一體化PET/MRI評估帕金森病患者腦葡萄糖代謝與局部一致性的關系

臧振享,宋天彬,崔碧霄,楊宏偉,張 春,盧 潔*

(1.首都醫科大學宣武醫院放射與核醫學科,北京 100053;2.磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室,北京 100053)

帕金森病(Parkinson's disease, PD)是最常見的神經退行性疾病之一,主要臨床表現包括靜止性震顫、肌張力增高、強直、運動遲緩及平衡障礙等[1-3]。既往18F-FDG PET研究[4]發現PD患者大腦存在異常葡萄糖代謝模式,主要包括運動環路葡萄糖代謝異常上升,而視覺區、頂葉、前額葉等非運動相關腦區葡萄糖代謝異常下降。靜息態功能MRI(resting-state functional MRI, rs-fMRI)空間與時間分辨率均較高,患者依從性好,是研究PD腦功能活動的常用影像學方法[5]。局部一致性(regional homogeneity, ReHo)反映相鄰體素時間序列的一致性,常用于研究PD患者腦局部活動[6]。PD患者大腦運動區、基底節區ReHo降低而后扣帶回、枕葉及顳葉ReHo升高[7]。葡萄糖代謝是評估腦活動的金標準,PD患者異常葡萄糖代謝與異常ReHo在運動環路、視覺區及頂葉等腦區的空間分布相似,但目前對于二者是否存在相關性尚不明了。本研究以一體化18F-FDG PET/MRI觀察PD患者腦葡萄糖代謝與ReHo的關系。

1 資料與方法

1.1 研究對象 前瞻性納入2019年10月—2020年5月34例于首都醫科大學宣武醫院確診的PD患者(PD組),男13例、女21例,年齡45～72歲、平均(62.3±6.4)歲;滿足各項中的至少3項[2]:①單側起病;②靜止性震顫;③疾病逐漸進展;④癥狀不對稱,起病側受累更重;⑤經左旋多巴治療效果明顯,統一PD評定量表(unified PD rating scale, UPDRS)-Ⅲ改善>30%;⑥左旋多巴導致嚴重異動癥;⑦左旋多巴療效持續5年或更長時間以上;⑧病程≥10年。同期招募25名性別、年齡相匹配的健康受試者為對照組,男8名、女17名,年齡54～70歲、平均(60.0±4.5)歲。本研究經院倫理委員會批準(臨研審[2023]044號),檢查前所有受試均簽署知情同意書。PET/MR檢查前以UPDRS-Ⅲ、Hoehn-Yahr(H&Y)分級、簡易精神狀態檢查(mini-mental state examination, MMSE)及蒙特利爾認知評估量表(Montreal cognitive assessment, MoCA)對PD組患者進行評估。

1.2 儀器與方法 采用聯影uPMR790一體化PET/MR掃描儀、24通道相控陣頭線圈。囑PD患者檢查前12 h停藥,所有受試者禁食6 h。檢查前1 h經手背靜脈注射18F-FDG顯像劑(3.7 MBq/kg體質量),囑受試者仰臥、閉目并保持安靜狀態,避免頭動,行顱腦一體化PET/MR掃描,獲取PET數據時間窗為10 min,采用時間飛躍法(time of flight, TOF)進行重建,層厚 2.8 mm,FOV 300 mm×300 mm,迭代次數4,子集20次,矩陣256×256,半高寬3 mm,體素2.4 mm×2.4 mm×2.8 mm。以TR 7.9 ms、TE 2.8 ms、矩陣256×256、掃描層數176、層厚1 mm、FOV 256 mm×256 mm 采集3D結構像T1WI。rs-fMRI參數:TR 2 000 ms,TE 30 ms,FA 90°,掃描層數31,矩陣64×64,FOV 256 mm×256 mm,體素3.5 mm×3.5 mm×3.5 mm,層間隔0.7 mm,掃描時間8 min。

1.3 數據處理 采用SPM軟件,通過以下步驟對rs-fMRI數據進行預處理并計算ReHo:①校正頭動;②校正時間層;③與高清3D T1WI進行配準;④分割解剖結構;⑤根據3D結構像T1WI進行空間標準化;⑥去除腦脊液、白質、頭動及全腦平均信號;⑦采用0.01～0.1 Hz進行濾波;⑧計算時間序列內相鄰27個體素之間的ReHo;⑨計算標準化ReHo;⑩高斯空間平滑,平滑核為8 mm。

基于高清3D結構像 T1WI對PET圖像進行空間標準化,以8 mm平滑核進行高斯空間平滑。利用迭代技術計算標準攝取值比值(standard uptake value ratio, SUVR)[8]:①將全腦模板設置為參考區域,并命名為“Ref0”;②根據Ref0平均值計算SUVR,通過獨立樣本t檢驗計算與之存在差異的腦區(檢驗水準:未校正P<0.05),并將其命名為“SigRegion”;③將“SigRegion”自“Ref0”中剔除,剩余區域均為差異不顯著腦區,將其定義為“Ref1”;④將“Ref1”定義為新的參考區域,重復步驟②～④,直至所生成 “Ref1”與“Ref0” 的殘差≤5%;⑤將最后生成的“Ref1”定義為最終參考區域,計算SUVR。

1.4 統計學分析 采用SPSS 26.0和SPM 26.0統計分析軟件。以頻數表示計數資料,采用χ2檢驗比較組間患者性別差異;以±s表示計量資料,采用t檢驗比較組間年齡及頭動幅度差異。以一般線性模型分析組間SUVR(以患者性別、年齡作為協變量)、ReHo(以性別、年齡及頭動幅度為協變量)差異,并以FDR法校正結果。計算組間SUVR與ReHo均存在差異腦區(即差異重疊腦區)的SUVR和ReHo平均值,以Pearson相關性分析觀察重疊腦區SUVR與ReHo的線性關系,以及PD患者差異重疊腦區SUVR、ReHo與PD病程和臨床量表評分的相關性。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 基本資料 PD組與對照組受試者性別(χ2=0.24,P=0.62)、年齡(t=1.55,P=0.13)及頭動幅度[(0.21±0.08)mmvs. (0.22±0.09)mm,t=-0.53,P=0.60]差異均無統計學意義。PD組患者病程(9.59±4.04)年,UPDRS-Ⅲ評分(59.71±15.00)分,H&Y分級(3.00±0.83)級,MMSE評分(23.07±3.66)分,MoCA評分(26.67±2.97)分。

2.2 葡萄糖代謝與ReHo 相比對照組,PD組初級感覺運動區、中央旁小葉、殼核、蒼白球以及丘腦SUVR升高(P均<0.05,經FDR校正),而視覺區、顳葉及頂葉SUVR降低(P均<0.05,經FDR校正),見圖1;視覺區、顳葉及頂葉ReHo升高(P均<0.05,經FDR校正),中央旁小葉、殼核、蒼白球、丘腦、腦干、額下回眶部及后扣帶回ReHo降低(P均<0.05,經FDR校正),見圖2。PD組與對照組SUVR與ReHo均存在差異的運動相關腦區為雙側殼核及雙側中央旁小葉,非運動相關腦區則為雙側顳下回、雙側枕中回及左側距狀裂,共715體素,見表1及圖3。以上9個重疊腦區SUVR與ReHo的組間差異(t值)具有顯著空間相似性(r=-0.84,P=0.005)。

表1 對比PD組與對照組SUVR及ReHo差異重疊腦區

圖1 PD組SUVR較對照組升高(暖色)及降低(冷色)腦區分布圖 圖2 PD組ReHo較對照組升高(暖色)及降低(冷色)腦區分布圖

圖3 PD組與對照組SUVR與ReHo均存在差異腦區分布圖

PD組及對照組組內重疊腦區SUVR平均值與ReHo平均值均無顯著相關(P均>0.05)。PD患者雙側殼核ReHo均與病程呈正相關(左側:r=0.36,P=0.04;右側:r=0.48,P<0.01),左側距狀裂SUVR與H&Y分級呈正相關(r=0.44,P=0.01)。各重疊腦區SUVR與ReHo均與UPDRS-Ⅲ評分無顯著相關性(P均>0.05)。

3 討論

運動相關腦區葡萄糖代謝升高及枕葉、頂葉等非運動相關腦區葡萄糖代謝降低是PD患者葡萄糖代謝異常主要表現[9-10],且多出現于PD臨床前驅期[11],與疾病進展密切相關;其中,運動皮質、基底節及丘腦葡萄糖代謝升高與PD運動障礙相關,而視覺區、頂葉及額葉葡萄糖代謝下降則與非運動障礙如視幻覺和認知障礙有關[12-13]。本研究PD組腦ReHo表現為基底節、丘腦、中央旁小葉、距狀裂及后扣帶回異常下降,而視覺區、頂葉及顳葉異常升高,與既往研究[14-15]結果相符。PD患者葡萄糖代謝差異與ReHo差異的空間分布模式相似,涵蓋中央旁小葉、殼核等運動相關腦區,以及枕葉、顳葉、頂葉等非運動相關腦區;各腦區葡萄糖代謝改變與ReHo呈相反趨勢,即運動相關腦區葡萄糖代謝異常升高而ReHo降低,非運動相關腦區葡萄糖代謝異常降低而ReHo升高。運動相關腦區葡萄糖代謝升高表明PD患者靜息態下腦活動增加,與其運動障礙相關[16-17];ReHo降低在上述區域中主要集中于基底節及丘腦區域,與PD患者多巴胺缺失相關[14]。

雖然PD患者腦葡萄糖代謝異常與ReHo異常空間分布相似而趨勢相反,但本研究后驗式分析結果表明,PD組及對照組組內差異重疊腦區SUVR平均值與ReHo平均值均無顯著相關性,與WANG等[18]的結果相符,即葡萄糖代謝異常空間模式雖與ReHo相似,但二者之間并不存在線性相關關系,可能與以下因素相關:①二者之間缺少其他中介因素;②ReHo代表局部神經元信號的同步性,卻不能反映神經元長程投射的信號傳遞情況,而葡萄糖代謝則可能與PD長程神經元信號傳遞能量消耗有關;③ReHo是通過動態時間序列計算而得出,體現相鄰體素動態變化的相似性,而葡萄糖代謝則反映靜態能量消耗。

綜上,PD患者腦葡萄糖代謝與ReHo異常空間分布相似,但其間不存在線性相關關系;具體相關機制有待進一步觀察。