基于multi-atlas QSM定量分析阿爾茨海默病腦基底核團(tuán)異常鐵沉積

簡(jiǎn)思，張順，李葭，張妍，覃媛媛，朱文珍

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是最常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病之一，其主要病理學(xué)特征是β淀粉樣斑塊(β-amyloid plaques)沉積形成細(xì)胞外老年斑和高度磷酸化的Tau蛋白聚集形成細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles，NFT)。目前診斷AD主要依靠臨床評(píng)估，雖然可以通過(guò)PET檢測(cè)Aβ斑塊，但PET檢查費(fèi)用高、有輻射且圖像分辨率較低，目前尚無(wú)安全的、可靠的標(biāo)志物協(xié)同診斷AD。最新研究表明，AD患者Aβ斑塊與鐵的沉積部位具有很好的一致性[1]。鐵是大腦中含量最豐富的轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)金屬之一，參與多種大腦生理活動(dòng)。隨著年齡的增長(zhǎng)，大腦深部灰質(zhì)核團(tuán)如蒼白球、殼核、尾狀核、紅核和黑質(zhì)等結(jié)構(gòu)的鐵含量逐漸增加[2-3]。而且，已有研究者觀察到AD患者的大腦深部灰質(zhì)核團(tuán)存在過(guò)量鐵沉積[4-6]。

定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)通過(guò)評(píng)估組織的磁化率來(lái)定量分析鐵的含量，是目前活體定量分析腦組織鐵含量的主要方法[7]。磁化率是物質(zhì)的一種內(nèi)在物理屬性，大腦中鐵主要以鐵蛋白的形式儲(chǔ)存，它為強(qiáng)順磁性物質(zhì)，當(dāng)回波時(shí)間一定，組織中含鐵量越多，則相位改變?cè)斤@著，QSM信號(hào)越強(qiáng)。因此QSM可以量化每個(gè)體素的磁化率值。與磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)一樣，QSM同樣利用了相位信息來(lái)測(cè)量組織的磁化特性，但使用了不同于SWI的后處理方法，真正實(shí)現(xiàn)了磁化率的定量測(cè)量[7]。既往的研究中多應(yīng)用SWI或者T2*WI來(lái)檢測(cè)大腦內(nèi)鐵含量[8-9]，但它們受到場(chǎng)強(qiáng)限制和開(kāi)花偽影等因素的影響，不能準(zhǔn)確地分析腦內(nèi)鐵含量。QSM是目前定量測(cè)量鐵含量的最佳影像檢查技術(shù)。

目前大部分研究中采用基于感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的方法手動(dòng)測(cè)量基底核團(tuán)的磁化率，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且比較主觀，而準(zhǔn)確性高、全自動(dòng)分割基底核團(tuán)的方法目前尚未在臨床普遍應(yīng)用[10]。由于富含鐵的基底核團(tuán)在T1WI上對(duì)比度較差，手動(dòng)勾勒難以準(zhǔn)確地界定基底核團(tuán)的邊界，而基于QSM和T1WI的雙通道(雙對(duì)比度)單圖譜或多圖譜分析(multiatlas-based analysis)可避免上述缺點(diǎn)，通過(guò)采用以T1WI結(jié)構(gòu)像為標(biāo)準(zhǔn)模板的全腦配準(zhǔn)方法，能夠非常準(zhǔn)確地自動(dòng)分割基底核團(tuán)[11]。由于單個(gè)腦圖譜的分割精度取決于目標(biāo)人群與解剖圖譜的相似性，而人腦鐵的含量會(huì)隨著腦發(fā)育和衰老而變化，因此多圖譜分析較單圖譜能夠更好地反映不同人群基底核團(tuán)磁化率的細(xì)微變化。雖然計(jì)算成本相對(duì)較高，但通過(guò)MRICloud平臺(tái)將數(shù)據(jù)打包上傳，操作簡(jiǎn)單，復(fù)雜的計(jì)算由云平臺(tái)自動(dòng)完成，能夠滿足廣大臨床醫(yī)師的需求[12]。此外，由于既往影像檢查技術(shù)的限制，對(duì)于AD患者丘腦底核鐵沉積情況的研究比較少。

基于既往研究中存在的上述不足之處，本研究采用目前最為精確的基底核團(tuán)磁化率全自動(dòng)化定量測(cè)量方法，即基于multi-atlas的QSM和T1W雙通道全自動(dòng)分割基底核團(tuán)[11]，定量分析AD患者腦基底核團(tuán)的磁化率改變，并探討鐵沉積與AD患者認(rèn)知損害的關(guān)系。

材料與方法

1.一般資料

將2016年3月-2019年5月在本院神經(jīng)內(nèi)科門(mén)診就診的34例AD患者納入本研究。所有患者符合美國(guó)國(guó)立神經(jīng)病、語(yǔ)言交流障礙和卒中研究所及老年性癡呆及相關(guān)疾病學(xué)會(huì)(NINCDS-ADRDA)制定的診斷標(biāo)準(zhǔn)[13]。另從社區(qū)招募年齡、性別和受教育程度相匹配的34例健康志愿者(normal control，NC)作為對(duì)照組。

對(duì)所有受試者進(jìn)行簡(jiǎn)易精神狀態(tài)量表(mini-men-tal state examination，MMSE)評(píng)分，并在放射科完成頭部磁共振掃描。排除標(biāo)準(zhǔn)：①既往明確伴有其它神經(jīng)或精神性疾病、系統(tǒng)性疾病、酒精或藥物濫用、急性腦血管病和嚴(yán)重外傷等病史；②頭部有金屬異物；③有幽閉恐懼癥。

本研究經(jīng)本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并獲得了所有受試者或其家屬的知情同意。

圖1 基于multi-atlas的QSM定量分析流程圖。步驟1為自動(dòng)重建多回波GRE圖像(幅度圖phase和相位圖MAG)得到QSM參量圖；步驟2為采用SPM軟件將受試者的相位圖MAG和自身的3D-T1WI圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，從而獲得配準(zhǔn)后的QSM參量圖；步驟3為將3D-T1WI上傳至MRICloud平臺(tái)獲得T1WI分割結(jié)果；步驟4為上傳配準(zhǔn)后的QSM參量圖和3D-T1WI分割結(jié)果到MRICloud平臺(tái)，進(jìn)行基于multi-atlas的多圖譜融合分割；步驟5為自動(dòng)獲得QSM分割結(jié)果及20個(gè)ROI的磁化率值。

2.MR掃描及數(shù)據(jù)后處理

使用GE discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀和32通道頭部專用線圈。掃描序列包括三維顱腦容積成像(three-dimension brain volume imaging，3D-BRAVO)T1WI和3D多回波GRE序列。3D-BRAVO T1WI序列掃描參數(shù)：TR 3.18 ms，TE 450 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，層數(shù)188，層厚1.0 mm，矩陣256×256，視野240 mm×240 mm。3D多回波GRE序列掃描參數(shù)：8個(gè)回波，視野240 mm×240 mm，TR 66 ms，TE 14.8 ms，△TE 10.5 ms，矩陣416×256，讀出帶寬244 Hz/pixel，層厚3.0 mm，翻轉(zhuǎn)角20°。

采用全自動(dòng)零參考形態(tài)偶極子翻轉(zhuǎn)法重建多回波GRE圖像，得到QSM參量圖，以腦脊液磁化率為0作為參考值[14]。基于multi-atlas的QSM定量分析在MRICloud云平臺(tái)上完成(https://mricloud.org/)，主要后處理流程見(jiàn)圖1。主要后處理步驟：首先，采用SPM軟件將受試者的QSM參量圖和3D-T1WI圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；然后，將3D-T1WI數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)進(jìn)行分割及空間標(biāo)準(zhǔn)化，獲得標(biāo)準(zhǔn)化后的T1WI數(shù)據(jù)及其形變信息；最后，將配準(zhǔn)后的QSM圖像和3D-T1WI分割結(jié)果上傳至云平臺(tái)，采用10個(gè)解剖圖譜集(名稱：atlases_T1_QSM_V02)融合分割，獲得QSM腦基底核團(tuán)的精準(zhǔn)分割結(jié)果[11]，同時(shí)自動(dòng)獲得20個(gè)腦基底核團(tuán)的平均磁化率值，包括雙側(cè)尾狀核、殼核、內(nèi)側(cè)和外側(cè)蒼白球、背側(cè)丘腦、丘腦枕、丘腦底核、黑質(zhì)、紅核及齒狀核。

3.統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。采用單樣本K-S檢驗(yàn)驗(yàn)證各定量資料的數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，對(duì)于符合正態(tài)分布的變量采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較(采用Gpower軟件計(jì)算得到本研究的效應(yīng)量為0.89，滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)要求)，不符合正態(tài)分布的變量采用曼-惠特尼U檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較；性別差異的組間比較采用卡方檢驗(yàn)。腦基底核團(tuán)磁化率值與MMSE評(píng)分的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)性分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

AD組和對(duì)照組一般臨床資料的比較見(jiàn)表1。兩組受試者的性別、年齡和受教育年限的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。 AD組的MMSE評(píng)分較對(duì)照組明顯降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。基于multi-atlas的QSM定量分析結(jié)果顯示見(jiàn)表2和圖2。

圖2 AD組和對(duì)照組腦基底節(jié)灰質(zhì)核團(tuán)磁化率值的直方圖。圖片上的*代表P<0.05(未校正)，**代表P<0.05(Bonferroni校正)。LCN=左側(cè)尾狀核，RCN=右側(cè)尾狀核，LGPi=左側(cè)內(nèi)側(cè)蒼白球，RGPi=右側(cè)內(nèi)側(cè)蒼白球，LGPe=左側(cè)外側(cè)蒼白球，RGPe=右側(cè)外側(cè)蒼白球，LPut=左側(cè)殼核，RPut=右側(cè)殼核，LdTh=左側(cè)背側(cè)丘腦，RdTh=右側(cè)背側(cè)丘腦，LPulv=左側(cè)丘腦枕部，RPulv=右側(cè)丘腦枕部，LSTN=左側(cè)丘腦底核，RSTN=右側(cè)丘腦底核，LRN=左側(cè)紅核，RRN=右側(cè)紅核，LDN=左側(cè)齒狀核，RDN=右側(cè)齒狀核。

表1 AD組和對(duì)照組一般資料的比較

表2 AD組和NC組各部位的磁化率值 /×10-3ppm

在20個(gè)腦基底核團(tuán)中，AD患者11個(gè)核團(tuán)(雙側(cè)的尾狀核、殼核、背側(cè)丘腦、丘腦底核和紅核及右側(cè)外側(cè)蒼白球)的磁化率值較對(duì)照組升高(P<0.05，未校正)；其余9個(gè)核團(tuán)的磁化率值與對(duì)照組之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05，未校正)。而經(jīng)過(guò)Bonferroni校正后，僅右側(cè)殼核(P=0.002)和左側(cè)背側(cè)丘腦(P=0.001)的磁化率值與對(duì)照組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

選取AD組磁化率值顯著高于NC組的基底核團(tuán)，將其磁化率值與MMSE評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析，散點(diǎn)圖見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示，右側(cè)殼核(r=-0.302，P=0.020)和左側(cè)背側(cè)丘腦(r=-0.319，P=0.014)的磁化率值與MMSE評(píng)分呈顯著負(fù)相關(guān)。

討 論

目前鐵在AD發(fā)生發(fā)展中的作用尚未完全明確，早期研究發(fā)現(xiàn)AD患者尸檢腦組織β淀粉樣斑塊中可見(jiàn)鐵沉積[15]，而近期研究發(fā)現(xiàn)在PET檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Aβ陽(yáng)性的患者中局部腦區(qū)鐵沉積越多，患者的認(rèn)知功能下降越明顯[16]。可見(jiàn)，過(guò)量的鐵沉積與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。目前其原因尚未完全闡明，可能與鐵超載導(dǎo)致有毒自由基的產(chǎn)生和氧化損傷有關(guān)[17-18]；也有學(xué)者認(rèn)為鐵能準(zhǔn)確地結(jié)合神經(jīng)元中的Tau蛋白，將其轉(zhuǎn)變?yōu)镻-Tau蛋白(過(guò)度磷酸化的Tau蛋白)，導(dǎo)致NFT的產(chǎn)生[19]；鐵過(guò)載同時(shí)可導(dǎo)致具有神經(jīng)毒性的游離鐵釋放，從而引起神經(jīng)細(xì)胞凋亡[20]，導(dǎo)致記憶減退。因此，鐵沉積過(guò)多可能潛在加速AD的患病進(jìn)程或者是AD潛在致病的原因之一。

基底神經(jīng)節(jié)參與了相當(dāng)多類型的認(rèn)知和記憶功能的調(diào)節(jié)過(guò)程[21]，尾狀核、殼核和蒼白球等部位的鐵沉積可能導(dǎo)致皮質(zhì)-紋狀體通路的破壞，進(jìn)而引起患者記憶力下降。本研究中發(fā)現(xiàn)AD患者右側(cè)殼核和左側(cè)背側(cè)丘腦的鐵含量較NC增多，這與之前的研究結(jié)果基本一致[22]；且右側(cè)殼核和左側(cè)背側(cè)丘腦磁化率升高與認(rèn)知功能下降顯著相關(guān)，可能與鐵過(guò)載導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡從而引起認(rèn)知功能下降有關(guān)。背側(cè)丘腦是一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)核團(tuán)復(fù)合體，既往大部分影像學(xué)檢查中將整個(gè)丘腦作為一個(gè)ROI[4]，但有研究顯示丘腦枕與視覺(jué)皮質(zhì)和邊緣皮質(zhì)有著廣泛的聯(lián)系，其擴(kuò)散特征和組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與丘腦其它亞區(qū)顯著不同[22]。因此，本研究中所采用的腦圖譜將丘腦枕與丘腦其它部位分開(kāi)測(cè)量，但并未發(fā)現(xiàn)丘腦枕存在過(guò)度鐵沉積。之前多數(shù)研究者認(rèn)為丘腦鐵含量增多與患者認(rèn)知功能之間并無(wú)顯著相關(guān)性[4,23]，與本研究結(jié)果不一致，筆者認(rèn)為可能的原因未本研究中采用的分割方法不同。

圖3 AD患者基底核團(tuán)磁化率值與MMSE評(píng)分相關(guān)性分析散點(diǎn)圖。 a)右側(cè)殼核的磁化率值與MMSE評(píng)分呈顯著線性負(fù)相關(guān)；b)左側(cè)背側(cè)丘腦的磁化率值與MMSE評(píng)分呈顯著線性負(fù)相關(guān)。

另外，本研究中首次探索了AD患者中丘腦底核是否存在過(guò)度鐵沉積。丘腦底核位于紅核外側(cè)、內(nèi)囊膝部的內(nèi)側(cè)，覆蓋于黑質(zhì)嘴側(cè)的上方，由內(nèi)前向外后呈斜形走行，呈雙凸透鏡形或月牙形；丘腦底核可被細(xì)分為3個(gè)亞單位：背外側(cè)區(qū)、腹側(cè)區(qū)及中間區(qū)，背外側(cè)區(qū)主要與運(yùn)動(dòng)通路有關(guān)，而腹側(cè)區(qū)及中間區(qū)則與聯(lián)合通路、邊緣系統(tǒng)通路有關(guān)[24]。既往有研究者發(fā)現(xiàn)[25-26]，經(jīng)深部電刺激(deep brain stimulation，DBS)治療后的帕金森病患者雖然運(yùn)動(dòng)功能得到改善，但是出現(xiàn)了認(rèn)知功能的下降(如語(yǔ)言流利度下降、反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)等)，同時(shí)還伴有輕度躁狂和/或抑郁狀態(tài)等情緒改變。還有一些功能影像學(xué)研究中觀察到丘腦底核-顳葉環(huán)路在大腦認(rèn)知功能機(jī)制中具有至關(guān)重要的作用[27]。本研究中也發(fā)現(xiàn)AD患者雙側(cè)丘腦底核的磁化率值較健康對(duì)照升高，但經(jīng)多重比較校正后，2組之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這可能與本研究樣本量較小有關(guān)。我們認(rèn)為AD患者丘腦底核的磁化率升高，但是相對(duì)于殼核和背側(cè)丘腦，其增加程度較小，未來(lái)尚需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量以明確丘腦底核鐵沉積增多在AD患者認(rèn)知功能下降中的作用。

綜上所述，本研究采用基于multi-atlas的QSM定量分析方法，準(zhǔn)確地測(cè)量了AD患者和健康對(duì)照腦基底核團(tuán)的磁化率，發(fā)現(xiàn)AD患者大腦深部基底核團(tuán)的鐵含量較健康對(duì)照顯著增加，且與認(rèn)知功能的下降具有相關(guān)性。基于multi-atlas的QSM定量分析方法可用于AD患者基底核團(tuán)異常鐵沉積的定量評(píng)估，但本研究為回顧性分析，樣本量較少，且對(duì)患者認(rèn)知功能的評(píng)估中僅采用了MMSE評(píng)分，相對(duì)單一，尚需在今后進(jìn)一步增加樣本量并進(jìn)行更為詳細(xì)全面的認(rèn)知功能評(píng)估來(lái)深入研究。