集成磁共振成像技術(shù)對正常成年人海馬的定量測量評估

吳文浩，俞文君，朱誕恬，錢龍，李紹林*

海馬在人類學(xué)習(xí)、記憶和情感等方面起著重要作用，是當(dāng)今生命科學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。大量研究表明，海馬的結(jié)構(gòu)變化不僅與年齡、性別及基因相關(guān)[1-2]，還與顳葉癲癇、精神分裂癥、抑郁癥、阿爾茨海默病、缺氧后健忘癥等有顯著相關(guān)[3-4]。眾多神經(jīng)退行性疾病的早期即可出現(xiàn)海馬體積改變，但海馬體積的測量相對復(fù)雜且缺乏絕對的參考標(biāo)準(zhǔn)。絕對量化組織參數(shù)如T1、T2 和PD 值能反映組織的病理變化，有助于微小、局灶性病變的發(fā)現(xiàn)及疾病發(fā)生、發(fā)展情況的監(jiān)測。既往文獻(xiàn)顯示，T2 Mapping 對阿爾茨海默病、癲癇及海馬硬化的早期診斷和治療反應(yīng)的監(jiān)測有重要作用[5-6]。但其掃描時間較長，且可引起組織溫度升高[7]，故未在臨床診斷中廣泛應(yīng)用。集成磁共振(synthetic magnetic resonance imaging，SyMRI)技術(shù)不僅能生成常規(guī)形態(tài)學(xué)診斷所需要的圖像，同時也可獲得T1、T2和質(zhì)子密度(proton density，PD)值等定量信息[8-11]。既往的SyMRI 主要應(yīng)用于全腦或局部腦體積的測量[12]，目前關(guān)于SyMRI 在海馬區(qū)的定量研究鮮有報道。筆者通過對正常人海馬區(qū)域進(jìn)行定量測量，為正常老化及海馬疾病的定量診斷提供重要參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究經(jīng)過本單位醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)[倫理號：中大五院(2020)倫字第(K219-1)號]，免除受試者知情同意?；仡櫺允占?019 年11 月1 日到2020 年4 月1 日在我院行健康體檢顱腦MRI 檢查的成年人。圖像納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)既往無精神疾病如顳葉癲癇、精神分裂癥、抑郁癥、阿爾茨海默病、缺氧后健忘癥；(2)既往無腦部相關(guān)病變(如腦出血、腦梗死、腦腫瘤等病史)及腦部手術(shù)病史；(3)無長期藥物治療的慢性疾病史。排除標(biāo)準(zhǔn)：圖像偽影重，無法進(jìn)行定量測量。按以上標(biāo)準(zhǔn)，共收集健康成年人139 名，男性61 名，女性78 名。年齡從20～72 歲，平均(44.5±11.9)歲，按照年齡分為三組，20～35 歲36 名，36～55 歲72 名，56～72歲31名[13]。

1.2 大腦MR圖像采集

采用GE SIGNA Pioneer 3.0 T MRI 掃描儀，使用29 通道頭頸聯(lián)合線圈，掃描野包括整個大腦。對139 例受試者行矢狀位3D T1WI 毀損梯度回波序列(3D T1WI spoiled gradient recalled echo，3D T1WI-SPGR) 及軸位SyMRI 序列掃描。 3D T1WI-SPGR 掃描參數(shù)：FOV 256 mm×256 mm，層厚1 mm，TR 7.5 ms，TE 2.2 ms，TI 450 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，接收帶寬31.25 Hz/像素，矩陣256×256，體素大小1 mm×1 mm×1 mm，總掃描時間約5 min 2 s。SyMRI 掃描參數(shù)：FOV 256 mm×256 mm，層數(shù)84，層厚2 mm，TR 10 000 ms，TE 10.9 ms，TE 265.2 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，接收帶寬35.71 Hz/像素，平面內(nèi)矩陣128×128，體素大小2 mm×2 mm×2 mm，總掃描時間約8 min 40 s。

1.3 定量值測量方法

將SyMRI 的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入SyMRI 后處理軟件(v11.2.2，SyntheticMR 公 司)，自 動 計 算 得 到T1、T2 和PD 圖譜(圖1)。使用dcm2nii 軟件將T1、T2、PD和3D T1WI-SPGR 掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NIFTI 格式。隨后采用FSL 軟件(https：//fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/FSL)將T1、T2 和PD 圖譜配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)腦空間(MNI)。最后使用AAL 模版提取海馬體的定量參數(shù)值。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

所有數(shù)據(jù)均使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析。不同側(cè)別的海馬T1、T2及PD值采用配對t檢驗，不同性別的海馬T1、T2 及PD 值采用兩獨立樣本Mann-Whitney U 檢驗，不同年齡組間海馬結(jié)構(gòu)的定量值作方差分析，不同年齡分組兩兩比較采用LSD 法。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 正常成年人的T1、T2、PD值均值及范圍

正常成年人的T1、T2、PD值的均值分別是(1258.43±110.59) ms，(105.88±16.05) ms，(74.71±1.52) pu，T1、T2 及PD 值 的 范 圍 依 次 是(1070.16～1725.59) ms，(86.43～190.71) ms，(70.72～80.21) pu (圖2)。

圖2 T1、T2、PD 值左側(cè)及右側(cè)海馬的直方圖。A、B：T1值右側(cè)及左側(cè)海馬分布情況；C、D：T2值右側(cè)及左側(cè)海馬分布情況；E、F：PD 值右側(cè)及左側(cè)海馬分布情況Fig. 2 T1,T2, PD values of the left and right hippocampal histograms.A, B:The distribution of right and left hippocampus of T1 value. C, D:The distribution of right and left hippocampus of T2 value.E,F:The distribution of right and left hippocampus of PD value.

2.2 不同側(cè)別、性別的海馬T1、T2、PD值比較

不同側(cè)別的海馬T1 和PD 值差異有統(tǒng)計學(xué)意義，且T1 和PD 值左側(cè)均大于右側(cè)，不同側(cè)別T2 值以及不同性別間的T1、T2 和PD 值之間無統(tǒng)計學(xué)差異(表1)。

2.3 不同年齡組別的海馬T1、T2及PD值

不同年齡組別的海馬T1、T2 及PD 測量值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.01；表2，3)。55 歲之前的年齡組之間無統(tǒng)計學(xué)差異，而55 歲之后的年齡組與前兩組之間具有統(tǒng)計學(xué)差異。

表2 不同年齡組別海馬T1、T2及PD值(±s)Tab.2 T1,T2 and PD values of hippocampus in different age groups (±s)

表2 不同年齡組別海馬T1、T2及PD值(±s)Tab.2 T1,T2 and PD values of hippocampus in different age groups (±s)

注：組1為20～35歲年齡組；組2為36～55歲年齡組；組3為56～72歲年齡組

組別組1組2組3 T1值(ms)右側(cè)海馬1240.43±64.72 1226.84±88.10 1346.29±120.85左側(cè)海馬1287.36±70.05 1283.31±93.04 1415.61±129.78 T2值(ms)右側(cè)海馬101.93±8.02 100.68±10.90 113.10±22.04左側(cè)海馬104.64±8.66 104.50±11.64 119.96±27.95 PD值(pu)右側(cè)海馬73.93±1.19 73.55±1.21 74.86±1.31左側(cè)海馬75.24±1.17 75.17±1.07 76.54±1.42

表3 不同年齡組別間海馬T1、T2、PD值的比較Tab.3 Comparison of T1,T2 and PD values of hippocampus among different age groups

3 討論

海馬形態(tài)的改變不僅與很多退行性疾病相關(guān)，還會隨著年齡增長而變化，因此僅僅依靠海馬形態(tài)學(xué)的改變對疾病進(jìn)行診斷會存在一定的偏差，尤其是對于海馬的微小及局灶性病變。既往的體積測量及MRS成像技術(shù)，因臨床后處理操作復(fù)雜、耗時長，臨床應(yīng)用也因此受限。定量測量可避免肉眼及邊界勾畫所帶來的誤差，為臨床海馬疾病的早期、準(zhǔn)確診斷提供了新的契機。

3.1 海馬定量測量

本研究發(fā)現(xiàn)SyMRI 可定量測量海馬區(qū)域的T1、T2 及PD 值。既往主要采用T2 弛豫測量法進(jìn)行海馬的定量測量，T1 值及PD 值在正常海馬的定量研究中運用較少。T1、T2 值可以反映腦內(nèi)水分、髓鞘及鐵含量的變化[14-16]，而PD 值能測量游離水的含量，這些對疾病的病理狀態(tài)的監(jiān)測極其重要[17]。Jackson 等[18]使用16 回波的SE 序列通過單指數(shù)衰減曲線計算出T2 值，對海馬進(jìn)行定量分析。近幾年來有人用雙回波SE 或FSE 序列對T2 值進(jìn)行測量，認(rèn)為雙回波SE 或FSE序列對T2值也能可靠、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)海馬異常。相比于既往的研究，SyMRI 在獲得常規(guī)序列滿足形態(tài)學(xué)診斷的同時，也能提供除T2 值以外的T1 值及PD 值等，節(jié)約了掃描時間，為海馬病變的診斷提供了一體化的工具。

3.2 對MRI海馬T1值、T2值及PD值定量測量的分析

海馬相關(guān)疾病會導(dǎo)致海馬體積及相關(guān)定量值改變，例如海馬硬化癥會導(dǎo)致海馬體積萎縮，T2 信號增加[19-20]，而年齡增加也會導(dǎo)致海馬體積縮小及相應(yīng)定量值的改變[21]。本研究結(jié)果顯示海馬不同側(cè)別的T2 值以及不同性別間的T1、T2 和PD 值之間無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，這與部分研究發(fā)現(xiàn)相同[22-23]。而不同側(cè)別的T1 及PD 值之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，且左側(cè)定量值均高于右側(cè)。既往研究也證實海馬的左右側(cè)體積及結(jié)構(gòu)存在不對稱性[1,24]，且右側(cè)體積大于左側(cè)，故推測其定量值之間存在差異是合理的，需要大樣本進(jìn)一步驗證。

本研究結(jié)果顯示隨年齡的增加海馬T1、T2 及PD值先有所降低后逐漸增加，不同組別的海馬結(jié)構(gòu)的定量值在20～72 歲之間年齡段差異均有統(tǒng)計學(xué)意義。55 歲之前的年齡組之間無統(tǒng)計學(xué)差異，而55 歲之后的年齡組與前兩組之間具有統(tǒng)計學(xué)差異，55 歲之后的年齡組的T1 值、T2 值及PD 值明顯增高。這與Jackson 等[18]報道的不同區(qū)域腦組織的變化規(guī)律相同，60 歲左右是一個相對的分界線，60 歲之前，T1、T2 和PD 值穩(wěn)定或略有下降，而60 歲之后升高，可能是由于T1 和T2 值的變化是由于水分、髓鞘和鐵含量的變化引起的。髓鞘形成的過程中，髓鞘增多和水分減少是T1和T2值降低的原因之一，而在50歲后逐漸出現(xiàn)了脫髓鞘改變[24]。而孫鵬等[22]研究表明T2 值隨年齡增加逐漸減小，可能是由于使用的掃描序列、掃描的層厚、方位以及測量過程中感興趣區(qū)選擇的差異。同時健康志愿者篩選標(biāo)準(zhǔn)的不同也可能會造成測量值的差異。本研究通過提供不同年齡、性別及側(cè)別海馬T1、T2 和PD 值參考值，為海馬相關(guān)疾病的早期、準(zhǔn)確診斷提供重要依據(jù)。

3.3 本研究局限性

第一，本次研究的樣本量相對較小，需要增大樣本量以提高試驗結(jié)果的可信度；第二，未對不同年齡組進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化；第三，因參與本研究的均為健康志愿者，均無法取得病理作為參照；第四，長期動態(tài)觀察對本研究的結(jié)果更具有說服力。

SyMRI 技術(shù)通過一次掃描即可獲得多種對比加權(quán)成像，具有成像時間短、可獲得定量數(shù)據(jù)等優(yōu)點。本研究通過初步探索正常成年人T1、T2 及PD 值與性別、年齡等的關(guān)系，為海馬相關(guān)疾病的早期診斷及療效評估提供有力的依據(jù)，以提高相關(guān)疾病的診出率，為疾病的早期診治提供更可靠的影像學(xué)信息。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。