腦功能網絡拓撲屬性改變支持向量機模型預測海馬硬化型顳葉癲癇患者術后轉歸

劉付金龍,劉高平,白義鈞,李 鳳,陳 錢,陳 玖,王正閣,張 冰,,*

(1.南京大學醫學院附屬鼓樓醫院醫學影像科,江蘇 南京 210008;2.安徽省六安市人民醫院醫學影像科,安徽 六安 237000;3.南京醫科大學鼓樓臨床醫學院醫學影像科,江蘇 南京 210008)

海馬硬化(hippocampal sclerosis, HS)型顳葉癲癇(temporal lobe epilepsy, TLE)是成人常見藥物難治性癲癇,以廣泛海馬神經元丟失和膠質增生為特征[1]。前顳葉切除術(anterior temporal lobectomy, ATL)是治療HS-TLE的首選外科手段,但33%～50%患者術后仍可出現癲癇發作[2]。靜息態功能MRI(resting-state functional MRI, rs-fMRI)可通過檢測血氧水平依賴信號變化而評估大腦活動、觀察腦區之間的功能連接和網絡特性[3]。圖論分析為一種數學方法,可用于量化復雜網絡的拓撲屬性[4];基于rs-fMRI圖論分析能揭示大腦區域之間的功能整合或分離程度及信息傳遞方式[5]。本研究基于rs-fMRI圖論分析所獲HS-TLE患者腦功能網絡拓撲屬性改變建立支持向量機(support vector machine, SVM)模型,觀察其預測HS-TLE患者ATL術后轉歸的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2009年7月—2021年3月南京大學附屬金陵醫院收治的34例接受ATL的單側HS-TLE患者(HS-TLE組),男15例、女19例,年齡15～49歲、平均(26.9±9.1)歲;均為ATL術后2年;均為右利手并符合國際抗癲癇聯盟HS-TLE診斷標準[6];其中15例致癇灶位于左側海馬、19例位于右側海馬。排除標準:①左利手或雙利手;②其他顳葉內側病灶所致顳葉內側癲癇,如局灶性皮層發育不良及皮層良性占位;③頭顱外傷或手術史;④MR禁忌證。根據癲癇Engel分級將HS-TLE組患者分為無癲癇發作(seizure-free, SF)亞組(Engel Ⅰa級,n=20)和癲癇發作(non-seizure-free, NSF)亞組(Engel Ⅰb～Ⅳ級,n=14)。另招募同期50名性別、年齡相匹配的健康對照者(healthy control, HC)為HC組,男27名、女23名,年齡19～46歲,平均(29.1±8.6)歲。本研究獲院倫理委員會批準(2021-432-02)。檢查前受試者或家屬均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens TIM Trio 3.0T或Philips Ingenia 3.0T MR掃描儀及8通道頭部線圈掃描頭部。參數:高分辨率3D-T1WI,采用三維梯度回波序列,TR 2 300 ms,TE 2.98 ms,FA 9°,FOV 256 mm×256 mm,矩陣256×256,層厚1 mm;rs-fMRI,采用平面回波成像序列,TR 2 000 ms,TE 30 ms,FA 90°,層厚4.0 mm,層間距0,FOV 240 mm×240 mm,矩陣64×64,層數35,共采集250個時間點。

1.3 圖像處理

1.3.1 預處理 采用Matlab R2022b平臺DPARSF 6.0工具包(http://rfmri.org/DPARSF)對rs-fMRI數據進行預處理:①轉換圖像格式;②對右側HS-TLE患者的圖像進行左右翻轉,使所有患者致癇灶均位于左側[7];③去除前10個時間點的信號;④校正時間層及頭動;⑤重定向圖像方向;⑥配準與空間標準化,將數據配準至蒙特利爾神經學研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)空間,并重采樣為體素3 mm×3 mm×3 mm;⑦濾波,選用0.01～0.1 Hz頻率消除混雜信號;⑧回歸協變量,去除頭動、腦白質及腦脊液信號的干擾。所有受試者rs-fMRI頭動均<2 mm,旋轉角度<2°。

1.3.2 圖論分析 以Matlab平臺的GRETNA工具包(https://www.nitrc.org/projects/gretna)構建腦網絡及基于圖論分析的網絡屬性。采用自動解剖標記90圖譜將大腦分成90個腦區并構建腦網絡。設置網絡稀疏度閾值為0.05～0.50、間隔為0.05,計算所有受試者在該10個閾值點的大腦網絡節點屬性,包括介數中心性、度中心性及節點效率。采用獨立樣本t檢驗評估組間及亞組間節點屬性的差異,以錯誤發現率(false discovery rate, FDR)進行校正。

1.3.3 分類分析 以亞組間差異具有顯著統計學意義的圖論指標組成特征向量,采用Matlab 2022b內置線性SVM進行訓練,以5折交叉驗證法評價模型預測HS-TLE患者ATL術后轉歸的分類效能。

1.4 統計學分析 采用SPSS 23.0統計分析軟件。以χ2檢驗比較定性資料。以±s表示符合正態分布的計量資料,以中位數(上下四分位數)表示不符合正態分布者,行獨立樣本t檢驗或Mann-WhitneyU檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料 組間及 HS-TLE組內亞組間一般資料差異均無統計學意義(P均>0.05,表1)。

表1 34例HS-TLE與50名HC一般資料

2.2 圖論分析 相較HC組,HS-TLE組患側海馬介數中心性降低,對側額中回和額中回眶部及左側額下回島蓋部、額下回三角部、額下回眶部和尾狀核度中心性升高,而雙側海馬及左側海馬旁回、杏仁核、枕上回度中心性降低;HS-TLE組對側額中回及左側額下回三角部節點效率升高,而患側海馬、海馬旁回及杏仁核節點效率降低,見表2及圖1。

圖1 HS-TLE組與HC組存在顯著差異屬性的大腦網絡節點(FDR校正) 色帶代表t值

HS-TLE組內,相比NSF亞組,SF亞組患側杏仁核及對側直回、角回、顳中回介數中心性降低,而對側枕上回、梭狀回介數中心性升高,且對側枕上回和枕中回度中心性及節點效率均升高。見圖2及表3。

表3 SF亞組相比NSF亞組存在顯著差異屬性的大腦網絡節點

2.3 SVM模型的分類效能 SVM模型預測34例HS-TLE患者ATL術后轉歸的準確率為76.47%(26/34),見圖3。

圖3 SVM模型預測34例HS-TLE患者ATL術后轉歸

3 討論

海馬是TLE活動的中心;杏仁核及海馬旁回是TLE重要活動區域,包括癲癇起源、擴散和傳播,均可致TLE發作[7]。既往研究[8]表明,HS-TLE患者顳葉內側結構和功能受損可致腦區之間連接模式改變,使其結構及功能網絡發生重組。本研究發現HS-TLE患者大腦網絡節點拓撲屬性發生改變,主要表現為以海馬、杏仁核及海馬旁回等為主的患側顳葉介數中心性、度中心性及節點效率降低,提示在HS-TLE患者腦功能網絡中,顳葉信息傳遞能力及網絡連接數量均下降,使其在網絡中的重要性降低;而以雙側額葉等為主的患側顳外區域度中心性及節點效率升高則代表上述區域在HS-TLE患者腦功能網絡中的重要性上升,即承擔更多信息傳遞或處理任務,可能源于對顳葉內側功能損傷的代償。

杏仁核是HS-TLE活動的重要區域[9]。本研究結果顯示,相比NSF亞組,SF亞組患側杏仁核介數中心性降低,表明患側杏仁核中介效應更低、功能連接更少,即在癲癇活動的擴散及傳播中起限制作用,可縮小癲癇累及范圍。多項研究[10-11]表明,TLE患者ATL術后癲癇復發與對側大腦半球異常有關。DESALVO等[12]發現,TLE患者對側顳島葉皮層全局網絡整合程度較低與術后持續性癲癇發作相關。一側TLE亦可累及對側顳葉內側[13];而HS-TLE患者ALT術后癲癇發作與致癇灶切除不完整、致癇網絡斷開不完全有關[14]。本研究HS-TLE組中,相比NSF亞組,SF亞組對側顳中回等介數中心性降低,表明其對側顳中回功能連接減少、在腦功能網絡中的重要性降低;而NSF亞組對側顳中回在腦功能網絡中的重要性上升的可能原因則在于一側HS-TLE累及對側顳葉或可促進癲癇發生、發展及擴散;對側枕上、中回度中心性及節點效率升高表明對側枕葉功能受損。以上結果表明,HS-TLE患者ATL術后腦功能網絡發生了重組,而對側大腦半球網絡拓撲屬性異常可能是預測HS-TLE患者ALT術后轉歸的重要指標之一。

本研究對基于rs-fMRI圖論分析所獲HS-TLE亞組間存在差異大腦網絡節點的拓撲屬性進行訓練,構建SVM模型用預測HS-TLE患者ALT術后轉歸,其準確率為76.47%(26/34),提示其可用于預測HS-TLE患者ALT術后轉歸。

綜上,腦功能網絡拓撲屬性變化SVM模型可用于預測HS-TLE患者ATL術后轉歸。但本研究樣本量有限,且均已接受抗癲癇藥物治療,可能影響大腦網絡,且未涉及致癇灶側別,有待積累更多病例進一步觀察。