正常人群弓狀束雙張量無損卡爾曼濾波與單張量線性纖維束示蹤技術成像效果比較

閻 靜，杜 偉，程敬亮，耿杰峰，郭翠萍，劉福榮

1)鄭州大學第一附屬醫(yī)院磁共振科 鄭州 450052 2)鄭州大學第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科 鄭州 450052 3)鄭州大學第一附屬醫(yī)院病案管理科 鄭州 450052 4)杭州市兒童醫(yī)院放射科 杭州 310014

弓狀束(arcuate fasciculus, AF)是語言傳導通路重要的纖維束，其損傷與傳導性失語癥密切相關[1]。AF擴散張量纖維束示蹤技術已經(jīng)廣泛用于指導語言功能區(qū)神經(jīng)外科手術[2-3]。然而傳統(tǒng)的纖維束示蹤技術基于單張量模型，即單張量線性纖維束示蹤(streamline tractography，ST)技術，該模型存在的纖維交叉效應和部分容積效應等因素限制了AF示蹤成像的效果。為了解決上述問題，本研究選取20例正常受試者，對比分析以雙張量無損卡爾曼濾波(unscented Kalman filter, UKF)算法模型為基礎的纖維束示蹤(UKF tractography, UKFT)技術和單張量ST技術對AF的成像效果，探討雙張量UKFT技術AF顯像的優(yōu)勢。

1 對象與方法

1研究對象20例正常受試者，愛丁堡利手量表評估為右利手。既往無任何神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無MRI掃描禁忌證。男、女各10例，年齡22～57(35.4±10.3)歲。

1.2MRI采集方案采用3.0 T術中磁共振(MAGNETOM Verio，Siemens AG，Germany)，配備8通道頭部線圈進行掃描。所有受試者均行T1結(jié)構像和擴散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)。T1結(jié)構像采用三維磁化強度預備快速成像梯度回波序列(3D MPRAGE)，TR 1 900 ms，TE 2.93 ms，反轉(zhuǎn)角9°，矩陣256×215，層厚1 mm。DTI采用單次激發(fā)平面回波序列，擴散敏感梯度方向數(shù)為30，b值為0和1 000 s/mm2，TR 9 900 ms，TE 90 ms，激勵次數(shù)2，矩陣128×128，體素大小2.0×2.0×2.0 mm3，層厚2 mm，層間距0 mm。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析①將采集到的DTI數(shù)據(jù)導入3D Slicer軟件進行預處理，包括：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、質(zhì)量控制、全腦蒙板創(chuàng)建、FA彩色編碼圖創(chuàng)建和FA灰度圖生成。②設置FA閾值0.15，分別應用單張量ST技術和雙張量UKFT技術進行全腦白質(zhì)纖維束的追蹤重建。UKFT技術同時引入對纖維交叉存在敏感的總體各項異性值，閾值0.1。③以全腦白質(zhì)纖維束數(shù)據(jù)為基礎，采用雙ROI追蹤法重建左側(cè)AF，包括直接通路“顳-額”段(深支)，間接通路“額-頂”段(前支)和“顳-頂”段(后支)。ROI的選擇參考Catani等[4]的方案，由1名具有人腦白質(zhì)纖維束解剖及影像學研究經(jīng)驗的MRI診斷醫(yī)師基于FA彩色編碼圖確定，位置如圖1。

1.4統(tǒng)計學處理采用SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)分析。應用配對資料的t檢驗比較兩種技術顯示的左側(cè)大腦半球AF各分支的纖維體積和條數(shù)的差異，檢驗水準α=0.05。

A、B：重建深支時，ROI 1置于軸面經(jīng)前聯(lián)合層面的側(cè)腦室后角外側(cè)區(qū)域，ROI 2置于冠狀面經(jīng)中央前回層面的藍色放射冠的外側(cè)區(qū)域；C、D：重建前支時，ROI 1位置同深支ROI 2，ROI 2置于矢狀面頂下小葉Geschwind 區(qū)；E、F：重建后支時，ROI 1置于矢狀面顳葉Wernicke區(qū)，ROI 2位置同前支ROI 2

圖1纖維束示蹤成像重建AF時ROI放置示意圖

2 結(jié)果

2.1AF各分支的重建情況

2.1.1 單張量ST技術 見圖2A、C。3例嘴部深支顯像失敗，終端均在半卵圓中心提早終止，未延伸至額葉區(qū)域；9例深支顯像不完整，嘴部終端一部分纖維束在半卵圓中心提早終止，一部分延伸至額葉區(qū)域(圖2C淺黃色圓形)。2例前支和1例后支顯像完全失敗。對于AF顯像失敗者，進一步降低FA值為0.05～0.10后重新進行纖維束追蹤，仍未顯像成功。

2.1.2 雙張量UKFT技術 見圖2B、D。20例深支、前支和后支均完整顯像。

2.2AF各分支終端在大腦皮層的分布情況單張量ST技術重建時，AF各分支終端纖維多分布于單一腦回；而雙張量UKFT技術重建時，終端分支纖維顯示更完整，分布面積更廣，常分布于多個腦回。具體見表1～3。

2.3兩種纖維束示蹤技術顯示的AF各分支纖維體積和條數(shù)的比較見表4。由表4可知，與單張量ST技術相比，應用雙張量UKFT技術重建的左側(cè)AF深支、前支和后支的纖維體積更大、條數(shù)更多，差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.001)。

表1兩種技術重建的AF深支在大腦皮層的分布(n=20) 個

終端單張量ST雙張量UKFT嘴部終端 前運動皮層95 額下回20 前運動皮層+額下回615 顯像失敗30尾部終端 顳中回111 顳中+顳下回41 顳上+顳中+顳下回218 顯像失敗30

表2兩種技術重建的AF前支在大腦皮層的分布(n=20) 個

終端單張量ST雙張量UKFT嘴部終端 前運動皮層176 額下回10 前運動皮層+額下回014 顯像失敗20尾部終端 緣上回122 角回42 緣上回+角回216 顯像失敗20

表3兩種技術重建的AF后支在大腦皮層的分布(n=20) 個

終端單張量ST雙張量UKFT嘴部終端 顳中回130 顳中+顳下回65 顳上+顳中+顳下回015 顯像失敗10尾部終端 緣上回30 角回134 緣上回+角回316 顯像失敗10

A：單張量ST技術重建AF各分支圖，包括深支(紅色)、前支(藍色)和后支(綠色)；B：雙張量UKFT技術重建的AF各分支圖，終端在皮層分布的范圍更廣；C：單張量ST技術重建的AF深支嘴部終端部分纖維束在半卵圓中心提早終止，未達額葉區(qū)域；D：雙張量UKFT技術重建的深支嘴部終端分支纖維顯示更完整，同時位于額下回和前運動皮層區(qū)。A和B為同一男性受試者，36歲；C和D為同一女性受試者，35歲

圖2正常受試者左側(cè)AF重建圖

表4 兩種纖維束示蹤技術顯示的AF各分支纖維體積和條數(shù)的比較

3 討論

基于單張量模型的ST技術可以顯示腦白質(zhì)纖維束的走行及其相互之間的連接，已廣泛應用于臨床和神經(jīng)科學領域。傳統(tǒng)的單張量模型使用Stejskal Tanner方程計算的二階張量來描述體素內(nèi)的擴散特性，認為體素內(nèi)水分子的擴散運動呈高斯分布，且每個體素內(nèi)只有一條神經(jīng)纖維通過[5]。由于復雜結(jié)構區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)纖維在同一體素內(nèi)存在交叉、緊貼、分支或融合現(xiàn)象，因此單張量模型不能準確估算軸突的方向，應用此技術重建交叉纖維和分支纖維時存在一定的困難。此外，單張量模型采用體素內(nèi)不同擴散成分的加權平均值作為纖維追蹤的擴散張量，無法有效區(qū)分每個體素內(nèi)的不均質(zhì)擴散成分，即部分容積效應。此效應可導致白質(zhì)纖維束5%～7%的追蹤誤差，F(xiàn)A值10%～20%的差異[6]。Kinoshita等[7]對膠質(zhì)瘤患者應用DTI和術中電刺激定位纖維束的對比研究顯示，ST技術重建的圖像不能代表纖維束真實的大小，和術中電刺激的匹配度僅80%。這些缺陷在一定程度上限制了單張量ST技術的臨床應用。

為解決上述問題，學者們不斷探索新的方法來提高追蹤復雜區(qū)域白質(zhì)纖維束的能力。常用的方法有高角分辨率擴散成像[8]、Q球成像[9]和擴散頻譜成像[10]。但這些方法掃描時間過長，臨床應用受限。2010年Malcolm等[11]首次提出雙張量UKF算法模型，對一例正常受試者分別應用雙張量UKF算法模型、單張量模型和球諧函數(shù)模型的纖維束示蹤技術重建胼胝體、扣帶、上縱束和下額-枕束，將上述纖維束對比發(fā)現(xiàn)雙張量UKFT技術在顯像交叉纖維和分支纖維方面具有明顯的優(yōu)勢。

雙張量UKF算法模型將體素內(nèi)水分子的運動過程描述呈混合高斯分布，可以識別多種纖維的方向，進行纖維跟蹤時還可將腦脊液的信號分離，減少部分容積效應。以該模型為基礎的UKFT技術采用遞歸估計：以原始的DWI信號數(shù)據(jù)為基礎非線性構建一個雙張量模型，采用無損卡爾曼濾波器對模型的相關參數(shù)進行估計，沿著擴散最一致的方向追蹤一小步，到達一個新的位置，然后以先前的追蹤信息為基礎，將目前所在位置的局部信號重新構建雙張量模型。這種遞歸估計的纖維束成像方式，提高了追蹤方向的準確性，可以在交叉角度上精確分辨纖維束的方向，產(chǎn)生固有的光滑的纖維束。Rathi等[12]應用雙張量UKFT技術在20例首發(fā)精神分裂癥患者中追蹤穿過交叉區(qū)域連接105個不同皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域的神經(jīng)纖維束，結(jié)果顯示良好。

本研究分別應用單張量ST技術和雙張量UKFT技術對正常人群左側(cè)大腦半球的AF進行追蹤重建。結(jié)果顯示，應用單張量ST技術重建左側(cè)AF時，12例AF深支嘴部終端的全部或部分纖維在半卵圓中心提早終止，未延伸至前運動皮層區(qū)和額下回，2例前支和1例后支完全顯像失敗，降低FA值重新進行纖維束追蹤仍無法解決交叉纖維的問題。應用雙張量UKFT技術重建左側(cè)AF時，20例AF深支、前支和后支均成功完整顯像，終端達到已知的解剖學部位，這表明雙張量UKFT技術能夠在復雜的纖維交叉的解剖區(qū)域精確分辨纖維束的方向，追蹤到更完整的AF。本研究同時應用大腦白質(zhì)纖維體積和條數(shù)這兩個解剖學度量參數(shù)進一步量化腦白質(zhì)的宏觀結(jié)構，證實了與單張量ST技術相比，雙張量UKFT技術顯像AF的效果更佳。

作者的研究結(jié)果還顯示，應用雙張量UKFT技術可以成功顯像AF的三個分支，終端分支纖維顯示更完整，皮層分布范圍更廣，其中額葉終端主要同時位于額下回和前運動皮層區(qū)，顳葉終端主要同時位于顳上回、顳中回和顳下回，頂葉終端主要同時位于緣上回和角回。

總之，本研究結(jié)果表明雙張量UKFT技術在顯像交叉纖維和分支纖維方面較單張量ST技術具有明顯的優(yōu)勢；但由于纖維束示蹤技術本身存在重復性差的缺陷，雙張量UKFT技術顯像存在假陽性的可能，因此，其在神經(jīng)外科術中語言功能保護的價值還需進一步研究驗證。