以FreeSurfer活體測量屈光參差性弱視枕葉皮質(zhì)形態(tài)學改變的MRI研究

摘要：目的 運用磁共振技術及FreeSurfer軟件，對屈光參差性弱視患者枕葉皮層灰質(zhì)進行分割測量。方法 以1.5T磁共振對11例屈光參差性弱視患兒及11例視力正常兒童進行全腦掃描，應用三維磁化準備快速遞度回波序列采集三維解剖數(shù)據(jù)，采用FreeSurfer軟件進行處理分析。結(jié)果 弱視患兒雙側(cè)枕葉灰質(zhì)容積與對照組分別進行獨立樣本t檢驗，其結(jié)果分別為t=2.618，P=0.016；t=2.515，P=0.021，有顯著性差異（P<0.05）。結(jié)論 FreeSurfer對磁共振三維解剖數(shù)據(jù)的后處理可以無創(chuàng)性、活體測量枕葉灰質(zhì)容積，屈光參差性弱視枕葉灰質(zhì)容積較視力正常者降低。

關鍵詞：屈光參差性弱視；灰質(zhì)容積；磁共振成像；FreeSurfer

屈光參差性弱視是一種嚴重影響患兒視力發(fā)育及身心健康的常見疾病。一般認為是患者在視覺發(fā)育期，由于各種原因造成視覺剝奪（或）雙眼相互作用異常所引起的單側(cè)或雙側(cè)視力減退，眼科檢查沒有可查覺的器質(zhì)性病變。利用FreeSurfer 軟 件（http：//surfer.nmr.mgh.harvard.edu） 處理高分辨的MRI圖像，來進行精確活體測量皮層灰質(zhì)容積[1-3]，研究弱視患兒枕葉皮層形態(tài)學改變。

1資料與方法

1.1一般資料 收集我院眼科屈光參差性弱視患者11例，其中男性6例，女性5例，年齡5～9歲，平均年齡（7.09±1.58）歲。弱視診斷標準以1996年中華眼科學會全國兒童弱視斜視防治學組工作會議為標準，即眼部無明顯器質(zhì)性病變，以功能性因素為主所引起的遠視力≤0.8且不能矯正者；對于屈光參差性弱視要求為雙側(cè)性，發(fā)生于未戴過矯正眼鏡的高度屈光不正患者，雙眼視力相等或接近，遠視≥3.00D，近視≥6.00D，散光≥2.00D。所有病例都進行配鏡治療。對照組為視力正常的志愿者11例，其中男性6例，女性5例，年齡4～10歲，平均年齡（7.01±2.45）歲，雙眼裸眼視力均在1.0以上。所有被試均經(jīng)心理學量表測試證實為右利手，均無其它嚴重眼部疾病及神經(jīng)系統(tǒng)疾患，無全身疾病病史。

1.2磁共振數(shù)據(jù)采集 以SIEMENS AVANTO 1.5 T進行數(shù)據(jù)采集。取仰臥位，由海綿枕及頭盔將頭固定在矩陣頭線圈上，佩戴耳塞，安靜勿動。常規(guī)掃描橫軸位T2加權圖像排除腦部病變，而后采用三維磁化準備快速遞度回波（3D MPRAGE）序列，采集患者頭部解剖像，采集層厚為1.3mm，層間距為0.65mm，掃描基線平行于前后聯(lián)合線，TR、TE分別為1900、3.37ms，T1為1100ms，翻轉(zhuǎn)角 15°，F(xiàn)OV為256mm×192mm，矩陣為256×256，共128幅圖像。

1.3圖像處理及數(shù)據(jù)分析 圖像數(shù)據(jù)通過基于Linux平臺的工作站進行離線處理。首先采用FreeSurfer軟件包將所采集到三維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MGZ（compressed Massachusetts General Hospital file）格式，而后對其自動化分析處理，其主要步驟包括基于分水嶺算法和可變表面模型去除非腦結(jié)構(gòu)、分割腦白質(zhì)、修正局部解剖結(jié)構(gòu)異常、重建皮層等，最終生成雙側(cè)半球皮層重建。由于FreeSurfer軟件根據(jù)Desikan-Killiany圖譜自動將雙側(cè)半球枕葉皮層各分成四個部分：楔葉、枕外側(cè)葉、舌回、距狀溝周邊，因此將該四部分灰質(zhì)容積相加得到枕葉灰質(zhì)容積，同時計算每個被試顱內(nèi)容積（ICV：the estimate total intracranial volume），見表1，2。

個體之間大腦形態(tài)存在較大差異，因此不能單從個體枕葉灰質(zhì)容積進行形態(tài)學比較。為消除作為個體顱腦大小的因素影響，本研究將每個個體枕葉灰質(zhì)容積除以其顱內(nèi)容積，得到相應的比值后，運用SPSS12.0統(tǒng)計軟件對屈光參差性弱視組和正常組左右半球枕葉的灰質(zhì)容積比值，分別進行獨立樣本t檢驗，見表3。

2結(jié)果

兩組被試在年齡方面沒有統(tǒng)計學差異（t=-0.216，P=0.913>0.05），因此可以排除由于年齡因素所導致的腦解剖結(jié)構(gòu)的差異；兩組被試性別比例相一致，也可以排除性別因素導致的灰質(zhì)容積差異。對弱視組和對照組患者的左右半球灰質(zhì)容積比分別進行獨立樣本t檢驗，其結(jié)果分別為t=2.618，P=0.016；t=2.515，P=0.021。該結(jié)果說明弱視患者左右半球枕葉灰質(zhì)容積與對照組相比均明顯降低（P<0.05）。

3討論

3.1被試的納入標準與比較方法選擇 因為利手與左右腦皮質(zhì)的形態(tài)學有一定關系[4]，所以所有被試均在實驗前進行利手測定，其主要目的是為了排除由于利手因素導致的腦解剖結(jié)構(gòu)異常。為了剔除性別因素對視覺皮質(zhì)形態(tài)的影響[5，6]，在該實驗中兩組被試的性別比例是相同的（男性6例、女性5例）。其次，年齡也是一個影響皮質(zhì)形態(tài)學的因素，一般認為年輕人的皮質(zhì)厚度要厚于老年人[7，8]。在該實驗中所選擇的兩組被試在年齡方面比較接近，兩者沒有顯著性差異，基本上可以排除由年齡因素產(chǎn)生的影響。

兒童頭顱大小、形態(tài)千差萬別，因此比較兩組枕葉灰質(zhì)容積數(shù)據(jù)的絕對值變得毫無意義，故在該實驗中，采用枕葉灰質(zhì)容積除以顱內(nèi)容積方法，，通過對獲得的比值系數(shù)進行比較，這樣使實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果更精確、更可靠。

3.2屈光參差性弱視枕葉灰質(zhì)容積形態(tài)學改變 不同類型的弱視有其不同的致病機制，在皮質(zhì)形態(tài)學上可能也有不同的表現(xiàn)，目前從形態(tài)學角度研究神經(jīng)疾病已取得一些進展[9-11]，但對屈光參差性弱視皮質(zhì)形態(tài)學改變的研究還不多見。既往對屈光參差性弱視患者進行的功能磁共振研究發(fā)現(xiàn)弱視患者視覺相關皮層激活功能水平是降低的[12]。本實驗發(fā)現(xiàn)，屈光參差性弱視患者皮層灰質(zhì)容積較視力正常人群明顯變小、減低，因此推測弱視患者視覺相關皮層的形態(tài)學改變是功能異常的解剖學基礎。

一般認為，正常大腦視覺皮質(zhì)發(fā)育過程需要接受正常有效的視覺刺激，然而弱視眼由于缺乏正常視覺刺激環(huán)境，長期無法在視網(wǎng)膜上形成清晰圖像，視覺輸入信息明顯減少，導致視通路及視皮質(zhì)無法得到足夠的視覺信號刺激，從而導致視覺相關皮質(zhì)的神經(jīng)元數(shù)量減少和相應突觸聯(lián)系喪失，視覺皮質(zhì)發(fā)育障礙 從而表現(xiàn)為形態(tài)學的改變，尤其是對于處在視覺發(fā)育可塑期內(nèi)的患兒，更易發(fā)生這種結(jié)構(gòu)、形態(tài)上的改變[13]。

Janine D. Mendola等研究發(fā)現(xiàn)弱視患者在視皮層及距狀溝周圍區(qū)灰質(zhì)容積減少[13，14]，與本實驗研究結(jié)果相一致，視覺經(jīng)驗異常直接影響視皮層發(fā)育及其形態(tài)結(jié)構(gòu)改變，其中灰質(zhì)容積減少歸因于視覺敏感度降低、定位能力和深度知覺喪失、異常的立體視覺等。但基于體素的形態(tài)學研究方法及其結(jié)果仍存些許爭議，在基于體素的形態(tài)學分析過程中，空間標準化及其所用的成人標準腦模板對于兒童可能缺乏精確性、其所采用模型是多變量的，只能多變量形態(tài)學分析，而不能行單變量分析[15，16]。

本研究采用FreeSurfer處理分析方法，通過磁共振成像活體上證實了屈光參差性弱視皮層灰質(zhì)容積降低，進一步證實大腦皮質(zhì)形態(tài)學上的改變與弱視發(fā)生機制之間的密切相關性，從而有可能為臨床有效治療及評價預后提供理論支持。

參考文獻：

[1]Dale AM，F(xiàn)ischl B，Sereno MI.Cortical surface-based analysis.I：Segmentation surface reconstruction[J]. Neuroimage， 1999，9（2）：179-194.

[2]Fischl B， Sereno MI， Dale AM. Cortical surface-based analysis. II： Inflation， flattening， and a surface-based coordinate system[J]. Neuroimage，1999，9（2）：195-207.

[3]Fischl B， Sereno MI， Tootell RB， et al. High-resolution intersubject averaging and a coordinate system for the cortical sure[J]. Hum Brain Mapp，1999，8（4）：272-284.

[4]Cherbuin N， Brinkman C. Hemispheric interactions are different in left-handed individuals[J]. Neuropsychology， 2006，20（6）：700-707.

[5]Luders E， Narr KL， Thompson PM， et al. Gender effects on cortical thickness and the influence of scaling[J]. Hum Brain Mapp， 2006，27（4）：314-324.

[6]Walder DJ， Seidman LJ， Cullen N， et al. Sex differences in language dysfunction in schizophrenia[J]. Am J Psychiatry，2006，163（3）：470-477.

[7]Salat DH， Buckner RL， Snyder AZ， et al. Thinning of the cerebral cortex in aging[J]. Cereb Cortex， 2004，14（7）：721-730.

[8]Bose SK， Mackinnon T， Mehta MA， et al. The effect of ageing on grey and white matter reductions in schizophrenia[J]. Schizophr Res，2009，112（1）：7-13.

[9]Fornito A， Yucel M， Patti J， Wood SJ， etal. Mapping grey matter reductions in schizophrenia： an anatomical likelihood estimation analysis of voxel-based morphometry studies[J]. Schizophr Res，2009， 108（1-3）：104-113.

[10]Buchsbaum MS， Friedman J， Buchsbaum BR， et al. Diffusion tensor imaging in schizophrenia[J]. Biol Psychiatry，2006， 60（11）：1181-1187.

[11]Rosas HD， Liu AK， Hersch S， et al. Regional and progressive thinning of the cortical ribbon in Huntington's disease[J]. Neurology，2002， 58（5）：695-701.

[12]Chuanming Li， Lin Cheng， Qiongwu Yu， et al. Relationship of visual cortex function and visual acuity in anisometropic amblyopic children[J]. Int. J. Med. Sci，2012，9（1）：115-120.

[13]Mendola JD， Conner IP， Roy A， et al. Voxel-based analysis of MRI detects abnormal visual cortex in children and adults with amblyopia[J]. Hum Brain Mapp， 2005，25（2）：222-236.

[14]謝晟，葉錦棠，肖江喜，等. 弱視兒童和正常兒童的灰質(zhì)VBM比較研究[J].中國斜視與小兒眼科雜志，2007，15：1-3.

[15]Fischl B， Salat DH， Busa E， et al. Whole brain segmentation： automated labeling of neuroanatomical structures in the human brain[J]. Neuron，2002，33（3）：341-355.

[16]Takao H， Abe O， Ohtomo K. Computational analysis of cerebral cortex[J]. Neuroradiology， 2010， 52（8）：691-698.編輯/申磊