MorphoBox自動分割皮層下灰質核團

張曉楠，程敬亮，張 勇，宋承汝，馬可燃，白 曼，王克凡，毛鑫月

(鄭州大學第一附屬醫院磁共振科，河南 鄭州 450052)

基于圖像的自動腦形態測量分析現已逐漸用于量化正常衰老和腦結構在各種神經退行性疾病進展期中的變化[1]，并已開發出多種免費自動分割測量軟件，如應用較廣的Freesurfer、SPM和FSL-first等，但硬件要求較高、計算耗時較長等缺陷限制了其臨床推廣應用。隨著技術發展，MorphoBox[2]算法實現了將自動腦分割功能整合到磁化強度預備梯度回波(magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo, MPRAGE)序列中，待掃描結束即直接自動生成腦內各結構的形態學體積測量報告，直觀、快速，無需后處理，目前已用于阿爾茲海默病、帕金森病等常見神經退行性疾病，并發現其與深部核團改變關系密切[3]。本研究通過與Freesurfer對比，觀察MorphoBox分割皮層下灰質核團的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2019年4月—2020年10月40例就診于鄭州大學第一附屬醫院40例顳葉癲癇(temporal lobe epilepsy, TLE)患者，男21例、女19例，年齡17～55歲、平均(30.5±12.1)歲，病程1～30年、中位病程4.5年；其中，單側海馬硬化(即內側TLE)24例，非海馬硬化(即外側TLE)16例；按腦電圖提示癲癇顳葉側別將其分為左側TLE(left TLE, LTLE)組和右側TLE(right TLE, RTLE)組。TLE患者納入標準：①漢族、右利手，患者間無血緣關系；②根據國際抗癲癇聯盟(International League Against Epilepsy, ILAE)2017年診斷標準確診癲癇；③癲癇癥狀符合顳葉起源性發作；④頭皮腦電圖或顱內電極腦電圖示發作或發作間期癇性放電源于顳葉。招募同期22名受教育年限均相匹配的健康志愿者作為健康對照(healthy control, HC)，男、女各11名，年齡18～46歲、平均(28.3±6.74)歲。HC組納入標準：①漢族、右利手，相互無血緣關系；②無顱腦損傷、昏迷及心腦血管疾病、糖尿病等慢性病史；③三代以內親屬無癲癇、精神和神經疾病；④頭顱MRI未見明顯異常；⑤無酒精、毒品或藥物依賴史；⑥無服用精神疾病類藥物史。排除標準：①全身性疾病、精神障礙及藥物成癮等；②顱內占位性病變，腦外傷、腦梗死、腦出血及顱內感染等腦部疾病史；③植入金屬支架、金屬牙齒、金屬瓣膜等易產生偽影的外物；④掃描時頭部移動距離大于3 mm。本研究經醫院倫理委員會批準(審查編號：2019-KY-232)；受試者簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Magnetom Prisma 3.0T MR掃描儀，64通道頭顱線圈。囑受試者平臥、睜眼、平靜呼吸，盡量避免自主思維活動；行常規頭顱MRI，包括T2W、液體衰減反轉恢復(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)序列、MPRAGE序列及彌散加權成像(diffusion weighted imaging, DWI)，具體參數見表1。

表1 頭顱MR掃描參數

1.3 圖像處理 完成MPRAGE序列掃描后，系統自動生成原始圖像(圖1A)、MorphoBox腦體積分割圖像(圖1B)及全腦結構體積報告。采用Freesurfer 圖像分析套件進行皮質重建和體積分割，并于云平臺(http://www.humanbrain.cn, Beijing Intelligent Brain Cloud, Inc.)經過程加速和簡化后得到分割圖像(圖1C)和體積報告。從以上兩種報告中各提取5對基底核團，即丘腦、殼核、尾狀核、蒼白球即海馬的體積。

圖1 TLE患者，男，36歲 A. 原始正中矢狀面MPRAGE圖； B.正中矢狀面MorphoBox腦體積分割圖； C.正中矢狀面Freesurfer腦體積分割圖

1.4 統計學分析 采用SPSS 21.0統計分析軟件。以±s表示符合正態分布的計量資料，采用配對t檢驗進行2組間比較；以中位數(上、下四分位數)表示不符合正態分布者，以Wilcoxon檢驗行2組間比較、Kruskal-WallisH檢驗行3組間比較。以χ2檢驗比較計數資料。行Pearson相關分析；采用組內相關系數(intra-class correlation efficient, ICC)評估2種算法的一致性。以效應值評價2種算法所測平均值的差異，效應值其中，M1為樣本1均值，M2為樣本2均值，SD1為樣本1標準差，SD2為樣本2標準差。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料 LTLE組、RTLE組及HC組年齡、性別及病程差異無統計學意義(P均>0.05)，見表2。

表2 LTLE、RTLE患者及健康人一般資料比較

2.2 灰質核團體積 MorphoBox與Freesurfer所測雙側殼核和尾狀核、右側蒼白球及雙側海馬體積差異均有統計學意義(P均<0.05)。Freesurfer所測雙側海馬體積均大于MorphoBox(P均<0.05)、雙側殼核體積均小于MorphoBox(P均<0.05)，LTLE和RTLE

組雙側尾狀核體積均大于MorphoBox(P均<0.05)，而HC組雙側尾狀核體積則小于MorphoBox(P均<0.05)。MorphoBox所測LTLE和RTLE組兩側殼核、尾狀核及海馬體積差異均有統計學意義(P均<0.05)，Freesurfer所測RTLE組兩側丘腦及LTLE、RTLE組兩側殼核、尾狀核、蒼白球及海馬體積差異均有統計學意義(P均<0.05)。見表3。

表3 MorphoBox和Freesurfer所測灰質核團體積比較(cm3)

2.3 相關性、一致性分析及效應值 除HC組雙側海馬外(P均>0.05)，MorphoBox與Freesurfer所測其余基底核團體積結果均相關(r=0.471～0.850，P均<0.05)。

除HC組右側蒼白球及雙側海馬外，MorphoBox與Freesurfer所測其余基底核團體積結果均具有一致性(ICC=0.392～0.818，P均<0.05)。

MorphoBox與Freesurfer測量殼核體積的效應值較大，為1.66～5.33。見表4。

表4 MorphoBox與Freesurfer測量5對基底核團的相關性、一致性分析及效應值

3 討論

已有研究[4-5]證實，腦萎縮相關體積測量結果與神經退行性疾病實際腦萎縮程度、神經病理學變化和認知障礙密切相關，且具有良好的可重復性、可靠性和客觀性。測量海馬體積有助于診斷TLE。海馬硬化是TLE最常見病理類型，表現為海馬體積縮小、神經元細胞丟失和神經膠質細胞增生；經手術切除后，治愈率可達70%以上[6]。由于海馬體積較小且解剖較為復雜，手工測量耗時較長；采用腦容積自動分割軟件可提高醫師工作效率和診斷準確性。

MorphoBox和Freesurfer兩種方法所用模板的腦圖譜不同[7-8]；Freesurfer基于局部而非全局強度分布建模，用于分割海馬等混合灰/白質結構更具優勢。本研究發現MorphoBox與Freesurfer所測雙側殼核、尾狀核，右側蒼白球及雙側海馬體積差異均有統計學意義，與既往研究[9]結果基本一致；MorphoBox和Freesurfer所測量部分核團左、右側體積差異有統計學意義，主要原因在于TLE患者存在雙側大腦半球廣泛結構損傷，而患側損傷更為嚴重[10]，導致雙側灰質核團體積出現差異。本研究MorphoBox與Freesurfer所測LTLE組和RTLE組患側海馬體積均小于健側，Freesurfer所測RTLE組患側丘腦體積小于健側，與文獻[11]報道TLE海馬硬化患者出現海馬萎縮及同側丘腦萎縮一致，提示其為 TLE顳葉外異常表現之一[12]。

除HC組雙側海馬外，MorphoBox與Freesurfer所測其余基底核團體積結果均相關，且HC組除雙側海馬外的r值均較高；分析原因，可能在于致癇灶或長期異常放電刺激致腦組織受損而使灰質-白質模糊[13]，造成腦分割數值差異。MorphoBox與Freesurfer所測基底核團體積結果均具有一致性，但跨度較大(ICC=0.392～0.818)，主要與分割蒼白球、殼核和海馬等難度較高和2種方法基于不同圖譜有關[14]。

綜上，MorphoBox可快速有效地自動分割腦內皮層下各灰質核團，值得臨床推廣應用。但本研究樣本量小，且僅針對5對基底核團進行分析，有待后續進一步完善。