应用基于体素的形态学测量在不同程度OSAHS 脑灰质密度变化的研究

拉周措毛 关 巍 秦棕园 王丽飞 冯喜英

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea，OSAHS）是一种常见的睡眠呼吸障碍性疾病，是多种全身疾患的独立危险因素［1］。OSAHS 患者夜间反复出现间歇性低氧及低氧后再氧合，远比持续性缺氧危害大，若长时间的间歇性低氧得不到就诊，易产生高碳酸血症、交感神经异常兴奋及血管持续的收缩，最终损害对缺氧、缺血极为敏感的大脑。研究表明OSAHS 引起脑结构改变研究较少，OSAHS 慢性间歇低氧下的脑结构及功能改变与慢性持续性低氧脑损害是否有差异目前尚不清楚。本文对比分析不同程度OSAHS 患者脑灰质差异。

MRI 等成像技术的出现，通过提高分辨率和高对比度的解剖图像而成为针对人脑结构研究的最为有效的实验手段之一，为脑结构和功能的研究开辟了更为广阔的天地。其中体素形态学分析（voxelbased morphometry，VBM）是可以用来反映不同组群间特定脑组织（灰质、白质、脑脊液等）的浓度或体积差异。VBM 是一种基于体素对全脑结构磁共振成像自动、全面、客观的分析技术，可以定量计算分析脑部MRI 图像中每个体素的脑灰、白质密度或体积的变化，以此来反映相应解剖结构的差异。是客观评价大脑局部组织差异的一种重要方法，具有较高的客观性和准确性。VBM 在病理学、解剖学等关注脑结构研究的学科领域更为常用。相比感兴趣区（region of interest，ROI）分析方法，此技术可以消除人为主观因素的影响，具有客观性好、操作简便、可重复操作等优点，因而在临床得到广泛应用。目前采用VBM 对不同程度的OSAHS 引起脑结构的改变的相关性研究极少且结果。

对象与方法

一、研究对象

选择2016 年1 月至2017 年12 月在青海大学附属医院呼吸内科经多导睡眠监测（polysomnography，PSG）确诊来自两代以上出生并长期居住于青海西宁市的OSAHS 患者55 例，均为汉族男性，所有患者均符合中华医学会呼吸病学会2011 年修订的OSAHS 诊断标准［2］，根据PSG 的睡眠呼吸暂停低通气指数（apnea hypopnea index，AHI）结果分为重度组34 例，平均年龄47.5 岁；中度组11 例，平均年龄48.5 岁；轻度组10 例，平均年龄45.0 岁。患者均为男性，并经PSG 监测为AHI＜5。

纳入标准：①符合中华医学会呼吸病学会2011 年修订的OSAHS 诊断标准［2］；②受试者为新近诊断，既往未接受过任何药物治疗及手术治疗或持续气道正压通气（CPAP）治疗；③所有的参与者均为汉族；④通过病史与体格检查，无明显中枢神经系统疾病如脑出血、脑梗死、脑肿瘤等疾病，无精神性疾病；⑤无严重的心脑血管疾病（严重心肌梗塞、心律失常、脑卒中）及肺部疾病。

排除标准：①非OSAHS 的其他睡眠呼吸障碍等疾病；②精神或神经系统疾病；③常规MRI 扫描发现的脑梗死、脑出血和脑肿瘤等结构性病变；④酗酒、服用精神类药物病史；⑤有MRI 检查禁忌证或不能耐受MRI 检查者。在进行研究以前以书面形式告知受试者本文内容，受试者签署知情同意书。所有受检者在检查前均知道此次检查的内容及意义，并签署了知情同意书，本文经我院伦理委员会批准。

二、研究方法

1.高危人群的选择：选择肥胖、具有鼾症、睡眠障碍病史或临床表现拟诊OSAHS 2.OSAHS 患者的确诊：对高危人群进行PSG 检查，整夜检查（大于7 h）并确诊OSAHS，均在青海大学附属医院呼吸科睡眠实验室进行，结果由2 名有经验医师根据睡眠技术双盲法分析。

2.MRI-VBM 成像及成像图像分析：PSG 检查确诊OSAHS 的患者，根据AHI 指数分为轻度、中度、重度，采用脑MRI-VBM 对纳入的每例OSAHS患者进行脑灰质变化情况观察并比较各组间各脑区的灰质体积差异。

3.MRI 扫描方法：应用Philips Achieva 3.0 T TX 多源发射MR 成像系统，标准头颅8 通道相控阵线圈，向所有受检者详细说明检查的全部过程以取得其更好的配合，嘱受检者平卧于检床上，保持静息状态。先行T1WI 和T2WI 序列扫描，确定脑实质无异常者再行VBM 扫描。应用超快速场回波序列获得3D-T1 结构像，扫描参数：TR ＝7.5 ms，TE ＝3.7 ms，矩阵256×256，层厚2 mm，激发角度7°，全脑扫描共获取176 幅图像。所有的病例组和对照组均由同一名的优秀影像科技师完成扫描。

三、统计学方法

首先应用Dcm2AsiszImg 软件对原始的DICOM数据进行分类整理，然后采用统计参数图（statistical parametric mapping， SPM8）的 嵌 套 软 件 VBM8 toolbox 进行数据处理，最后在MATLAB 平台上进行计算和图像处理。数据处理的具体步骤包括：①原始数据分类整理；②头动较正；③分割3D-T1 结构像，获得灰质、白质及脑脊液图像，在图像模板上进行图像配准，然后空间标准化；④采用半高全宽为8 mm的三维高斯核进行图像空间平滑。最后采用两样本t 检验进行比较（P＜0.05；Alphasim 校正）。

结 果

一、患者一般资料的比较

所有研究对象均为汉族男性，确诊的OSAHS 患者依据AHI 指数将其分为轻度组、中度组和重度组，各组间年龄、性别及海拔无明显差异（均P ＞0.05）。 轻 度 组 平 均 血 氧 饱 和 度（mean oxygen saturation，MSpO2）、最低氧饱和度（lowest oxygen saturation，LSpO2）均明显高于中度、重度组（P ＜0.05），重度OSAHS 组AHI 显著高于轻度、中度组（P ＝0.000）；中度组与重度组MSpO2无显著性差异（P＞0.05），见表1。

表1 OSAHS 患者一般资料及PSG 参数比较

二、各病例组组间的脑MRI-VBM 比较

1.中度组OSAHS 患者与轻度OSAHS 患者相比，左侧杏仁核、左侧海马、左侧脑岛脑灰质体积减少，见表2、图1。

2.重度OSAHS 患者与轻度OSAHS 患者VBMMRI 相比较，右侧海马旁回脑灰质体积减少，见表3、图2。

表2 中度组与轻度组患者脑灰质体积变化

表3 重度组与轻度组患者脑灰质体积变化

图1 中度OSAHS 组与轻度OSAHS 组相比灰质体积有差异的脑区统计参数图1；注：蓝色代表中度OSAHS 患者较轻度OSAHS 患者灰质体积减少的脑区，包括左侧杏仁核、左侧海马、左侧脑岛脑灰质体积减少。（统计阈值设为P＜0.05，cluster size＞389，Alphasim 校正）

图2 重度OSAHS 组与轻度OSAHS 组相比灰质体积有差异的脑区统计参数图；注：蓝色代表重度OSAHS 患者较轻度OSAHS 患者灰质体积减少的脑区，主要以右侧海马旁回脑灰质体积减少为著，（统计阈值设为P＜0.05，cluster size ＞389，Alphasim 校正）

3.重度OSAHS 患者与中度OSAHS 患者VBMMRI 相比较，包括左侧脑岛、左侧尾状核、左侧豆状壳核脑灰质体积增加；左侧丘脑、右侧丘脑脑灰质体积减少，见表4、图3。

表4 重度组与中度组患者脑灰质体积变化

图3 重度OSAHS 组与中度OSAHS 组相比灰质体积有差异的脑区统计参数；注：红色代表重度OSAHSA 组较中度OSAHS 组灰质体积增加的脑区，包括左侧脑岛、左侧尾状核、左侧豆状壳核；蓝色代表重度OSAHS 患者较中度OSAHS 患者灰质体积减少的脑区，包括左侧丘脑、右侧丘脑。（统计阈值设为P＜0.05，cluster size＞389，Alphasim 校正）

讨 论

OSAHS 导致夜间间歇低氧、睡眠片段化、睡眠结构紊乱及日间嗜睡，其特点是睡眠期间上呼吸道部分阻塞反复发作，造成睡眠障碍、血流动力学波动、慢性间歇性低氧血症［3］。所有上述原因有可能对大脑灰质造成一定的损伤。大脑灰质的变化可以通过神经影像学间接评估，因此本文旨在研究不同程度的OSAHS 患者的严重程度是否与大脑灰质变化存在密切关联。 体素形态学分析（voxel-based morphometry，VBM）可以用来反映不同组群间特定脑组织（灰质、白质、脑脊液等）的浓度或体积差异。VBM 是一种基于体素对全脑结构磁共振成像自动、全面、客观的分析技术，可以定量计算分析脑部MRI 图像中每个体素的脑灰、白质密度或体积的变化，以此来反映相应解剖结构的差异。是客观评价大脑局部组织差异的一种重要方法，具有较高的客观性和准确性。目前对OSAHS 的研究主要集中于临床表型上，采用VBM 对不同程度的OSAHS 引起脑结构的改变的相关性研究极少。

一、中度OSAHS 患者与轻度OSAHS 患者脑区差异区的讨论

边缘叶由半球内侧面位于胼胝体周围和侧脑室下角底壁的一圆弧形结构构成，包括扣带回、海马回、海马旁回和钩回。边缘叶与杏仁核、丘脑前核、下丘脑、中脑被覆、岛叶前部等结构共同组成边缘系统［4］。脑岛又称为岛叶，呈三角形岛状，位于外侧裂深面，被额、顶、颞叶所覆盖。岛叶的功能与内脏感觉和运动有关。岛叶的前部系边缘系统的结构之一。边缘系统位于位于颞叶的内侧面，海马、海马旁回、杏仁核是其中的重要结构。边缘系统与网状结构和大脑皮质有广泛联系，参与高级神经、精神（情绪、记忆等）和内脏的活动。边缘系统的作用是使中脑、间脑和新皮层结构之间发生信息交换。通过与下丘脑及植物神经系统的联系，边缘系统参与调解本能和情感行为。此外，海马结构还对学习过程和记忆发挥着突出的作用。因此如果海马结构或与之功能联系的结构受损，则导致遗忘综合征。其病变部位不同，产生的记忆障碍形式也不同。边缘系统损伤是可出现情绪和障碍、行为异常、幻觉、反应迟钝等精神障碍及内脏活动障碍［4］。本文发现，中度OSAHS 组MSpO2、LSpO2均明显低于轻度组（P＜0.05），中度组的AHI 高于轻度组（P＜0.05），即中度组的夜间间歇缺氧的程度重于轻度组，而中度与轻度OSAHS 患者脑VBM-MRI 相比较发现，中度组OSAHS 患者的左侧杏仁核、左侧海马、左侧脑岛脑灰质体积减少，即中度组OSAHS 患者较轻度组相比明显的间歇性缺氧导致了局部脑灰质体积的降低，这些神经元丢失的区域主要集中在边缘系统。神经细胞的损害可能与低氧的程度引起的细胞代谢下降［5］和局部脑血流灌注降低［6］有关。边缘系统在进化上属于比较古老的区域，其血液供应易受低氧的影响［7］。与Joo 等［8］对睡眠呼吸暂停综合征的观察类似，他们的研究也观察到海马、杏仁复合体、岛叶和丘脑等的灰质密度降低。中度组OSAHS 患者边缘系统脑灰质体积的减少考虑与其平均MSpO2、LSpO2均明显低于轻度组（P＜0.05）有关，即中度组的夜间间歇缺氧的程度重于轻度组，从而使之边缘系统脑灰质体积减少，通过间歇性低氧而改变了认知功能相关的大脑结构-边缘系统，进而影响认知功能［9］。中度组OSAHS 患者长期明显的间歇低氧引起继发性红细胞增多，血液粘稠度增高，改变脑组织的血流灌注，导致缺血、缺氧后的损伤，也可能是OSAHS 患者大脑认知功能相关结构病变的机制之一［10］。同时可以解释中度组OSAHS 患者较轻度组容易出现相应的一些临床症状，例如注意力不集中、精细操作能力下降，记忆力、判断力和反应能力下降等认知行为功能及情绪障碍。症状严重时不能胜任工作，可加重老年痴呆症状。

二、重度OSAHS 患者与轻度OSAHS 患者脑区差异区的讨论

重度组MSpO2、LSpO2均明显低于轻度组（P＜0.000），重度组的AHI 明显高于轻度组（P＜0.000），即重度组的夜间间歇缺氧的程度明显重于轻度组。重度与轻度OSAHS 患者脑VBM-MRI 相比较发现右侧海马旁回脑灰质体积减少，即重度的间歇低氧主要影响了边缘系统中的重要结构：海马、海马旁回。在功能分区上，海马旁回区域主要与认知功能相关，其内灰质萎缩可引起患者认知功能障碍，记忆障碍、行为异常、反应迟钝等精神障碍。部分患者出现痴呆等症状，海马区域萎缩是引起痴呆的常见部位。有学者发现，OSAHS 患者的海马有萎缩表现［11］。在本文中，海马旁回灰质体积减少，与上述研究基本相符。重度OSAHS 患者与轻度OSAHS 患者相比主要影响了边缘系统中的重要结构及海马及海马旁回，从而使患者的记忆及认知功能障碍。

三、重度OSAHS 患者与中度OSAHS 患者脑区差异区的讨论

人脑皮层解剖结构具有可塑性［12］，可在结构和功能上修改自身以适应客观事实改变。灰质的显微结构为神经细胞、纤维、神经胶质和血管错综复杂的混合，灰质体积的增加从解剖角度来看，可能与神经细胞增生、突触增多或者血管改变相关。大脑皮质分为新皮质和古老的异生皮质，人类的新皮质约占全部皮质的96%。新皮质具有神经再生的能力，缺氧能够诱导这种神经的再生［13］。基底核中主要为纹状体。纹状体由尾状核和豆状核组成。尾状核弯曲并环绕丘脑；豆状核位于尾状核与丘脑的外侧，又分为苍白球与壳核。纹状体的主要功能是使肌肉的运动协调，维持躯体一定的姿势［14］。本项研究的一般资料比较，重度OSAHS 组AHI 显著高于中度组（P＜0.000），LSpO2明显低于中度组（P＜0.000），即重度组的夜间最低氧饱和度低于中度组。 重度OSAHS 患者与中度OSAHS 患者VBM-MRI 相比较：重度组OSAHS 患者左侧脑岛、左侧尾状核、左侧豆状壳核脑灰质体积增加，即主要是基底核的灰质体积增加，缺氧改变了基底核的微观结构，考虑与缺氧诱导大脑皮质代偿性增生。

丘脑是间脑中最大的卵圆形灰质团块，对称分布于第三脑室两侧。是各种感觉（嗅觉除外）传导的皮质下中枢和中继站，其对运动系统、感觉系统、边缘系统、上行网状系统和大脑皮质的活动发生着重要影响。丘脑受损时可有情感与记忆障碍［14］。本项研究的一般资料比较，重度OSAHS 患者LSpO2明显低于中度组（P＜0.000），即重度组的夜间最低氧饱和度低于中度组。本文显示，重度OSAHS 患者与中度OSAHS 患者VBM-MRI 相比较，重度组OSAHS 患者左侧丘脑、右侧丘脑脑灰质体积减少。本文与Joo 等［8］对睡眠呼吸暂停综合征的观察类似，他们的研究也观察到海马、杏仁复合体、岛叶和丘脑等的灰质密度降低。而丘脑受损时可有情感与记忆障碍。重度组OSAHS 患者左侧丘脑、右侧丘脑脑灰质体积较中度组OSAHS 减少，即重度组的OSAHS 与中度组的OSAHS 相比出现记忆和情感的障碍。

本文显示，重度OSAHS 患者与中度OSAHS 患者相比主要影响了纹状体及丘脑，从而影响了患者的记忆及认知功能。本文发现重度OSAHS 中发现的灰质体积变化的区域为纹状体-丘脑-大脑皮质环路的组成部分，该环路对认知功能的调节起重要作用，与张勇等［15］研究发现吸烟者脑灰质结构的改变主要集中在纹状体-丘脑-大脑皮质环路通路及边缘系统相似，我们考虑间歇缺氧也对该环路存在影响，且重度OSAHS 较中度OSAHS 相比对上述环路的影响更为明显，更能解释临床上重度的OSAHS 患者的记忆及认知功能障碍的临床机理。

本文用VBM 技术对不同程度OSAHS 脑灰质进行了初步的研究，不同程度的OSAHS 患者间歇缺氧下导致脑灰质有不同程度的变化，说明了OSAHS 对患者的脑结构有着一定程度的影响。本文用VBM技术对不同程度OSAHS 脑灰质进行了初步的研究，OSAHS 患者间歇缺氧下导致脑灰质有不同程度的变化，说明了OSAHS 对患者的脑结构有着一定程度的影响。分析OSAHS 患者在间歇性低氧下脑灰质灰质体积差异，评估VBM-MRI 在评价不同程度OSAHS 患者脑结构变化中提供了一定临床价值。