运动功能障碍卒中患者的脑区时间变异性改变

2017-04-12许强卢光明胡建平杜鹃张志强杨昉

生命科学仪器 2017年1期

许强，卢光明＊，胡建平，杜鹃，张志强，杨昉

（1.南京军区南京总医院医学影像科，江苏南京 210002；2.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016；3.南京军区南京总医院神经内科，江苏南京 210002）

许强1，2，卢光明＊1，2，胡建平1，杜鹃3，张志强1，杨昉3

研究目的：评估急性期脑梗死患者运动功能障碍患者的脑区时间变异性改变及其临床预后相关性；材料与方法：收集20位急性脑梗死患者梗死后1周及2周内的两次静息态功能磁共振数据以及患者三个月后的运动功能评估量表，运用复旦冯建峰团队的时间变异性程序计算脑区的时间变异性，并采用配对T检验比较患者状态的改变，采用Pearson相关评价时间变异性改变在临床运动评估的能力。结果：对比第一次扫描，脑梗死患者发生改变的脑区主要在运动脑区，额叶脑区及皮层下脑区，患侧中央前回的变异性改变程度与临床量表的改变程度正相关。结论：功能磁共振及时间变异性指标是有效的评价卒中患者运动功能改变及恢复的工具，皮下脑区的改变可能与代偿机制有关。

急性卒中；静息态功能磁共振成像；时间变异性

1 研究背景

运动功能障碍是脑卒中后最常见的并发症。大部分脑卒中运动功能障碍患者在卒中发生6个月内运动功能有不同程度的恢复[1,2]。但卒中后运动功能康复的潜在神经机制尚不完全清楚，基于神经成像的技术已表明其是一个复杂的结构和功能脑运动网络的重组过程[1,2]。

静息态功能磁共振（Resting-state functional Magnetic Resonance Image, RS-fMRI）是无创的实时探测脑活动的神经影像测量方法[3]，在神经精神疾病的研究中应用广泛[4-7]。目前也有RS-fMRI研究应用于卒中的研究，但目前主要集中于慢性期卒中的改变和恢复[8,9]。目前尚无急性期的静息态功能磁共振研究。

脑区时间变异性是基于功能连接时间变异性的新指标。它主要考察局部脑区功能连接改变的时间变异性，不仅能考察全脑的功能网络的时间变异性也可考察局部脑区与其相关功能脑区之间的连接关系[10]。该方法作为考察脑区应变性和适应性的新方法已被用于一些诸如精神分裂症、孤独症等精神疾病的研究[10]。目前，脑梗死后运动功能障碍脑区间变异性改变的研究未见报道。

2 方法与材料

1.1 被试收集

表1 卒中患者人口学及临床信息Table 1 Demograpic and clinical data of stroke patients

被试来自于2015年9月起南京军区南京总医院神经内科收集的20例急性脑卒中患者（18男/2女;平均年龄：52.1 ±2.51岁），其中12例患者左侧运动功能受损，其余8例右侧受损（表1）。被试均采集了两次简式运动功能评定(Fugl-Meyer Motor Assessment, FMA)，三个月后再次随访评定一次。每个被试均采集了两次静息态功能磁共振，入院一次，一周后复查一次。

1.2 扫描参数

磁共振数据采集在3.0T磁共振扫描仪（Discover MR750，GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA）上进行。静息态功能磁共振成像参数如下：TR=2000ms, TE=30ms, 翻转角=80°, 扫描野=240mm×240mm, 成像矩阵=64×64, 层厚 = 3.0mm,无层间距, 层数=43，扫描时间点=205，扫描时长6分50秒。高清成像结构像参数：TR=8.2ms, TE=3.2ms, 翻转角=12°, 扫描野=220mm×20mm, 成像矩阵=256×256, 层厚= 1mm。

1.3 数据处理

1.3.1 数据预处理

为统一患侧及扩充数据统计力度，将8例右侧运动功能损伤患者的数据左右翻转后均算成左侧运动功能受损组纳入分析[11]。为减少卒中损伤结构对配准的误差影响，仿照前人文献[11]，构建代价函数图像用于配准分析。两位有资质的医生在高清结构像上勾勒病灶脑区，并构建平均T1模板和总体代价函数图像，用于原始T1图像分割，并记录T1图像的分割配准信息用于功能图像的标准化配准。

静息态功能磁共振的数据预处理主要采用DPARSFA（http://rfmri.org/DPARSF_V2_3）和spm8(http://www.fil.ion.ucl. ac.uk/spm/)进行，主要做了层间时间校正，空间对齐，并将功能图像中心对齐到T1图像上，然后运用前面获取的T1图像配准分割信息将功能图像配准到MNI（Montreal Neurological Institute, MNI）空间，并采样成3 x 3 x 3mm3，然后滤波（0.01-0.08Hz），回归头动，全脑，白质，脑脊液平均信号。

1.3.2 时间变异性度量计算

时间变异性的度量计算依照复旦大学冯建峰教授团队的文章[12]。首先，将功能图像按照AAL（Anatomical Automatic Labeling, AAL）模板提取116个脑区的平均信号。将平均信号用窗宽为10的不重叠滑动窗分离，计算窗内脑区间相关系数，并计算不同窗之间相关系数的方差作为两个脑区间随时间变化的相似变异性的度量，第k个脑区的时间变异性计算公式如下：

其中n为窗的数目，i，j表示是不同的时间窗，表示的是第i个窗的相关矩阵。

为了得到减少窗宽选择带来的误差，窗长度遍历了10-20时间点，并将所有时间点得到的平均，作为最终的时间变异性度量。

每个脑区都可以得到一个时间变异性度量，最终我们得到了两个116×20的矩阵，用于后续的统计分析。

1.4 统计及相关分析

两次扫描的时间变异性度量指标的差异的比较采用的是配对T检验分析，p＜0.05为有显著差异的区域。相关分析采用的是Pearson相关分析，两次时间变异性度量的差异与临床三个月后的FMMS量表的差异进行了相关性分析，以p＜0.05为显著相关。

3 结果

3.1 时间变异性改变

与发病一周时比较，急性脑梗死后2周患者脑区时间变异性明显增高的脑区有双侧中央前回、患侧辅助运动区、健侧辅助运动区、双侧颞中回、患侧额上回、双侧额下回岛盖、双侧枕上、中回、双侧梭形回、患侧舌回、以及健侧海马和患侧海马旁回等脑区（见图1及表2）。

图1：配对T检验显示两个时间点内脑区时间变异性差异（1周vs基线）。Figure 1: Difference area of Temporal Variability between one week and baseline（paired T test）

3.2 相关性分析结果

与临床运动功能相关性分析显示患侧中央前回的时间变异性改变程度与3个月临床运动功能的改善程度呈正相关（见图2）。

表2：时间变异性差异脑区：一周vs基线Table 2: Difference areas of temporal variability between one week and baseline

图2:患侧M1区短期脑区时间变异性改变与3个月后上肢运动功能增加值呈正相关。Figure 2 Positive correlation between increased FMA value and increased temporal variability of ipsilateral precentral area

4 讨论

脑区时间变异性是相似度指标，正常如躯体感觉皮层等单模态脑区功能连接较为单一，通常表现为低时间变异性；而多模态皮层脑区如海马、海马旁回等脑区则表现为较高的时间变异性[12]。我们观察到脑梗死后康复过程中，由于脑区功能重组，原本表现为低时间变异性的躯体运动脑区，如患侧的SMA区域，双侧中央前回，对侧中央后回等等，脑区连接的时间变异性明显增高，这些脑区在以往的研究中被认为是在康复中起着重要作用[13-15]。这些结果表明脑区时间变异性指标可反映脑梗死患者脑区重塑改变，可作为评估脑梗死患者预后的指标。非运动系统脑区的连接异常也和前人的工作相互印证[8,9]，评价人脑异常的改变不仅应该考虑直接影响脑区的改变，还应考虑到全局脑区的连带影响。患侧中央前回时间变异性的改变与临床功能评价改善呈现正相关关系，提示了患侧中央前回的兴奋性水平可能是标志功能恢复的一个重要影像学指标。

5 结论

一周的干预和治疗有助于脑卒中运动功能障碍患者的脑功能偏向于兴奋性改变，运动脑区的改变与量表改变的正相关关系提示了运动脑区的一周前后的兴奋性改变有预测评估患者预后前景的潜力。非运动脑区的改变可能与脑区重组代偿有关。

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Changes of Regional Temporal Variability for Acute Stroke Patients with Hemiparesis

Qiang Xu1,2, Guangming Lu*1,2, Jianping Hu1, Juan Du3, Zhiqiang Zhang1, Fang Yang3
(1.Department of Radiology, Jinling Hospital, Nanjing Jiangsu 210002, China; 2.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China; 3.Department of Neurology, Jinling Hospital, Nanjing Jiangsu 210002, China )

Objective: To investigate changes of regional temporal variability for acute stroke patients with hemiparesis. Material and Method：A total of 20 patients underwent MRI examinations at two consecutive time points after the fi rst ever ischemic stroke (one week and two week after stroke. At each time point，a rest state fMRI (RS-fMRI) scans was performed. The hand motor function of each patient was assessed using Fugl-Meyer Motor Assessment (FMA) at admit and three months later. The time variability program, produced by Prof. Feng Jianfeng of Fudan University, was used to calculate the index of RS-fMRI. Paired T test was used to assess Changes of regional temporal variability for acute stroke patients with hemiparesis between two time points. Correlations between the increment value of variability and motor impairment score was analysed by Pearson correlation tests. Results: Paired T test showed that these regions, mainly located at sensory-motor areas, frontal lobe area and subcortical area. Correlation analyses between variability change and FMA change revealed that the increment value of variability in ipsi-lesional precentral gyrus was positively correlated to the increment value of motor score in the three month after stroke. Conclusion: RS-fMRI and the time-variability index could be used to evaluate the brain changes of stroke patients and might be used to be the marker of recovery of motor ability. The changes of subcortical area might be related to the mechanism of compensatory.

Acute Stroke; Rest state fMRI; Temporal Variability

O436

10. 11967/ 2017150104

O436

A DOI：10. 11967/ 2017150104

⋆通讯作者：卢光明(1957-), 男, 湖南, 汉, 主任医师/教授，研究方向为分子、功能影像基础与应用，江苏省南京市中山东路305号,210002，cjr.luguangming@vip.163.com