基于彌散張量成像的原發(fā)性失眠患者大腦白質(zhì)變化

田時(shí)雨，薛婷，2，董芳，程永欣，崔永婷，謝東東，周彌，胡一婷，李曉健，黃若妍，王紫蕊，喻大華

前言

睡眠障礙分為慢性失眠和短期失眠，其中慢性失眠的患病率約為2%～10%［1］。慢性失眠的判定依據(jù)為失眠癥狀每星期至少發(fā)生3次，持續(xù)時(shí)間至少3個(gè)月，且失眠并不是由患者服用藥物或其他睡眠疾患所致。彌散張量成像能無損描述大腦白質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，可用于研究白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)完整性［2］。本文采用基于纖維束的空間統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法（Tract-Based Spatial Statistics,TBSS）［3］研究原發(fā)性失眠患者的大腦白質(zhì)完整性，以期為原發(fā)性失眠患者的影像學(xué)研究提供更多依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究經(jīng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，試驗(yàn)流程符合赫爾辛基宣言。原發(fā)性失眠患者被試的篩選標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《精神障礙診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》第5 版診斷標(biāo)準(zhǔn)，其中包括匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)、睡眠狀況自評(píng)量表（Self-Rating Scale of Sleep,SRSS）等。全部被試的排除標(biāo)準(zhǔn)為：自閉恐懼癥、精神病理行為腦損傷、癲癇、嚴(yán)重身體疾病等。所有參與試驗(yàn)的被試無磁共振檢查相關(guān)禁忌，磁共振檢查過程中無腦結(jié)構(gòu)反常，且均為右利手。篩選后符合試驗(yàn)要求的被試共58 人，其中原發(fā)性失眠患者29 人，健康正常被試29 人。研究對(duì)象資料見表1。試驗(yàn)開始前，所有被試均被告知本研究可能存在的相關(guān)問題及風(fēng)險(xiǎn)，參加試驗(yàn)的所有被試在詳細(xì)了解相關(guān)告知后簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集

彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）數(shù)據(jù)采集使用內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院飛利浦3.0T 掃描儀。圖像數(shù)據(jù)采用單次激發(fā)平面回波成像序列技術(shù)（45個(gè)連續(xù)軸向切片，層厚=3 mm，重復(fù)時(shí)間=6 800 ms，回波時(shí)間=70 ms，數(shù)據(jù)矩陣=128×128，視場(chǎng)=240 mm2×240 mm2）。擴(kuò)散敏化梯度沿著32個(gè)非共線方向（b=1 000 s/mm2）并且沒有彌散加權(quán)（b=0 s/mm2）的采集。在掃描過程中確保所有被試受試保持清醒狀態(tài)。

表1 原發(fā)性失眠患者統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)Tab.1 Demographic data of patients with primary insomnia

1.3 TBSS分析處理方法

數(shù)據(jù)處理和分析基于牛津大學(xué)功能磁共振成像中心開發(fā)的FMRIB 軟件（http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl）［4］。首先，使用FMRIB 的FDT（FMRIB's Diffusion Toolbox）模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行渦流校正，并用BET（Brain Extraction Tool）模塊進(jìn)行腦提?。黄浯?，用FDT 生成彌散數(shù)據(jù)各向異性分?jǐn)?shù)（Fractional Anisotropy,FA）、平均彌散率（Mean Diffusivity,MD）、第一特征值圖L1、第二特征值圖L2、第三特征值圖L3 等，并進(jìn)行張量計(jì)算；最后進(jìn)行TBSS 處理分析：運(yùn)用非線性配準(zhǔn)將所有被試的FA圖像對(duì)齊，非線性配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間模板，再對(duì)準(zhǔn)到MNI（Montreal Neurological Institute）標(biāo)準(zhǔn)空間；以0.2 為閾值創(chuàng)建平均FA 圖像和FA 骨架，并將每個(gè)被試的FA 圖像配準(zhǔn)到平均FA 骨架；之后使用隨機(jī)化方法做基于骨架的FA 體素水平的統(tǒng)計(jì)分析；最后將軸向彌散率（Axial Diffusivity,AD）、徑 向彌散 率（Radial Diffusivity,RD）、MD 圖像對(duì)準(zhǔn)到MNI 空間并投影到平均FA 骨架上，進(jìn)行基于體素水平的分析，找出腦白質(zhì)的差異。使用多重比較FWE（Family-Wise Error）校正方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正（P＜0.05,FWE 校正,10 000 次迭代）。最后，針對(duì)腦白質(zhì)異常的腦區(qū)，采用皮爾遜相關(guān)分析方法確定腦區(qū)的異常值與SRSS 是否具有相關(guān)性。

2 結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)相較于健康對(duì)照組，原發(fā)性失眠患者的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。主要表現(xiàn)為前放射冠（Anterior Coronal Radiata,ACR）、胼胝體膝部（Genu of Corpus Callosum,GCC）兩個(gè)腦區(qū)的FA 值降低（圖1,P＜0.05,FWE校正）。進(jìn)一步相關(guān)分析結(jié)果表明，GCC的FA值降低與SRSS分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.43,P=0.020,圖2）。

圖1 原發(fā)性失眠患者前放射冠、胼胝體膝部?jī)蓚€(gè)腦區(qū)的FA值降低Fig.1 The decreased FA value of the two brain regions of anterior coronal radiata and genu of corpus callosum in patients with primary insomnia

圖2 胼胝體膝部FA值與睡眠狀況自評(píng)量表（SRSS）呈顯著負(fù)相關(guān)Fig.2 The negative correlation between the FA value in genu of corpus callosum of patients with primary insomnia and self-rating scale of sleep(SRSS)

3 討論

失眠已成為現(xiàn)代人無法避免的健康問題之一，嚴(yán)重影響個(gè)人生活質(zhì)量。本試驗(yàn)采用TBSS 分析原發(fā)性失眠患者的大腦白質(zhì)變化，該方法已被廣泛應(yīng)用到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，取得了較好的分析結(jié)果［5-7］。較傳統(tǒng)的基于體素的分析方法［8］，該方法很好地解決了對(duì)齊問題，因此得到廣泛應(yīng)用［9-15］。本研究結(jié)果表明原發(fā)性失眠患者與健康對(duì)照組相比，前放射冠、胼胝體膝部區(qū)域的FA 值顯著降低，且胼胝體膝部區(qū)域的FA 值降低與原發(fā)性失眠患者的SRSS 分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)。此發(fā)現(xiàn)可能為更好地了解原發(fā)性失眠的神經(jīng)機(jī)制提供影像學(xué)資料。

本研究發(fā)現(xiàn)FA 值降低區(qū)域主要集中在前放射冠、胼胝體膝部。前放射冠、胼胝體膝部區(qū)是腦認(rèn)知功能及情感功能的重要核團(tuán)［16］。已有研究結(jié)果表明，腦內(nèi)化學(xué)物質(zhì)異常、大腦的過度喚醒及大腦促醒區(qū)、情緒調(diào)節(jié)區(qū)域功能紊亂均可導(dǎo)致失眠［17］。胼胝體是位于大腦半球縱裂底部連接兩個(gè)大腦半球的纖維束，是大腦兩側(cè)區(qū)域的橋梁。在整合、學(xué)習(xí)、認(rèn)知等腦功能交流中發(fā)揮重要作用。我們發(fā)現(xiàn)原發(fā)性失眠患者該區(qū)域FA 值降低，且該區(qū)域的異常變化與患者的SRSS 自評(píng)分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)。由此推斷，胼胝體的FA值降低可能與睡眠擾動(dòng)有關(guān)［18-20］。

綜上所述，本研究應(yīng)用TBSS 方法分析原發(fā)性失眠患者的大腦白質(zhì)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前放射冠、胼胝體膝部區(qū)域的FA 值顯著降低，且胼胝體膝部區(qū)域的FA值降低與原發(fā)性失眠患者的SRSS分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)。