腦腫瘤患者手術(shù)前后腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性研究

薛 莉 陶 玲 錢志余 俞 宙 孫金洋

(南京航空航天大學自動化學院，南京 211106)

腦腫瘤患者手術(shù)前后腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性研究

薛 莉 陶 玲*錢志余 俞 宙 孫金洋

(南京航空航天大學自動化學院，南京 211106)

主要研究腦腫瘤的存在及手術(shù)對患者全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性的影響。結(jié)合彌散張量成像技術(shù)(DTI)和圖論方法，對10例健康志愿者以及10例腦腫瘤患者進行術(shù)前術(shù)后全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，獲得兩組受試者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性參數(shù)，以及反映腦認知功能的各項網(wǎng)絡(luò)指標，并對其進行統(tǒng)計對比分析。結(jié)果顯示，部分局部參數(shù)(包括Ki、Li、Enodal、Ci和Eilocal)在手術(shù)前后具有明顯差異，且術(shù)前組均優(yōu)于術(shù)后組；全腦及半腦各全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)顯示，各項參數(shù)術(shù)前組均優(yōu)于術(shù)后組；同時半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析顯示，位于不同腦半球的腦腫瘤對患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所造成的損傷均無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。腫瘤的存在以及手術(shù)均使得腦腫瘤患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變，大腦的半腦優(yōu)勢化趨勢明顯降低；手術(shù)后結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲特性的改變以及小世界屬性的增強，驗證大腦本身存在的代償機制以及功能重組現(xiàn)象。

彌散張量成像；大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；腦腫瘤；切除手術(shù)；網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性

引言

腦腫瘤是神經(jīng)系統(tǒng)常見疾病之一，致死率高，發(fā)病率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢[1-2]。有研究指出，腦腫瘤會導致大腦中某些特定纖維束的完整性發(fā)生改變[3]，進而影響到整個大腦的神經(jīng)代謝活動，使患者的認知功能下降[3-4]。目前，常見的腦腫瘤治療方法主要包括外科切除、放射治療、射頻消融[5-7]等，外科治療手段旨在緩解患者的腦積水、腦出血等一系列癥狀，減緩腫瘤惡化程度[8]，但是大多數(shù)針對腦腫瘤的醫(yī)學治療手段都會導致病人的認知功能發(fā)生改變[9]。Tallen G等人于2015年做出一項研究，研究顯示腦腫瘤切除手術(shù)的成功與否與醫(yī)生的經(jīng)驗、手術(shù)方案、腫瘤切除程度有著密切的聯(lián)系，且隨著年齡的增長，患者會出現(xiàn)中風、癲癇、運動神經(jīng)失調(diào)以及視力下降等手術(shù)后遺癥[10]。相關(guān)研究表明，大腦是一個有機功能作用的整體，其局部的病變不僅僅導致局部功能的改變，還間接、次級地影響其他功能信息的傳遞模式，最終導致腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的大腦整體網(wǎng)絡(luò)存在異常模式。再加之，不同個體的大腦解剖功能也有很大的差異，某些低級別腦腫瘤患者并沒有表現(xiàn)出明顯的認知障礙，或者在手術(shù)后很快出現(xiàn)功能代償現(xiàn)象，認知損傷在術(shù)后逐步恢復。這些問題使得探討大腦病灶及手術(shù)對大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)影響，并分析其潛在的腦功能可塑性，具有重要的價值。

本研究結(jié)合圖論以及神經(jīng)影像學技術(shù)，對腦腫瘤患者手術(shù)前后全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)各項參數(shù)指標進行統(tǒng)計對比分析，探討腫瘤的存在以及手術(shù)對患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響，為探索腦腫瘤患者存在的腦功能重組和代償機制提供幫助。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本研究的磁共振數(shù)據(jù)均來源于南京腦科醫(yī)院醫(yī)學影像科。共有10例腦腫瘤患者(46～67歲，平均年齡59歲，女/男=3/7)參與研究，均為右利手。另有10例健康志愿者作為正常對照組(42～61歲，平均年齡54歲，女/男=4/6)，均無顱內(nèi)病灶及神經(jīng)精神疾病史。兩組受試者均以書面或口頭形式被告知本研究內(nèi)容并同意參加實驗，研究經(jīng)南京腦科醫(yī)院倫理委員會批準通過。

1.2 影像學掃描參數(shù)

數(shù)據(jù)采集采用SIEMENS公司Verio/3.0T MR掃描儀。T1結(jié)構(gòu)像采集使用MPRAGE序列，掃描參數(shù)：TR=1 900 ms，TE=2.49 ms，層厚=1 mm，F(xiàn)A=9°，TI=900 ms，F(xiàn)OV=250 mm×250 mm，采集矩陣=256×256，體素=1 mm×1 mm×1 mm。DTI數(shù)據(jù)采集使用EPI序列，掃描參數(shù)：層厚=3 mm，掃描層數(shù)=45，TR=6 500 ms，TE=95 ms，采集矩陣=128×128，F(xiàn)OV=240 mm×240 mm，BW=1447 Hz/Px，共31個梯度方向(其中第一個方向的b值為0 s/mm2，其他方向b值為1 000 s/mm2)。

1.3 數(shù)據(jù)預處理

整個預處理過程在SPM8軟件下進行，將個體DTI與AAL模板進行配準，定義每個腦區(qū)為一個節(jié)點，結(jié)合纖維束跟蹤結(jié)果(DTIstudio)，定義兩腦區(qū)之間的纖維束為邊，以每對腦區(qū)之間的纖維束數(shù)目為邊的權(quán)重，得到90×90的加權(quán)矩陣，再設(shè)定閾值，將該加權(quán)矩陣轉(zhuǎn)化成二值矩陣[11]，再根據(jù)此二值矩陣提取出左右兩個半腦各自的二值矩陣，這兩個二值矩陣即為左右半腦各自的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

1.4 復雜網(wǎng)絡(luò)分析

人類大腦網(wǎng)絡(luò)的拓撲特性可以用復雜網(wǎng)絡(luò)分析方法進行定量描述，定義節(jié)點簇系數(shù)(Ci)、網(wǎng)絡(luò)平均簇系數(shù)(Cp)、節(jié)點度(Ki)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均度(Kp)、最短路徑長度(Li)、特征路徑長度(Lp)、全局效率(Eglob)、節(jié)點局部效率(Eilocal)、網(wǎng)絡(luò)局部效率(Eloc)、節(jié)點效率(Enodal)、介數(shù)值(bi)、損傷性(Vi)、網(wǎng)絡(luò)強度(Sp)等參數(shù)[12]，在此基礎(chǔ)上對構(gòu)建的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)的對比分析。對于復雜網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性，可以通過標準化簇系數(shù)和標準化特征路徑長度來度量[13]。若一真實網(wǎng)絡(luò)滿足γ=Cp，real/Cp,rand?1，λ=Lp,real/Lp,rand≈1，那么該腦網(wǎng)絡(luò)就可作為小世界網(wǎng)絡(luò)來進行處理。

1.5 統(tǒng)計分析

利用SPSS軟件對手術(shù)前后全腦網(wǎng)絡(luò)的局部參數(shù)做雙樣本t檢驗，對術(shù)前術(shù)后組的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做配對樣本t檢驗，將術(shù)前組及術(shù)后組分別與正常對照組做獨立樣本t檢驗。為分析腫瘤患側(cè)及切除手術(shù)對患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)造成的影響，本研究對患側(cè)半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做雙因素方差分析(以P<0.05作為檢驗標準)。

2 結(jié)果

2.1 全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比較

2.1.1局部參數(shù)比較

對術(shù)前組與術(shù)后組的全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的局部參數(shù)(Ki、Li、Enodal、Ci和Eilocal)行雙樣本雙尾t檢驗，結(jié)果見圖1。檢測出包括左側(cè)中央溝蓋(ROL.L)、左側(cè)楔葉(CUN.L)、右側(cè)枕上回(SOG.R)、右側(cè)頂上回(SPG.R)、左側(cè)顳中回(MTG.L)、右側(cè)角回(ANG.R)、左側(cè)楔前葉(PCUN.L)在內(nèi)的7個腦區(qū)存在著明顯的局部參數(shù)差異，且檢測到顯著差異的任意腦區(qū)的任意局部參數(shù)均顯示術(shù)前組優(yōu)于術(shù)后組，說明手術(shù)造成了腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中局部功能的破壞。術(shù)前、術(shù)后組局部參數(shù)比較結(jié)果如圖1所示。

圖1 術(shù)前、術(shù)后組局部參數(shù)比較結(jié)果Fig.1 Comparisons of local parameter of brain network between pre-operation and post-operation

2.1.2 全局參數(shù)比較

使用SPSS軟件，對術(shù)前及術(shù)后組的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)(Cp、Eglob、Eloc、Kp、Lp、Sp、σ、γ、λ)做配對樣本t檢驗，再將術(shù)前組、術(shù)后組分別與正常組全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做獨立樣本t檢驗，統(tǒng)計結(jié)果見圖2。

術(shù)前與術(shù)后組各項參數(shù)進行配對樣本t檢驗，結(jié)果顯示，不管是復雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)還是小世界特性參數(shù)，手術(shù)前后均不具有明顯差異，且各項參數(shù)均顯示術(shù)前優(yōu)于術(shù)后；術(shù)前組與正常組相比，平均路徑長度(Lp)以及小世界特性λ均顯示出明顯差異；術(shù)后組較正常組而言，在全局效率(Eglob)、節(jié)點度(Kp)、特征路徑長度(Lp)、網(wǎng)絡(luò)強度(Sp)等復雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及小世界特性參數(shù)σ、γ、λ均顯示出差異性。

圖2 術(shù)前-正常-術(shù)后組全局參數(shù)比較結(jié)果(注：*P<0.05，**P<0.01)Fig.2 Comparisons of global parameters of brain network among pre-operation, controls and post-operation.

2.2 半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比較

為了進一步研究手術(shù)對腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)功能的影響，對患者進行術(shù)前術(shù)后患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的分析，雙因素方差分析結(jié)果如表1所示。其反映的是術(shù)前術(shù)后患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)的變化，可以看出手術(shù)前后“腫瘤患側(cè)”的半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的全局參數(shù)未有顯著差異。圖3所示為患側(cè)半腦手術(shù)前后全局參數(shù)均值，結(jié)果顯示術(shù)后各項半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均低于術(shù)前組的相應(yīng)參數(shù)。

表1 腫瘤患側(cè)、手術(shù)對全局參數(shù)影響的方差分析Tab.1 Affected side, operation effect on global parameters revealed by ANOVA

注：*P<0.05表示有統(tǒng)計學差異。

Note: Significant group differences at*P<0.05.

圖3 患側(cè)半腦手術(shù)前后全局腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Fig.3 Global parameters of affected side network among pre-operation and post-operation.

3 討論

3.1 全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析

本研究對腦腫瘤患者術(shù)前、術(shù)后以及正常3類情況的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行構(gòu)建，并從全腦局部以及全局參數(shù)、半腦全局參數(shù)的角度評價腫瘤及腫瘤切除手術(shù)對患者全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響。

最短路徑長度是指一個節(jié)點到另一個節(jié)點的路徑中包含邊數(shù)最少的那條路徑所含邊數(shù)，最短路徑在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸和交換中起重要作用[14]。節(jié)點效率是衡量節(jié)點特性的一項重要指標，反應(yīng)某單一節(jié)點與其他節(jié)點之間的信息傳播能力，值越大，表示在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸中的地位越高[15]。研究結(jié)果顯示，最短路徑長度和節(jié)點效率在多數(shù)腦區(qū)存在顯著差異，這表明手術(shù)造成了患者大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)重組，各腦區(qū)信息傳輸路徑發(fā)生變化，且這些變化是不利的。

術(shù)前、術(shù)后組與正常組行雙樣本t檢驗結(jié)果顯示，僅平均路徑長度(Lp)在手術(shù)前后與正常組之間均具有明顯差異，且在術(shù)后組與正常組行t檢驗后的結(jié)果中顯示出差異性增強的趨勢，意味著腫瘤患者在進行信息傳輸時，通道發(fā)生改變，且在手術(shù)之后變化更為明顯，說明手術(shù)在引起患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化這方面的影響更為強烈。

小世界網(wǎng)絡(luò)具有較高簇系數(shù)和較短的特征路徑長度，術(shù)前與術(shù)后患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都具有小世界特性(均滿足：γ>1，λ≈1，σ=(γ/λ)?1)，且手術(shù)前后均無明顯差異[16]。術(shù)前及術(shù)后的小世界特性較正常組均有所增強，且術(shù)后增強更為明顯。意味著手術(shù)一段時間之后，患者腦網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生一定的代償機制和功能重組，恢復到術(shù)前的水平。大腦的網(wǎng)絡(luò)重組依賴于腦的可塑性，分為功能可塑性和結(jié)構(gòu)可塑性兩種[17-19]。對全腦各項參數(shù)的研究，證實了腦網(wǎng)絡(luò)重組的存在。

3.2 半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析

本研究對患者的患側(cè)半腦的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行構(gòu)建，目的在于探究由于腫瘤的占位和切除手術(shù)對不同患側(cè)腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和腦認知功能的影響。

大量研究表明，正常大腦都存在一定程度的偏側(cè)性，大腦的偏側(cè)化主要體現(xiàn)在半腦的局部腦區(qū)某些功能的優(yōu)勢化[20]。有研究指出，特定型語言障礙會導致大腦偏側(cè)化異常，患者較正常人半腦優(yōu)勢化趨勢明顯降低[21]。由雙因素方差分析結(jié)果可知，無論腫瘤位于哪側(cè)腦半球，各項半腦全局參數(shù)均未顯示出明顯差異，由此可以推斷，腫瘤無論位于哪一側(cè)腦半球，對患者所造成的認知損傷是一樣的。術(shù)前組半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)均優(yōu)于術(shù)后組，這與之前的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)所得結(jié)果相一致，可知手術(shù)在一定程度上確實對患者的腦結(jié)構(gòu)造成不利影響，進而可間接導致認知能力的相應(yīng)變化?！笆欠袷中g(shù)”作為影響因子的方差分析顯示，手術(shù)前后各項半腦全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)無明顯差異，同樣被認為可能是網(wǎng)絡(luò)功能重組現(xiàn)象所致。

對全腦以及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果驗證了腦腫瘤患者出現(xiàn)的功能重組現(xiàn)象，可通過借鑒該腦腫瘤患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)變化分析方法，對手術(shù)治療效果做出一定的術(shù)后療效評估。由于數(shù)據(jù)量的限制，本研究得到的手術(shù)前后網(wǎng)絡(luò)拓撲特性變化不夠明顯。后續(xù)，隨著樣本量的增多，研究將會更為全面和具體。

4 結(jié)論

本研究基于彌散張量成像技術(shù)，使用圖論對腦腫瘤患者術(shù)前術(shù)后的全腦以及半腦進行腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。全腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性研究表明，腦腫瘤的存在以及腦腫瘤切除手術(shù)均會使正常大腦原本的信息傳輸路徑發(fā)生改變，進而對正常腦網(wǎng)絡(luò)形態(tài)造成影響。在進行腫瘤切除手術(shù)一段時間后，可以恢復到術(shù)前水平，但是與正常人仍有一定差距，這與大多數(shù)臨床研究相符。術(shù)前與術(shù)后組局部參數(shù)進行配對樣本t檢驗得到某些腦區(qū)存在顯著差異，但是檢測出的全局參數(shù)差異不夠明顯，驗證了腦網(wǎng)絡(luò)重組的存在。半腦分析結(jié)果顯示，腫瘤的存在使得半腦優(yōu)勢化趨勢降低，患側(cè)半腦術(shù)前各參數(shù)均優(yōu)于術(shù)后，這些研究結(jié)果與大多數(shù)臨床表現(xiàn)一致。由此可知，通過分析患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)手術(shù)前后拓撲特性，進而分析腦腫瘤以及腫瘤切除手術(shù)對患者的影響，可對手術(shù)效果進行評估，為評價患者術(shù)后生存質(zhì)量提供參考。

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Research on Cerebral Structural Network of Brain Tumor Patients before and after Surgery

Xue Li Tao Ling*Qian Zhiyu Yu Zhou Sun Jinyang

(CollegeofAutomation,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing211106,China)

diffusion tensor imaging; human brain anatomical networks; brain tumor; resective surgery; topological properties of the network

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.014

2016-04-20，， 錄用日期:2016-10-08

國家自然科學基金(61275199)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(NS2015032)

R318

D

0258-8021(2017) 02-0228-05

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: taoling@nuaa.edu.cn.