplementary motor area，SMA. R)和顳上回(Superior temporal gyrus，STG，R)；集聚系數屬性的左側緣上回(Supramarginal gyrus，SMG. L)和三角部額下回(IFGtriang. L)以及右側三角部額下回(IFGtriang. R)和回直肌(Gyrus rectus，REC. R)；度中心性的左側三角部額下回(IFGtriang. L)和距狀裂周圍皮質(CAL. L)以及右側的杏仁核(Amygdala，AMYG. R)和三角部額下回(IFGtriang. L)；節點效率屬性的左側距狀裂周圍皮質(CAL. L)和右側三角部額下回(IFGtriang. R)；最短路徑長度屬性的左側距狀裂周圍皮質(CAL. L)均有統計學意義(P<0.05)，其余節點指標不存在顯著差異。

2.2.3 正常對照組與MCI組節點屬性比較 正常組與MCI組相比較，節點屬性的介數中心性、集聚系數和度中心性三個指標存在顯著差異。表現為介數中心性屬性的左側頂下緣角回(Inferior parietal，but supramarginal and angular gyri，IPL. L)以及右側楔前葉(Precuneus，PCUN. R)、楔葉(Cuneus，CUN. R)、顳上回(Superior temporal gyrus，STG. R)和顳中回(Middle temporal gyrus，MTG. R)；聚集系數屬性的左側背外側額上回(Superior frontal gyrus，dorsolateral，SFGdor. L)、中央前回(Precentral gyrus，PreCG. L)、頂上回(Superior parietal gyrus，SPG. L)、額中回(Middle frontal gyrus，MFG. L)、緣上回(Supramarginal gyrus，SMG. L)、后扣帶回(Posterior cingulate gyrus，PCG. L)、中央溝蓋(Rolandic operculum，ROL. L)和眶部額上回(Superior frontal gyrus，orbital part，ORBsup. L)以及右側頂上回(SPG. R)、楔前葉(PCUN. R)、楔葉(CUN. R)、舌回(Lingual gyrus，LING. R)和眶內額上回(Superior frontal gyrus，medial orbital，ORBsupmed. R)；度中心性屬性在右側緣上回(SMG. R)和顳中回(Middle temporal gyrus，MTG. R)均有統計學意義(P<0.05)，其余節點指標不存在顯著差異。

2.3 MCI組及AD組PET/CT檢查的臨床資料及影像學結果 見表1，表2。

注：A：T1圖像與DTI圖像的校正配準(T1)；B：T1圖像與DTI圖像的校正配準(DTI)；C：纖維追蹤；D：T1圖像配準到標準模板；E：腦膜版的ROI分區；F：結合腦模板分區進行連接矩陣構建；G：G，H，I分別為不同屬性連接矩陣(纖維各向異性，纖維長度，纖維數目)

圖2 AD組、MCI組、正常對照組的FA矩陣圖

注：P<0.05

注：P<0.05

注：P<0.05

表1 行PET/CT檢查的輕度認知功能障礙及阿爾茨海默病患者臨床資料及認知功能情況

表2 行PET/CT檢查的輕度認知功能障礙及阿爾茨海默病患者經Scenium處理后的標準化攝取值的平均值

本研究共5例受試者進一步行PET/CT檢查，其中男1例，女4例。均有臨床癥狀，存在不同程度的認知功能障礙，符合輕度認知功能障礙期者1例，符合癡呆階段阿爾茨海默病患者4例，其中CDR得1分者2例，CDR得2分者2例。受教育平均年限為(5.6±2.93) y。1例患者合并糖尿病，1例患者合并高血壓病(見表1)。相較與輕度認知功能障礙組，阿爾茨海默病組各項認知得分明顯減低；隨著CDR得分的增高，波及更多認知域，對應相認知域的神經心理量表得分逐漸銳減，這種表現與患者認知功能損傷程度密切相關。PET/CT提示所有患者均存在不同腦區葡萄糖代謝減低，隨著認知障礙的進一步加重，出現葡萄糖糖代謝減低的腦區有所增加。其中1例輕度認知功能障礙者僅表現為右側顳中回葡萄糖代謝略低于正常；4例阿爾茨海默病患者中，2例CDR為1分患者表現為雙側顳中回、雙側海馬旁回、雙側杏仁核存在葡萄糖代謝減低，2例CDR為2分患者因認知功能損害較嚴重，表現為雙側額顳頂葉均呈現彌漫性、對稱性葡萄糖代謝減低，而以雙側角回、海馬旁回、海馬、顳中回、杏仁核為著。隨著認知障礙程度的增加，不同腦區的標準化攝取值的平均值逐漸減低，提示相應腦區的葡萄糖代謝率隨之減低(見表2)。

3 討 論

本研究通過對AD組、MCI組和正常組分別基于DTI技術重新構建腦網絡，利用圖論分析方法進行對比分析，從局部及全局來評估網絡拓撲結構的差異，發現隨著癡呆程度的增加，越來越多腦區白質網絡出現差異。功能連接的破壞機制可能是由于皮質淀粉樣蛋白沉積、神經功能障礙、血管損傷以及脫髓鞘損害，以致白質網絡結構的拓撲結構改變相關[15～17]。而在AD早期，彌散張量成像即可檢測到白質纖維束變化[18]；AD組各項異性矩陣連接明顯稀疏于MCI和正常組，且對應自動解剖標記圖譜模板中海馬、海馬旁回等記憶標志性腦區的連接模塊化明顯稀疏于其他兩組；有學者提出AD患者的拓撲效率低于健康對照組，AD組與正常對照組相比，AD組的腦網絡顯節示點效率屬性降低，記憶和執行功能衰退與節點局部效率、節點最短路徑長度及全腦網絡效率降低相關，這些圖論指標的降低與認知功能障礙程度相關[19，20]。不同腦白質網絡屬性的變化與行為表現顯著相關，AD患者發現主要位于前額葉的節點網絡效率減低。AD組與正常組間局部節點效率差異主要集中在默認模式網絡結構及額顳頂葉中，其中雙側海馬、扣帶回中部、扣帶回后部、顳上回及顳中回，這些區域被認為是AD的特征性區域[21]。海馬旁回的皮質區域容易受到阿爾茨海默病病理變化的影響，其內嗅皮質和周圍分支是受損最嚴重的皮質區域和疾病發病的焦點[22]。這些區域的局部節點效率降低可能反映了情景記憶功能分離的局部損害，這可能與以海馬體為中心的記憶網絡內的最短路徑長度的變化有關[23～25]。但本研究中以上學者所提供的特征區域內，AD組僅在海馬、海馬旁回等腦區的各項異性矩陣連接存在變化，而其他特征性區域無明顯變化；在AD組與正常對照組間進行節點屬性比較，也僅在顳上回發現節點屬性存在變化，而其他特征區域未發現明顯差異，考慮與受試者樣本量較少相關，不能更好的反映總體變化趨勢。MCI及AD作為一種功能連接破壞疾病，較低的全腦網絡效率和節點局部效率與節點最短路徑長度的損害廣泛有關，表現為在AD早期的白質纖維束的退行性病變，隨著疾病的進展，腦網絡演變過程[26]。本研究在AD組、MCI組和正常組間分別進行比較，在全局屬性結果中，小世界屬性指標沒有顯著差異，這個發現與之前學者對MCI患者腦網絡的圖論分析結果一致[9，27，28]。

無論是在臨床診斷還是在科研中，在出現明顯的AD相關的神經生物標志物改變或癡呆癥狀之前，早期診斷認知障礙及預測演變的標志至關重要。在預測方面，使用FDG-PET作為預測神經損傷的進展的工具是基于它與認知功能惡化程度的較強關聯，與神經生物標志物相比，后者在出現癥狀時已經升高，在癥狀明顯加重時含量可能無明顯指示性意義。另外，無癥狀受試者的淀粉樣變性生物標志物在八到十年前已經有所提高[29]。而本研究所納入5例患者中，隨著認知障礙嚴重程度的增加，以雙側顳中回、海馬、海馬旁回及雙側杏仁核的葡萄糖代謝減低，進展為雙側額顳頂葉彌漫性、對稱性葡萄糖代謝減低，提示認知功能嚴重程度的增加；損傷多個認知域后，相對應腦區可出現葡萄糖代謝減低。在大樣本研究中，在已知與AD病理學相關區域，如雙側楔葉/梭狀回/楔前葉，后扣帶回，甚至頂葉和顳葉均出現代謝減低，認知障礙明顯突出的阿爾茨海默病患者不僅與認知功能正常患者相比，即使與認知損傷程度輕微的輕度認知功能障礙者相比，均會出現以上區域的葡萄糖攝取明顯減少[30]。在臨床過程中，是否可觀察不同腦區的葡萄糖代謝變化，來達到預知疾病轉歸的目的，也有學者做了相應的研究。在輕度認知功能障礙轉變成阿爾茨海默病患者與認知功能正常者相比，大多數相關聯皮質中發現顯著的葡萄糖代謝變化；而由輕度認知功能障礙轉變成阿爾茨海默病患者與無轉變的輕度認知功能障礙患者相比，差異集中在較少的一組區域[31]；輕度認知功能障礙者較認知正常的受試者之間無明顯差異。剪切掉由輕度認知功能障礙期轉變為癡呆階段阿爾茨海默病患者與無轉變的輕度認知功能障礙期者相重疊區域，剩余區域為最強有力的轉換預測區域，包括：頂葉、后扣帶回、顳葉、楔葉、梭狀回及楔前葉。其他區域代謝值的差異，不足以區分輕度認知功能障礙期是否會進一步轉化為癡呆階段阿爾茨海默病，包括內側顳葉(海馬旁回、杏仁核、海馬及島葉)[30]。這種變化在輔助臨床診斷中起重要作用，因為其他疾病也會出現輕度認知功能障礙，包括抑郁癥和血管性認知障礙[32]，可能會影響這些非特異區域的代謝[30]。如果在早期，FDG-PET檢查發現在這些特定區域葡萄糖代謝減低，提早進行干預治療，是否能完全延緩疾病進展，有待進一步研究證實。當然不能說生物標志物在診斷疾病中不重要[33]，倘若我們在臨床發現患者出現認知功能障礙之前，在生物標志物及FDG-PET檢查中，發現淀粉樣變性生物標志物的含量及不同腦區的葡萄糖代謝值，不僅能對我們確診疾病有所幫助，更有助于預測疾病的轉歸，從而進行早期治療及判斷疾病預后。

阿爾茨海默病可導致多個認知域受損，早期易被忽視，癥狀不突出時即使有經驗的醫生也可能漏診，臨床上缺乏特異性的確診依據。本研究對所有受教育程度不同患者均采用統一量表，但由于患者工作、生活環境的不同，認知儲備量不同，評價認知域的特異度與敏感度可能會下降；由于時間關系，未募集更多受試者，所得結果不夠全面；受本地區經濟水平所限，完善相關輔助檢查需要資金較高，患者家庭不能承受疾病檢查所需費用，完善FDG-PET受試者較少，不能觀察到疾病的演變趨勢；以上問題均需逐步解決。