基于纖維束示蹤的空間統(tǒng)計分析對腦小血管病合并阻塞性睡眠呼吸暫?；颊吣X微結構改變的研究

曾慧鈃，李金標，王猛，歐陽馥冰，禹雷，易銘，郭佳鈺，倪瑞晨，崔立謙，范玉華（*第一作者）

腦小血管?。╟erebral small vessel disease，CSVD）是各種病因影響腦內小動脈及其遠端分支、毛細血管和小靜脈等所導致的一系列臨床、影像、病理綜合征，MRI常表現(xiàn)為近期皮質下小梗死（recent small subcortical infarct，RSSI）、推測為血管源性的腔隙、推測為血管源性的腦白質高信號（white matter hyperintensity，WMH）、血管周圍間隙（perivascular space，PVS）、腦微出血（cerebral microbleed，CMB）和腦萎縮[1]。除常見的卒中癥狀外，CSVD還表現(xiàn)為慢性認知功能下降、步態(tài)障礙及情感障礙等[2]。

阻塞性睡眠呼吸暫停（obstructive sleep apnea，OSA）是一種以睡眠打鼾伴呼吸暫停和日間思睡為主要臨床表現(xiàn)的睡眠呼吸疾病[3]。據(jù)統(tǒng)計，在普通人群中，9%的中年女性和27%的中年男性患有OSA，隨著年齡增長和體重增加，OSA的患病率也在增加[4-5]。OSA可通過多種機制介導高血壓、冠心病、CSVD、認知功能障礙等多器官多系統(tǒng)損害的發(fā)生[6-7]。呼吸暫停低通氣指數(shù)（apnea hypopnea index，AHI）定義為睡眠中每小時呼吸暫停和低通氣呼吸的頻率，通常使用AHI判定OSA的嚴重程度，分為無OSA（AHI＜5次/小時）、輕度OSA（5次/小時≤AHI＜15次/小時）、中度OSA（15次/小時≤AHI＜30次/小時）及重度OSA（AHI≥30次/小時）。

CSVD常見的危險因素包括增齡、高血壓、糖尿病和吸煙等[8]，OSA也可能增加CSVD的風險，潛在機制包括持續(xù)高血壓、炎癥反應激活、腦血流動力學改變、腦血管內皮功能障礙、血管動脈硬化等[9]。一項關于OSA與CSVD影像標志物關系的薈萃分析顯示，OSA與WMH、腔隙呈正相關，而與CMB或PVS關系不明確[9-10]；OSA越嚴重，發(fā)生WMH的可能性越高，中重度OSA與腔隙有關[11]。有OSA患者的微觀結構研究發(fā)現(xiàn)，在額葉皮質、胼胝體、島葉、扣帶回、基底節(jié)、內囊、腹側丘腦、皮質脊髓束等存在不同程度的白質破壞[12-15]，這些區(qū)域與自主神經(jīng)調節(jié)、記憶力、注意力、執(zhí)行功能及情緒調節(jié)相關。此外，OSA患者發(fā)生輕度認知障礙或癡呆的概率更高[16-17]。如果不及時對OSA進行診斷和治療，患有OSA的CSVD患者認知功能受損的風險可能增加。

目前對以CSVD相關臨床表現(xiàn)就診而診斷OSA的患者進行腦微結構研究的探索較少。本研究目的是通過彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）探討CSVD合并OSA患者大腦微結構的變化以及OSA對認知障礙的影響。

1 對象與方法

1.1 研究對象 連續(xù)納入2018年9月—2020年6月中山大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內科病房收治的CSVD患者。入組標準：（1）年齡≥50歲。（2）參照《中國腦小血管病診治專家共識2021》，患者存在CSVD急性或亞急性臨床癥狀[18]。（3）存在以下影像學特征中的至少兩項：①血管源性腔隙≥1個；②腦室旁或深部WMH（Fazekas≥2級）；③CMB≥1處；④單側基底節(jié)區(qū)PVS≥10個。（4）提供患者的書面知情同意。排除標準：（1）顱內外動脈狹窄＞50%；（2）影像學及臨床資料高度提示心源性栓塞可能；（3）T2FLAIR提示梗死灶直徑＞1.5 cm或DWI提示病灶直徑＞2 cm；（4）多發(fā)性硬化、腦白質營養(yǎng)不良等疾病導致的WMH；（5）存在腦出血、帕金森病、癲癇、腦炎、嚴重腦外傷等疾病；（6）不能配合完成頭顱MRI及多導睡眠監(jiān)測（polysomnography，PSG）。

1.2 資料收集 收集患者的人口學信息，包括年齡、性別、BMI等，既往臨床資料，包括既往疾病史（高血壓、糖尿病、高脂血癥）、吸煙史等。入院后完成危險因素篩查，包括記錄血壓、空腹血糖、糖化血紅蛋白、LDL-C、膽固醇、TG、Hcy、D-二聚體等相關信息。采用MMSE、MoCA和阿爾茨海默病評估量表-認知亞量表（Alzheimer’s disease assessment scale，ADAS-cog）評估患者認知功能，采用匹茲堡睡眠質量指數(shù)（Pittsburgh sleep quality index，PSQI）衡量患者過去一個月的睡眠質量，采用Epworth嗜睡量表（Epworth sleeping scale，ESS）測量患者日間嗜睡程度。

所有受試者均在安靜的房間使用PSG軟件（Nicolet EEG Modular Neurodiagnostic Software）監(jiān)測睡眠，檢查前禁止服用鎮(zhèn)靜藥物輔助睡眠，記錄時間至少8 h，參數(shù)包括睡眠潛伏期、臥床總時間、睡眠總時間、睡眠效率、N1睡眠、N2睡眠、N3睡眠、快速眼動（rapid eye movement，REM）睡眠、睡眠周期性肢體運動（periodic limb movements during sleep，PLMS）指數(shù)、覺醒指數(shù)（arousal index，ArI）、AHI。根據(jù)AHI將患者分為OSA組（AHI≥5次/小時）和不伴OSA組（AHI＜5次/小時）。該研究已獲得中山大學附屬第一醫(yī)院機構審查委員會的倫理批準（批準號：2018109）。

1.3 神經(jīng)影像采集與分析

1.3.1 影像數(shù)據(jù)采集 所有患者均在中山大學附屬第一醫(yī)院使用西門子3.0T MRI進行掃描，采集序列包括T1WI、T2WI、T2FLAIR、SWI和DTI。所有被試掃描參數(shù)保持一致（表1）。

表1 MRI掃描成像序列及參數(shù)設置

1.3.2 影像數(shù)據(jù)處理

1.3.2.1 腦小血管病負荷 圖像處理過程使用基于多圖譜的大腦自動分割工具AccuBrain（brain Now Medical Technology Ltd）[19]，自動量化WMH體積、深部結構（即基底節(jié)區(qū)、丘腦、內囊、胼胝體等）CMB數(shù)量及腔隙數(shù)目。然后由神經(jīng)影像科專家進行視覺評分，包括使用Fazekas量表評估WMH的負荷，使用PVS視覺評分量表評估基底神經(jīng)節(jié)PVS的負荷。最后使用CSVD負荷評分表進行程度評估，總分為0～4分：腔隙≥1個計1分，CMB≥1處計1分，BP-PVS≥10個計1分，深部或腦室旁白質Fazekas評分≥2級計1分[20]。

1.3.2.2 DTI成像的預處理 在Linux系統(tǒng)下使用FSL軟件（FMRIB軟件庫，https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki）進行數(shù)據(jù)預處理[21-22]。具體步驟如下：①目視檢查排除存在嚴重偽影的圖像；②對圖像進行頭動與渦流形變校正，在渦流校正的基礎上，對梯度方向進行調整；③采用FSL中的BET工具剝除腦外組織并制造掩模；④使用FSL的擴散工具箱獲得DTI參數(shù)。

1.3.2.3 基于纖維束示蹤的空間統(tǒng)計分析 利用預處理獲得的各向異性分數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）值，通過FSL軟件完成基于纖維束示蹤的空間統(tǒng)計分析（tractbased spatial statistics，TBSS）[21，23]。①對DTI進行目視檢查，以排除具有明顯失真或缺陷的FA圖像。②采用非線性配準方法將FA圖像配準到FMRIB58_FA模板上圖像。③生成閾值為0.2的平均FA骨架，僅保留主要區(qū)域。④將每個受試者的FA投影到骨骼以構建白質骨架。⑤采用雙樣本非配對t檢驗的非參數(shù)置換檢驗（5000次）來評估以性別和年齡為協(xié)變量的組間差異。統(tǒng)計利用無閾值簇群增強（threshold-free cluster enhancement，TFCE）校正和家族錯誤率（family-wise error，F(xiàn)WE）校正進行多重比較校正，P＜0.05提示差異具有統(tǒng)計學意義。⑥從JHU ICBM-DTI-81白質圖譜標記感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）及提取FA值。⑦將上述獲得的變形關系矩陣應用于平均彌散率（mean diffusivity，MD）圖像，并進行標準空間化，后進行組間比較，步驟同F(xiàn)A圖像。

1.4 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 25.0軟件進行人口學信息及臨床資料的統(tǒng)計分析。對于計量資料，正態(tài)分布數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計描述，組間比較采用獨立樣本t檢驗；非正態(tài)分布數(shù)據(jù)使用M（P25～P75）進行統(tǒng)計描述，組間比較采用非參數(shù)檢驗。對于計數(shù)資料，使用百分比進行統(tǒng)計描述，運用Fisher確切概率法進行組間比較。對有統(tǒng)計學意義的影響因素，將其作為自變量納入多因素logistic回歸分析中。上述統(tǒng)計的檢驗水準為α=0.05，均采用雙側檢驗。

TBSS分析使用Linux系統(tǒng)、FSL軟件與SPSS 25.0軟件完成。在纖維示蹤統(tǒng)計分析中，提取具備顯著組間差異腦區(qū)的FA值與MD值，將FA及MD值與影像學特征及量表評分進行相關性分析。上述統(tǒng)計的檢驗水準為α=0.05，均采用單側檢驗。

2 結果

2.1 臨床資料 對39例患者進行了頭顱MRI掃描和PSG記錄，其中7例患者因缺乏MRI數(shù)據(jù)或參數(shù)不一致或圖像質量差而被排除。因此，最終納入32例患者，其中21例CSVD患者同時被診斷為OSA，11例CSVD患者未被診斷為OSA。伴OSA患者的平均年齡為（64.14±11.57）歲，男性18例（85.7%），而不伴OSA患者的平均年齡為（67.64±8.95）歲，男性6例（54.5%）。在單因素分析中，與不伴OSA組相比，OSA組肌酐水平更高（P=0.016）、TG水平更低（P=0.046）和ArI更高（P=0.006）；然而在年齡、性別、BMI、既往史、其余危險因素、認知及睡眠評分、CSVD影像標志物、其余PSG各項參數(shù)等方面兩組差異無統(tǒng)計學意義（表2）。

表2 伴或不伴OSA的CSVD患者臨床特點、影像學特點及PSG參數(shù)的比較

2.2 腦小血管病患者發(fā)生阻塞性睡眠呼吸暫停的多因素分析 應用多因素logistic回歸分析進一步評估血肌酐、TG、ArI對CSVD患者是否患OSA的影響，結果顯示，血肌酐、TG、ArI均無統(tǒng)計學意義（表3）。

表3 CSVD患者患OSA的多因素logistic回歸分析

2.3 基于纖維束示蹤的空間統(tǒng)計分析 基于體素的TBSS比較顯示，以性別和年齡作為協(xié)變量，OSA組與不伴OSA組的MD差異有統(tǒng)計學意義（TFCE-FEW校正，P＜0.05），而FA值的組間差異不具備統(tǒng)計學意義。OSA組在雙側丘腦前放射、雙側皮質脊髓束、雙側扣帶回、雙側海馬、大鉗（胼胝體枕部纖維）、小鉗（胼胝體額部纖維）、雙側額枕下束、雙側上/下縱束、雙側鉤束等部位的MD顯著升高（表4、圖1）。提取組間差異具備統(tǒng)計學意義區(qū)域的MD值與MMSE評分、MoCA評分、ADAS-Cog評分、PSQI評分、ESS評分、AHI、PSG參數(shù)進行相關性分析，結果顯示MD僅與MoCA評分呈負相關（r=-0.374，P＜0.05）（表5）。在MD值與CSVD影像標志物的相關性分析中，MD僅與WMH相對體積（r=0.646，P＜0.05）和Fazekas 2～3級（r=0.458，P＜0.05）呈正相關，與血管源性腔隙、CMB、PVS及CSVD總負荷之間無相關性（表6）。

圖1 伴或不伴OSA的CSVD患者經(jīng)TBSS分析差異腦白質纖維區(qū)

表4 OSA組MD差異腦區(qū)定位

表5 MD與AHI、認知功能及睡眠質量的相關性分析

表6 MD與CSVD影像標志物相關性分析

3 討論

本研究旨在探索CSVD合并OSA患者大腦微結構的變化。研究發(fā)現(xiàn)在CSVD合并OSA患者大腦特定區(qū)域的MD值增加，包括丘腦前輻射、皮質脊髓束、扣帶回、海馬、胼胝體枕部和額部纖維、額枕下束、上/下縱束和鉤束，表明這些區(qū)域的白質纖維被破壞。此外，研究還發(fā)現(xiàn)上述區(qū)域的MD與MoCA評分、WMH之間存在顯著相關性，提示該區(qū)域纖維束損害可能與認知功能的損害及白質高信號的發(fā)生相關。

在DTI中，F(xiàn)A描述水分子的各向異性，代表水分子在特定方向上的擴散，MD描述水分子的各向同性，代表水分子的整體擴散能力。FA值下降和MD值增加均提示纖維束破壞[24]。研究發(fā)現(xiàn)，MD也可用于區(qū)分缺氧后的急性和慢性階段，較低的MD值提示細胞內含水量增加的急性過程，而較高的MD值表明水分子受限制較少，增加徑向擴散率，提示慢性過程和病理性白質變化，比如細胞外水腫、細胞丟失[25]。本研究中OSA組大腦區(qū)域顯示MD值增加，可能表明該區(qū)域的損傷與慢性缺氧相關，并非急性損傷。雖然間歇性低氧血癥被認為是OSA導致腦損傷的重要病理機制[26]，但本研究的數(shù)據(jù)沒有顯示PSG相關指標與MD之間的可能關聯(lián)性，可能與未對OSA嚴重程度進一步劃分或樣本量不足有關。此外，在本研究中，F(xiàn)A組間差異無統(tǒng)計學意義，這似乎與既往大多數(shù)研究不一致。但是，由于FA是根據(jù)垂直方向和平行方向的擴散系數(shù)得出的，F(xiàn)A差異不顯著也是可能存在的，而且，對于白質損害，白質擴散特性（如MD）可能更具特異性和敏感性[12-13]。

OSA引起的間歇性低氧血癥可能使大腦出現(xiàn)氧化應激和缺血再灌注損傷[27]，導致結構變化，這些變化常出現(xiàn)在與認知功能、自主神經(jīng)功能、情緒功能相關或控制呼吸及血壓的相關區(qū)域[12]，導致患者生活質量下降。使用基于體素的形態(tài)測量（voxel-based morphometry，VBM）或皮質厚度分析方法的神經(jīng)影像學研究報道了OSA患者在額葉區(qū)、前扣帶皮質和杏仁核-海馬區(qū)等與缺氧相關的灰質結構變化[28-29]，而白質纖維損傷常出現(xiàn)在胼胝體、扣帶束、穹隆、內囊、小腦和皮質脊髓束[12]。本研究結果與上述變化區(qū)域一致。

皮質脊髓束完整性受損將影響上呼吸道呼吸肌的協(xié)調和控制，導致上呼吸肌的膈肌運動不協(xié)調，從而出現(xiàn)OSA[14]。扣帶回參與自主神經(jīng)調節(jié)，出現(xiàn)呼吸障礙和血壓變化時可激活扣帶區(qū)。海馬與呼吸暫停后的吸氣發(fā)作有關[30]，海馬損傷可能會損害呼吸暫停后的呼吸恢復，繼而加重腦損傷。以上區(qū)域的損傷都與呼吸障礙緊密聯(lián)系。

本研究發(fā)現(xiàn)，具有差異腦區(qū)的MD與MoCA評分明顯相關，提示這些區(qū)域白質損害可能與認知功能下降相關。既往已有研究表明OSA的白質纖維病變與認知功能惡化有關，主要涉及雙側丘腦前輻射和右鉤束[31]。另一項研究納入中至重度OSA受試者，發(fā)現(xiàn)其胼胝體前部的MD值較高，這與注意力的持續(xù)和前瞻性記憶受損相關[32]。OSA患者認知功能受損還可能累及扣帶回、海馬、額部纖維結構[33]。再者，上縱束連接額葉、頂葉、枕葉及顳葉，與語言功能相關；下縱束連接顳葉和枕葉，與視覺辨認有關；鉤束連接額葉的前部和顳葉的前部，對行為調控十分重要；這些部位的損傷均與認知功能有一定聯(lián)系[34]。既往有關CSVD和OSA的研究中很少提及額枕下束，但本研究發(fā)現(xiàn)額枕下束的MD值升高，且額枕下束異常常表現(xiàn)為各種形式的注意力（如警覺性、定向力和執(zhí)行能力）缺陷[35]。

本研究還發(fā)現(xiàn)差異區(qū)域的MD與WMH顯著相關，提示OSA患者大腦微結構損害可能與WMH相關。既往觀點認為WMH主要與衰老和高血壓有關[36]，隨著對WMH研究的深入，發(fā)現(xiàn)慢性缺氧缺血也可造成WMH和微結構破壞。Patel等[37]報道OSA引起的夜間低氧血癥與WMH相關；另一項CSVD研究則發(fā)現(xiàn)在WMH部位氧提取分數(shù)（代表氧供不足的指標）增加而腦血流量減少，而且隨著血流量減少及氧提取分數(shù)的增加，WMH密度也增加[38]，暗示缺氧參與CSVD的腦白質病變。

在CSVD患者中，WMH與認知障礙的風險增加有關[39]，但OSA相關WMH變化與認知功能關系的研究較少。一項研究表明CSVD伴OSA患者PVS可能導致認知障礙，與WMH無關[40]。在本研究中，WMH和認知功能之間沒有顯著相關性，有關OSA引起WMH變化是否會引起CSVD患者的認知障礙仍不得而知。

綜上所述，CSVD合并OSA患者存在更為廣泛的腦白質纖維損害，且大腦微結構損害和WMH及認知障礙密切相關。但是本研究存在一定的局限性：首先，本研究作為一項單中心研究，樣本量較少，后續(xù)相關研究應增加樣本量；其次，本研究作為一項橫斷面研究，僅初步推斷CSVD合并OSA患者大腦微觀結構受損與WMH及認知功能的變化存在相關性，無法表明因果關系，后續(xù)研究應考慮納入隊列研究等方法以明確兩者時空上的先后順序與相關關系；再次，本研究未建立由健康人群組成的對照組，因病例數(shù)據(jù)所限，本研究無法獲得患者診斷CSVD之前是否存在OSA的證據(jù)；最后，本研究未就OSA嚴重程度進行區(qū)分，未來將在本研究基礎上開展大規(guī)模多中心前瞻性研究以進一步探討。

【點睛】本研究是一項小樣本前瞻性研究，使用基于纖維束示蹤的空間統(tǒng)計分析方法初步發(fā)現(xiàn)腦小血管病合并阻塞性睡眠呼吸暫停患者存在廣泛腦白質纖維損害，為下一步大樣本的研究提供了前期的參考數(shù)據(jù)和可行性研究方案。