基于MR圖像的輕度認(rèn)知功能障礙患者胼胝體三維紋理分析研究

翃

首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

基于MR圖像的輕度認(rèn)知功能障礙患者胼胝體三維紋理分析研究

劉衛(wèi)芳，王旭，夏翃，周震，童隆正

首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

目的研究輕度認(rèn)知功能障礙（Mild Cognitive Impairment，MCI ）患者胼胝體MR圖像的三維紋理特征，以期盡早發(fā)現(xiàn)和篩選出阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s Disease，AD）的高危人群，為AD的治療提供最佳的時(shí)間。方法選取18例MCI患者（MCI 組）及18 例健康對(duì)照組（NC 組）的MR圖像進(jìn)行三維紋理分析，采用灰度共生矩陣和游程長(zhǎng)矩陣提取每位受試者胼胝體的10個(gè)三維紋理特征，比較兩組樣本的各紋理特征間是否存在顯著性差異。結(jié)果提取的10個(gè)紋理參數(shù)中除灰度不均勻度因子，兩組間沒有顯著性差異（P＞0.05），其余9個(gè)參數(shù)兩組間均存在顯著性差異（P＜0.05）。結(jié)論三維紋理特征能反映出MCI患者胼胝體部位的病理病變，有助于AD的早期診斷和治療。

輕度認(rèn)知功能障礙；MRI；三維紋理分析；胼胝體

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s Disease，AD）起病隱匿，病程緩慢，是不可逆的神經(jīng)退行性疾病[1]，為老年癡呆癥中最常見的類型，約占全部癡呆類型的60%～80%。Brookmeyer等人的研究表明[2]，如果能早期診治AD，平均發(fā)病時(shí)間可推遲6年，患者數(shù)量可減少50%，這將大大減輕沉重的社會(huì)負(fù)擔(dān)。但AD早期診斷非常困難[3]，隨著時(shí)間的推移，AD的檢出率提高，然而治療效果顯著下降。

輕度認(rèn)知障礙（Mild Cognitive Impairment，MCI）被認(rèn)為是正常老化與AD之間的一種中間過渡狀態(tài)，特指有輕度記憶和認(rèn)知損害，但尚未達(dá)到癡呆標(biāo)準(zhǔn)者。研究發(fā)現(xiàn)MCI患者每年大約有10%～15%轉(zhuǎn)化為AD，在第6年時(shí)大約有80%的MCI轉(zhuǎn)化為AD，而正常老年人年轉(zhuǎn)化率僅為1%～2%。MCI被認(rèn)為可能是AD發(fā)病的早期信號(hào)，代表了癡呆的前驅(qū)階段[4]。因此，對(duì)MCI進(jìn)行深入研究，有希望發(fā)現(xiàn)和篩選出AD的高危人群，為AD的治療提供最佳的時(shí)間，預(yù)防或推遲AD的發(fā)生。

以往對(duì)AD患者磁共振圖像的研究大多集中在大腦灰質(zhì)的改變。隨著成像技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，近年來對(duì)白質(zhì)受損的研究越來越多[5]。胼胝體是腦內(nèi)最大的聯(lián)合纖維，起著傳遞雙側(cè)大腦半球信息的重要作用[6]。Margherita等人[7]通過對(duì)MCI和AD患者的形態(tài)學(xué)研究顯示，與正常人相比胼胝體在MCI階段就已發(fā)生萎縮。

紋理分析是醫(yī)學(xué)圖像后處理的重要手段，能定量地顯示圖像像素值及其排列方式的細(xì)微變化[8]。像素稱為圖像的放大鏡和顯微鏡，目前常用來提取圖像中組織細(xì)微病變的特征[9]。而三維圖像可提供更全面的信息，三維紋理分析也已應(yīng)于多種腦疾病的研究[10-12]。本研究探討 MCI 組和健康對(duì)照組（NC） 組胼胝體的三維紋理特征，研究?jī)山M間的紋理參數(shù)是否具有顯著性差異，以期盡早發(fā)現(xiàn)和篩選出AD的高危人群，為AD的治療提供最佳的時(shí)間。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究數(shù)據(jù)來自于首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院放射影像科，選取經(jīng)臨床確診為MCI患者和健康對(duì)照者的MR圖像各18例。采用德國(guó)西門子公司3T掃描儀對(duì)所有受試者進(jìn)行頭顱矢狀位3D磁化準(zhǔn)備快速梯度回波（MP—RAGE）TIWI掃描。TR/TE=2000/2 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間Tl=900 ms，反轉(zhuǎn)角9°，成像視野240 mm × 220 mm、矩陣256×224、層厚l mm，無層間距，共176層。研究對(duì)象基本信息，見表1。

表1 研究對(duì)象基本信息

1.2 感興趣區(qū)提取

胼胝體為腦內(nèi)最大的白質(zhì)束，位于大腦縱裂底，在正中矢狀面上呈弓形。本研究選擇胼胝體作為感興趣區(qū)（Regions of Interest，ROI），所有ROI均是在臨床影像學(xué)專家的指導(dǎo)下，利用Mazda軟件手動(dòng)分割完成的。

選取的每個(gè)胼胝體三維感興趣區(qū)包含9層，分別為正中矢狀面，及其左側(cè)右側(cè)各4層。正中矢狀面的確定方法為，通過中腦導(dǎo)水管全長(zhǎng)和第四腦室入小腦延髓池全長(zhǎng)的平面，胼胝體的ROI選取示意圖，見圖1。

圖1 胼胝體ROI選取示意圖

1.3 三維紋理分析

采用灰度共生矩陣和游程長(zhǎng)矩陣方法對(duì)每一位受試者胼胝體ROI分別提取0°、45°、90°、135°和Z方向（垂直于每層ROI方向）的三維紋理參數(shù)?；叶裙采仃囂崛〉募y理參數(shù)有：能量、對(duì)比度、相關(guān)、熵和逆差距；游程長(zhǎng)矩陣提取的紋理參數(shù)有：短游程因子、長(zhǎng)游程因子、灰度不均勻度因子、游程長(zhǎng)不均勻度因子和行程比，各參數(shù)定義，見表2。

表2 紋理參數(shù)定義

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)所提取的MCI和NC組樣本的三維紋理參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)配對(duì)t檢驗(yàn)，分析紋理特征在兩組間是否存在顯著性差異。

2 結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，兩組樣本各三維紋理特征的平均值、方差及t檢驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表3 胼胝體三維紋理參數(shù)（?為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義）

從表3可以看出，除灰度不均勻度因子兩組間無顯著性差異（P＞0.05），其余9個(gè)紋理參數(shù)兩組間均存在顯著性差異（P＜0.05）；MCI組的能量、相關(guān)、逆差距和長(zhǎng)游程因子＞NC組，對(duì)比度、熵、短游程因子、游程長(zhǎng)不均勻度因子和行程比＜NC組。

3 討論

本文中MR 圖像由宣武醫(yī)院3T 磁共振掃描儀采集，腦組織分辨率較高，圖像質(zhì)量較好，為紋理分析提供了可靠保障。

病理及神經(jīng)影像學(xué)研究表明AD和MCI的胼胝體等白質(zhì)在疾病早期存在病理改變[13]。胼胝體是腦內(nèi)最大的聯(lián)合纖維，在正中矢狀位邊界清晰，紋理特征集中，其結(jié)構(gòu)具有解剖異質(zhì)性而被認(rèn)為具有非常適合紋理分析的特點(diǎn)[14]。故本研究選擇胼胝體作為ROI，利用灰度共生矩陣和游程長(zhǎng)矩陣提取紋理特征參數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析研究?jī)山M間紋理參數(shù)是否具有顯著性差異。

研究發(fā)現(xiàn)MCI患者和AD患者中胼胝體體積發(fā)生萎縮并且壓部的FA值顯著降低[15]，利用全腦分析方法發(fā)現(xiàn)MCI患者及輕度AD患者胼胝體白質(zhì)密度低于健康對(duì)照組[16]。此外一系列利用DTI技術(shù)的研究報(bào)道，早期AD患者胼胝體的平均擴(kuò)散率顯著增加，并指出這一現(xiàn)象可能反映髓鞘的瓦解和神經(jīng)軸突的損傷，揭示軸突完整性的退化和皮層連接的喪失。這些變化會(huì)引起MR 圖像像素灰度的改變，從而紋理特征發(fā)生相應(yīng)的變化。

MR圖像三維紋理特征逐漸成為近年來的研究熱點(diǎn)，研究者普遍認(rèn)為三維紋理特征能提供更豐富的信息。Georgiadis等[10]對(duì)惡性淋巴瘤、神經(jīng)膠質(zhì)瘤和腦膜瘤MR圖像利用紋理特征進(jìn)行模式識(shí)別的研究、El-Baz等[11]對(duì)孤獨(dú)癥患者的MR圖像紋理的研究及Mahmoud -Ghoneima等[12]對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤紋理的研究均證實(shí)，三維紋理提供了更全面的信息，可能更有助于臨床輔助診斷。本研究利用Mazda通用紋理分析軟件[17]提取了MCI患者和正常對(duì)照者胼胝體的三維紋理特征，結(jié)果顯示提取的10個(gè)紋理參數(shù)中9個(gè)都存在顯著性差異。

能量描述的是圖像灰度均勻分布的特性。對(duì)于粗紋理，能量值較大，細(xì)紋理的值較小。對(duì)比度描述圖像的清晰度，是對(duì)局部灰度變化的度量，反映鄰近像素的反差。粗紋理對(duì)比度值較小，細(xì)紋理值較大。熵表示了圖像中紋理的非均勻程度或復(fù)雜程度，粗紋理熵值較小，細(xì)紋理熵值較大。本研究中，MCI患者的能量大于NC組，對(duì)比度和熵小于NC組，說明MCI患者M(jìn)R圖像紋理較粗，復(fù)雜程度增大。

游程長(zhǎng)矩陣的基本思想是在某個(gè)方向上、相鄰的具有相同灰度或某個(gè)灰度范圍的像素個(gè)數(shù)，是對(duì)灰度關(guān)系的高階統(tǒng)計(jì)，是分析紋理特性的有效方法。在粗紋理區(qū)域的灰度游程長(zhǎng)度較長(zhǎng)，長(zhǎng)游程數(shù)目較多，長(zhǎng)游程因子值較大；而在細(xì)紋理區(qū)域，短游程長(zhǎng)度的情況比較多，則短游程因子值較大。行程比是直接反映線性結(jié)構(gòu)紋理的一個(gè)度量，如果具有長(zhǎng)線性結(jié)構(gòu)紋理，則具有長(zhǎng)游程的灰度會(huì)增加，短游程長(zhǎng)度也相對(duì)減少，對(duì)應(yīng)行程比的值也較小[18]。從表3可以看出，MCI患者的長(zhǎng)游程因子大于NC組，短游程因子小于NC組，兩者變化趨勢(shì)正好相反，短游程因子遞減，長(zhǎng)游程因子遞增，完全與此描述一致；同時(shí)MCI患者的行程比小于NC組，說明MCI患者與正常對(duì)照者胼胝體的紋理存在差異，MCI患者可能更多的是具有長(zhǎng)線性結(jié)構(gòu)的紋理。如果圖像中各灰度的游程長(zhǎng)度接近均勻分布，則灰度不均勻度因子取最小值，說明整個(gè)圖像的灰度分布并不均勻。如果圖像中某種灰度出現(xiàn)較多，即灰度都比較均勻，則該值越大。游程長(zhǎng)不均勻度描述圖像中游程長(zhǎng)度的相似性，如果整幅圖像的游程長(zhǎng)度較相似則游程長(zhǎng)不均勻度值較小[18-19]。MCI患者腦組織受損，MR圖像的游程分布及游程長(zhǎng)度也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。表3的結(jié)果也說明了這一點(diǎn)。

4 結(jié)論

本研究利用灰度共生矩陣和游程長(zhǎng)矩陣對(duì)MCI患者及正常對(duì)照者的腦部MR圖像進(jìn)行了三維紋理分析研究，結(jié)果顯示，MCI組和正常對(duì)照組胼胝體部位的紋理特征存在顯著性差異，可能有助于發(fā)現(xiàn)和篩選出AD的高危人群，為AD的治療提供最佳的時(shí)間。由于研究樣本有限，影響疾病的因素多種多樣，仍需要進(jìn)一步擴(kuò)充和完善樣本集，進(jìn)行深入研究。

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Study on 3D Texture Features of Corpus Callosum in Patients with Mild Cognitive Impairment Based on MR Images

LIU Wei-fang, WANG Xu, XIA Hong, ZHOU Zhen, TONG Long-zheng
College of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Objective3D texture features of corpus callosum in patients with mild cognitive impairment (MCI) based on MR images were researched to early detect and screen patients with Alzheimer’s Disease (AD), and offer the optimal treatment time.Methods3D texture analysis was performed on 18 MCI patients and 18 normal controls (NC). The 3D texture features extracted from gray level cooccurrence matrix and run length matrix were analyzed. The significant differences between the two groups were tested.ResultsThe results showed that the texture features had significant differences (P＜0.05) between MCI and NC except grey level nonuniformity that the difference was not significant (P＞0.05) .ConclusionThe microcosmic pathological changes in corpus callosum in MCI patients could be reflected by 3D texture features and may be helpful to AD early diagnosis and treatment.

mild cognitive impairment; magnetic resonance imaging; 3D texture analysis; corpus callosum

R445.2；R318.04

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.09.005

1674-1633(2013)09-0016-04

2013-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81071128）；北京市教育委員會(huì)科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（SQKM201210025009）。

本文作者：劉衛(wèi)芳，碩士，副教授。

童隆正，教授，博士生導(dǎo)師。

作者郵箱：liu3240@163．com