功能磁共振影像低频振幅对自发性脑出血微创血肿清除术后患者预后的评估价值

杨诗友，庄建峰，徐航哲，黄沛钰，俞晓波，张 行， 陈 高

(1. 杭州师范大学附属医院脑认知与脑疾病研究中心，浙江 杭州 310015； 2. 杭州师范大学心理科学研究院，浙江 杭州 311121；3. 浙江省认知障碍评估技术研究重点实验室，浙江 杭州 310015； 4. 山东大学齐鲁医院神经外科，山东 济南 250063；5. 浙江大学医学院附属第二医院神经外科，浙江 杭州 310009； 6. 浙江大学医学院附属第二医院放射科，浙江 杭州 310009)

自发性脑出血是我国成年人致死、致残的首位病因，具有发病率高、致残率高、死亡率高和复发率高等特点.许多脑出血患者都会出现认知功能障碍，极大地影响他们的生活质量[1]，因此许多研究者试图探索其相关的病理机制.

静息态功能性磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)是研究脑认知功能的重要技术手段[2-4]，操作简便，在脑出血患者认知功能研究领域有广泛应用.研究表明，脑出血患者除病灶外，一些脑区也会出现异常活动，包括内侧前额叶皮层/前扣带皮层、中颞回、颞下回、额上回、额中回和顶下小叶、辅助运动区、中央前回和中央旁小叶等[5-8].这些脑区的功能活动与患者语言、运动控制、注意等认知功能有很强的联系，为理解脑出血患者认知功能障碍提供了依据.

对于自发性脑出血，微创手术是国内外近年来的研究热点[9-10]，临床上，脑出血微创手术的术式有很多，其中包括锥颅血肿引流，还有小切口血肿清除加引流以及内镜下血肿清除.一般来说，术式不一样，则采用的手段不一样，它的侵袭性、控制性也不一样，所以说效果以及恢复情况也不尽相同[11-12].在脑出血血肿量小于30 mL的患者中可以采取保守治疗，但会给病程增加很长的时间，而且治疗期间患者容易出现各种各样的并发症，所以近期开展的微创手术，就是根据定位的位置选择，经颅内最短距离，在颅骨钻孔，孔径大于0.3～0.5 cm，然后植入软质导管到颅内血肿的部位，将淤血引流出来.这种技术具有窗口小、脑损伤少、致残率小的优点，而且减少了手术创面对外的接触，使颅内感染降低到最低[13].但截至目前，国内外还没有研究自发性脑出血微创治疗如何影响脑认知功能的报道.哪些脑区的功能活动能够预测治疗效果还不清楚.针对这一问题，本项目采用静息态功能磁共振技术结合认知量表评定，开展了相关临床实验研究.

1 实验方法和材料

1.1 患者入组情况

患者总数21人(年龄范围 36—69岁，其中男性被试12人)纳入本研究，经筛选患者病灶区都为基底节位置，其中12名患者病灶左侧基底节，9名患者病灶右侧基底节；患者术后7d接受首次随访，记录 Rankin评分，6个月后接受第二次随访，再完成一次Rankin评分，其中患者均为单侧偏瘫情况，具体信息见表1.

表1 脑出血患者人口学信息表Tab.1 Demographic information table of patients with cerebral hemorrhage

1.2 影像学数据获取与数据预处理

1.2.1 图像采集

静息态功能磁共振影像：使用联影3.0T磁共振uMR-790，EPI序列结合Multiband技术进行功能影像数据采集，参数如下(考虑到表述的准确性，部分参数使用英文)：TR/TE/翻转角度=700 ms/33 ms/52°，采集矩阵= 64 × 64，视野(FOV) = 210 × 210 mm2，层厚/间距=2.5/0 mm，Multiband加速因子=7，63个平行于AC-PC线的轴向切片，以覆盖整个大脑和小脑，扫描时间4 min，共获得343个数据点.

结构像：采集每位患者T1加权矢状三维磁化准备快速梯度 (MPRAGE)序列.层厚/间隙=0.7/0 mm， TR=6.9 ms，TE=2.9 ms，翻转角度=9°， FOV=256 × 240 mm2.

1.2.2 数据预处理

预处理使用静息态功能磁共振影像数据处理工具包(DPABI)完成[14].对于每名患者的功能磁共振影像数据具体分析步骤如下：1)去除前10个时间点，以确保采集到的信号更加稳定；2)切片采集时间延迟矫正和几何位移矫正；3)如果患者头部空间位移大于3 mm 或空间旋转大于3°将不纳入后续分析(包括轴、矢和冠状位)；4)基于统一分割的个体结构影像空间归一化参数，将所有功能磁共振影像归一化为标准MNI模板(重采样为3×3×3 m3)；5)从功能磁共振影像数据中回归出6个头部运动参数；6)用6×6×6的半高全宽(FWHM)高斯核进行平滑.

1.2.3 局部脑活动分析

低频振幅(Amplitude of Low Frequency Fluctuation，ALFF) 是静息态功能磁共振影像研究领域广泛使用的局部脑活动分析方法[15-16].ALFF分析步骤如下：1)从预处理功能磁共振影像数据每个体素的时间序列中去除线性趋势；2)采用快速傅里叶变换将每个体素的时间序列转换到频域；3)计算每个频点上信号功率谱的平方根，作为该频点的振幅；4)在0.01～0.1 Hz的频带上取振幅的平均值，作为给定体素的ALFF；5)每个体素的ALFF通过除以全脑ALFF平均值完成归一化处理.

1.3 统计分析

1.3.1 认知功能评定

通过配对样本t检验考察患者术后7d和术后6个月这两个阶段Rankin分数差异并计算减分率，统计结果使用Bonferroni检验矫正方法进行矫正.通过术后7 d与术后6个月的Rankin评分的减分率来评定患者恢复程度，区分出恢复较好的患者和恢复较差的患者，计算每名患者的减分率，以50%减分率为阈限将患者分为高减分率组(共10名，年龄48±9岁，其中男性5名)和低减分率组(11名，年龄51±10岁，其中男性7名).

1.3.2 局部脑活动分析

在DPABI中进行双样本t检验，考察两组(高减分率组vs低减分率组)局部脑活动指标ALFF的统计学差异，确定显著差异脑区，并使用高斯随机场理论校正(Gaussian Random Field, GRF,P<0.01),检验矫正方法进行统计矫正.

2 结果与讨论

2.1 结果

2.1.1 认知评估

如图1所示，与术后7 d比，患者术后6个月认知评分显著降低(t=16.97，p<0.001)，如图2，其中有10名(共21名)被试评分减分率大于50%，从个体来看，所有被试的Rankin评分都有所下降.

注:***代表统计显著性p<0.001图1 患者术后7 d与术后6个月减分评分差异Fig.1 Difference of Rankin reduction score between 7 days after surgery and 6 months after surgery图2 脑出血患者Rankin评分减分率示意图Fig.2 Schematic diagram of Rankin score reduction rate in patients with cerebral hemorrhage

2.1.2 影像学分析

如图3、图4所示，与低减分率(恢复差组)组相比，高减分率组(恢复好组)分析采用ALFF影像学指标，通过双样本t检验确定显著差异脑区，结果表明初级视觉皮层(Primary Visual Cortex)及辅助运动区(Supplementary Motor)在两组患者：减分率高组(Mean±SD：1.26±0.11)vs减分率低组(Mean±SD：0.86±0.05)脑活动低频振幅差异显著(其中t初级视觉=3.21，p<0.01;t辅助运动=4.01，p<0.001)(表2).

图3 减分高低组ALFF功能活动差异脑区部位(红色圆圈处)Fig.3 Different brain regions of ALFF functional activity in two study group (red circle)图4 ALFF活动差异及基于影像学特征建立的预测模型ROC曲线Fig.4 The difference of ALFF activity and the ROC curve of the predictive model based on imaging features

表2 初级视觉皮层及辅助运动区两组患者脑活动低频振幅Tab.2 ALFF of brain activity in primary visual cortex and supplementary motor area

进一步采用感兴区分析(Analysis of Region of Interest)，如图3、图4所示，我们发现高减分率组患者与低减分率组患者相比，功能活动差异最显著的脑区是辅助运动区和初级视觉皮层；接着通过对所有患者T1像进行标准化后重叠，结果显示，患者ALFF出现差异的脑区部位与脑出血的部位并不重叠，此结果说明，脑出血患者 ALFF活动的差异并不是因为结构损伤本身导致的，如图5所示.其次，与减分高低组差异及功能活动差异脑区中， MNI最值坐标提示在减分率高与减分率低组中有2个脑区在术后一周呈现显著差异，分别是辅助运动区与初级视觉皮层，其中初级视觉皮层MNI最值坐标(4，1，44，3.19)；辅助运动区MNI最值坐标(4，-87，2，3.94)(表3).

图5 脑出血患者T1像标准化重叠脑区Fig.5 T1 images normalized overlapping brain regions in patients with intracerebral hemorrhage

表3 初级视觉皮层及辅助运动区MNI(Montreal Neurological Institute)最值坐标Tab.3 MNI coordinates of primary visual cortex and supplementarymotor areas

采用受试者工作特征曲线 (receiver operating characteristic curve)对两组被试对各自敏感脑区作分析，接受者操作特性曲线以假阳性概率(false positive rate)为横轴，击中概率为纵轴所组成的坐标图，和被试在特定刺激条件下由于采用不同的判断标准得出不同结果画出的曲线，如图4A、图4B所示，由图可知对于初级视觉皮层区域，AUC初级视觉皮层=0.91,p=0.01；对于辅助运动区域，AUC辅助运动区=0.82，p=0.002(表4).

表4 初级视觉皮层及辅助运动区两组患者ROC分析Tab.4 ROC analysis of primary visual cortex and supplementarymotor area

2.2 讨论

研究结果表明，患者辅助运动区活动对于术后运动相关高级认知功能的恢复具有重要作用.与低减分率(恢复差组)组相比，高减分率组(恢复好组)分析采用ALFF影像学指标(MNI标准模板)，通过双样本t检验确定显著差异脑区为初级视觉皮层与辅助运动区，在初级视觉皮层的ROC曲线分析中，两组被试AUC>0.9，且p=0.01，结果提示初级视觉皮层在自发性脑出血中作为重要的诊断脑区存在，具备较高的诊断价值[17]，我们的结果提示初级视觉皮层，对自发性脑出血康复极其重要且与自发性脑出血后的大脑功能代偿机制有关[18].辅助运动区是运动功能相关的重要脑区，该脑区通过与双侧主运动区、运动前区交互，维持相应的运动协调功能[19- 20]，在ROC曲线分析中，两组被试AUC>0.7，且p<0.01，具备良好的区分度意义，辅助运动区在自发性脑出血中是诊断价值处于中等水平的脑部区域[21].

综上所述，本研究结果提示初级视觉皮层在运动功能损伤情况下可能发挥了功能的代偿作用[22-23]，初级视觉皮层功能代偿作用对于患者术后康复有重要意义.其中运动前区在运动的发动和调控过程中担负着重要作用，主要负责运动的控制和计划[24].

3 结论

本研究选取脑出血患者术前静息态功能磁共振影像及结构像患者病例，探讨脑活动低频振幅在脑出血患者微创手术恢复后运动功能方面的临床预测价值.分别在患者术后7 d与术后6个月时，进行Rankin量表检查.在0.01～0.1 Hz的频带上取振幅的平均值，作为给定体素的ALFF并对每个体素的ALFF除以全脑ALFF平均值，通过双样本T检验计算两组患者脑活动ALFF的差异，并对有统计学意义的参数值做受试者工作特征(ROC)曲线，分别计算敏感度、特异度及曲线下面积(AUC).本研究结果提示患者辅助运动区和初级视觉皮层活动对于术后运动相关高级认知功能的恢复有重要作用.患者术后6周认知功能评分显著改善.减分率较高的患者在术后7 d辅助运动区，运动前区及初级视觉皮层有较高的活动.

综上所述，术后运动功能相关脑区和初级视觉皮层的活动与自发性脑出血微创手术治疗的疗效有关.这种关系可能和患者运动功能的保留程度及脑功能代偿机制有关，但这些发现还需要进一步验证.在未来研究中应继续对自发性脑出血患者进行入组，并根据不同脑损伤靶点对患者进行分组，进一步明确不同损伤靶点微创治疗对脑认知功能活动的影响.建议继续增加静息态功能磁共振影像随访，进一步验证目前发现的局部脑区功能活动对远期术后预后情况的预测效用.