合成MRI聯合VBM 腦分區在早期帕金森病診斷中的應用

陳苗，張崗*，王文佳，張銳，祁金鵬，粱智博，郜麗紅

0 前言

帕金森病（Parkinson's disease, PD）是第二大最常見的神經退行性疾病[1]，影響著全球數百萬患者，且隨著年齡增加而患病率呈指數級增長[2]。隨著人口老齡化加劇，PD 患病率預計將持續增長[3]，這將嚴重增加醫保和社會的經濟負擔[4]。在病理水平上，PD 特征是交織的皮層下多巴胺能黑質紋狀體系統的進行性變性、路易體聚集以及紋狀體中多巴胺的消耗。在組織學和功能上，這種變性的特征是神經元的破壞以及該區域的總鐵含量增加[5-6]。PD患者的運動功能障礙主要表現為運動遲緩、強直、震顫和姿勢不穩[7-9]。目前，對PD 的診斷主要基于患者的病史和臨床檢查[10]。必須有運動癥狀（運動遲緩、震顫、姿勢不穩定）和對傳統抗PD藥物的反應，并排除繼發性PD的可能原因（如頭部損傷或暴露于有毒藥物）[11]。因此PD 的明確體征和癥狀只會在疾病的晚期才出現，此時臨床上已經很難進行治療[12]。如果能在臨床癥狀出現之前診斷PD 并盡早干預，將開啟PD 診斷和治療的新篇章。

合成MRI（synthetic MRI, sMRI）是一種新的成像方法，可以在一次掃描中同時提供定量圖譜和多個合成對比加權圖像[13]。其衍生的序列可得到T1、T2和質子密度（proton density, PrD）值是組織性質的絕對量化，在同一大腦位置進行測量和對比。此外，通過自動分割也可獲得灰質（gray matter, GM）、白質（white matter, WM）、腦脊液（cerebral spinal fluid, CSF）含量。在中樞神經系統中應用sMRI可以更快地完成掃描，并降低患者不適。因此，sMRI 在中樞神經系統中的應用具有獨特的優勢。

基于體素的形態學測量（voxel-based morphometry,VBM）對于腦組織異常的檢測至關重要。VBM 是一種MRI 分析方法，可檢測各組間腦組織的局部結構差異，有助于理解神經精神疾病[14]的病理生理學改變。既往的一些VBM 研究已經探測了PD 患者和健康對照（healthy control, HC）之間的灰質體積（gray matter volume, GMV）差異，但結果并不一致[15-16]。

sMRI 已廣泛應用于中樞神經系統疾病[17-19]，而sMRI 在PD 早期診斷方面的臨床價值尚未被充分評估，文獻中尚未見有聯合VBM 及sMRI 對早期PD（early-stage PD, ESP）診斷的相關研究，本研究旨在探討其可行性。

1 材料和方法

1.1 受試人群

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，并經過呼倫貝爾市人民醫院倫理委員會批準，獲得所有受試者的書面同意并簽署了對本研究的知情同意書，批準文號：2020syy-105。本研究為前瞻性研究，共納入了2020 年7 月至2021 年5 月期間就診于呼倫貝爾市人民醫院的22 例ESP 患者（ESP 組）和年齡及性別相匹配的25例HC（HC組）。

ESP 組納入標準：（1）通過兩位高年資臨床醫生診斷，符合1992 年英國帕金森病協會腦庫臨床診斷標準以及2016 年制定的中國帕金森病的診斷標準，并進行了簡易精神狀態檢查（Mini-Mental State Examination, MMSE）及Hoehn-Yahr（H&Y）分級量表評分測試；（2）無MRI 檢查禁忌；（3）評估前12 h 以內停止服用多巴胺類藥物；（4）H&Y評分≤2.5分。排除標準：（1）存在神經精神疾病（如抑郁癥、焦慮癥、精神分裂癥等）；（2）存在代謝性疾病（如甲狀腺功能減低、葉酸和維生素B12 缺乏等）；（3）既往有腦外傷病史；（4）影像圖像在后處理過程中配準不佳等。

HC組納入標準：（1）與ESP組年齡和性別相匹配；（2）無MRI 檢查禁忌；（3）身體健康，近一年內常規頭顱CT 或MRI 檢查未發現大面積腦梗死及腦腫瘤等異常情況。排除標準：（1）有腦外傷病史；（2）影像圖像在后處理過程中配準不佳等。

樣本量估算方法：研究目標為驗證sMRI聯合VBM腦分區對ESP的診斷準確性，勾畫ESP組與HC組之間有差異腦區的多條ROC 曲線，并對AUC 進行分析；顯著性水平為雙側P＜0.05；效應大小為0.9；統計方法為兩樣本ROC檢驗。

1.2 研究方法

1.2.1 圖像采集

本研究所用的MRI 圖像來自一臺配備標準32 通道相控陣頭頸線圈的3.0 T MR掃描儀（Pioneer，GE，美國）。受試者在篩查時采集了常規軸位T1 和T2 加權圖像（T1WI 和T2WI）、矢狀位T2WI 和液體衰減反轉恢復（fluid attenuated inversion recovery, FLAIR）圖像，以排除腦部損傷的情況。應用了32 通道頭頸聯合線圈，FOV 240 mm×192 mm，平面分辨率0.8 mm×1.0 mm，矩陣320×192，TE1/TE2 17.5 ms/87.7 ms，TR 5669 ms，回 波 鏈 長 度16，激 發 次 數2，帶 寬31.25 kHz，相位加速因子2.5，掃描時間7 min 30 s。高分辨率圖像采用了三維腦體積（3D-BRAVO）序列，矩陣240×240，FOV 240 mm×240 mm，TR 6.0 ms，TE 2.9 ms，準備時間400 ms，翻轉角12°，帶寬35.71 kHz，激發次數2，掃描時間3 min 34 s。

1.2.2 圖像處理及數據收集

本研究應用瑞典制造的SyMRI 8.0 軟件對sMRI數據進行進一步處理，生成弛豫圖，并通過自動分割技術獲得了全腦體積特征、48 個腦區域體積特征以及腦區域弛豫值特征。選擇的28個腦區域包括中央前回、前額葉、直回、眶額皮層、島葉、枕葉、梭狀回、中央后回、頂葉、緣上回、角回、楔前葉、旁中央小葉、顳橫回、顳葉、小腦、小腦蚓、前扣帶回以及雙側海馬體、雙側海馬旁回、雙側杏仁核、雙側距狀回、雙側楔葉、雙側舌回、雙側尾狀核、雙側殼核、雙側蒼白球、雙側丘腦等感興趣區（region of interest, ROI）。使用MATLAB R2020a 軟件和SPM 12 軟件對3D-BRAVO圖像和sMRI 圖像進行剛性配準，提取腦區域T1、T2和PrD值，圖1為顯示整個過程的示意圖。

圖1 合成MRI數據的后處理和測量示意圖。選擇從定量圖譜磁共振成像（MAGiC）圖像生成的弛豫圖進行定量分析。總體積包括腦脊液體積（CSFV）、白質體積（WMV）、灰質體積（GMV）。對三維腦體積（3D-BRAVO）圖像和弛豫圖進行剛性配準；其次，從原生空間到標準蒙特利爾神經病學研究所（MNI）模板獲得組織概率圖和歸一化松弛圖的單個圖像。最后，根據解剖學自動標記（AAL）模板（33）提取選定區域的腦區域體積和弛豫測量。GM為腦灰質；WM為腦白質；CSF為腦脊液；PrD為質子密度。Fig.1 Schematic diagram of post-processing and measurement of synthetic MRI data.Select relaxation maps generated from magnetic resonance imaging compilation (MAGiC) images for quantitative analysis.The total volume includes cerebrospinal fluid volume (CSFV), white matter volume (WMV),gray matter volume (GMV).Rigid registration of 3D-BRAVO images and relaxation maps; second, individual images of tissue probability plots and normalized relaxation maps were obtained from native spaces to standard Montreal Neurological Institute (MNI) templates; finally, brain region volume and relaxation measurements in selected regions are extracted according to the anatomical auto-labeling (AAL) template (33).GM: gray matter; WM: white matter; CSF: cerebrospinal fluid; PrD: proton density.

1.3 統計學方法

本研究所有統計分析采用MATLAB R2020a軟件、SPSS 26.0版軟件、MedCalc統計軟件。數據正態性和方差齊性檢驗采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗。人口統計學（性別、年齡）組間差異性采用多個獨立樣本Kruskal-Wallis檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。由于數據不服從正態分布且方差不齊，因此采用獨立樣本秩和檢驗比較ESP組及HC組之間各區域腦體積、T1、T2和PrD值，P＜0.01為差異有統計學意義。采用Spearman 相關分析對ESP 患者區域腦體積、腦T1、T2和PrD值與臨床變量（MMSE評分）進行相關性分析，以確定定量參數和臨床變量（MMSE評分）之間的關系，P＜0.05為有相關性。利用MedCalc繪制了差異具有統計學意義的腦區T1、T2和PrD值的ROC曲線，并對該腦區在各序列的弛豫值做聯合診斷，分析AUC。

2 結果

2.1 基線資料分析結果

本研究最終共納入了22 例ESP 患者，其中男12 例，女10 例，年齡為（66±8）歲。納入了25 例HC，其中男14 例，女11 例，年齡為（58±7）歲。ESP 組與HC 組之間年齡差異無統計學意義（P＜0.05）。MMSE評分為25（12, 29）。

樣本量估算結果：樣本量最低標準為32例，其中PD組與HC組最低樣本含量為16例。

2.2 腦體積差異分析結果

Mann-Whitney 檢驗比較ESP 組、HC 組之間腦體積差異腦區結果，GMV有差異腦區為：島葉、楔前葉、顳橫回、顳葉、腦室；白質體積（white matter volume,WMV）有差異腦區為：右側海馬體、左側海馬旁回，具體如表1所示，表中未提及的腦區差異無統計學意義。

表1 ESP組與HC組之間體積有差異的腦區Tab.1 Brain regions with volume differences between ESP and HC group

2.3 腦弛豫值差異分析結果

Mann-Whitney 檢驗比較ESP 組、HC 組之間腦體積及T1、T2 及PrD 弛豫值差異腦區結果具體如表2～4所示，表中未提及的腦區差異無統計學意義。

表3 ESP組與HC組之間T2弛豫值有差異的腦區Tab.3 Brain regions with differences in T2 relaxation between ESP and HC group

2.4 相關性分析結果

Spearman相關性分析結果顯示與MMSE評分有相關性的GMV 腦區、WMV 腦區以及與腦弛豫值有相關性腦區，詳見表5。

表5 ESP組腦區體積，T1、T2及PrD弛豫值與MMSE評分的相關性Tab.5 Correlations between brain region volumes, T1, T2,and PrD relaxation values, and MMSE scores in individuals with ESP group

2.5 診斷試驗結果

因腦弛豫值在ESP 組及HC 組各序列均有差異且與量表有相關性腦區為右側丘腦，故作右側丘腦在T1灰質、T1白質、T2灰質、T2白質的ROC曲線，結果如圖2 所示，具體AUC 值及其置信區間見表6。聯合診斷效能最高，AUC為0.822（0.697-0.911）。

表6 右側丘腦灰質及白質腦區的T1、T2弛豫值ROC曲線相關參數Tab.6 The relevant parameters of the ROC curve for the T1 and T2 relaxation values in the gray and white matter brain regions of the right thalamus

圖2 右側丘腦（Thalamus_r）灰質及白質腦區的T1、T2 弛豫值ROC 曲線。GM：腦灰質；WM：腦白質。Fig.2 ROC curves for T1 and T2 relaxation values in the gray and white matter brain regions of the right thalamus (Thalamus_r).GM: gray matter; WM:white matter.

3 討論

本研究的優勢在于借助VBM全腦分區技術和sMRI技術，首次對ESP患者進行疾病預測診斷。結果表明，腦區體積與臨床量表有相關性者較多，推測ESP存在廣泛的腦體積萎縮改變。部分腦區在HC組及ESP組之間有差異，但右側丘腦的弛豫值差異性及MMSE評分之間相關性存在于全部各個序列，故應用右側丘腦的各序列弛豫值作ROC 診斷效果良好，應用右側丘腦在T1及T2各序列弛豫值作聯合診斷效能最高。

3.1 腦體積特征

腦萎縮被認為是評估PD后續殘疾的一個重要預后因素[20-22]。已發表的關于PD 中腦區體積變化的VBM 研究結果并不一致。相關研究顯示，相比HC 組，PD 患者的基底神經節[23]、眶額葉[24]、海馬體和顳葉[25]等區域灰質體積存在萎縮或變薄。雖然存在差異性結果，但在PD中已經發現眶額葉，腹外側前額葉和枕頂皮質區域的皮質變薄，以及尾狀和殼膜的體積減小[26-27]。其他研究結果未發現常規MRI 下PD 患者和HC 組之間的明顯差異[28-29]。在有嗅覺障礙的PD 患者中，與HC組相比，嗅球和束中的體積減小是顯而易見的[30]。在PD 呼吸功能障礙患者中，與肺功能正常的PD 相比，左海馬旁回、右梭形回、右小腦和左中央后回中報告了GM 萎縮[31]。PD 步態癥狀的凍結與后GM萎縮（特別是左楔形、前楔形、舌回和后扣帶皮質）有關[28]。在晚期PD 中，發現皮質下GM 結構的萎縮比早期PD階段的萎縮更明顯[32]。

本研究結果表明，PD 腦萎縮主要累及腦灰質，幾乎不影響WM。其發病機制中的一些潛在的神經病理導致腦萎縮，sMRI 可以監測這些體積變化。目前，我們已經研究了sMRI在確定PD萎縮的腦區方面的應用。sMRI腦體積測量顯示，PD患者的GMV顯著降低。同時，WMV未見明確改變，提示PD對腦體積的影響主要累及皮質，這與之前的研究結果相吻合，PD 最早累及黑質中多巴胺能神經元，繼而引起錐體外系運動系統相關癥狀。證實了VBM全腦分區腦萎縮診斷PD的可靠性。

3.2 弛豫值特征

正常腦組織的T1、T2、PrD值范圍相對較窄，而病理組織的弛豫值明顯偏離[33]。神經元和軸突丟失或死亡，水分含量變化鐵沉積等均可導致弛豫時間的變化，即使腦組織在T1WI 或T2WI 上肉眼觀顯示信號正常，也已存在潛在的弛豫值異常。sMRI 可檢測腦組織T1、T2、PrD 弛豫值的改變，這可能推測PD 的潛在病理生理學機制，并在預測PD 的疾病進展方面具有臨床意義。弛豫值測量法對大腦的微結構和組成很敏感，并有可能揭示特定腦組織的改變[34]。

之前的一項研究顯示，腦干和皮質下結構的變化在疾病早期更為明顯，而皮質結構改變主要見于晚期PD[35]。在本研究得出的結果有三項指導意義：一是腦灰質存在差異腦區較白質明顯多，證明腦灰質弛豫值變化較腦白質變化更為敏感，PD 早期腦信號異常發生于腦皮質；二是T1 和T2 弛豫值有差異腦區較PrD 弛豫值有差異明顯多，證明T1 和T2 較PrD更為敏感，此項研究結果與一項關于sMRI 應用于阿爾茨海默病的結果相一致[17]，關于PrD 弛豫值值診斷PD 的研究，還應在以后的研究中多加關注；三是ESP組和HC組之間腦弛豫值有差異腦區為右側丘腦。

有研究顯示，PD 患者丘腦底核動力學障礙導致行走障礙[36]。震顫的發生是由丘腦底腦驅動運動皮層介導的，丘腦振幅與震顫動態狀態下的震顫振幅呈正相關[37]。本研究也進一步證實了丘腦在PD 早期即有較好的敏感性，可應用這些腦區T1 及T2 弛豫值改變對ESP做出診斷。

此外，本研究驗證了sMRI 特征與PD 神經變性的形態學成像相關。高場強MRI 和sMRI 序列的應用實現了可視化PD 患者微小的腦組織變化，從而產生了新的MRI 特征和參數用于評估疾病的生物標志物。VBM 檢測各組間腦組織如全腦體積、GMV、WMV 等局部結構差異，有助于理解PD的病理生理學，可應用于PD的早期診斷。

3.3 本研究的局限性

本研究應用右側丘腦的T1 及T2 弛豫值改變對ESP 作出診斷。但仍存在一定局限性：一方面，受限于掃描期間患者的配合程度，本研究樣本量相對較少，未來將擴大樣本量，繼續探討相關問題；另一方面，需要注意的是，某些臨床特征并不是PD的特定表現，也可見于某些非典型的帕金森綜合征，未來將納入其他病例進行分組研究。

4 結論

綜上所述，PD患者可出現全腦和特定區域的腦體積和腦弛豫值的改變，右側丘腦的相關sMRI衍生的參數可作為臨床特定定量標志物，有助于PD的早期診斷。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：張崗設計本研究的方案，對稿件重要的智力內容進行了修改，獲得了2020 年度內蒙古自治區科技計劃項目的資助；陳苗起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數據；王文佳、張銳、祁金鵬、梁智博、郜立紅獲取、分析或解釋本研究的數據，對稿件重要的智力內容進行了修改；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。