功能磁共振影像低頻振幅對自發(fā)性腦出血微創(chuàng)血腫清除術(shù)后患者預(yù)后的評估價值

楊詩友，莊建峰，徐航哲，黃沛鈺，俞曉波，張 行， 陳 高

(1. 杭州師范大學(xué)附屬醫(yī)院腦認(rèn)知與腦疾病研究中心，浙江 杭州 310015； 2. 杭州師范大學(xué)心理科學(xué)研究院，浙江 杭州 311121；3. 浙江省認(rèn)知障礙評估技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310015； 4. 山東大學(xué)齊魯醫(yī)院神經(jīng)外科，山東 濟(jì)南 250063；5. 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科，浙江 杭州 310009； 6. 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院放射科，浙江 杭州 310009)

自發(fā)性腦出血是我國成年人致死、致殘的首位病因，具有發(fā)病率高、致殘率高、死亡率高和復(fù)發(fā)率高等特點(diǎn).許多腦出血患者都會出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙，極大地影響他們的生活質(zhì)量[1]，因此許多研究者試圖探索其相關(guān)的病理機(jī)制.

靜息態(tài)功能性磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)是研究腦認(rèn)知功能的重要技術(shù)手段[2-4]，操作簡便，在腦出血患者認(rèn)知功能研究領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用.研究表明，腦出血患者除病灶外，一些腦區(qū)也會出現(xiàn)異?；顒?，包括內(nèi)側(cè)前額葉皮層/前扣帶皮層、中顳回、顳下回、額上回、額中回和頂下小葉、輔助運(yùn)動區(qū)、中央前回和中央旁小葉等[5-8].這些腦區(qū)的功能活動與患者語言、運(yùn)動控制、注意等認(rèn)知功能有很強(qiáng)的聯(lián)系，為理解腦出血患者認(rèn)知功能障礙提供了依據(jù).

對于自發(fā)性腦出血，微創(chuàng)手術(shù)是國內(nèi)外近年來的研究熱點(diǎn)[9-10]，臨床上，腦出血微創(chuàng)手術(shù)的術(shù)式有很多，其中包括錐顱血腫引流，還有小切口血腫清除加引流以及內(nèi)鏡下血腫清除.一般來說，術(shù)式不一樣，則采用的手段不一樣，它的侵襲性、控制性也不一樣，所以說效果以及恢復(fù)情況也不盡相同[11-12].在腦出血血腫量小于30 mL的患者中可以采取保守治療，但會給病程增加很長的時間，而且治療期間患者容易出現(xiàn)各種各樣的并發(fā)癥，所以近期開展的微創(chuàng)手術(shù)，就是根據(jù)定位的位置選擇，經(jīng)顱內(nèi)最短距離，在顱骨鉆孔，孔徑大于0.3～0.5 cm，然后植入軟質(zhì)導(dǎo)管到顱內(nèi)血腫的部位，將淤血引流出來.這種技術(shù)具有窗口小、腦損傷少、致殘率小的優(yōu)點(diǎn)，而且減少了手術(shù)創(chuàng)面對外的接觸，使顱內(nèi)感染降低到最低[13].但截至目前，國內(nèi)外還沒有研究自發(fā)性腦出血微創(chuàng)治療如何影響腦認(rèn)知功能的報道.哪些腦區(qū)的功能活動能夠預(yù)測治療效果還不清楚.針對這一問題，本項(xiàng)目采用靜息態(tài)功能磁共振技術(shù)結(jié)合認(rèn)知量表評定，開展了相關(guān)臨床實(shí)驗(yàn)研究.

1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

1.1 患者入組情況

患者總數(shù)21人(年齡范圍 36—69歲，其中男性被試12人)納入本研究，經(jīng)篩選患者病灶區(qū)都為基底節(jié)位置，其中12名患者病灶左側(cè)基底節(jié)，9名患者病灶右側(cè)基底節(jié)；患者術(shù)后7d接受首次隨訪，記錄 Rankin評分，6個月后接受第二次隨訪，再完成一次Rankin評分，其中患者均為單側(cè)偏癱情況，具體信息見表1.

表1 腦出血患者人口學(xué)信息表Tab.1 Demographic information table of patients with cerebral hemorrhage

1.2 影像學(xué)數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 圖像采集

靜息態(tài)功能磁共振影像：使用聯(lián)影3.0T磁共振uMR-790，EPI序列結(jié)合Multiband技術(shù)進(jìn)行功能影像數(shù)據(jù)采集，參數(shù)如下(考慮到表述的準(zhǔn)確性，部分參數(shù)使用英文)：TR/TE/翻轉(zhuǎn)角度=700 ms/33 ms/52°，采集矩陣= 64 × 64，視野(FOV) = 210 × 210 mm2，層厚/間距=2.5/0 mm，Multiband加速因子=7，63個平行于AC-PC線的軸向切片，以覆蓋整個大腦和小腦，掃描時間4 min，共獲得343個數(shù)據(jù)點(diǎn).

結(jié)構(gòu)像：采集每位患者T1加權(quán)矢狀三維磁化準(zhǔn)備快速梯度 (MPRAGE)序列.層厚/間隙=0.7/0 mm， TR=6.9 ms，TE=2.9 ms，翻轉(zhuǎn)角度=9°， FOV=256 × 240 mm2.

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

預(yù)處理使用靜息態(tài)功能磁共振影像數(shù)據(jù)處理工具包(DPABI)完成[14].對于每名患者的功能磁共振影像數(shù)據(jù)具體分析步驟如下：1)去除前10個時間點(diǎn)，以確保采集到的信號更加穩(wěn)定；2)切片采集時間延遲矯正和幾何位移矯正；3)如果患者頭部空間位移大于3 mm 或空間旋轉(zhuǎn)大于3°將不納入后續(xù)分析(包括軸、矢和冠狀位)；4)基于統(tǒng)一分割的個體結(jié)構(gòu)影像空間歸一化參數(shù)，將所有功能磁共振影像歸一化為標(biāo)準(zhǔn)MNI模板(重采樣為3×3×3 m3)；5)從功能磁共振影像數(shù)據(jù)中回歸出6個頭部運(yùn)動參數(shù)；6)用6×6×6的半高全寬(FWHM)高斯核進(jìn)行平滑.

1.2.3 局部腦活動分析

低頻振幅(Amplitude of Low Frequency Fluctuation，ALFF) 是靜息態(tài)功能磁共振影像研究領(lǐng)域廣泛使用的局部腦活動分析方法[15-16].ALFF分析步驟如下：1)從預(yù)處理功能磁共振影像數(shù)據(jù)每個體素的時間序列中去除線性趨勢；2)采用快速傅里葉變換將每個體素的時間序列轉(zhuǎn)換到頻域；3)計(jì)算每個頻點(diǎn)上信號功率譜的平方根，作為該頻點(diǎn)的振幅；4)在0.01～0.1 Hz的頻帶上取振幅的平均值，作為給定體素的ALFF；5)每個體素的ALFF通過除以全腦ALFF平均值完成歸一化處理.

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 認(rèn)知功能評定

通過配對樣本t檢驗(yàn)考察患者術(shù)后7d和術(shù)后6個月這兩個階段Rankin分?jǐn)?shù)差異并計(jì)算減分率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果使用Bonferroni檢驗(yàn)矯正方法進(jìn)行矯正.通過術(shù)后7 d與術(shù)后6個月的Rankin評分的減分率來評定患者恢復(fù)程度，區(qū)分出恢復(fù)較好的患者和恢復(fù)較差的患者，計(jì)算每名患者的減分率，以50%減分率為閾限將患者分為高減分率組(共10名，年齡48±9歲，其中男性5名)和低減分率組(11名，年齡51±10歲，其中男性7名).

1.3.2 局部腦活動分析

在DPABI中進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)，考察兩組(高減分率組vs低減分率組)局部腦活動指標(biāo)ALFF的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，確定顯著差異腦區(qū)，并使用高斯隨機(jī)場理論校正(Gaussian Random Field, GRF,P<0.01),檢驗(yàn)矯正方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)矯正.

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果

2.1.1 認(rèn)知評估

如圖1所示，與術(shù)后7 d比，患者術(shù)后6個月認(rèn)知評分顯著降低(t=16.97，p<0.001)，如圖2，其中有10名(共21名)被試評分減分率大于50%，從個體來看，所有被試的Rankin評分都有所下降.

注:***代表統(tǒng)計(jì)顯著性p<0.001圖1 患者術(shù)后7 d與術(shù)后6個月減分評分差異Fig.1 Difference of Rankin reduction score between 7 days after surgery and 6 months after surgery圖2 腦出血患者Rankin評分減分率示意圖Fig.2 Schematic diagram of Rankin score reduction rate in patients with cerebral hemorrhage

2.1.2 影像學(xué)分析

如圖3、圖4所示，與低減分率(恢復(fù)差組)組相比，高減分率組(恢復(fù)好組)分析采用ALFF影像學(xué)指標(biāo)，通過雙樣本t檢驗(yàn)確定顯著差異腦區(qū)，結(jié)果表明初級視覺皮層(Primary Visual Cortex)及輔助運(yùn)動區(qū)(Supplementary Motor)在兩組患者：減分率高組(Mean±SD：1.26±0.11)vs減分率低組(Mean±SD：0.86±0.05)腦活動低頻振幅差異顯著(其中t初級視覺=3.21，p<0.01;t輔助運(yùn)動=4.01，p<0.001)(表2).

圖3 減分高低組ALFF功能活動差異腦區(qū)部位(紅色圓圈處)Fig.3 Different brain regions of ALFF functional activity in two study group (red circle)圖4 ALFF活動差異及基于影像學(xué)特征建立的預(yù)測模型ROC曲線Fig.4 The difference of ALFF activity and the ROC curve of the predictive model based on imaging features

表2 初級視覺皮層及輔助運(yùn)動區(qū)兩組患者腦活動低頻振幅Tab.2 ALFF of brain activity in primary visual cortex and supplementary motor area

進(jìn)一步采用感興區(qū)分析(Analysis of Region of Interest)，如圖3、圖4所示，我們發(fā)現(xiàn)高減分率組患者與低減分率組患者相比，功能活動差異最顯著的腦區(qū)是輔助運(yùn)動區(qū)和初級視覺皮層；接著通過對所有患者T1像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后重疊，結(jié)果顯示，患者ALFF出現(xiàn)差異的腦區(qū)部位與腦出血的部位并不重疊，此結(jié)果說明，腦出血患者 ALFF活動的差異并不是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)損傷本身導(dǎo)致的，如圖5所示.其次，與減分高低組差異及功能活動差異腦區(qū)中， MNI最值坐標(biāo)提示在減分率高與減分率低組中有2個腦區(qū)在術(shù)后一周呈現(xiàn)顯著差異，分別是輔助運(yùn)動區(qū)與初級視覺皮層，其中初級視覺皮層MNI最值坐標(biāo)(4，1，44，3.19)；輔助運(yùn)動區(qū)MNI最值坐標(biāo)(4，-87，2，3.94)(表3).

圖5 腦出血患者T1像標(biāo)準(zhǔn)化重疊腦區(qū)Fig.5 T1 images normalized overlapping brain regions in patients with intracerebral hemorrhage

表3 初級視覺皮層及輔助運(yùn)動區(qū)MNI(Montreal Neurological Institute)最值坐標(biāo)Tab.3 MNI coordinates of primary visual cortex and supplementarymotor areas

采用受試者工作特征曲線 (receiver operating characteristic curve)對兩組被試對各自敏感腦區(qū)作分析，接受者操作特性曲線以假陽性概率(false positive rate)為橫軸，擊中概率為縱軸所組成的坐標(biāo)圖，和被試在特定刺激條件下由于采用不同的判斷標(biāo)準(zhǔn)得出不同結(jié)果畫出的曲線，如圖4A、圖4B所示，由圖可知對于初級視覺皮層區(qū)域，AUC初級視覺皮層=0.91,p=0.01；對于輔助運(yùn)動區(qū)域，AUC輔助運(yùn)動區(qū)=0.82，p=0.002(表4).

表4 初級視覺皮層及輔助運(yùn)動區(qū)兩組患者ROC分析Tab.4 ROC analysis of primary visual cortex and supplementarymotor area

2.2 討論

研究結(jié)果表明，患者輔助運(yùn)動區(qū)活動對于術(shù)后運(yùn)動相關(guān)高級認(rèn)知功能的恢復(fù)具有重要作用.與低減分率(恢復(fù)差組)組相比，高減分率組(恢復(fù)好組)分析采用ALFF影像學(xué)指標(biāo)(MNI標(biāo)準(zhǔn)模板)，通過雙樣本t檢驗(yàn)確定顯著差異腦區(qū)為初級視覺皮層與輔助運(yùn)動區(qū)，在初級視覺皮層的ROC曲線分析中，兩組被試AUC>0.9，且p=0.01，結(jié)果提示初級視覺皮層在自發(fā)性腦出血中作為重要的診斷腦區(qū)存在，具備較高的診斷價值[17]，我們的結(jié)果提示初級視覺皮層，對自發(fā)性腦出血康復(fù)極其重要且與自發(fā)性腦出血后的大腦功能代償機(jī)制有關(guān)[18].輔助運(yùn)動區(qū)是運(yùn)動功能相關(guān)的重要腦區(qū)，該腦區(qū)通過與雙側(cè)主運(yùn)動區(qū)、運(yùn)動前區(qū)交互，維持相應(yīng)的運(yùn)動協(xié)調(diào)功能[19- 20]，在ROC曲線分析中，兩組被試AUC>0.7，且p<0.01，具備良好的區(qū)分度意義，輔助運(yùn)動區(qū)在自發(fā)性腦出血中是診斷價值處于中等水平的腦部區(qū)域[21].

綜上所述，本研究結(jié)果提示初級視覺皮層在運(yùn)動功能損傷情況下可能發(fā)揮了功能的代償作用[22-23]，初級視覺皮層功能代償作用對于患者術(shù)后康復(fù)有重要意義.其中運(yùn)動前區(qū)在運(yùn)動的發(fā)動和調(diào)控過程中擔(dān)負(fù)著重要作用，主要負(fù)責(zé)運(yùn)動的控制和計(jì)劃[24].

3 結(jié)論

本研究選取腦出血患者術(shù)前靜息態(tài)功能磁共振影像及結(jié)構(gòu)像患者病例，探討腦活動低頻振幅在腦出血患者微創(chuàng)手術(shù)恢復(fù)后運(yùn)動功能方面的臨床預(yù)測價值.分別在患者術(shù)后7 d與術(shù)后6個月時，進(jìn)行Rankin量表檢查.在0.01～0.1 Hz的頻帶上取振幅的平均值，作為給定體素的ALFF并對每個體素的ALFF除以全腦ALFF平均值，通過雙樣本T檢驗(yàn)計(jì)算兩組患者腦活動ALFF的差異，并對有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)值做受試者工作特征(ROC)曲線，分別計(jì)算敏感度、特異度及曲線下面積(AUC).本研究結(jié)果提示患者輔助運(yùn)動區(qū)和初級視覺皮層活動對于術(shù)后運(yùn)動相關(guān)高級認(rèn)知功能的恢復(fù)有重要作用.患者術(shù)后6周認(rèn)知功能評分顯著改善.減分率較高的患者在術(shù)后7 d輔助運(yùn)動區(qū)，運(yùn)動前區(qū)及初級視覺皮層有較高的活動.

綜上所述，術(shù)后運(yùn)動功能相關(guān)腦區(qū)和初級視覺皮層的活動與自發(fā)性腦出血微創(chuàng)手術(shù)治療的療效有關(guān).這種關(guān)系可能和患者運(yùn)動功能的保留程度及腦功能代償機(jī)制有關(guān)，但這些發(fā)現(xiàn)還需要進(jìn)一步驗(yàn)證.在未來研究中應(yīng)繼續(xù)對自發(fā)性腦出血患者進(jìn)行入組，并根據(jù)不同腦損傷靶點(diǎn)對患者進(jìn)行分組，進(jìn)一步明確不同損傷靶點(diǎn)微創(chuàng)治療對腦認(rèn)知功能活動的影響.建議繼續(xù)增加靜息態(tài)功能磁共振影像隨訪，進(jìn)一步驗(yàn)證目前發(fā)現(xiàn)的局部腦區(qū)功能活動對遠(yuǎn)期術(shù)后預(yù)后情況的預(yù)測效用.