高定義角度纖維追蹤技術(shù)重建人腦顳頂枕區(qū)短纖維束連接

吳玉鵬，王義寶，王 勇

(1.遼寧省人民醫(yī)院神經(jīng)外二科，遼寧 沈陽 110016；2.中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科，遼寧 沈陽 110001)

人腦顳頂枕區(qū)是指位于大腦外側(cè)裂后部，與顳葉、頂葉及枕葉相毗鄰的綜合皮質(zhì)區(qū)域，在其皮質(zhì)下走行的神經(jīng)纖維束是目前人腦內(nèi)連接結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、執(zhí)行功能最多樣的聯(lián)絡(luò)區(qū)域之一[1]。既往研究[2]多集中于顳頂枕區(qū)的長纖維束連接，如下縱束(inferior longitudinal fascicle， ILF)、中縱束(middle longitudinal fascicle， MdLF)及額枕下束(inferior fronto-occipital fasciculus, IFOF)等的皮質(zhì)定位、空間走行等。目前鮮見精確描繪顳頂枕區(qū)短纖維束連接的皮層連接定位、分析各纖維束的三維空間情況和對(duì)比左右各纖維束解剖學(xué)差異的報(bào)道。本研究應(yīng)用高定義角度纖維追蹤技術(shù)(high definition fiber tracking, HDFT)分別對(duì)人腦顳頂枕區(qū)的3條短纖維束連接，即枕縱束(vertical occipital fasciculus, VOF)、上縱束的垂直部(superior longitudinal fasciculus-V, SLF-V)及顳頂束(temporo-parietal, TP)進(jìn)行纖維束重建，并分析這些纖維束的皮質(zhì)連接、走行軌跡和側(cè)別差異。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2015年1月—10月中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院10名健康志愿者，男3例，女7例，年齡23～67歲，中位年齡38.5歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①無MR掃描禁忌證；②常規(guī)MR檢查無異常；③無精神系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病史，無神經(jīng)系統(tǒng)癥狀；④查體無明確神經(jīng)系統(tǒng)陽性體征；⑤右利手。本研究通過中國醫(yī)科大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(2015-103-3號(hào))，受檢者均簽署知情同意書。

另選取大樣本的大腦神經(jīng)纖維束成像的彌散譜成像(diffusion spectrum imaging, DSI)綜合數(shù)據(jù)模板(NTU-90；美國匹茲堡大學(xué)神經(jīng)外科實(shí)驗(yàn)室)，下載網(wǎng)址：http://dsi-studio.labsolver.org/download-images[3]。其中NTU-90包括90名健康志愿者大腦纖維束的綜合數(shù)據(jù)，可以觀察分析大樣本人群纖維束成像中纖維束的走行情況，男45名，女45名，年齡 18～60歲，中位年齡33.0歲，均為右利手。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Tim Trio 3.0T MR掃描儀，32通道頭線圈。DSI參數(shù)：彌散方向敏感梯度設(shè)定數(shù)量257；MR掃描采用雙次重復(fù)聚焦回波磁共振波序列和多重Q值設(shè)定,TR 9.916 ms,單個(gè)像素體積(voxel size, VS)2.4 mm×2.4 mm×2.4 mm,TE 15 ms,FOV 231 mm×231 mm。三維短時(shí)回波序列T1WI：TR 2.11 ms,VS 0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm,TE 2.63 mm,FOV 256 mm×256 mm?？倰呙钑r(shí)間52 min。

1.3 HDFT數(shù)據(jù)分析 采用DSI-Studio分析軟件，應(yīng)用程序廣義Q空間顯像技術(shù)(generalized q-sampling Imaging, GQI)進(jìn)行全腦纖維束、ROI纖維束和非感興趣區(qū)(region of avoidance, ROA)纖維束追蹤重建。追蹤纖維束數(shù)據(jù)成功后，以Trackvis格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件。將FreeSurfer軟件系統(tǒng)和自動(dòng)解剖圖標(biāo)系統(tǒng)分別導(dǎo)入各自的Trackvis數(shù)據(jù)文件，明確各纖維束的解剖分割和腦皮層定位。將各纖維束數(shù)據(jù)文件分別導(dǎo)入Trackvis軟件系統(tǒng)，分別計(jì)算纖維束的體積，軟件下載網(wǎng)址為：http://www.trackvis.org/download/。

重建SLF-V時(shí)，將顳中回和顳下回分別設(shè)為追蹤起始ROI；在矢狀位T1WI上，手動(dòng)設(shè)定角回和緣上回區(qū)域?yàn)榱硪籖OI；在冠狀位T1WI上，手動(dòng)設(shè)定中央前回區(qū)域?yàn)镽OA。重建VOF時(shí)，追蹤起始ROI包括梭狀回、下枕葉和顳下回，在起始ROI的偏上方區(qū)域手動(dòng)設(shè)定另一個(gè)ROI，在緊鄰起始皮質(zhì)區(qū)的前方手動(dòng)設(shè)定ROA。重建TP時(shí)，將上頂葉、顳中回、顳下回和梭狀回分別設(shè)定為起始ROI。另外，為分析顳頂枕區(qū)的短纖維束連接與周圍主要纖維束的三維空間關(guān)系，分別重建ILF、MdLF、弓狀束(arcuate fascicle, AF)、IFOF、鉤狀束(uncinate fasciculus, UF)和視輻射(optic radiation, OR)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示10名志愿者左、右側(cè)SLF-V、VOF、TP纖維束體積，并對(duì)其進(jìn)行正態(tài)性S-W檢驗(yàn)；不同性別間左右側(cè)纖維束體積符合正態(tài)性分布，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較左、右側(cè)纖維束體積的差異。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

對(duì)10名志愿者和NTU-90大樣本分析中的VOF、SLF-V和TP均重建成功。

SLF-V起源于顳中回和顳下回后部，起始點(diǎn)鄰近于AF起始部；隨后，SLF-V纖維束垂直向上走行，在顳頂區(qū)纖維束翻轉(zhuǎn)向外，終止連接于角回和緣上回(圖1A)。SLF-V走行方向與VOF平行，均為軸位T1WI上的垂直纖維束，SLF-V位于矢狀位T1WI的VOF前部；在顳區(qū)起始部，SLF-V緊貼AF外側(cè)走行。

VOF起源于下枕葉和梭狀回，少量纖維來源于顳下回的后部和枕極的前部；VOF上緣終止點(diǎn)位于角回和上枕葉外側(cè)部(圖1B)。VOF纖維連接位于枕葉外側(cè)部垂直走行，其纖維束主干位于AF和SLF-V的后部、枕極的前部；在矢狀位T1WI上，VOF位于ILF和IFOF的外側(cè)部，同時(shí)在VOF和ILF的尾端皮層連接區(qū)存在一定量的纖維交叉。

TP主要起源于顳中回、顳下回、梭狀回和下顳-下枕結(jié)合部，垂直向上走行；在顳區(qū)，其纖維束與AF一直保持“齊頭向上”模式；在外側(cè)裂區(qū)，AF弧形彎曲朝向額葉，而TP繼續(xù)斜行向上，連接于上頂葉(圖1C)。在上頂葉區(qū)域，TP與MdLF關(guān)系緊密，相對(duì)而言，MdLF更靠近中線。10名志愿者的纖維束成像與NTU-90的結(jié)果相類似(圖2)。

在不同側(cè)別SLF-V、VOF和TP的纖維束體積之間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05，表1)。

表1 10名志愿者不同側(cè)別SLF-V、VOF和TP的纖維束體積(±s)

表1 10名志愿者不同側(cè)別SLF-V、VOF和TP的纖維束體積(±s)

側(cè)別SLF-V男(n=3)女(n=7)VOF男(n=3)女(n=7)TP男(n=3)女(n=7)左側(cè)15.53±5.6215.74±2.7510.77±3.108.89±1.4934.10±10.2818.11±13.33右側(cè)11.43±3.459.47±3.819.57±3.938.40±2.0233.37±5.1617.47±7.83t值1.083.530.420.510.110.11P值0.450.130.620.680.230.20

圖1 NTU-90纖維束重建結(jié)果 A.SLF-V起源于顳中回和顳下回后部，垂直向上走行，在顳頂區(qū)纖維束翻轉(zhuǎn)向外，終止連接于角回和緣上回皮質(zhì) (黃色代表緣上回皮質(zhì)；紫色代表角回皮質(zhì)；紅色代表顳中回皮質(zhì)；綠色代表顳下回皮質(zhì)；纖維束為SLF-V); B.VOF起源于下枕葉，上緣終止點(diǎn)位于上枕葉外側(cè)部(綠色代表枕上回皮質(zhì)；紅色代表枕下回皮質(zhì)); C.TP垂直向上走行，在顳區(qū)與AF保持“齊頭向上”模式，在外側(cè)裂區(qū)，AF弧形彎曲朝向額葉，而TP繼續(xù)斜行向上，連接于頂上小葉(黃色代表頂上小葉皮質(zhì)；紅色代表TP纖維束；綠色代表AF) 圖2 志愿者男，32歲,左側(cè)大腦半球纖維束重建結(jié)果 A.SLF-V; B.VOF; C.TP

3 討論

本研究采用HDFT技術(shù)對(duì)人腦顳頂枕區(qū)的3條短纖維束連接(SLF-V、VOF和TP)分別進(jìn)行纖維束重建，并逐一分析其皮質(zhì)連接、走行軌跡與周圍其他纖維束的三維空間關(guān)系。相比DTI，采用HDFT獲得的圖像質(zhì)量更清晰，顯示纖維束解剖連接軌跡更詳盡。本研究在10名健康志愿者和90名志愿者的綜合模板上重建了3條短纖維束連接，既可分析各纖維束在個(gè)體間的差異，又可觀察纖維束在人群中的普遍連接方式。

既往研究[4]表明，腦顳頂枕區(qū)對(duì)于人類的高級(jí)認(rèn)知能力起核心作用，參與或承擔(dān)人類的語言、工作記憶和情感表達(dá)等功能，而該區(qū)域腦皮質(zhì)下的白質(zhì)纖維束有傳導(dǎo)或協(xié)調(diào)這些關(guān)鍵功能的作用。目前鮮見關(guān)于人腦顳頂枕區(qū)短纖維束連接的研究，原因可能與DTI的圖像質(zhì)量有限有關(guān)。有學(xué)者[5]對(duì)該區(qū)域相關(guān)腫瘤的手術(shù)入路進(jìn)行了分析，卻未涉及顳頂枕區(qū)相關(guān)白質(zhì)纖維束的解剖結(jié)構(gòu)，因?yàn)镈TI無法追蹤單個(gè)纖維束的皮層連接，也不能處理多個(gè)纖維束在一個(gè)像素內(nèi)的交叉問題[6]。HDFT首先應(yīng)用DSI技術(shù)對(duì)大腦進(jìn)行掃描，再以GQI技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重建，研究[7]表明HDFT技術(shù)可明顯提高纖維束成像質(zhì)量，并已應(yīng)用于臨床實(shí)踐。本研究結(jié)果表明，HDFT技術(shù)可有效追蹤白質(zhì)纖維束、分辨單個(gè)體素內(nèi)的多個(gè)交叉纖維束的歸屬，并清晰顯示纖維束連接的起點(diǎn)及終止點(diǎn)等信息。

既往研究[8]多采用猴腦追蹤成像結(jié)果指導(dǎo)人腦白質(zhì)纖維束的解剖結(jié)構(gòu)分析。但是，語言等功能是人類獨(dú)有的高級(jí)進(jìn)化模式，故還需進(jìn)一步證實(shí)SLF-V的存在。2005年，Catani等[9]應(yīng)用DTI技術(shù)顯示SLF-V連接于下頂葉，并連接到韋尼克區(qū)。本研究結(jié)果顯示，SLF-V連接顳中回和顳下回的后部與角回和緣上回。腦功能研究[10]顯示，角回是人類語言功能的高級(jí)中樞，而緣上回是與人類情感相關(guān)的高級(jí)中樞。鑒于此，筆者建議將SLF-V分為兩部，即SLF-V角回部和SLF-V緣上回部，不僅可為神經(jīng)功能研究提供解剖學(xué)基礎(chǔ)，也對(duì)優(yōu)化神經(jīng)外科手術(shù)方案有一定參考作用。

2014年，Kamali等[11]應(yīng)用DTI技術(shù)顯示TP，認(rèn)為TP連接顳上回、顳中回和顳下回的后部與上頂葉，并將TP歸為SLF復(fù)合纖維束的一部分。但本研究結(jié)果顯示，TP起源于顳中回、顳下回、梭狀回和下顳-下枕結(jié)合部，連接于上頂葉。造成上述差異的可能原因有：①本研究總掃描時(shí)間為52 min，掃描方向?yàn)?57，而Kamali等[11]的掃描時(shí)間為7 min，掃描方向?yàn)?1；②DTI技術(shù)的部分容積效應(yīng)不能支持多束纖維束交叉部分的顯像，而DSI技術(shù)可顯示交叉纖維束的空間關(guān)系，本研究結(jié)果顯示TP與周圍多束纖維束的空間關(guān)系，如AF、IFOF和MdLF。筆者由此推測TP可能與人視覺和聽覺信息的整合與傳遞有關(guān)。

VOF是唯一連接枕葉內(nèi)部的短小纖維束[12]。2013年，Yeatman等[13]應(yīng)用DTI技術(shù)對(duì)15名健康志愿者腦重建了VOF，并提出其作用是傳遞視覺信息。本研究進(jìn)一步證實(shí)人腦中存在VOF。同時(shí)，本研究在重建纖維束過程中發(fā)現(xiàn)VOF與胼胝體輻射的后端廣泛交叉，而傳統(tǒng)DTI技術(shù)難以對(duì)此加以顯示。

綜上所述，本研究采用HDFT技術(shù)成功重建了人腦顳頂枕區(qū)的3條短纖維束連接(SLF-V、VOF和TP)，且成像更清晰，纖維成像更加完整，定位纖維束的皮質(zhì)連接點(diǎn)也更精確；同時(shí)發(fā)現(xiàn)這3條纖維束在左右兩側(cè)的體積差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。上述結(jié)果將為深入研究神經(jīng)功能提供解剖學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)未來優(yōu)化神經(jīng)外科手術(shù)方案有一定參考價(jià)值。