老年抑郁症DTI和TDI研究

2017-11-06罗梦婷王建波江珍敏李跃华

中国医学计算机成像杂志 2017年4期

罗梦婷王建波王丹江珍敏李跃华

功能影像学

老年抑郁症DTI和TDI研究

罗梦婷王建波王丹江珍敏李跃华

目的：通过弥散张量成像和纤维束密度成像探讨老年抑郁症患者脑白质的完整性。方法：25例老年抑郁症患者为实验组，20名健康老年人为对照组，进行3．0T磁共振弥散张量成像（DTI）和纤维束密度成像（track-density imaging，TDI），并计算其双侧额叶、双侧颞叶、双侧扣带回及胼胝体膝部、压部白质的各向异性分数（FA）和纤维束密度值（track density，TD），分别比较两组数据差异。结果：与对照组相比，实验组左侧额叶、左侧颞叶、双侧扣带回前部及胼胝体膝部FA值显著降低（P＜0．05），双侧额叶、双侧颞叶、双侧扣带回前部及胼胝体膝部纤维束密度值显著降低（P＜0．05）。结论：老年抑郁症患者多发脑区白质完整性破坏，TDI为高分辨率成像技术，可以清晰显示解剖结构，纤维束密度值可能较各向异性分数更敏感的发现老年抑郁症患者的脑白质异常。

老年抑郁症；弥散张量成像；纤维束密度成像；各向异性分数

弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）通过对脑白质内水分子扩散方向信息进行量化，来显示脑白质纤维走行及定量分析脑白质的完整性，其测量的各向异性分数（fractional anisotropy，FA）值反映脑白质纤维的各向异性程度，其降低代表了脑白质完整性损害和神经纤维连接性降低，提示神经通路的损伤[2]，利用DTI对LLD患者脑白质的FA值进行测量，评价脑白质完整性，已成功应用于LLD的脑白质异常研究[3-4]。纤维束密度成像（track-density imaging，TDI）[5]是在 DTI基础上新的磁共振成像重建技术，它以扩散纤维追踪成像技术本身的高精度定向信息为基础，生成亚毫米级体素的图像，达到超高的解剖分辨率，可以灵敏地显示出脑白质的异常，已有学者将其应用于胶质母细胞瘤及帕金森病的研究[6-7]。TDI的量化纤维束密度值（track density，TD）可以反映病变引起的感兴趣区体素内纤维束数目的变化，从而反映出病变引起的脑白质改变，但是目前尚没有公认的正常量值范围。本研究通过DTI和TDI两种技术检测晚发型老年抑郁症患者脑白质FA值和纤维束密度值的改变，探讨LLD患者的脑白质完整性，并比较这两种技术结果之间的差异。

方法

1．一般资料

收集门诊LLD患者作为实验组，入组标准：①均符合《中国精神障碍分类与诊断标准（第3版）》抑郁症的诊断标准；②首次发病年龄≥60岁的晚发型老年抑郁症，未接受过抗抑郁药物治疗；③17项汉密尔顿抑郁量表评分（HAMD-17）≥17分；④检查前2周内均未使用过精神类药物。排除标准：合并其他器官伴发疾病、神经系统功能疾病或其他可能影响脑结构与功能的疾病，如脑梗死或其他器质性疾病。

健康老人作为对照组，入组标准：①年龄≥60岁的健康老年人，既往无精神疾病史；②17项汉密尔顿抑郁量表评分（HAMD-17）≤7分；③未使用过抗抑郁药物，检查前2周内均未使用过精神类药物。排除标准：同实验组。

两组研究对象均为右利手，本研究方案获得上海交通大学附属第六人民医院伦理委员会的批准，所有研究对象本人或家属均自愿签署了知情同意书。

2．磁共振检查

应用Siemens3．0T磁共振成像仪(Verio)进行数据采集，8通道相控阵头线圈为发射和接收线圈，行常规横断位T1W、T2W、FLAIR序列扫描。DTI检查采用单次激发自旋回波的平面回波序列（single shot spin echo-echo plannar imaging，SE-EPI）横轴位扫描，具体参数为：重复时间=8700ms，回波时间=70．8ms，层厚3mm，视野=24cm×24cm，矩阵=128×128，激励次数=2，b值为 0、1000s/mm2，30个扩散编码方向。对于扫描过程中头动＞2mm，转动＞2°的数据予以剔除。获得的DTI原始数据传输入后处理工作站，进行图像变形校正，生成各向异性分数（fractional anisotropy，FA）图。

3．TDI后处理：

超高分辨纤维束密度图由基于高角度扩散成像的纤维束追踪图生成，可以达到0．1mm的等体素空间分辨率，其密度大小与穿过对应体素的纤维束成正比。在进行纤维束重建前，先进行预处理，包括涡流校正、去骨和头皮组织，纤维束追踪采用去卷积（constrained spheric deconvolution，CSD）算法，使用最大谐波次数6（lmax=6）来获取纤维取向分布函数，二阶集成纤维取向分布算法用来获取概率纤维束成像，纤维束长度小于0．5mm的被舍弃，当纤维束点延伸至脑外时纤维束成像终止。最后基于高角度纤维束追踪图，利用TDI重建，生成0．25mm等体素空间分辨率的纤维束密度图，本次实验后处理及重建均在 MRtrix 软件包 (http：//www．mrtrix．org/)上完成。

4．感兴趣区（region of interest，ROI）

由经过培训的高级职称放射科医师手动在b0图像上选择ROI，所有研究对象的ROI均定位于正常表现的脑白质内，避开灰质、脑脊液及异常的T1W、T2W及FLAIR信号。ROI分别放置于双侧额叶、双侧颞叶、双侧扣带回前部、胼胝体膝部及压部，层面的选取为：①双侧额叶：在可以清晰显示前联合-后联合（AC-PC）的层面，分别放置于双侧额叶白质区的中心位置；②双侧颞叶：在双侧颞叶白质显示最大范围的层面，分别放置于双侧侧脑室下角后外侧的白质区；③双侧扣带回前部：在双侧侧脑室前角均显示的最低层面，分别放置于双侧前扣带回白质内；④胼胝体膝部、压部：在出现完整的膝部、压部层面，分别放置于胼胝体膝部、压部的中央。ROI设置为小椭圆形，大小约为9～16个体素（31．64～56．25mm2）[8]。选取感兴趣区后，通过后处理软件自动生成相应区域的FA值和纤维束密度值。

5．统计分析

采用SPSS19．0软件进行统计学分析，P＜0．05具有统计学意义。所得连续性变量的数据均符合正态分布，采用均数±标准差（ x ± s ）的形式表示，对实验组及对照组不同感兴趣区的FA值及TD值进行相应区域的独立样本t检验，对两组一般情况的性别构成进行卡方检验，其余行独立样本t检验。

结果

1．一般资料

实验组患者25人（男12例，女13例），对照组20人（男9例，女11例），两组研究对象其年龄、性别构成及文化程度相匹配，均无显著差异（P＞0．05），血压、血糖及胆固醇也无显著差异（P＞0．05），详见表 1。

表1 实验组及对照组一般情况

表2 实验组及对照组不同ROI的FA值比较（ x ± s ）

2．实验组与对照组不同ROI的FA值分析

结果显示，实验组左侧额叶、左侧颞叶、双侧扣带回前部、胼胝体膝部FA值较对照组显著降低（P＜0．05），实验组右侧额叶、右侧颞叶及胼胝体压部FA值与对照组无明显统计学差异，详见表2。

3．实验组与对照组不同ROI 的纤维束密度值分析

结果显示，实验组双侧额叶、双侧颞叶、双侧扣带回前部及胼胝体膝部纤维束密度值较对照组显著降低（P＜0．05），实验组胼胝体压部纤维束密度值与对照组无明显统计学差异，详见表3。

表3 实验组及对照组不同ROI的TD值比较（ x ± s ）

图1 女，62岁，对照组。A～D．为其FA图，红色椭圆形ROI分别位于其双侧额叶白质（A）、颞叶白质（B）、前扣带回白质(C)及胼胝体膝部、压部(D)；E～H．为其TDI图，红色椭圆形ROI分别位于其双侧额叶白质（E）、颞叶白质（F）、前扣带回白质(G)及胼胝体膝部、压部(H)。

所得1例对照组的FA图及TDI图见图1，1例实验组的FA图及TDI图见图2，FA图与TDI图对比可以看出FA图的分辨率不及TDI图，并且图像伪影较多；实验组的TDI图与对照组比较可较直观看到胼胝体膝部及双侧额颞部白质纤维束较为稀疏。

图2 女性，69岁，老年抑郁症患者。A～D． FA图，红色椭圆形ROI分别位于其双侧额叶白质（A）、颞叶白质（B）、前扣带回白质(C)及胼胝体膝部、压部(D)；E~H． TDI图，红色椭圆形ROI分别位于其双侧额叶白质（E）、颞叶白质（F）、前扣带回白质(G)及胼胝体膝部、压部(H)。

讨论

本研究采用了一种磁共振成像后处理新技术TDI来观察LLD患者的脑白质表现，并对其量化获得纤维束密度图，结果显示LLD患者双侧额叶、双侧颞叶、双侧扣带回前部及胼胝体膝部纤维束密度值均较正常对照组显著降低，提示了多发脑区白质完整性损伤的可能。

与DTI相比，TDI的主要优点为高空间分辨率和精确的解剖对比[5，9，10]，这是目前传统磁共振成像技术无法做到的，为高质量的脑白质成像提供了一种新手段。TDI可以根据图像网格大小和采集的轨迹数目来调整图像的空间分辨率和信噪比，从而获得高质量图像。虽然TDI图和FA图都是以传统DWI为基础产生的，但FA图因为“稀释”效应（DWI数据的部分容积效应所致）而不能被图像插值技术修正，因此分辨率较TDI图低[5]。大脑是一个连续性结构，磁共振成像只能提供离散数据，TDI通过生成大量的纤维束轨道，可以生成近似连续性数据，从而提高分辨率[5]。提高磁共振的解剖分辨率，对发现和显示病变具有重要意义，Hoch等[11]将TDI和回波调制曲线T2映射（echo modulation curve T2 mapping）技术相结合，使脑干内的许多纤维束及核团等得到了直观显示，并且扫描时间约20分钟，提示了TDI联合其他新技术在临床研究中具有很高的实用性和可操作性。

TDI的量化纤维束密度值是由对应体素内穿过的纤维束轨道总数目决定的，并与之成正比，其异常可代表该体素内白质损伤或连接该体素纤维束轨道数目的异常[5]。本研究发现LLD患者多发脑区纤维束密度值较正常对照组显著降低，提示了这些区域脑白质完整性损伤的可能。Barajas等[6]对18例未经治疗的胶质母细胞瘤进行TDI与组织病理对照研究发现，强化的肿瘤中心区域，脑白质大量破坏，纤维束密度值降低，但肿瘤周围侵袭特征的非强化区域，纤维束密度值升高，可能是由于肿瘤细胞沿完整白质向周边浸润，导致其各向异性程度升高，增加了纤维束示踪成像运算的数值。Ziegler等[7]研究发现非痴呆型帕金森病患者多发脑区纤维束密度值异常，且较正常对照组显著升高，这一差异可能与校准和使用去卷积（constrained spheric deconvolution，CSD）算法的应用相关。

本研究也同时对LLD患者进行DTI检测，发现LLD患者左侧额叶、左侧颞叶、双侧扣带回前部及胼胝体膝部FA值显著降低，前人如寻广磊等[12]研究发现首次发病未用药老年抑郁症患者双侧前扣带、右侧膝下扣带白质的FA值降低，Colloby等[13]研究提示，老年抑郁症患者额叶、颞叶白质FA值降低，本研究DTI的发现与前人基本相符，进一步印证了LLD患者脑内多发白质损伤。本研究的TDI结果发现LLD患者右侧额叶、右侧颞叶纤维束密度值较对照组显著降低，但FA值与对照组比较未见明显差异，因此推测纤维束密度值可能较FA值更敏感地发现白质异常改变。

本次研究存在局限性，所选样本量有限，需要扩大样本量，ROI法对研究大的纤维束有优势，但定位容易受主观影响，不同研究对象感兴趣区的划分容易产生误差。TDI抑郁症的相关研究也比较少，需要基础实验及动物实验的进一步研究验证。此外，最近有研究表明TDI的量化（纤维束密度值）作为一个完全定量参数具有局限性，包括对假阳性和假阴性的检测比较敏感[14]和定量重现性相对较低[15]，因此需要进一步重复验证。

综上所述，本研究采用DTI和TDI两种技术检测LLD患者脑白质的异常，发现LLD患者有多发脑区的白质损害，表现为多发脑区FA值、纤维束密度值降低。TDI为高分辨率成像，可以清晰显示脑白质的解剖结构，纤维束密度值可能较各向异性分数值更敏感的发现老年抑郁症患者的脑白质损伤，在以后研究的中，可以联合TDI与基于体素方法、功能磁共振等新技术进行进一步研究。

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The DTI and TDI Study of Late-life Depression

LUO Meng-ting, WANG Jian-bo, WANG Dan, JIANG Zhen-min, LI Yue-hua

Purpose:To explore the white matter integrity of the patients with late-life depression by using diffusion tensor imaging and track-density imaging.Methods:Twenty- five patients with late-life depression as the experimental group and twenty healthy elders as the control group were enrolled. All the participants were scanned by a 3.0 Tesla scanner to acquire diffusion tensor imaging and track-density imaging. The fractional anisotropy (FA) and track density(TD) were measured in the white matter of the bilateral frontal lobe, temporal lobe, anterior cingulate, the genu and splenium of the corpus callosum. The data were compared between the two groups respectively.Results:Compared with the control group, the experimental group showed significantly decreased FA in the white matter of left frontal lobe,left temporal lobe, bilateral anterior cingulate, and the genu of corpus callosum(P＜0.05), and also showed significantly decreased track density in bilateral frontal lobe, bilateral temporal lobe, bilateral anterior cingulate white matter, and the genu of corpus callosum(P＜0.05).Conclusion:Late-life depression patients might have disruptions of white matter integrity in multiple brain areas. Track-density imaging is a super-resolution imaging technique, which can be used to clearly display the anatomical structure. Track density may be more sensitive than FA to fi nd the abnormality in the white matter of patients with late-life depression.

Late-life depression;Diffusion tensor imaging; Track-density imaging; Fractional anisotropy

1 National Natural Science Foundation of China No. 81471656

R445.2

1006-5741（2017）-04-0308-06

老年抑郁症（late-life depression， LLD）是特指发生于60岁以上老年期的抑郁症，包括早发型老年抑郁症（早期抑郁发作持续至60岁以后或60岁以后复发）及晚发型老年抑郁症（首次抑郁发作于60岁以上），其临床表现主要为精神运动性迟滞、情感低落、焦虑等情绪障碍，通常伴有认知功能损害和高自杀率[1]，严重危害老年人身心健康。

中国医学计算机成像杂志，2017，23：308-313

上海交通大学附属第六人民医院放射科

通信地址：上海市宜山路600号，上海 200233

李跃华(电子邮箱：liyuehua312@163.com)

1国家自然科学基金No.81471656

2上海市自然基金NO.14ZR1432100

3上海市人才发展基金NO.201555

Chin Comput Med Imag，2017，23：308-313

Department of Radiology, The Sixth People’s Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University

Address: 600 Yishan Rd., Shanghai 200233, P.R.C.

Address Correspondence to LI Yue-hua (E-mail: liyuehua312@163.com)

2 Shanghai Municipal Natural Science Foundation NO.14ZR1432100