MorphoBox自動分割皮層下灰質(zhì)核團(tuán)

張曉楠，程敬亮，張 勇，宋承汝，馬可燃，白 曼，王克凡，毛鑫月

(鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院磁共振科，河南 鄭州 450052)

基于圖像的自動腦形態(tài)測量分析現(xiàn)已逐漸用于量化正常衰老和腦結(jié)構(gòu)在各種神經(jīng)退行性疾病進(jìn)展期中的變化[1]，并已開發(fā)出多種免費(fèi)自動分割測量軟件，如應(yīng)用較廣的Freesurfer、SPM和FSL-first等，但硬件要求較高、計算耗時較長等缺陷限制了其臨床推廣應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，MorphoBox[2]算法實現(xiàn)了將自動腦分割功能整合到磁化強(qiáng)度預(yù)備梯度回波(magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo, MPRAGE)序列中，待掃描結(jié)束即直接自動生成腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)體積測量報告，直觀、快速，無需后處理，目前已用于阿爾茲海默病、帕金森病等常見神經(jīng)退行性疾病，并發(fā)現(xiàn)其與深部核團(tuán)改變關(guān)系密切[3]。本研究通過與Freesurfer對比，觀察MorphoBox分割皮層下灰質(zhì)核團(tuán)的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2019年4月—2020年10月40例就診于鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院40例顳葉癲癇(temporal lobe epilepsy, TLE)患者，男21例、女19例，年齡17～55歲、平均(30.5±12.1)歲，病程1～30年、中位病程4.5年；其中，單側(cè)海馬硬化(即內(nèi)側(cè)TLE)24例，非海馬硬化(即外側(cè)TLE)16例；按腦電圖提示癲癇顳葉側(cè)別將其分為左側(cè)TLE(left TLE, LTLE)組和右側(cè)TLE(right TLE, RTLE)組。TLE患者納入標(biāo)準(zhǔn)：①漢族、右利手，患者間無血緣關(guān)系；②根據(jù)國際抗癲癇聯(lián)盟(International League Against Epilepsy, ILAE)2017年診斷標(biāo)準(zhǔn)確診癲癇；③癲癇癥狀符合顳葉起源性發(fā)作；④頭皮腦電圖或顱內(nèi)電極腦電圖示發(fā)作或發(fā)作間期癇性放電源于顳葉。招募同期22名受教育年限均相匹配的健康志愿者作為健康對照(healthy control, HC)，男、女各11名，年齡18～46歲、平均(28.3±6.74)歲。HC組納入標(biāo)準(zhǔn)：①漢族、右利手，相互無血緣關(guān)系；②無顱腦損傷、昏迷及心腦血管疾病、糖尿病等慢性病史；③三代以內(nèi)親屬無癲癇、精神和神經(jīng)疾??；④頭顱MRI未見明顯異常；⑤無酒精、毒品或藥物依賴史；⑥無服用精神疾病類藥物史。排除標(biāo)準(zhǔn)：①全身性疾病、精神障礙及藥物成癮等；②顱內(nèi)占位性病變，腦外傷、腦梗死、腦出血及顱內(nèi)感染等腦部疾病史；③植入金屬支架、金屬牙齒、金屬瓣膜等易產(chǎn)生偽影的外物；④掃描時頭部移動距離大于3 mm。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)(審查編號：2019-KY-232)；受試者簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Magnetom Prisma 3.0T MR掃描儀，64通道頭顱線圈。囑受試者平臥、睜眼、平靜呼吸，盡量避免自主思維活動；行常規(guī)頭顱MRI，包括T2W、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)序列、MPRAGE序列及彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging, DWI)，具體參數(shù)見表1。

表1 頭顱MR掃描參數(shù)

1.3 圖像處理 完成MPRAGE序列掃描后，系統(tǒng)自動生成原始圖像(圖1A)、MorphoBox腦體積分割圖像(圖1B)及全腦結(jié)構(gòu)體積報告。采用Freesurfer 圖像分析套件進(jìn)行皮質(zhì)重建和體積分割，并于云平臺(http://www.humanbrain.cn, Beijing Intelligent Brain Cloud, Inc.)經(jīng)過程加速和簡化后得到分割圖像(圖1C)和體積報告。從以上兩種報告中各提取5對基底核團(tuán)，即丘腦、殼核、尾狀核、蒼白球即海馬的體積。

圖1 TLE患者，男，36歲 A. 原始正中矢狀面MPRAGE圖； B.正中矢狀面MorphoBox腦體積分割圖； C.正中矢狀面Freesurfer腦體積分割圖

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計量資料，采用配對t檢驗進(jìn)行2組間比較；以中位數(shù)(上、下四分位數(shù))表示不符合正態(tài)分布者，以Wilcoxon檢驗行2組間比較、Kruskal-WallisH檢驗行3組間比較。以χ2檢驗比較計數(shù)資料。行Pearson相關(guān)分析；采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation efficient, ICC)評估2種算法的一致性。以效應(yīng)值評價2種算法所測平均值的差異，效應(yīng)值其中，M1為樣本1均值，M2為樣本2均值，SD1為樣本1標(biāo)準(zhǔn)差，SD2為樣本2標(biāo)準(zhǔn)差。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 LTLE組、RTLE組及HC組年齡、性別及病程差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)，見表2。

表2 LTLE、RTLE患者及健康人一般資料比較

2.2 灰質(zhì)核團(tuán)體積 MorphoBox與Freesurfer所測雙側(cè)殼核和尾狀核、右側(cè)蒼白球及雙側(cè)海馬體積差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)。Freesurfer所測雙側(cè)海馬體積均大于MorphoBox(P均<0.05)、雙側(cè)殼核體積均小于MorphoBox(P均<0.05)，LTLE和RTLE

組雙側(cè)尾狀核體積均大于MorphoBox(P均<0.05)，而HC組雙側(cè)尾狀核體積則小于MorphoBox(P均<0.05)。MorphoBox所測LTLE和RTLE組兩側(cè)殼核、尾狀核及海馬體積差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)，F(xiàn)reesurfer所測RTLE組兩側(cè)丘腦及LTLE、RTLE組兩側(cè)殼核、尾狀核、蒼白球及海馬體積差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)。見表3。

表3 MorphoBox和Freesurfer所測灰質(zhì)核團(tuán)體積比較(cm3)

2.3 相關(guān)性、一致性分析及效應(yīng)值 除HC組雙側(cè)海馬外(P均>0.05)，MorphoBox與Freesurfer所測其余基底核團(tuán)體積結(jié)果均相關(guān)(r=0.471～0.850，P均<0.05)。

除HC組右側(cè)蒼白球及雙側(cè)海馬外，MorphoBox與Freesurfer所測其余基底核團(tuán)體積結(jié)果均具有一致性(ICC=0.392～0.818，P均<0.05)。

MorphoBox與Freesurfer測量殼核體積的效應(yīng)值較大，為1.66～5.33。見表4。

表4 MorphoBox與Freesurfer測量5對基底核團(tuán)的相關(guān)性、一致性分析及效應(yīng)值

3 討論

已有研究[4-5]證實，腦萎縮相關(guān)體積測量結(jié)果與神經(jīng)退行性疾病實際腦萎縮程度、神經(jīng)病理學(xué)變化和認(rèn)知障礙密切相關(guān)，且具有良好的可重復(fù)性、可靠性和客觀性。測量海馬體積有助于診斷TLE。海馬硬化是TLE最常見病理類型，表現(xiàn)為海馬體積縮小、神經(jīng)元細(xì)胞丟失和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生；經(jīng)手術(shù)切除后，治愈率可達(dá)70%以上[6]。由于海馬體積較小且解剖較為復(fù)雜，手工測量耗時較長；采用腦容積自動分割軟件可提高醫(yī)師工作效率和診斷準(zhǔn)確性。

MorphoBox和Freesurfer兩種方法所用模板的腦圖譜不同[7-8]；Freesurfer基于局部而非全局強(qiáng)度分布建模，用于分割海馬等混合灰/白質(zhì)結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。本研究發(fā)現(xiàn)MorphoBox與Freesurfer所測雙側(cè)殼核、尾狀核，右側(cè)蒼白球及雙側(cè)海馬體積差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，與既往研究[9]結(jié)果基本一致；MorphoBox和Freesurfer所測量部分核團(tuán)左、右側(cè)體積差異有統(tǒng)計學(xué)意義，主要原因在于TLE患者存在雙側(cè)大腦半球廣泛結(jié)構(gòu)損傷，而患側(cè)損傷更為嚴(yán)重[10]，導(dǎo)致雙側(cè)灰質(zhì)核團(tuán)體積出現(xiàn)差異。本研究MorphoBox與Freesurfer所測LTLE組和RTLE組患側(cè)海馬體積均小于健側(cè)，F(xiàn)reesurfer所測RTLE組患側(cè)丘腦體積小于健側(cè)，與文獻(xiàn)[11]報道TLE海馬硬化患者出現(xiàn)海馬萎縮及同側(cè)丘腦萎縮一致，提示其為 TLE顳葉外異常表現(xiàn)之一[12]。

除HC組雙側(cè)海馬外，MorphoBox與Freesurfer所測其余基底核團(tuán)體積結(jié)果均相關(guān)，且HC組除雙側(cè)海馬外的r值均較高；分析原因，可能在于致癇灶或長期異常放電刺激致腦組織受損而使灰質(zhì)-白質(zhì)模糊[13]，造成腦分割數(shù)值差異。MorphoBox與Freesurfer所測基底核團(tuán)體積結(jié)果均具有一致性，但跨度較大(ICC=0.392～0.818)，主要與分割蒼白球、殼核和海馬等難度較高和2種方法基于不同圖譜有關(guān)[14]。

綜上，MorphoBox可快速有效地自動分割腦內(nèi)皮層下各灰質(zhì)核團(tuán)，值得臨床推廣應(yīng)用。但本研究樣本量小，且僅針對5對基底核團(tuán)進(jìn)行分析，有待后續(xù)進(jìn)一步完善。