基于uAI深度学习算法分析延安地区不同年龄阶段丘脑体积与年龄的相关性

郭 敏，李延静

(延安大学附属医院心脑血管病区放射科，陕西 延安 716000)

丘脑是间脑最大的一部分，其中主要成分为灰质，“Y”形的内髓板将丘脑主体分成前核、内侧核及外侧核。丘脑前部是一个包括前核和背内侧核的区域，它与大脑皮层和皮层下区域存在信息联系，这些区域在执行功能、处理速度和工作记忆中起着至关重要的作用，这些都是目前已知的受衰老影响的认知域[1]。背内侧核与内侧前额叶、外侧前额叶和前扣带回皮质相互连接，这些区域涉及计划、问题解决、工作记忆、情绪和动机相关功能[2]。丘脑神经网络对于记忆和定向注意至关重要，因此丘脑的退化极有可能会导致与衰老相关的认知能力下降[3]，丘脑体积的客观定量测量是研究功能改变的重要方法。

人工智能和深度学习算法建立的神经影像全脑定量计算工具是现在发展的热点。uAI-MR脑结构智能分析系统(uAI discover brain,uAI)是上海联影医疗科技有限公司开发的新型人工智能全脑定量分析软件，该技术具有有较高的分割效率及分割精度，可以满足临床及科研诊断需求。本研究以延安市健康成人的颅脑MRI及深度学习算法软件为基础，建立丘脑体积标准范围，为陕北地区标准脑模型的建立提供一定的数据量。

1 资料与方法

1.1 临床资料

招募延安大学附属医院心脑血管病区2019年10月至2020年10月进行颅脑MRI健康成人体检者为研究对象，选取320名符合纳入标准的志愿者，按不同年龄阶段分为20～40岁(1组)、41～50岁(2组)、51～60岁(3组)、61～80岁(4组)，每组80人。

1.2 纳入标准与排除标准

纳入标准：志愿者均为右利手；受教育年限>5年；颅脑MRI未见明显异常病灶，脑白质病变(white matter lesion，WML)Fazekas评分为0；无MRI检查禁忌症；扫描图像均可以顺利应用uAI软件。

排除标准：高血压、糖尿病、高血脂、药物滥用史；器质性病变、精神疾病、神经疾病及慢性病史；不配合MR检查者。

1.3 检查方法

1.3.1 MRI图像采集 所有纳入志愿者均利用3.0 T超导型磁共振扫描仪(Simens Magnetom Verio)行常规轴位T2 FLAIR序列及头部矢状位3D-磁化准备快速梯度回波序列T1WI(3D-T1 MP RAGE)扫描，获得头部矢状位3D-T1 MP RAGE图像，包含176个1 mm的连续矢状位覆盖全脑图像，具体成像参数：TR=1 900 ms，TE=2.48 ms，FOV=250 mm×250 mm，矩阵256×246，层厚为1 mm，旋转角度为9°，采集时间为256 s。扫描后将数据传入uAI-pacs-MR脑分割后处理工作站。

1.3.2 MRI图像处理与丘脑体积测量方法 应用上海联影医疗科技有限公司开发的新型人工智能全脑定量分析软件uAI对大脑结构进行的分割及量化，通过不同方位辨认丘脑轮廓，并在1min内自动描绘丘脑的形态，自动测量丘脑的体积，所有分割都经过2位从业超过10年的神经影像诊断医师审核，以确保分割的准确性，并在需要时手动调整界限，在使用过程中我们发现该软件可以克服目前国内外全脑定量体积测量可重复性差的问题。

1.4 统计学方法

使用SPSS20.0统计分析软件，应用t检验比较左右两侧和不同性别之间丘脑体积的差异。不同年龄阶段所测丘脑体积参数分析用单因素方差分析，并针对不同年龄阶段与丘脑体积的相关性做Pearson相关性分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同性别丘脑体积比较

经uAI人工智能软件测得的所有志愿者男性和女性丘脑体积的差异无统计学意义(左侧P>0.05，右侧P>0.05，表1)。

表1 不同性别健康成人左右侧丘脑体积 测量值比较

2.2 双侧丘脑体积比较

左侧丘脑体积平均值为6.996 cm3，右侧丘脑体积平均值为6.975 cm3，双侧丘脑体积之间的差异无统计学意义(P>0.05，图1)。

图1 双侧丘脑体积的比较

2.3 不同年龄阶段丘脑体积的差异分析

4组年龄阶段双侧丘脑的差异均有统计学意义(P<0.05，表2)。使用TukeyHSD检验进行事后检验(posthoc)分析结果显示：1组与3组、4组双侧丘脑体积的差异有统计学意义，3组与4组双侧丘脑体积的差异具有统计学意义(P<0.05，表3)。

表2 不同年龄阶段丘脑体积测量值比较

表3 4组双侧丘脑体积测量值差异的两两比较

2.4 直线回归与相关性分析

丘脑体积随着年龄的增大逐渐减小，呈负相关模式，r=-0.354，P<0.05。

图2 年龄对总丘脑体积的影响

3 讨论

丘脑是大脑皮层发达动物最重要的感觉传导接替站，在正常成人老龄化的进程中，丘脑的萎缩占全脑灰质体积减小的大部分[4]。本研究发现，年龄与丘脑体积呈负相关模式。丘脑形态的减小在与额叶皮质相连的丘脑前核最多，而丘脑后部腹外侧区最少，这部分丘脑与顶叶皮质相连。这些形状变化反映在丘脑皮质投射的体积上，与额叶皮质相连的丘脑区域体积减少最大，而丘脑皮质投射到其他皮质区域的体积没有明显变化[5]。由于考虑到青少年部分灰质核团尚未发育完善[6]，本研究目前是以健康成人为纳入标准，尚未纳入20岁以下的青少年，在相邻10岁年龄差距内丘脑体积尚未发现差异，当年龄跨度>10岁时丘脑体积的差异就会显现出来。

本研究应用uAI在T1WI矢状位薄层扫描图像中自动勾画丘脑体积，再由2位从业超过10年的神经影像医师进行人工校对，这样计算出的丘脑体积误差较小且稳定性好，有利于同一患者多次重复测量，减少手工测量的误差。所有健康志愿者双侧丘脑体积以及不同性别之间丘脑体积的差异无统计学意义，马帅等[7]研究发现男性双侧丘脑体积均大于女性，出现这个差异的原因可能为在本研究的健康志愿者中，中老年人群数量较多，在该阶段的男性大多由于生活或工作压力较大，以及不良的生活习惯，如吸烟、喝酒等，从而加速衰老，导致丘脑的体积减小，与该年龄阶段女性的丘脑体积相当[8]，这个解释还有待于后续研究的证实。

丘脑作为大脑灰质核团中最重要的一部分，在大脑的信息传递中发挥着巨大的作用，Leek等[9]在长期局灶性癫痫患者的研究中发现海马萎缩与丘脑萎缩并存，虽然目前仍不能确定这种萎缩是癫痫的原因或者是结果，但这的确提示了丘脑作为癫痫神经网络中枢的重要性[10]。Zhang等[11]在癫痫患者的研究中发现，无论患者是否伴有海马硬化，双侧丘脑体积的不对称指数都明显高于健康对照组。同时，Zidan等[12]在对大脑皮质、白质、侧脑室容积以及皮质下核团(海马、杏仁核、丘脑)进行基于磁共振扫描的容积测定时发现遗忘型轻度认知障碍患者的丘脑体积与健康对照组相比减少，这可以在一定程度上预测遗忘型轻度认知障碍进展为阿尔兹海默症。

总之，随着年龄的增长，双侧丘脑体积逐渐呈下降趋势。本研究旨在通过探讨健康成人丘脑体积的变化规律来推动延安地区成人脑体积模型的进一步建立和发展。