Freesurfer与VBM测量海马体积的一致性

徐玉玉XU Yuyu

钱学华1QIAN Xuehua

邓 玲1DENG Ling

吕发金2LV Fajin

Freesurfer与VBM测量海马体积的一致性

徐玉玉1XU Yuyu

钱学华1QIAN Xuehua

邓 玲1DENG Ling

吕发金2LV Fajin

作者单位
1. 重庆医科大学解剖学教研室 重庆400016
2. 重庆医科大学附属第一医院放射科 重庆400042

目的 通过比较Freesurfer和基于体素的形态学测量软件（VBM8）分别与手动测量海马体积的相关性和一致性，探讨能够代替手动分割海马体积及脑部结构的自动测量方法。资料与方法 分别收集青年（20～40岁）受试者67例、老年（60～80岁）受试者75例，全脑MRI扫描后分别使用手动分割、导入Freesurfer和VBM8中获得海马体积，应用Pearson相关分析和组内相关系数（ICC）分别统计Freesurfer和VBM与手动测量的相关性，用Bland-Altman散点图分析一致性。结果 Freesurfer、VBM与手动测量的相关性较高，青年组Freesurfer和VBM左右两侧r值分别为0.633、0.679和0.666、0.703，老年组r值分别为0.627、0.765和0.663、0.708；而ICC有明显差异，Freesurfer测得青年组（ICC=0.377、0.502）＞老年组（ICC=0.307、0.459）；但总体上ICCVBM＞ICCFreesurfer，右侧海马体积＞左侧。由Bland-Altman散点图显示VBM与手动测量的一致性高于Freesurfer。结论 Freesurfer可局限性地用于青年受试海马体积测量；而VBM较Freesurfer可更准确地代替手动分割以测量成人海马体积，可应用于海马相关临床疾病或实验所需要的体积测量。

海马；磁共振成像；软件；图像处理，计算机辅助；成年人；老年人

海马在记忆、情感触发以及空间定位方面具有关键作用，加之其本身边界划分的复杂性，一直以来都是神经解剖研究的热点脑部结构。海马体积的改变与部分精神、神经系统疾病密切相关。如海马体积的变化已用于癫痫、阿尔茨海默病的诊断[1]；海马体积的测量也是研究关注的重点内容[2]。目前，脑部结构的测量方法主要分为手动和自动测量。自动测量主要包括Freesurfer、基于体素的形态学分析（VBM）、FSLFIRST等方法，可无创及较为精确地测量人脑部皮质厚度和脑组织体积，实现脑部结构的三维重建[3]；手动测量再现性不佳，但其优势在于能够准确划分解剖边界。目前，在神经解剖学的领域仍以专家手动测量作为海马体积测量的标准方法[4]；但手动测量耗时较长，且不同测量者易造成较大数值偏差，故寻找能够准确代替手动测量的自动测量方法具有重要意义。

Freesurfer和VBM是2种较为常用的脑部结构密度、体积自动测量软件，两者均可利用MRI图像进行灰白质分割；但由于脑部区域不匹配、灰白质搭界、脑脊液覆盖及系统算法不同等原因，使2种测量方法对不同脑部结构体积测量的准确性不同。本研究主要通过对海马体积的测量，比较手动测量与Freesurfer、VBM测量的一致性，为选择适用于测量海马体积的自动测量方法提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2015年5月—2016年8月重庆医科大学附属第一医院体检门诊受试者142例。青年组（20～40岁）67例，平均（28.30±6.52）岁；老年组（60～80岁）75例，平均（73.54±5.81）岁。纳入标准：所有受试者经常规体检未见明显异常，头颅常规MRI未见异常，均为右利手，母语均为汉语，无语言及听力障碍，无心血管及神经系统疾病手术史，无脑外伤、药物滥用情况，排除抑郁。所有受试者对本研究知情并签署知情同意书后进行试验。

1.2 仪器与方法 采用GE SignaHDxt 3.0T TX双梯度双射频源MRI仪，头部正交8通道相控阵线圈，无间隔连续扫描全脑。利用三维快速扰相梯度回波序列（three-dimensional fast spoiled gradient-recalled，3D-FSPGR）获取全脑高分辨率轴位三维结构T1WI图像。扫描参数：TR 8.0 ms，TE 3.1 ms，TI 400 ms，翻转角12°，矩阵240×240，激励次数1，Echo 1/1，视野24 cm×18 cm，层数158，层厚1 mm。扫描后所得数据传入ADW 4.2图像处理工作站备用。1.3 测量方法

1.3.1 边界确定和手动测量 扫描结果经 GE ADW 4.2处理后从矢状位、冠状位、水平位3个方位对海马和杏仁体进行观测。海马与杏仁核的边界作为海马前界；海马后界多使用冠状层面上侧脑室下角中下部开始出现卵圆形灰质团块的层面，从而避免传统应用海马后穹窿作为海马后界时可能会遗漏的穹窿后部海马尾部分的测量误差。海马上界常将海马槽和侧隐窝的连线作为标志[5]；下界和外侧边界界定争议较少，一般以海马以下白质与灰质的分界确定海马下界，海马外侧边界则以侧脑室作为标志[6]。杏仁体属端脑基底核，位于大脑颞叶背内侧部，海马旁回钩深面，侧脑室下角尖端前方和顶部上方。前邻前穿质，后连尾状核，背靠豆状核。正常成年人MRI下手动勾画海马边界见图1。

由2名经验丰富的临床医师借助上述边界在冠状位上勾画海马边界并计算面积，面积乘以扫描厚度（1 mm）为该层面体积，逐层相加之和为海马总体积。为消除个体头颅大小对上述数据的影响，数据均进行标准化处理。体积标准化值=（原始数据/颅腔体积）×颅腔体积平均值；颅腔体积为颅腔左右径、前后径、上下径的乘积。

以上测量值均测量3次后取平均值作为试验最终取值。部分层面解剖位置不易辨认时，可以结合其他2个方位图像获得信息。

图1 男，46岁，MRI下手动测量海马边界划分。A、B、C分别为冠状面、矢状面和横断面的海马边界划分。Hc：海马；AG：杏仁体；PG：海马旁回；CA：环池；Tha：丘脑；CC：胼胝体；LV：侧脑室；UR：侧隐窝；Fi：海马伞

1.3.2 Freesurfer测量 Freesurfer软件（http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/）是美国MIT Health Sciences & Technology和Massachusetts General Hospital共同开发了一款MRI数据处理软件，是用于分析脑神经数据的工具集合。它不仅能利用高分辨率的MRI进行大脑皮质的三维重建，还可以提取大脑表面的形状特征进行组间差异分析，手工提取感兴趣区（ROI）进行特征分析。正常成年人三维重建后脑部模型和使用Freesurfer自带查看器Freeview显示左侧脑半球灰白质划分见图2、3。

图2 男，35岁，三维重建后脑部模型

图3 女，40岁，Freesurfer查看器Freeview显示左侧脑半球灰白质划分

1.3.3 VBM测量 采用VBM8（http://dbm.neuro.unijena.de/vbm//），其可以进行定量分析全脑体素脑灰质密度或体积的变化，客观反映脑内结构的形态学差异[7]。将海马作为ROI，原始的MRI图像格式DICOM转换成NIFTI格式后，进行图像预处理：①配准、校正；②分割；③空间标准化；④平滑。

1.4 统计学方法 采用SPSS 21.0和Medcalc（Broekatrast 52 B-9030 Mariakerke，Belgium）软件。计量资料以x±s表示。分别使用Pearson分析和相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）分析海马体积使用手动测量与Freesurfer、VBM测量结果的相关性，P＜0.05表示差异有统计学意义。Bland-Altman图显示2种自动测量方法与手动测量结果的一致性。手动测量使用标准化数据做相关统计分析。

2 结果

2.1 Freesurfer和VBM与手动测量相关性分析 本研究142例受试者分别使用3种测量方法，测量各参数见表1；Freesurfer和VBM测量结果分别与手动测量使用Pearson分析可得出青、老年组海马左右侧体积均有较高的相关性，而2种自动测量方法与手动测量的ICC均有明显差异，VBM测量值与手动测量的相关性均 高 于 Freesurfer， 右 侧 ＞ 左 侧（P＜0.01）， 见 表 2。Freesurfer测量结果较手动分割和VBM数值更大，尤其在青年组（P＜0.05）；年龄差异在Freesurfer中较为显著，而左右侧差异则在手动分割和VBM中较为显著。

2.2 Freesurfer和VBM与手动测量一致性比较 由图4可知，老年组右侧海马体积Freesurfer和手动测量一致性较差，2种测量方法未达到互换标准。青年组一致性较好，2种方法可互换。图5中各组VBM与手动测量左右侧海马体积的一致性较好，可互换。Bland-Altman一致性分析结果显示与Freesurfer相比，VBM能更准确地代替手动方法测量海马体积。

表1 青、老年组3种测量方法海马体积比较（x±s，mm3）

表2 Freesurfer、VBM分别与手动测量结果相关性

图4 Freefurfer与手动测量海马体积一致性

图5 VBM与手动测量海马体积一致性

3 讨论

3.1 测量方法选择和数据处理 海马是极少数随着年龄的增长而仍能保留神经发生潜能的脑组织，其存在与人类记忆和学习认知能力息息相关[8]。海马体积的测量也成为多种神经及精神类疾病的临床诊断依据，如阿尔茨海默病、颞叶癫痫、精神分裂症、抑郁症等。由于海马位置深入、边界划分复杂，研究者在手动测量时往往费时费力，尤其是在完成大量数据的处理时更为困难；而脑部结构自动测量软件如Freesurfer、VBM等的应用可提高数据处理时间，更能够将整个大脑或ROI进行三维重建，将其可视化处理；但较自动测量具有较强的海马结构再现性[9]。手动测量的优点在于测量者在各个MRI图片上均能较准确地辨别海马解剖边界[10]。所以目前阶段，手工测量仍然是海马体积测量的首选和最准确的方法。本研究利用手动测量的这一优点，对Freesurfer和VBM海马体积测量结果进行比较。而海马体积测量中存在性别差异的原因可能与研究者所使用的样本人群颅脑体积大小有关。本研究已对数据进行标准化处理以减少颅脑体积差异带来的误差。

一致性和相关性的数据处理方法较多。Boccardi等[11]使用Pearson相关系数和ICC分析手动测量和Freesurfer海马体积测量的差异，结果显示r值均大于0.7，而ICC数值较低，其原因可能是ICC和r均可作为信度系数，两者原理相似，区别在于仅当每一被测对象的所有测得值相等（即截距为0，且斜率为1时，ICC才等于1）[12]。因此r值常高于其真实的信度，简单相关系数不适用于比较测量相同数据不同方法相关性的临床试验。研究结果显示r值普遍处于较高水平，无法对2种自动测量方法做出较明确的比较。Grimm等[13]采用Freesurfer和VBM测量海马与杏仁体，检验与手动测量的一致性，发现VBM与手动测量值一致性较高，但此统计方法存在计算流程繁琐、验证困难等缺点。Wenger等[14]使用Bland-Altman图的方法发现应用Freesurfer测量青年人海马体积与手动测量的一致性低于老年人，认为Freesurfer的使用具有一定的局限性。本研究使用相关系数、ICC和Bland-Altman图相结合的数据处理方式，将受试者分为青年组和老年组，将年龄因素和侧差同时参与比较，发现Freesurfer可用于青年海马体积测量，而VBM与手动测量一致性较高（rVBM＞rFreesurfer，ICCVBM＞ICCFreesurfer）。

3.2 Freesurfer和VBM测量差异 手动测量作为海马体积测量的标准方式，比手动测量结果相关性与一致性较高的自动测量方法更准确。本研究结果表明Freesurfer评估青年人海马体积差异具有可行性；而对于老年人则与手动分割结果一致性较低，不推荐使用。Freesurfer在左右侧差异不明显，无法体现优势半球。造成上述差异的原因可能是青年组灰白质分界较为明显，更加容易生成展平或胀平图像，并能得到皮质厚度、面积、灰质容积等解剖参数[15]；Freesurfer分割灰白质区域矫正时，海马底部相邻的白质、嗅皮层和侧脑室的夹杂物以及海马与杏仁核的分割不准确[16]。VBM与手动测量的一致性较高，能够更好地代替手动完成海马体积的测量工作，原因可能是VBM在进行灰、白质分割的基础上将脑脊液等也进行了明确的密度定义；同时VBM也存在一定的局限性[17]。在进行灰白质与脑脊液分割时，由于两者体素量差别较大，易产生伪影；同时进行高纬度空间标准化时，部分区域和模板不匹配会造成系统性脑区形态差异，故对于结构较小较为复杂的海马，VBM与手动测量尚存在一定的差异。

3.3 本研究的局限性与展望 VBM和Freesurfer与手动测量的一致性比较具有一定的临床使用意义，然而自动测量软件图像识别存在差异。目前，海马体积仅能通过全脑体积整体测量获得。而手动测量作为标准，海马的神经解剖边界仍是一个有争议的问题。同时，样本数量、各年龄阶段、性别、神经精神类经病等对测量结果的影响需要更深层次的讨论，有待于收集更多的样本数量、病种分类，进行更深层次的研究。

[1] Head D, Snyder AZ, Girton LE, et al. Frontal-hippocampal double dissociation between normal aging and Alzheimer's disease. Cereb Cortex, 2005, 15(6): 732-739.

[2] Colla M, Kronenberg G, Deuschle M, et al. Hippocampal volume reduction and HPA-system activity in major depression. J Psychiatr Res, 2007, 41(7): 553–560.

[3] Doring TM, Kubo TT, Cruz LC Jr, et al. Evaluation of hippocampal volume based on MR imaging in patients with bipolar affective disorder applying manual and automatic segmentation techniques. J Magn Reson Imaging, 2011, 33(3):565-572.

[4] Barnes J, Foster J, Boyes RG, et al. A comparison of methods for the automated calculation of volumes and atrophy rates in the hippocampus. Neuroimage, 2008, 40(4): 1655-1671.

[5] Daugherty AM, Yu Q, Flinn R, et al. A reliable and valid method for manual demarcation of hippocampal head, body,and tail. Int J Dev Neurosci, 2015, 41: 115-122.

[6] 刘智华, 钱学华, 周庭永, 等. 基于MRI的人脑海马结构的形态测量. 第三军医大学学报, 2012, 34(16): 1636-1641.

[7] 袁现坤, 李淑宇. 基于FreeSurfer面数据的网格点脑分区定位及其可视化. 北京生物医学工程, 2015, 34(2): 146-150.

[8] Tae WS, Kim SS, Lee KU, et al. Validation of hippocampal volumes measured using a manual method and two automated methods (FreeSurfer and IBASPM) in chronic major depressive disorder. Neuroradiology, 2008, 50(7): 569-581.

[9] Libby LA, Ekstrom AD, Ragland JD, et al. Differential connectivity of perirhinal and parahippocampal cortices within human hippocampal subregions revealed by high-resolution functional imaging. J Neurosci, 2012, 32(19): 6550-6560.

[10] Dewey J, Hana G, Russell T, et al. Reliability and validity of MRI-based automated volumetry software relative to autoassisted manual measurement of subcortical structures in HIV-infected patients from a multisite study. Neuroimage, 2010,51(4): 1334-1344.

[11] Boccardi M, Ganzola R, Bocchetta M, et al. Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus:preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol. J Alzheimers Dis, 2011, 26(Suppl 3): 61-75.

[12] 闻浩, 陆梦洁, 刘玉秀, 等. 定量测量Bland-Altman一致性评价方法研究及临床应用. 医学研究生学报, 2015, 28(10):1107-1111.

[13] Grimm O, Pohlack S, Cacciaglia R, et al. Amygdalar and hippocampal volume: a comparison between manual segmentation,Freesurfer and VBM. J Neurosci Methods, 2015, 253: 254-261.[14] Wenger E, Mårtensson J, Noack H, et al. Comparing manual and automatic segmentation of hippocampal volumes:reliability and validity issues in younger and older brains. Hum Brain Mapp, 2014, 35(8): 4236-4248.

[15] Nugent AC, Luckenbaugh DA, Wood SE, et al. Automated subcortical segmentation using FIRST: test-retest reliability,interscanner reliability, and comparison to manual segmentation.Hum Brain Mapp, 2013, 34(9): 2313-2329.

[16] Pipitone J, Park MT, Winterburn J, et al. Multi-atlas segmentation of the whole hippocampus and subfields using multiple automatically generated templates. Neuroimage, 2014,101: 494-512.

[17] 吕晓琪, 李娜, 张宝华, 等. 基于体素相似性的三维多模脑图像配准研究. 中国医学影像学杂志, 2013, 21(2): 146-151.

（本文编辑 闻 浩）

Coherence of Hippocampal Volume Measurement Using Freesurfer and Voxel Based Measurement Segmentation

Purpose To explore an automatic measurement method to replace the manual segmentation of hippocampal volume and brain structure by comparing the relevance and consistency between Freesurfer, as well as voxel based morphometry software (VBM8),and manual measurement of hippocampal volume, respectively. Materials and Methods Totally 67 young subjects (aged 20-40 years) and 75 elderly subjects (aged 60-80 years)were collected separately. After the whole brain MRI scan, the volume of the hippocampus was obtained by manual segmentation, importing to Freesurfer and VBM8 software respectively. Pearson correlation analysis and intraclass correlation coefficient (ICC) were used to statistically analyze the correlation of Freesurfer and VBM with manual measurement. Meanwhile, Bland-Altman scatter plot was used to reflect the consistency.Results Freesurfer and VBM were both highly related with manual measurement. The left and right r values of Freesurfer and VBM were 0.633, 0.679 and 0.666, 0.703, respectively in the young group, and 0.627, 0.765 and 0.663, 0.708, respectively in the elderly group;while ICC results showed an obvious difference. The value measured by Freesurfer in young group (ICC=0.377, 0.502) was larger than that in the elderly group (ICC=0.307,0.459). However, on the whole, ICC VBM was larger than ICC Freesurfer and right hippocampal volume was larger than left one. The Bland-Altman diagram showed that the consistency of VBM with manual measurement was better than that of Freesurfer.Conclusion Freesurfer can be applied locally on the measurement of hippocampal volume in young subjects. VBM is more accurate than Freesurfer in replacing manual segmentation for measurement of adult hippocampal volume and for volume measurements used in hippocampus related clinical diseases or needed in experiments.

Hippocampus; Magnetic resonance imaging; Software; Image processing,computer-assisted; Adult; Aged

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.09.002

钱学华

Department of Anatomy, Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China

Address Correspondence to: QIAN Xuehua E-mail: q-xh@163.com

R322.81；R445.2；G243

2017-04-22

修回日期： 2017-07-18

中国医学影像学杂志

2017年 第25卷 第9期：646-650

Chinese Journal of Medical Imaging 2017 Volume 25 (9): 646-650