高定义角度纤维追踪技术重建人脑颞顶枕区短纤维束连接

吴玉鹏，王义宝，王 勇

(1.辽宁省人民医院神经外二科，辽宁 沈阳 110016；2.中国医科大学附属第一医院神经外科，辽宁 沈阳 110001)

人脑颞顶枕区是指位于大脑外侧裂后部，与颞叶、顶叶及枕叶相毗邻的综合皮质区域，在其皮质下走行的神经纤维束是目前人脑内连接结构最复杂、执行功能最多样的联络区域之一[1]。既往研究[2]多集中于颞顶枕区的长纤维束连接，如下纵束(inferior longitudinal fascicle， ILF)、中纵束(middle longitudinal fascicle， MdLF)及额枕下束(inferior fronto-occipital fasciculus, IFOF)等的皮质定位、空间走行等。目前鲜见精确描绘颞顶枕区短纤维束连接的皮层连接定位、分析各纤维束的三维空间情况和对比左右各纤维束解剖学差异的报道。本研究应用高定义角度纤维追踪技术(high definition fiber tracking, HDFT)分别对人脑颞顶枕区的3条短纤维束连接，即枕纵束(vertical occipital fasciculus, VOF)、上纵束的垂直部(superior longitudinal fasciculus-V, SLF-V)及颞顶束(temporo-parietal, TP)进行纤维束重建，并分析这些纤维束的皮质连接、走行轨迹和侧别差异。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2015年1月—10月中国医科大学附属第一医院10名健康志愿者，男3例，女7例，年龄23～67岁，中位年龄38.5岁。纳入标准：①无MR扫描禁忌证；②常规MR检查无异常；③无精神系统、神经系统疾病史，无神经系统症状；④查体无明确神经系统阳性体征；⑤右利手。本研究通过中国医科大学伦理委员会批准(2015-103-3号)，受检者均签署知情同意书。

另选取大样本的大脑神经纤维束成像的弥散谱成像(diffusion spectrum imaging, DSI)综合数据模板(NTU-90；美国匹兹堡大学神经外科实验室)，下载网址：http://dsi-studio.labsolver.org/download-images[3]。其中NTU-90包括90名健康志愿者大脑纤维束的综合数据，可以观察分析大样本人群纤维束成像中纤维束的走行情况，男45名，女45名，年龄 18～60岁，中位年龄33.0岁，均为右利手。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Tim Trio 3.0T MR扫描仪，32通道头线圈。DSI参数：弥散方向敏感梯度设定数量257；MR扫描采用双次重复聚焦回波磁共振波序列和多重Q值设定,TR 9.916 ms,单个像素体积(voxel size, VS)2.4 mm×2.4 mm×2.4 mm,TE 15 ms,FOV 231 mm×231 mm。三维短时回波序列T1WI：TR 2.11 ms,VS 0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm,TE 2.63 mm,FOV 256 mm×256 mm。总扫描时间52 min。

1.3 HDFT数据分析 采用DSI-Studio分析软件，应用程序广义Q空间显像技术(generalized q-sampling Imaging, GQI)进行全脑纤维束、ROI纤维束和非感兴趣区(region of avoidance, ROA)纤维束追踪重建。追踪纤维束数据成功后，以Trackvis格式存储数据文件。将FreeSurfer软件系统和自动解剖图标系统分别导入各自的Trackvis数据文件，明确各纤维束的解剖分割和脑皮层定位。将各纤维束数据文件分别导入Trackvis软件系统，分别计算纤维束的体积，软件下载网址为：http://www.trackvis.org/download/。

重建SLF-V时，将颞中回和颞下回分别设为追踪起始ROI；在矢状位T1WI上，手动设定角回和缘上回区域为另一ROI；在冠状位T1WI上，手动设定中央前回区域为ROA。重建VOF时，追踪起始ROI包括梭状回、下枕叶和颞下回，在起始ROI的偏上方区域手动设定另一个ROI，在紧邻起始皮质区的前方手动设定ROA。重建TP时，将上顶叶、颞中回、颞下回和梭状回分别设定为起始ROI。另外，为分析颞顶枕区的短纤维束连接与周围主要纤维束的三维空间关系，分别重建ILF、MdLF、弓状束(arcuate fascicle, AF)、IFOF、钩状束(uncinate fasciculus, UF)和视辐射(optic radiation, OR)。

1.4 统计学分析 采用SPSS 16.0统计分析软件。以±s表示10名志愿者左、右侧SLF-V、VOF、TP纤维束体积，并对其进行正态性S-W检验；不同性别间左右侧纤维束体积符合正态性分布，采用独立样本t检验比较左、右侧纤维束体积的差异。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

对10名志愿者和NTU-90大样本分析中的VOF、SLF-V和TP均重建成功。

SLF-V起源于颞中回和颞下回后部，起始点邻近于AF起始部；随后，SLF-V纤维束垂直向上走行，在颞顶区纤维束翻转向外，终止连接于角回和缘上回(图1A)。SLF-V走行方向与VOF平行，均为轴位T1WI上的垂直纤维束，SLF-V位于矢状位T1WI的VOF前部；在颞区起始部，SLF-V紧贴AF外侧走行。

VOF起源于下枕叶和梭状回，少量纤维来源于颞下回的后部和枕极的前部；VOF上缘终止点位于角回和上枕叶外侧部(图1B)。VOF纤维连接位于枕叶外侧部垂直走行，其纤维束主干位于AF和SLF-V的后部、枕极的前部；在矢状位T1WI上，VOF位于ILF和IFOF的外侧部，同时在VOF和ILF的尾端皮层连接区存在一定量的纤维交叉。

TP主要起源于颞中回、颞下回、梭状回和下颞-下枕结合部，垂直向上走行；在颞区，其纤维束与AF一直保持“齐头向上”模式；在外侧裂区，AF弧形弯曲朝向额叶，而TP继续斜行向上，连接于上顶叶(图1C)。在上顶叶区域，TP与MdLF关系紧密，相对而言，MdLF更靠近中线。10名志愿者的纤维束成像与NTU-90的结果相类似(图2)。

在不同侧别SLF-V、VOF和TP的纤维束体积之间差异均无统计学意义(P均>0.05，表1)。

表1 10名志愿者不同侧别SLF-V、VOF和TP的纤维束体积(±s)

表1 10名志愿者不同侧别SLF-V、VOF和TP的纤维束体积(±s)

侧别SLF-V男(n=3)女(n=7)VOF男(n=3)女(n=7)TP男(n=3)女(n=7)左侧15.53±5.6215.74±2.7510.77±3.108.89±1.4934.10±10.2818.11±13.33右侧11.43±3.459.47±3.819.57±3.938.40±2.0233.37±5.1617.47±7.83t值1.083.530.420.510.110.11P值0.450.130.620.680.230.20

图1 NTU-90纤维束重建结果 A.SLF-V起源于颞中回和颞下回后部，垂直向上走行，在颞顶区纤维束翻转向外，终止连接于角回和缘上回皮质 (黄色代表缘上回皮质；紫色代表角回皮质；红色代表颞中回皮质；绿色代表颞下回皮质；纤维束为SLF-V); B.VOF起源于下枕叶，上缘终止点位于上枕叶外侧部(绿色代表枕上回皮质；红色代表枕下回皮质); C.TP垂直向上走行，在颞区与AF保持“齐头向上”模式，在外侧裂区，AF弧形弯曲朝向额叶，而TP继续斜行向上，连接于顶上小叶(黄色代表顶上小叶皮质；红色代表TP纤维束；绿色代表AF) 图2 志愿者男，32岁,左侧大脑半球纤维束重建结果 A.SLF-V; B.VOF; C.TP

3 讨论

本研究采用HDFT技术对人脑颞顶枕区的3条短纤维束连接(SLF-V、VOF和TP)分别进行纤维束重建，并逐一分析其皮质连接、走行轨迹与周围其他纤维束的三维空间关系。相比DTI，采用HDFT获得的图像质量更清晰，显示纤维束解剖连接轨迹更详尽。本研究在10名健康志愿者和90名志愿者的综合模板上重建了3条短纤维束连接，既可分析各纤维束在个体间的差异，又可观察纤维束在人群中的普遍连接方式。

既往研究[4]表明，脑颞顶枕区对于人类的高级认知能力起核心作用，参与或承担人类的语言、工作记忆和情感表达等功能，而该区域脑皮质下的白质纤维束有传导或协调这些关键功能的作用。目前鲜见关于人脑颞顶枕区短纤维束连接的研究，原因可能与DTI的图像质量有限有关。有学者[5]对该区域相关肿瘤的手术入路进行了分析，却未涉及颞顶枕区相关白质纤维束的解剖结构，因为DTI无法追踪单个纤维束的皮层连接，也不能处理多个纤维束在一个像素内的交叉问题[6]。HDFT首先应用DSI技术对大脑进行扫描，再以GQI技术进行数据重建，研究[7]表明HDFT技术可明显提高纤维束成像质量，并已应用于临床实践。本研究结果表明，HDFT技术可有效追踪白质纤维束、分辨单个体素内的多个交叉纤维束的归属，并清晰显示纤维束连接的起点及终止点等信息。

既往研究[8]多采用猴脑追踪成像结果指导人脑白质纤维束的解剖结构分析。但是，语言等功能是人类独有的高级进化模式，故还需进一步证实SLF-V的存在。2005年，Catani等[9]应用DTI技术显示SLF-V连接于下顶叶，并连接到韦尼克区。本研究结果显示，SLF-V连接颞中回和颞下回的后部与角回和缘上回。脑功能研究[10]显示，角回是人类语言功能的高级中枢，而缘上回是与人类情感相关的高级中枢。鉴于此，笔者建议将SLF-V分为两部，即SLF-V角回部和SLF-V缘上回部，不仅可为神经功能研究提供解剖学基础，也对优化神经外科手术方案有一定参考作用。

2014年，Kamali等[11]应用DTI技术显示TP，认为TP连接颞上回、颞中回和颞下回的后部与上顶叶，并将TP归为SLF复合纤维束的一部分。但本研究结果显示，TP起源于颞中回、颞下回、梭状回和下颞-下枕结合部，连接于上顶叶。造成上述差异的可能原因有：①本研究总扫描时间为52 min，扫描方向为257，而Kamali等[11]的扫描时间为7 min，扫描方向为21；②DTI技术的部分容积效应不能支持多束纤维束交叉部分的显像，而DSI技术可显示交叉纤维束的空间关系，本研究结果显示TP与周围多束纤维束的空间关系，如AF、IFOF和MdLF。笔者由此推测TP可能与人视觉和听觉信息的整合与传递有关。

VOF是唯一连接枕叶内部的短小纤维束[12]。2013年，Yeatman等[13]应用DTI技术对15名健康志愿者脑重建了VOF，并提出其作用是传递视觉信息。本研究进一步证实人脑中存在VOF。同时，本研究在重建纤维束过程中发现VOF与胼胝体辐射的后端广泛交叉，而传统DTI技术难以对此加以显示。

综上所述，本研究采用HDFT技术成功重建了人脑颞顶枕区的3条短纤维束连接(SLF-V、VOF和TP)，且成像更清晰，纤维成像更加完整，定位纤维束的皮质连接点也更精确；同时发现这3条纤维束在左右两侧的体积差异无统计学意义。上述结果将为深入研究神经功能提供解剖学基础，对未来优化神经外科手术方案有一定参考价值。