基于自動(dòng)腦分割技術(shù)定量分析學(xué)齡期健康人群腦體積

趙錦洪,鄒飛,楊智利,陳優(yōu),程冰雪,葉印泉,龔良庚,左敏靜,肖新蘭,連珞

人類(lèi)腦部結(jié)構(gòu)被劃分為多個(gè)功能區(qū)域,而每個(gè)區(qū)域?qū)θ说挠洃洝⒄Z(yǔ)言和運(yùn)動(dòng)等功能發(fā)揮著不同的作用。對(duì)腦部疾病進(jìn)行分析時(shí),常常需要對(duì)某個(gè)感興趣區(qū)域的體積等特征變化進(jìn)行研究。MRI因其分辨率高和圖像清晰而獲得醫(yī)學(xué)研究者的廣泛認(rèn)可,尤其是在腦部自動(dòng)分割技術(shù)及腦部結(jié)構(gòu)體積測(cè)量方面,可得到更高的精確度。自動(dòng)腦分割技術(shù)利用人工智能影像后處理軟件,基于大數(shù)據(jù)處理,對(duì)MRI掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可進(jìn)行腦部區(qū)域的分割并自動(dòng)生成腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的體積測(cè)量數(shù)據(jù),從而能反映腦部結(jié)構(gòu)的微妙變化。

目前多數(shù)自動(dòng)腦分割技術(shù)的相關(guān)研究中使用的體積標(biāo)準(zhǔn)化值是基于國(guó)外健康人群腦結(jié)構(gòu)的測(cè)量數(shù)據(jù)而制定的,國(guó)內(nèi)僅少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道了中國(guó)健康中老年人群腦結(jié)構(gòu)體積的測(cè)量結(jié)果,尚缺乏對(duì)學(xué)齡期人群腦結(jié)構(gòu)體積進(jìn)行測(cè)量的研究。本研究采用自動(dòng)腦分割技術(shù)分析中國(guó)學(xué)齡期青少年腦內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的腦體積值及其與年齡的相關(guān)性,試圖建立國(guó)內(nèi)學(xué)齡期人群腦結(jié)構(gòu)體積的參考值,旨在為今后對(duì)學(xué)齡期人群進(jìn)行腦疾病的診斷、腦功能機(jī)制及腦發(fā)育等方面的研究奠定一定的基礎(chǔ)。

材料與方法

1.臨床資料

2022年1月-7月將144例中國(guó)學(xué)齡期健康志愿者納入研究。其中,男、女各72例,年齡6～18歲。按年齡(6～9、10～12、13～15和16～18歲)將所有受試者分為4組(A～D組),分別有39、35、35和35例。納入標(biāo)準(zhǔn):①無(wú)精神障礙病史及相關(guān)家族史;②腦部無(wú)外傷史和器質(zhì)性病變;③近期未服用精神類(lèi)藥物史;④身高、體重等發(fā)育狀況指標(biāo)均正常;⑤顱腦常規(guī)MRI未見(jiàn)異常;⑥無(wú)幽閉恐懼癥;⑦檢查時(shí)配合良好;⑧為右利手。

本研究獲得南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(研臨字[2022]034)。所有受試者及其監(jiān)護(hù)人知情同意。

2.MRI檢查方法

使用GE Discovery 750w 3.0T MR掃描儀和8通道頭部線圈,掃描序列及參數(shù)如下。橫軸面T1WI:TR 2250 ms,TE 24 ms;橫軸面T2WI:TR 3400 ms,TE 110 ms;橫軸面、冠狀面及矢狀面FLAIR序列:TR 8516 ms,TE 166 ms,視野240 mm×240 mm,層厚3 mm,層間距0 mm,激勵(lì)次數(shù)1。

3.圖像后處理

將所有患者的T1WI數(shù)據(jù)(圖1a)統(tǒng)一至同一坐標(biāo)系中,然后逐一與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行線性配準(zhǔn),進(jìn)行腦部不同結(jié)構(gòu)區(qū)域的分割、提取并進(jìn)行標(biāo)記,獲得腦分割圖像(圖1b)和腦結(jié)構(gòu)體積報(bào)告。所提取的腦結(jié)構(gòu)包括全腦、腦灰質(zhì)、腦白質(zhì)、大腦白質(zhì)、皮層下灰質(zhì)、內(nèi)側(cè)顳葉、外側(cè)顳葉、枕葉、島葉、小腦灰質(zhì)、小腦白質(zhì)、額葉、頂葉、扣帶回、腦室、腦脊液和腦干;提供的腦結(jié)構(gòu)體積值包括體積絕對(duì)值和標(biāo)準(zhǔn)化體積值,標(biāo)準(zhǔn)化體積為腦結(jié)構(gòu)體積與全腦總體積的百分比。

圖1 男性受試者,10歲。a)原始(配準(zhǔn)前)橫軸面T1WI圖像;b)經(jīng)后處理軟件獲得的腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)分割圖像。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

1.健康學(xué)齡期人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化體積

顱腦總?cè)莘e為(1461.05±136.33) mL,腦干、第三腦室、第四腦室、外周腦脊液和全部腦脊液的標(biāo)準(zhǔn)化體積分別為1.32%±0.13%、0.07%±0.01%、19.17%±2.85%和19.83%±3.59%;腦內(nèi)其它結(jié)構(gòu)左、右側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化體積值見(jiàn)表1。

2.不同性別之間腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)體積的比較

年齡和性別對(duì)腦內(nèi)所有結(jié)構(gòu)體積測(cè)量值的交互影響作用無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。男性組和女性組各腦結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化體積的比較結(jié)果詳見(jiàn)表2。不同性別組之間:顱腦總?cè)莘e的絕對(duì)值及左側(cè)腦白質(zhì)、全腦腦白質(zhì)、左側(cè)大腦白質(zhì)、右側(cè)大腦白質(zhì)、大腦白質(zhì)及皮層下灰質(zhì)、內(nèi)側(cè)顳葉、外側(cè)顳葉、枕葉、額葉、頂葉和扣帶回的部分腦區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化體積的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);其它腦結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化體積的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表2 不同性別學(xué)齡期人群體積有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)的腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的體積

3.腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)左、右側(cè)標(biāo)準(zhǔn)化體積的比較

楔葉、島葉、小腦白質(zhì)、側(cè)腦室及皮層下灰質(zhì)、內(nèi)側(cè)顳葉、外側(cè)顳葉、額葉、頂葉和扣帶回的部分腦區(qū)的左、右側(cè)標(biāo)準(zhǔn)化體積的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),其它腦結(jié)構(gòu)(或其相應(yīng)腦區(qū))的標(biāo)準(zhǔn)化體積在左、右側(cè)之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),詳見(jiàn)表3。

表3 學(xué)齡期人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)左右側(cè)標(biāo)準(zhǔn)化體積的比較

4.不同年齡組腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化體積的差異

對(duì)4個(gè)年齡組腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化體積進(jìn)行比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)的方差分析及組間多重比較結(jié)果詳見(jiàn)表4。在A組與D組之間有較多腦區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化體積值的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,且差值較大;而其余各組之間僅部分腦區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化體積值有顯著差異。

表4 標(biāo)準(zhǔn)化體積在4個(gè)年齡組之間有顯著差異的腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

Spearman相關(guān)性分析結(jié)果顯示,腦脊液標(biāo)準(zhǔn)化體積與年齡呈負(fù)相關(guān)(r=-0.49,P<0.05),右殼核、左海馬旁回、雙梭狀回、雙顳上回、右顳下回、左額上回、雙額中回前部、雙額極、左頂上小葉、雙頂下小葉和左楔前葉的標(biāo)準(zhǔn)化體積與年齡均呈正相關(guān)(r=0.42、0.42、0.59、0.58、0.44、0.44、0.47、0.51、0.47、0.48、0.48,P均<0.05)。

討 論

人腦形態(tài)學(xué)一直是科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),人腦的發(fā)育遵循“結(jié)構(gòu)-功能”的變化模式,雖然在出生時(shí)人腦的這種變化模式已基本完成,但成年之前,尤其是學(xué)齡期,人腦還將進(jìn)行復(fù)雜的生物發(fā)育,而性別、年齡、遺傳、文化和環(huán)境等因素與學(xué)齡期人腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育息息相關(guān)[1-3]。本研究中使用人工智能影像處理軟件(上海聯(lián)影智能醫(yī)療科技有限公司開(kāi)發(fā))的自動(dòng)腦分割技術(shù),觀察健康學(xué)齡期人群腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的體積改變,并對(duì)腦結(jié)構(gòu)的絕對(duì)體積值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以去除個(gè)體差異的影響,分析其與性別、年齡、左右大腦半球等因素的關(guān)系,獲得健康學(xué)齡期人腦各結(jié)構(gòu)體積的參考值,將該正常參考值作為基礎(chǔ)資料,可廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療和教學(xué)。

本研究中采用的人工智能影像處理軟件的自動(dòng)腦分割技術(shù)是基于圖譜分割算法,其原理是利用大尺度微分同胚度量影射(large deformations diffeomorphic metric mapping,LDDMM)方法,將需要分割的影像圖像映射到已分割好的模板上。而用于配準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)腦模板采用腦成像聯(lián)盟(International Consortium for Brain Mapping,ICBM)提出的ICBM152模板,此模板由英國(guó)牛津大學(xué)研發(fā)的腦功能磁共振成像軟件庫(kù)提供[4],其基本計(jì)算方法是通過(guò)數(shù)學(xué)逆變換算子將分割結(jié)果變換到原圖空間,進(jìn)而獲得原始輸入影像圖大幅度像的分割結(jié)果。通常情況下正常腦組織的結(jié)構(gòu)主要為灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液,它們?cè)赥1WI圖像上較其它序列(T2WI、FLAIR等)更易被區(qū)分,因此本研究基于T1WI序列對(duì)正常腦組織進(jìn)行分割,而為了分析病變對(duì)腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行腦結(jié)構(gòu)的分割和體積測(cè)量時(shí),則需要基于多模態(tài)MRI數(shù)據(jù)(T1WI、T2WI、FLAIR圖像)對(duì)腦白質(zhì)的不同灰度特性進(jìn)行分析和利用。

本研究結(jié)果顯示在中國(guó)正常學(xué)齡期人群中,男性的顱腦總體積、大腦白質(zhì)及內(nèi)側(cè)顳葉、外側(cè)顳葉、枕葉、額葉和扣帶回的部分腦區(qū)的體積大于女性,而女性的尾狀核、部分頂葉的體積大于男性,表明學(xué)齡期人群部分腦結(jié)構(gòu)的體積存在性別差異,其產(chǎn)生的機(jī)制可能是激素水平、基因差異、自然社會(huì)環(huán)境和生活習(xí)慣等多種因素綜合作用的結(jié)果[5-7]。其中,激素水平的高低及個(gè)體對(duì)激素的敏感性差異是較為肯定的影響因素,神經(jīng)類(lèi)固醇甾體在大腦中合成并在腦發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[8-9]。有研究證明神經(jīng)活性類(lèi)固醇在頂葉和枕葉聯(lián)合皮質(zhì)的多個(gè)區(qū)域,孕烯醇酮和異丙孕酮水平與腦灰質(zhì)厚度呈正相關(guān)。另外,腦結(jié)構(gòu)體積的性別差異還可能受基因調(diào)控[10-11],可能與性染色體效應(yīng)有關(guān),導(dǎo)致男性腦結(jié)構(gòu)在解剖學(xué)上表現(xiàn)出較大的變異性。

現(xiàn)階段研究認(rèn)為人腦結(jié)構(gòu)體積的不對(duì)稱(chēng)性在健康人群中普遍存在,可能與優(yōu)勢(shì)肢體或優(yōu)勢(shì)感有關(guān)[12-15]。大多數(shù)右利手者為左側(cè)優(yōu)勢(shì)大腦半球,其主要與語(yǔ)言、理解、邏輯、分析及運(yùn)動(dòng)等功能有關(guān),又稱(chēng)語(yǔ)言腦;而右側(cè)優(yōu)勢(shì)大腦半球主要與非語(yǔ)言的、視聽(tīng)覺(jué)及空間知覺(jué)等功能有關(guān),又稱(chēng)藝術(shù)腦。額頂葉是大腦的語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)中樞,尾狀核和蒼白球與運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的執(zhí)行有關(guān);顳枕葉與視聽(tīng)覺(jué)密切相關(guān),島葉和扣帶回等與記憶、情感等功能相關(guān)。本研究所有志愿者均為右利手,左側(cè)部分額頂葉、尾狀核、蒼白球和側(cè)腦室的體積大于右側(cè),可能與左側(cè)大腦半球優(yōu)勢(shì)有關(guān);右側(cè)顳枕葉、島葉和扣帶回的部分區(qū)域的體積大于左側(cè),可能與右側(cè)大腦半球優(yōu)勢(shì)有關(guān)。這說(shuō)明大腦半球不僅存在機(jī)能的不對(duì)稱(chēng)性,也存在結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性。了解顱腦體積的偏側(cè)化有助于認(rèn)識(shí)和鑒別相關(guān)疾病,如慢性精神分裂癥與皮層下體積偏側(cè)化改變有關(guān),尤其是與蒼白球的體積雙側(cè)不對(duì)稱(chēng)、左側(cè)體積增加的改變有顯著相關(guān)性,這可能是精神病易感性的基礎(chǔ)[16-17]。

兒童和青少年時(shí)期大腦皮質(zhì)按照從后部到前部的順序發(fā)育,大腦皮層體積的變化規(guī)律為兒童和青少年時(shí)期呈廣泛、顯著增大,然后在青春期前后大腦皮層的體積出現(xiàn)選擇性減少。本研究中不同年齡組之間右殼核、左海馬旁回、雙側(cè)梭狀回、雙側(cè)顳上回、右側(cè)顳下回、左側(cè)額上回、雙側(cè)額中回前部、雙側(cè)額極、左頂上小葉、雙側(cè)頂下小葉及左側(cè)楔前葉的體積存在差異,且這些腦區(qū)的體積與年齡呈正相關(guān),腦脊液的體積在不同年齡組之間亦存在差異,且其與年齡呈負(fù)相關(guān)。上述結(jié)果表明健康學(xué)齡期人群不同區(qū)域腦結(jié)構(gòu)體積的發(fā)育模式不盡相同,發(fā)展趨勢(shì)是腦結(jié)構(gòu)的體積隨年齡呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng),部分區(qū)域的體積在達(dá)到峰值后出現(xiàn)下降,與既往研究結(jié)果相符[18-20]。

近年來(lái),行為醫(yī)學(xué)與腦科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一是抑郁癥相關(guān)的影像學(xué)研究[21],自殺是抑郁癥最危險(xiǎn)的臨床癥狀,而兩者之間關(guān)系的神經(jīng)病理學(xué)基礎(chǔ)尚不明確,但有學(xué)者利用結(jié)構(gòu)MRI和功能MRI技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)與無(wú)自殺意念/行為的抑郁癥患者相比,有自殺意念/行為的抑郁癥患者存在明顯的腦結(jié)構(gòu)或功能的改變,這些改變主要集中于顳頂葉、眶額葉、扣帶回、海馬和紋狀體等腦區(qū)以及腦核心認(rèn)知網(wǎng)絡(luò),尤其是前額葉-邊緣系統(tǒng)。未來(lái)的研究需考慮遺傳學(xué)因素的影響,整合遺傳影像學(xué)技術(shù),探討抑郁癥伴或不伴自殺意念/行為的遺傳影像特征,同時(shí)運(yùn)用多模態(tài)神經(jīng)影像學(xué)技術(shù),來(lái)進(jìn)一步探討抑郁癥伴或不伴自殺意念/行為的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ),尋找可作為早期識(shí)別自殺意念/行為的生物-影像學(xué)標(biāo)志物,以提高臨床上對(duì)于自殺行為預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,減輕自殺所帶來(lái)的巨大危害[22-24]。

本研究存在的不足是樣本量較少,有待擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步深入研究。

綜上所述,腦自動(dòng)分割技術(shù)可直觀、快速、有效地分析腦內(nèi)各結(jié)構(gòu)的體積,進(jìn)一步了解健康學(xué)齡期人群腦結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律,對(duì)于檢測(cè)個(gè)體的發(fā)育狀態(tài)和篩選早期發(fā)育異常者具有重要意義。