fMRI低頻振幅比在海員心理評(píng)估方面的比較分析

高劍奇，曾衛(wèi)明，王倪傳，時(shí)瑩超，陳東太郎

fMRI低頻振幅比在海員心理評(píng)估方面的比較分析

高劍奇，曾衛(wèi)明*，王倪傳，時(shí)瑩超，陳東太郎

目的 采用靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)（functional magnetic resonance imaging， fMRI）探究海員和普通被試之間的低頻振幅比（fractional amplitude of lowfrequency fluctuation， fALFF）差異。材料與方法 全部被試分為心理健康海員（health seafarers， HS）、亞健康海員（sub-health seafarers， subHS）和健康被試（health people， HP）3組，計(jì)算每個(gè)被試的低頻振幅比，采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法找出對(duì)照組間具有顯著差異的體素點(diǎn)，對(duì)照自動(dòng)解剖學(xué)模版（automated anatomical labeling，AAL），檢測(cè)出fALFF具有顯著差異的腦區(qū)。結(jié)果 作為一種特殊的職業(yè)，海員的腦功能活動(dòng)具有可塑性。相較于HP，海員fALFF的主要差異集中在額葉，相較于HS-HP，subHS-HP在額葉的差異顯著減弱。除額葉外，subHS相較于HS在顳葉、楔前葉、扣帶回等腦區(qū)亦呈現(xiàn)顯著差異。結(jié)論 長(zhǎng)期從事海上作業(yè)可能導(dǎo)致海員腦功能活動(dòng)出現(xiàn)變化，部分海員甚至出現(xiàn)心理亞健康狀況，該研究為保障海員的心理健康和航海安全作業(yè)提供幫助。

功能磁共振成像；低頻振幅比；海員；心理健康；亞健康

遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的好壞直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和對(duì)外貿(mào)易的發(fā)展，然而80%的海損事故是由人為因素造成的［1］。海員作為一個(gè)特殊的職業(yè)群體為國(guó)家遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)，然而，他們的心理健康狀況并沒有受到廣泛關(guān)注。長(zhǎng)期海上作業(yè)致使海員生活在一個(gè)相對(duì)狹小的環(huán)境中，工作內(nèi)容單一，作息時(shí)間不規(guī)律，輪船上還存在無法避免的噪聲和顛簸，加之海上環(huán)境比較復(fù)雜，長(zhǎng)期處于這樣的環(huán)境中極易對(duì)海員的心理健康造成影響。部分海員出現(xiàn)心理負(fù)荷、精神疲勞、工作效率下降、強(qiáng)迫、抑郁等一系列的心理健康問題［2］。

處于亞健康狀態(tài)者，不能達(dá)到健康的標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)為一定時(shí)間內(nèi)的活力降低、功能和適應(yīng)能力減退的癥狀。心理亞健康是眾多亞健康狀態(tài)中的一種［3］，提前發(fā)現(xiàn)心理處于亞健康的海員并且對(duì)其進(jìn)行心理疏導(dǎo)就顯得尤為重要。然而現(xiàn)階段還沒有一套有效完善的評(píng)估系統(tǒng)，常用的問卷調(diào)查方法容易受到被采訪者的主觀意識(shí)影響，無法保證結(jié)果的可靠性。因此需要從客觀的角度，采用更加準(zhǔn)確的檢測(cè)方法來評(píng)測(cè)海員的心理健康狀況。

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）作為一種無侵入、無創(chuàng)傷、可精確定位的研究手段，現(xiàn)階段已被廣泛應(yīng)用到腦科學(xué)和相關(guān)精神疾病的研究中，如阿爾茲海默癥、視覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)障礙、腦部發(fā)育障礙、記憶、心理、神經(jīng)性疾病和認(rèn)知障礙等［4-5］。Shi等［6］根據(jù)被試的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀況構(gòu)造分類器，檢測(cè)出心理出現(xiàn)亞健康的海員，同時(shí)對(duì)比被試檢測(cè)前填好的SCL-90表格，SCL-90評(píng)估表格的結(jié)果顯示出檢測(cè)出的亞健康海員幾乎都表現(xiàn)出輕微的心理障礙包括焦慮、抑郁和偏執(zhí)等。

低頻振幅（fractional amplitude of low-frequency fluctuation， fALFF）［7-8］是一種基于體素的局部靜息態(tài)功能磁共振成像數(shù)據(jù)分析方法，能夠反映局部神經(jīng)元活動(dòng)的強(qiáng)度特征。本文通過建立心理健康海員（health seafarers， HS）、亞健康海員（sub-health seafarers， subHS）和健康被試（health people， HP）3個(gè)組，采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法，研究HP、HS和subHS之間的fALFF差異。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)中用到的88名海員靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)采集自上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西門子磁共振儀，海員被試年齡在35～58歲，這些海員來自于水手、輪機(jī)員、政委、大副等各崗位，且有10年以上的出海經(jīng)歷。從88名海員數(shù)據(jù)中檢測(cè)出10名subHS，10名HS從剩余的78名海員中隨機(jī)挑選得到。被試平躺在磁共振儀內(nèi)，閉眼，保持放松清醒狀態(tài)，不做固定性思維。數(shù)據(jù)獲取采用單次激發(fā)敏感梯度平面回波成像技術(shù)，切片總數(shù)為37片，覆蓋整個(gè)腦區(qū)，敏感加速因子為2.0，TR為2.0 s，掃描分辨率為80×80；片內(nèi)分辨率為3 mm×3 mm，片厚度為3 mm；時(shí)間點(diǎn)為160。10名HP靜息態(tài)數(shù)據(jù)從神經(jīng)影像公共庫中下載獲得（http：//www.nitrc.org/ projects/fcon 1000/），年齡在36～58歲，該數(shù)據(jù)為NIFTI格式。掃描參數(shù)如下：切片數(shù)33片，時(shí)間間隔TR=2 s，時(shí)間點(diǎn)為225，掃描分辨率為64×64，片內(nèi)分辨率為3.13 mm×3.13 mm，片厚度為3.6 mm。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

全部數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟通過DPARSF（data processing assistant for resting-state fMRI）［8］軟件包完成，包括：（1）時(shí)間層校正。（2）頭動(dòng)校正：把實(shí)驗(yàn)序列中每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)獲取的圖像與該序列第一個(gè)圖像按特定的算法對(duì)齊。（3）空間標(biāo)準(zhǔn)化：用回波平面成像（echo planar imaging， EPI）模板進(jìn)行空間配準(zhǔn)。（4）平滑處理：平滑核設(shè)置為FWHM=4 mm。（5）去線性漂移。（6）濾波：保留0.01～0.08 Hz內(nèi)的血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent， BOLD）信號(hào)。

1.3 方法

計(jì)算fMRI影像的低頻振幅比。采用雙樣本t檢驗(yàn)（P＜0.05，未矯正）的方法比較兩組樣本之間差異的顯著程度。利用自動(dòng)解剖標(biāo)簽?zāi)０澹╝utomated anatomical labeling， AAL）［10］，將大腦劃分為90個(gè)感興趣區(qū)域（region of interesting， ROI），對(duì)不同的腦區(qū)標(biāo)記出有顯著差異的體素，統(tǒng)計(jì)體素個(gè)數(shù)，并對(duì)腦區(qū)按體素個(gè)數(shù)多少進(jìn)行排序分析。

fALFF具體的計(jì)算方法如下：（1）逐體素對(duì)全腦信號(hào)強(qiáng)度的時(shí)間序列行傅立葉變換，轉(zhuǎn)為頻域功率譜，功率譜的峰下面積可視為信號(hào)的能量；（2）然后對(duì)其再進(jìn)行開方，即可代表該信號(hào)振蕩的幅度，亦即BOLD信號(hào)變化的強(qiáng)度。

2 結(jié)果

HS與HP的fALFF差異集中在額葉，subHS與HP的fALFF差異也主要集中在額葉，相較于HP-HS組，HP-subHS組在額葉的fALFF差異顯著減弱（見圖1、2），額葉在監(jiān)視環(huán)境中的新奇刺激、引起對(duì)新事物的注意、適應(yīng)新環(huán)境的能力等方面具有不可替代的作用，使機(jī)體能夠很快地適應(yīng)新環(huán)境，同時(shí)額葉幾乎涉及所有的心理功能。因此，相較于普通被試，額葉腦功能活動(dòng)的變化可能使海員對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力以及心理認(rèn)知活動(dòng)發(fā)生變化。

圖1 HP、HS和subHS 3組的fALFF雙樣本t檢驗(yàn)差異Fig.1 The difference of fALFF among HP， HS and subHS under two-sample t-test

表1 HP-HS中fALFF呈現(xiàn)差異的腦區(qū)所包含體素點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)比情況Tab.1 The comparison of the number of voxels in the brains whose fALFF appears signifcant difference between HP and HS

表2 HP-subHS中fALFF呈現(xiàn)差異的腦區(qū)所包含體素點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)比情況Tab.2 The comparison of the number of voxels in the brains whose fALFF appears signifcant difference between HP and subHS

通過HP與HS的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，HP-HS組體素點(diǎn)個(gè)數(shù)呈現(xiàn)顯著差異的腦區(qū)主要集中在額上回、額中回（見表1，圖2）。額上回涉及行為調(diào)節(jié)和記憶、語言、情緒等認(rèn)知活動(dòng)，額中回主要參與工作記憶、空間信息和情緒意識(shí)的處理與存儲(chǔ)，通過HP與HS的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相較于普通被試，額葉腦功能活動(dòng)的變化可能促使海員對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的反應(yīng)和適應(yīng)能力高于普通被試。

相較于HP-HS，HP-subHS在額葉呈現(xiàn)差異的體素點(diǎn)的個(gè)數(shù)均顯著減少（見表2，圖2），在大腦的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中，額葉部分腦區(qū)在信息交互中起到關(guān)鍵作用，Shi等［6］通過研究海員的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀況發(fā)現(xiàn)：subHS相較于HS和HP，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的差異主要集中在額葉，且默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的激活程度相對(duì)減弱。因此上述腦區(qū)的變化可能促使海員心理出現(xiàn)亞健康狀況。

通過HS與subHS對(duì)比，HS-subHS組出現(xiàn)差異的腦區(qū)除額葉外，在顳葉、楔前葉等腦區(qū)亦出現(xiàn)顯著差異（見表3、圖2），出現(xiàn)上述差異，可能由于海員所處的特殊的環(huán)境，不僅直接影響subHS的心理健康，同時(shí)對(duì)其聽覺、視覺、空間信息、機(jī)體協(xié)調(diào)性等方面信息的處理也產(chǎn)生了一定的影響。

3 討論

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，海員與普通被試的差異主要集中在額葉。額葉位于中央溝以前，兩側(cè)以外側(cè)溝為界。研究表明：額葉幾乎涉及所有的心理功能，且功能廣泛復(fù)雜，包括記憶、語言、智力和人格等。而通過fALFF研究發(fā)現(xiàn)，海員與普通被試的主要差異集中在額葉。此外，通過HP-HS組與HP-subHS組的fALFF對(duì)比表明，HP-HS組與HP-subHS組的fALFF出現(xiàn)顯著差異的腦區(qū)無明顯變化，海員與普通被試的差異集中在右側(cè)背外側(cè)額上回、右側(cè)額中回、左側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、左側(cè)額中回、右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回。額葉在監(jiān)視環(huán)境中的新奇刺激、引起對(duì)新事物的注意、適應(yīng)新環(huán)境的能力等方面具有不可替代的作用，使機(jī)體能夠很快地適應(yīng)新環(huán)境。subHS相較于HS，心理并未發(fā)生本質(zhì)性的變化，HP-HS組與HP-subHS組的fALFF差異幾乎出現(xiàn)在相同的腦區(qū)（額葉），上述差異可能源于海員的職業(yè)特點(diǎn)，由于海員半軍事化管理的職業(yè)特點(diǎn)，加之海上特殊的生活環(huán)境，塑造了海員所特有的腦功能特征，使海員應(yīng)對(duì)緊急情況的反應(yīng)能力、執(zhí)行控制的能力、身體協(xié)調(diào)能力等都顯著高于普通人。這些腦功能的變化可以使海員更好地適應(yīng)海上生活，以滿足職業(yè)的內(nèi)在需求，使海員的腦功能活動(dòng)具有可塑性。

圖2 HP-HS、HP-subHS與subHS-HS中fALFF呈現(xiàn)顯著差異的腦區(qū)Fig.2 The fALFF of brain areas which appear signifcant difference among HP-HS， HP-subHS and subHS-HS

表3 subHS-HS中fALFF呈現(xiàn)差異的腦區(qū)所包含體素點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)比情況Tab.3 The comparison of the number of voxels in the brains whose fALFF appears signifcant difference between subHS and HS

HP-subHS組相應(yīng)腦區(qū)的差異程度相較于HP-HS組相對(duì)減弱。Shi等［11］通過研究海員的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀況發(fā)現(xiàn)：subHS相較于HS和HP，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的差異主要集中在額葉，且默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的激活程度相對(duì)減弱，在大腦的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中，額葉部分腦區(qū)在信息交互中起到關(guān)鍵作用，這些變化與本文的研究是一致的。額上回一直以來被認(rèn)為是一個(gè)細(xì)胞構(gòu)筑復(fù)雜的區(qū)域，其參與很多認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)控制活動(dòng)。背外側(cè)額上回執(zhí)行控制功能是注意功能的一部分，涉及行為調(diào)節(jié)和記憶、語言、情緒等認(rèn)知活動(dòng)，主要參與工作記憶中的執(zhí)行任務(wù)。背外側(cè)額上回功能減弱，會(huì)導(dǎo)致人出現(xiàn)抑郁、偏執(zhí)等心理亞健康表現(xiàn)，背外側(cè)額上回亞區(qū)主要與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)存在正相關(guān)［12-14］。額上回的內(nèi)側(cè)部分［15-16］則常在認(rèn)知相關(guān)任務(wù)中被激活，它也是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的組成部分。靜息態(tài)fMRI研究進(jìn)一步表明，額上回內(nèi)側(cè)亞區(qū)主要與軀體運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)存在正相關(guān)。額中回主要參與工作記憶和空間信息的處理與存儲(chǔ)［17］。額葉功能活動(dòng)的減弱，可能降低subHS應(yīng)對(duì)海上復(fù)雜環(huán)境的能力，同時(shí)使subHS出現(xiàn)焦慮寂寞、自我感覺差、情緒不穩(wěn)等心理亞健康狀況，從而導(dǎo)致海員出現(xiàn)觀察、操作行為中的疏忽大意與失誤、放松警惕性、應(yīng)付復(fù)雜情況的能力下降等。

通過subHS-HS組的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，subHS與HS的差異主要集中在額葉，包括左側(cè)額中回、右側(cè)額中回，其次在左側(cè)頂骨下方除了緣上回和角回的腦回、左側(cè)顳中回、左側(cè)楔前葉、左側(cè)扣帶回中部及其側(cè)面環(huán)繞的腦回亦呈現(xiàn)顯著差異?？蹘Щ厥沁吘壪到y(tǒng)的重要組成部分，位于大腦皮層的內(nèi)側(cè)，扣帶回的局部解剖及其纖維聯(lián)系比較復(fù)雜，有關(guān)這方面的詳細(xì)論述十分有限。Haznedar［18］通過研究葡萄糖的代謝率，發(fā)現(xiàn)左側(cè)扣帶回差異與精神分裂癥有關(guān)。顳葉位于外側(cè)裂下方，其參與處理視覺記憶、聽覺信息、語言理解和情感聯(lián)系等［19］。頂葉的楔前葉是小葉向前的枕葉（楔片），它隱藏在內(nèi)側(cè)兩個(gè)腦半球之間的縱向裂縫。其參與記憶任務(wù)［20］、視覺空間信息的處理［21-22］、空間直覺功能、自我意識(shí)［23］等，屬于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的一部分［24］。subHS-HS組呈現(xiàn)上述差異，可能由于海員所處的特殊的環(huán)境，不僅直接影響subHS的心理健康，同時(shí)對(duì)其聽覺、視覺、空間信息、機(jī)體協(xié)調(diào)性等方面信息的處理也產(chǎn)生了一定的影響。

以上發(fā)現(xiàn)能夠幫助人們客觀的了解腦功能變化對(duì)海員心理的影響，為保障海員的身心健康以及海上作業(yè)的安全進(jìn)行做出貢獻(xiàn)，未來還應(yīng)深入研究這些變化背后的潛在機(jī)制，從而建立更加完善的海員心理健康評(píng)估與亞健康海員心理疏導(dǎo)體系。

鑒于從眾多海員中檢測(cè)出的subHS的數(shù)量有限，本文將在今后被試量更多的情況下做更深一步的研究。

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The comparative analysis of fractional amplitude of low-frequency fluctuation on the meatal health status of seafarers by using FMRI

GAO Jian-qi， ZENG Wei-ming*， WANG Ni-zhuan， SHI Ying-chao， CHEN DONG Tailang
College of Information Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306，China
*

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of Doctoral Scientifc Fund Project of the Ministry of Education （No. 20113121120004）； National Natural Science Foundation of China（No. 31170952， 31470594）； Project supported by the Shanghai science and Technology Commission（No. 14590501700， 11ZZ143）.

Objective： To explore the differences of fractional amplitude of lowfrequency fluctuation （fALFF） between seafarers and health people， by using the technique of resting state functional magnetic resonance imaging. Materials and Methods： All the subjects were divided into three groups， mental sub-health seafarers（subHS）， health seafarers（HS） and health people（HP）. Then calculate the fALFF of each subject， Finally， a statistical method was used to find the voxels which had signifcant difference between control group according to the Anatomical Automatic Labeling（AAL） template. Results： As a special profession， the brain activity of seafarers has plasticity. the main difference of seafarers' fALFF were concentrated on parietal lobe compared with HP. the difference of fALFF on parietal lobe between subHS-HP were significantly decreased than that of HP-HS. Besides parietal lobe，the brain area of subHS including temporal lobe， precuneus and cingulate cortex also appear significant differences compared with HS. Conclusion： Engaged in offshore occupation for a long time may lead to the change of brain functional activity， some seafarers even appear mental sub-health condition. The study can provide help for the protection of mental health of seafarers and the security of maritime operations.

Functional magnetic resonance imaging； Fractional amplitude of lowfrequency fuctuation； Seafarers； Mental health； Sub-health

教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（編號(hào)：20113121120004）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：31170952，31470594）；上?？茖W(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目（編號(hào)：14590501700，11ZZ143）

上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海201306

曾衛(wèi)明，E-mail：zengwm86@sina. com

2016-03-24

接受日期：2016-04-26

R445.2；R395.6

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.08.010

高劍奇， 曾衛(wèi)明， 王倪傳， 等. fMRI低頻振幅比在海員心理評(píng)估方面的比較分析. 磁共振成像， 2016， 7（8）： 608-612.