3D-ASL联合1H-MRS评价重度OSAS患者早期脑组织改变的应用价值

赵育英 毛新峰 刘东 姚丽娣 张惠美 陆华东

阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（obstructive sleep apnea syndrome，OSAS）是常见与睡眠相关的呼吸障碍性疾病，是由于睡眠时上气道阻塞或狭窄引起的呼吸暂停或低通气，常伴有间歇性低氧血症、高碳酸血症、白天嗜睡等症状[1]。OSAS患者早期脑组织改变常表现为缺血缺氧、脑白质损伤和神经代谢异常[2]。国外大量的神经影像学研究提示，长期短暂缺氧易导致额叶白质、扣带回皮质等脑区细微结构及功能异常，并累及轴突的完整性[3-4]。本研究采用三维动脉自旋标记（3D-ASL）、弥散张量成像（DTI）、磁共振波谱（1H-MRS）3种功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）方法，对右侧额叶进行检查，分析各项fMRI成像参数变化，选出最优参数，并确定其诊断OSAS患者早期脑组织改变的阈值，以指导临床上对患者进行早期干预和判断预后。

1 对象和方法

1.1 对象 收集本院2015年12月至2019年12月首次就诊经多导睡眠仪（PGS）监测确诊的重度OSAS患者83 例，男 54 例，女 29 例，年龄 23～66（46.47±11.02）岁。主要临床表现为睡眠过程中打鼾且鼾声不规律，呼吸及睡眠节律紊乱，反复出现呼吸暂停与觉醒，晨起头痛、头晕，白天嗜睡明显，注意力不集中，记忆力下降，不同程度抑郁和焦虑。并选取同期83例无OSAS表现的健康体检者作为健康对照组；两组均排除心脑血管疾病、血液系统疾病及精神疾病等。两组对象年龄、性别、BMI等一般情况比较差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表1。经本院伦理委员会审批同意，所有患者与志愿者均签署知情同意书。

表1 重度OSAS组与健康对照组一般情况对照

1.2 方法

1.2.1 OSAS诊断及分级标准 根据2012年中华医学会呼吸病学分会睡眠呼吸障碍学组《阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南（2011年修订版）》的诊断标准[5]：7 h睡眠期间呼吸暂停反复发作30次以上或呼吸暂停低通气指数（apnea hypopnea index，AHI）＞5次/h，每次持续时间10 s；OSAS严重程度分级标准为：轻度，5 次/h＜AHI≤15 次/h；中度，15 次/h＜AHI≤30次/h；重度，AHI＞30 次/h。

1.2.2 fMRI检查 采用GE Discovery 750 3.0T超导型MRI扫描仪，利用32通道标准头部线圈进行扫描。（1）常规 MRI扫描：采用 T1WI序列：TR=1 750 ms，TE=25 ms，层厚5 mm，层间距1.5 mm，FOV 24 cm×24 cm，矩阵256×256；采用 T2WI序列：TR=6 816 ms，TE=106 ms，层厚 5 mm，层间距 1.5 mm，FOV 24 cm×24 cm，矩阵 256×256。（2）3D-ASL成像：采用3D快速自旋回波（FSE）序列，TR 4 630 ms，TE 10.5 ms。层厚 4 mm，层数 36 层，采集次数（NEX）=2，FOV 240 mm×240 mm，矩阵 128×128，标记延迟时间（posted labeling delay，PLD）1 525 ms，时间约255 s。将所采集的原始图像传至GE Advantage Workstation 4.6工作站，应用Function Tools处理软件中自带的3D-ASL后处理软件选择阈值后生成脑血流量伪彩图。采用大小约20 mm2圆形感兴趣区（region of interest，ROI）对右侧额叶白质、扣带回进行脑血流量（cerebral blood flow，CBF）值测量。（3）DTI成像：采用单次激发自旋回波-回波平面序列（single-shot spin echo-echo plain imagine，SS-SE-EPI）。TR=6 000 ms，TE=78 ms，翻转角=90°，NEX=2，矩阵 128×128，层厚5 mm，层间隔 0 mm，FOV 240 mm×240 mm，扩散敏感梯度取20个方向，b值取0和1 000 s/mm2。将所采集的原始图像传至工作站，重建出FA图和ADC图，采用大小约20 mm2圆形ROI对选定区域进行各向异性（fractional anisotropy，FA）值和表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC） 值测量；（4）1H-MRS 成像：采用多体素3D-CSI技术扫描，采用点解析波谱（point resolved spectroscopy，PRESS）成像序列，成像参数为：TR 1 000 ms，TE 144 ms，层厚 5 mm，层间距 0 mm，FOV 240 mm×240 mm，矩阵 18×18，NEX=1，控制水峰的半高全宽＜10 Hz，水抑制平均为98.6%，扫描时间为328 s。将所采集的原始图像传至GE Advantage Workstation 4.6工作站，应用Function Tools处理软件中自带的MRS后处理软件自动生成MRS图。选取额叶白质和扣带回皮质作为 ROI，选择最小体素（1 体素=20～40 mm3）作为测量单位，获得该区脑组织1H-MRS曲线，测量选定区域N-乙酰天门冬氨酸（NAA）、胆碱（Cho）和肌酸（Cr）等代谢物的绝对值，并计算NAA/Cr、NAA/Cho、Cho/Cr的比值（图1-6，见插页）。

图1 三维动脉自旋标记（3D-ASL）伪彩图

图2 各向异性（FA）伪彩图

图3 表观弥散系数（ADC）伪彩图

图4 双侧额叶多体素磁共振波谱（1H-MRS）扫描ROI

图5 双侧额叶多体素磁共振波谱（1H-MRS）扫描ROI取值

图6 各区域的N-乙酰天门冬氨酸（NAA）、胆碱（Cho）、肌酸（Cr）、NAA/Cho、Cho/Cr和 NAA/Cr等参数

1.3 统计学处理 采用SPSS 18.0统计软件。计量资料以表示，组间比较采用独立样本t检验。采用ROC曲线分析有统计学差异的fMRI参数，并计算AUC、灵敏度、特异度。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 重度OSAS组与健康对照组fMRI成像参数对比重度 OSAS组右侧额叶白质 CBF、FA、ADC、NAA/Cho与健康对照组比较差异均有统计学意义（均P＜0.05）；重度 OSAS患者右侧额叶扣带回 CBF、ADC、NAA/Cho、Cho/Cr与健康对照组比较差异均有统计学意义（均P＜0.05）。见表 2、3。

2.2 ROC曲线分析 选取右侧额叶白质 CBF、FA、ADC、NAA/Cho，右侧扣带回 CBF、ADC、NAA/Cho、Cho/Cr作为预测脑组织改变的阳性指标。右侧额叶白质CBF、FA、ADC、NAA/Cho 的 AUC 分别为 0.865、0.863、0.826、0.993，提示NAA/Cho是诊断早期脑白质改变的最优参数，其最佳临界值为1.390，灵敏度为0.967，特异度为0.967；右侧额叶扣带回CBF、ADC、NAA/Cho、Cho/Cr的 AUC 分别为 0.950、0.815、0.921、0.897，提示CBF是诊断脑灰质改变的最优参数，其最佳临界值为39.63 ml/（min·100g），灵敏度为0.917，特异度为0.817。见表 4、5，图 7-10。

3 讨论

OSAS由于夜间反复出现低氧血症、高碳酸血症及睡眠结构紊乱常导致中枢神经系统损害，主要表现为嗜睡、疲劳感、注意力不集中、记忆力下降、认知功能障碍和精神心理问题[6]，甚至出现缺血性脑卒中。随着影像技术的不断发展，fMRI已广泛应用于临床，并能在脑组织形态改变之前于分子水平、代谢水平发现脑组织改变。3D-ASL是MRI灌注成像方式之一，能在不需要对比剂的情况下定量测量CBF，早期发现脑血流量的异常，可反映组织器官活性功能的重要信息[7]；DTI是目前唯一能够在活体中无创显示白质纤维束走形方向、排列、紧密度以及髓鞘完整性的MRI成像技术，通过定量测定FA值和ADC值反映脑白质纤维的损伤[8]，可以显示在常规MRI无法发现脑白质细微结构的异常。1H-MRS是一种利用MRI现象和化学位移作用对特定原子核及其化合物定量分析的MRI成像技术[9]，可以无创性定量测定大脑中特定脑区NAA、Cho、Cr等不同代谢产物浓度，以反映脑组织生理及病理变化特点的一种分析方法。3种fMRI检查各有优势，筛选出敏感反映脑组织改变的fMRI参数将有助临床早期干预和有效治疗。

表2 两组对象右侧额叶白质fMRI参数的比较

表3 两组对象右侧扣带回fMRI参数的比较

表4 右侧额叶白质CBF、FA、ADC、NAA/Cho的ROC曲线结果

表5 右侧扣带回CBF、ADC、NAA/Cho、Cho/Cr的ROC曲线结果

图7 右侧额叶白质脑血流量（CBF）、各向异性（FA）、N-乙酰天门冬氨酸/胆碱（NAA/Cho）的ROC曲线

图8 右侧额叶表观弥散系数（ADC）的ROC曲线

图9 右侧扣带回脑血流量（CBF）、各向异性（FA）、N-乙酰天门冬氨酸/胆碱（NAA/Cho）的ROC曲线

图10 右侧扣带回表现弥散系数（ADC）、胆碱、肌碱（Cho/Cr）的ROC曲线

文献报道OSAS患者夜间频繁发生缺氧-复氧交替，可增加自由基水平和炎症反应，促进氧化应激反应，从而导致脑内多处神经元损伤，尤其是额叶皮质血管内皮细胞的损伤和神经元的完整性[10-11]。动物实验表明：OSAS患者反复间断性缺氧和睡眠片段化都可单独作用引起前额叶皮层神经元的丢失，而前额叶皮层与记忆过程和执行功能关系密切[12]。本研究通过ROC曲线分析发现，NAA/Cho是诊断右侧额叶脑白质损伤的最优参数，其灵敏度和特异度均为0.967，高于其他3种参数。NAA/Cho的降低与NAA的降低和Cho的升高有关，主要是由于OSAS患者睡眠过程中出现反复低氧血症和高碳酸血症，导致线粒体功能障碍或神经元的脱失，从而导致NAA减低。所产生的各种毒性代谢产物使细胞膜遭到破坏，磷脂分解增加和（或）合成减少而使Cho升高。1H-MRS作为目前唯一无创性研究活体组织器官代谢变化的成像技术，通过测定代谢产物，为脑白质损伤的早期诊断提供了具有高灵敏度、高特异度的生物学指标[13]。

本研究通过对重度OSAS右侧额叶扣带回fMRI参数通过ROC曲线分析发现，CBF是诊断脑灰质早期缺血性损伤的最优参数，其灵敏度为0.917，特异度为0.817；其次是NAA/Cho。CBF诊断灵敏度高于NAA/Cho，但特异度低于NAA/Cho。大脑是人体代谢最旺盛的器官，也是对血氧需求最高的器官。许多脑部病变先有脑血流量的改变，所以定量研究和评价脑组织灌注异常既可以作为病变诊断、鉴别诊断的依据，同时也可作为评价临床治疗方案、疗效判断和预后的重要依据。OSAS患者存在明显睡眠功能紊乱、低氧血症及高碳酸血症。有研究表明，脑功能改变与脑血流量密切相关[14]。3D-ASL技术以动脉血中的水分子作为内源性标志物来检测CBF，研究发现其灌注检测水平与动态磁敏感灌注成像（DSC）、PET等具有很高的一致性[15-18]。文献报道正常人脑白、灰质血流灌注存在差异，皮质微血管含量较多、血液流速较快，所产生信号较强，并且在显示病变方面，皮质较白质显示更准确[19]。Parkes等[20]利用ASL对34例健康人脑灌注进行研究发现，健康人脑皮质CBF明显高于脑白质。当大脑发生轻微缺血时，由于皮质基础血流灌注较高，其血流减低较白质更为明显，因此能解释3D-ASL对脑皮质灌注减低更为敏感。3DASL可全面反映重度OSAS患者大脑血流灌注状态，尤其对于脑皮质，其阈值可作为诊断重度OSAS脑灌注减低阳性的指标。3D-ASL作为一种安全无创、无辐射的检查技术在重度OSAS检查中具有重要的应用价值，可作为常规序列应用于临床工作中。

总之，fMRI成像中3D-ASL、1H-MRS技术能够揭示大脑白质脑血流改变与代谢异常，为早期评价脑组织改变提供新的分析方法，有助于了解脑组织病变的病理生理过程。