影像組學(xué)在帕金森病中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

李星江 薛培源 崔耀月 王 婷 呂坤雪 魏秀芳

1.牡丹江醫(yī)學(xué)院，黑龍江牡丹江 157000；2.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院核磁共振科，黑龍江牡丹江 157011

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是第二大常見的神經(jīng)退行性的運(yùn)動(dòng)障礙性疾病，其發(fā)病以50歲以上老年人多見，據(jù)報(bào)道我國PD患者已有170多萬，已成為“帕金森第一大國”[1-2]。PD患者起病隱匿，病情呈緩慢漸進(jìn)性發(fā)展，PD主要的病理基礎(chǔ)特征之一為中腦黑質(zhì)多巴胺（dopaminergic，DA）能神經(jīng)元丟失和紋狀體DA遞質(zhì)減少。此外一些學(xué)者在動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)α-突觸蛋白介導(dǎo)的炎癥也參與了PD的進(jìn)程[3-4]。Rodríguez等[5]研究認(rèn)為，PD患者在出現(xiàn)臨床癥狀前，其神經(jīng)元就已經(jīng)開始丟失，當(dāng)出現(xiàn)癥狀時(shí)DA能神經(jīng)元已出現(xiàn)不可逆的損傷。目前臨床治療只能緩解患者的運(yùn)動(dòng)癥狀，尚無阻止和逆轉(zhuǎn)PD的有效方法[6]。因此，如何對PD進(jìn)行早期診斷并針對性干預(yù)成為目前研究的熱點(diǎn)。基于近年的發(fā)展，影像組學(xué)在PD的診斷、鑒別、認(rèn)知及預(yù)測評估有廣泛的應(yīng)用研究前景。

1 影像組學(xué)的概念

影像組學(xué)首次由荷蘭Lambin等[7]提出，是以定量成像技術(shù)為基礎(chǔ)從X線（x-ray）、MRI（magnetic resonance imaging）、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像（positron emission computed tomography，PET）及 CT（computed tomography）等醫(yī)學(xué)影像圖像中提取高通量的定量影像特征，將傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息，可定量分析醫(yī)學(xué)圖像的灰度分布、像素之間的空間關(guān)系等灰階信息，可以捕捉腦內(nèi)微小結(jié)構(gòu)的信號改變，提供肉眼無法獲得的圖像信息，影像組學(xué)方法主要包括感興趣區(qū)域的勾畫、紋理特征的提取及數(shù)據(jù)分析。

2 影像組學(xué)在PD中的應(yīng)用

2.1 影像組學(xué)在PD診斷中的應(yīng)用

目前對于PD診斷的影像學(xué)手段主要是MRI、PET及超聲成像，如通過磁敏感加權(quán)序列（susceptibility weighted imaging，SWI）視覺評估觀察燕尾征的消失或利用其相位值進(jìn)行半定量分析，但早期診斷PD的準(zhǔn)確率較低，因此缺少有效的定量分析方法[8-10]。

劉磐石等[11]首次利用常規(guī)T2FLAI序列將PD患者左右兩側(cè)的尾狀核頭為感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）進(jìn)行紋理分析，得出此處的紋理特征參數(shù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示影像組學(xué)可以應(yīng)用于PD與健康對照組（healthy control，HC）的輔助診斷中，但該研究僅選擇了單層尾狀核頭的單一特征參數(shù)分析，診斷效能較低。康錦涓等[12]利用影像組學(xué)做了更加細(xì)致的研究分析，利用定量磁敏感圖（quantitative susceptibility mapping，QSM），以整個(gè)黑質(zhì)區(qū)域?yàn)镽OI進(jìn)行分析并建立了影像組學(xué)模型，在此研究中HC組的一階特征低于PD組、二階特征參數(shù)高于PD組。這與Li等[13]得出的結(jié)果相同，提示PD組黑質(zhì)區(qū)域的敏感性高于HC組，PD組黑質(zhì)區(qū)域在空間分布上更均勻，但各體素之間關(guān)聯(lián)減少，影像組學(xué)參數(shù)將來可能作為PD診斷的一種標(biāo)志物。與以往使用SWI序列進(jìn)行半定量分析不同，彭媛媛等[14]利用基于SWI序列的影像組學(xué)進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)PD患者的丘腦、蒼白球和紅核處的特征參數(shù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在一些研究中發(fā)現(xiàn)白質(zhì)區(qū)域的影像組學(xué)特征也可以用于PD的診斷[15-16]，如徐建國等[17]利用機(jī)器學(xué)習(xí)腦內(nèi)白質(zhì)的影像組學(xué)標(biāo)簽用來識(shí)別早期的PD，標(biāo)簽在所有數(shù)據(jù)集中診斷準(zhǔn)確率為82.3%。基于超聲圖像的紋理分析也可應(yīng)用于PD的診斷中，Shi等[18]將影像組學(xué)結(jié)合超聲圖像對PD進(jìn)行診斷，提出了一種多模態(tài)經(jīng)顱超聲（transcranial sonography，TCS）成像PD計(jì)算機(jī)輔助診斷，明顯提高了單一診斷的效能。

影像組學(xué)方法在PD的診斷中取得了較好的診斷效能，可廣泛適配于常見的影像圖像，影像組學(xué)特征參數(shù)有望作為診斷PD的一種影像指標(biāo)，其中二階紋理特征參數(shù)意義較大且與PD病理相關(guān)。與建立影像組學(xué)模型相比，使用單一的特征參數(shù)診斷PD效能偏低。

2.2 影像組學(xué)在PD鑒別診斷中的應(yīng)用

PD癥狀具有疊加性，與其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病難以區(qū)分，如多系統(tǒng)萎縮（multiple system atrophy，MSA）、特發(fā)性震顫（essential tremor，ET），基于圖像的視覺評估已經(jīng)應(yīng)用于PD和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)的鑒別診斷中，但是在PD患者進(jìn)展早期，這種評估方法對臨床的價(jià)值并不大。有研究表明影像組學(xué)與傳統(tǒng)影像相結(jié)合能夠提高PD與其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的檢出率[10，19]。

一些學(xué)者將影像組學(xué)參數(shù)用于與PD的鑒別診斷中，如陳永露[20]利用此方法鑒別早期PD、MSA、對照組，各組間鑒別效果良好，提取的特征參數(shù)可以作為PD與MSA早期鑒別診斷的標(biāo)志物。Tupe等[21]的研究中PD與非典型帕金森綜合征（atypical parkinsonian syndromes，APS）的 鑒 別 準(zhǔn) 確 率 為92%。Hett等[22]利用T1WI分析小腦區(qū)域的紋理特征，用來鑒別PD與ET，紋理分析顯示兩組患者紋理特征存在差異，并提出紋理分析對灰質(zhì)的差異性更敏感。Pang等[23]研究中提取的影像組學(xué)特征，證明了PD與MSA患者大腦深部核團(tuán)的影像學(xué)特征具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，并將影像組學(xué)特征與臨床運(yùn)動(dòng)評分量表相結(jié)合進(jìn)一步提高了組合模型的鑒別診斷效能。PET/MRI也可結(jié)合影像組學(xué)進(jìn)行PD的鑒別診斷，Hu等[24]收集了行PET/MRI的90名患者（PD∶MSA=2∶1）代謝PET圖以及MRI圖像，以尾狀核和殼核為感興趣區(qū)域，在所有隊(duì)列中的影像組學(xué)特征顯示PD和MSA之間均存在顯著差異。

影像組學(xué)可應(yīng)用于PD的鑒別診斷中，鑒別診斷效能較好，影像組學(xué)參數(shù)可以作為PD與其他疾病鑒別診斷的一種標(biāo)志物，將特征參數(shù)與臨床量表相結(jié)合可以提高其鑒別診斷的能力。

2.3 影像組學(xué)在PD認(rèn)知障礙中的應(yīng)用

認(rèn)知障礙是PD的常見非運(yùn)動(dòng)性癥狀，其發(fā)生的原因與神經(jīng)免疫異常關(guān)系密切，隨著病情的進(jìn)展會(huì)愈來愈重，逐漸進(jìn)展至癡呆，將會(huì)給患者及其家庭帶來巨大的負(fù)擔(dān)，因此早期識(shí)別PD患者的認(rèn)知障礙具有重要意義[25]。

Betrouni等[26]將PD患者根據(jù)認(rèn)知狀態(tài)分為完整組、執(zhí)行功能輕度減退組、執(zhí)行功能輕度缺陷組，提取6個(gè)腦區(qū)域的一階、二階紋理特征參數(shù)探究其與認(rèn)知的相關(guān)性，結(jié)果顯示海馬、丘腦和杏仁核的偏度、熵組間差異顯著。Devignes等[27]的研究中得到了不同的結(jié)論，PD患者被分為無認(rèn)知障礙組（PD-NC）、額紋狀體亞型組（PD-FS）、后皮層亞型組（PD-OC）、混合亞型組（PD-MS），組間比較顯示右側(cè)海馬區(qū)峰度有顯著差異。事后分析顯示，與PD-NC和PD-FS相比，PD-MS患者右側(cè)海馬區(qū)的峰度值較低。Sivaranjini等[28]做了類似的研究，其將受試者分成四組，分別為HC組、認(rèn)知正常PD組、PD伴輕度認(rèn)知障礙組、PD伴癡呆組，提取的3D紋理參數(shù)特征可以更好地區(qū)分HC、NC-PD、PD-MCI和PD-D受試者。

PD相關(guān)認(rèn)知障礙可以通過影像組學(xué)紋理分析早期捕捉，能夠?yàn)镻D患者認(rèn)知功能提供較為敏感的評價(jià)指標(biāo)，海馬區(qū)域的特征參數(shù)在PD認(rèn)知障礙的研究中意義較大，將來可以作為敏感指標(biāo)，為PD患者認(rèn)知功能狀態(tài)的改變提供預(yù)警作用，但可靠性及準(zhǔn)確性需后續(xù)研究繼續(xù)探討。

2.4 影像組學(xué)在PD預(yù)測評估方面的應(yīng)用

PD是一種進(jìn)展性的疾病，我國PD的患病率在逐年上升[29]，因此預(yù)測評估PD患者的病情進(jìn)展對于臨床具有重大的價(jià)值，可以個(gè)性化為PD患者制訂診療方案，能夠指導(dǎo)臨床干預(yù)治療及減輕PD患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

近年來Arman等[30]利用多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體（DAT）SPECT圖像的影像組學(xué)特征對PD運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)測，將提取的特征與臨床量表結(jié)合分析，使得PD綜合評價(jià)量表第三部分的絕對誤差降低，表明加入放射特征后可以顯著改善預(yù)后預(yù)測。Betrouni等[31]也得出類似的結(jié)果，將研究對象分為HC組、早期PD組、晚期PD組，在三組中均觀察到顯著不同的紋理特征參數(shù)，并且一些紋理特征顯示出漸進(jìn)式線性發(fā)展，兩組PD患者的紋理特征參數(shù)與運(yùn)動(dòng)障礙評分顯著相關(guān)。Shu等[32]基于全腦白質(zhì)的影像組學(xué)特征用于評估和檢測PD進(jìn)展，對Ⅰ期、Ⅱ期PD預(yù)測的準(zhǔn)確度均達(dá)到了80%以上。Salmanpour等[33]提取PD患者981項(xiàng)特征（包括運(yùn)動(dòng)、非運(yùn)動(dòng)和基于SPECT的放射組學(xué)特征），利用這些特征實(shí)現(xiàn)了PD患者的亞型識(shí)別及亞型的適當(dāng)預(yù)測，預(yù)測準(zhǔn)確率超過90%，并發(fā)現(xiàn)影像組學(xué)特征在PD亞型的聚類及預(yù)測中十分重要。

影像組學(xué)可以應(yīng)用于PD患者的預(yù)后預(yù)測以及評估，同時(shí)將影像組學(xué)特征與臨床評分量表相結(jié)合能夠有效提高其靈敏度及特異度，后續(xù)應(yīng)注重探討研究影像-臨床模型。

3 小結(jié)與展望

影像組學(xué)可應(yīng)用于PD的診斷、鑒別、認(rèn)知以及預(yù)測評估研究中，適用于多種醫(yī)學(xué)影像圖像，可以深度挖掘圖像上的信息并能將提取出特異的紋理特征參數(shù)進(jìn)行定量分析，具有廣泛的適配性以及獨(dú)特的優(yōu)勢和較高的分類能力，將來是否可以準(zhǔn)確利用影像組學(xué)特征區(qū)分出PD患者的亞型以及PD患者運(yùn)動(dòng)癥狀的相關(guān)性值得進(jìn)一步探討研究。通過影像組學(xué)參數(shù)特征建立的影像組學(xué)模型在PD的診斷中效能優(yōu)于單一紋理特征參數(shù)，因此后續(xù)應(yīng)探究多模態(tài)影像組學(xué)模型在PD診斷中的價(jià)值。

目前影像組學(xué)在PD研究的局限性在于：①影像組學(xué)在PD的研究基本都是單中心、小樣本量研究，可重復(fù)性相對不高；②不同研究中心所用機(jī)器型號，勾畫方法難以進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，為后續(xù)多中心研究分析造成困難。

綜上所述，影像組學(xué)在PD診斷、分型、預(yù)測評估中具有廣泛應(yīng)用前景，后續(xù)研究中應(yīng)偏向于探究多模態(tài)的影像組學(xué)方法在PD中的應(yīng)用。