MorphoBox自动分割皮层下灰质核团

张晓楠，程敬亮，张 勇，宋承汝，马可燃，白 曼，王克凡，毛鑫月

(郑州大学第一附属医院磁共振科，河南 郑州 450052)

基于图像的自动脑形态测量分析现已逐渐用于量化正常衰老和脑结构在各种神经退行性疾病进展期中的变化[1]，并已开发出多种免费自动分割测量软件，如应用较广的Freesurfer、SPM和FSL-first等，但硬件要求较高、计算耗时较长等缺陷限制了其临床推广应用。随着技术发展，MorphoBox[2]算法实现了将自动脑分割功能整合到磁化强度预备梯度回波(magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo, MPRAGE)序列中，待扫描结束即直接自动生成脑内各结构的形态学体积测量报告，直观、快速，无需后处理，目前已用于阿尔兹海默病、帕金森病等常见神经退行性疾病，并发现其与深部核团改变关系密切[3]。本研究通过与Freesurfer对比，观察MorphoBox分割皮层下灰质核团的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2019年4月—2020年10月40例就诊于郑州大学第一附属医院40例颞叶癫痫(temporal lobe epilepsy, TLE)患者，男21例、女19例，年龄17～55岁、平均(30.5±12.1)岁，病程1～30年、中位病程4.5年；其中，单侧海马硬化(即内侧TLE)24例，非海马硬化(即外侧TLE)16例；按脑电图提示癫痫颞叶侧别将其分为左侧TLE(left TLE, LTLE)组和右侧TLE(right TLE, RTLE)组。TLE患者纳入标准：①汉族、右利手，患者间无血缘关系；②根据国际抗癫痫联盟(International League Against Epilepsy, ILAE)2017年诊断标准确诊癫痫；③癫痫症状符合颞叶起源性发作；④头皮脑电图或颅内电极脑电图示发作或发作间期痫性放电源于颞叶。招募同期22名受教育年限均相匹配的健康志愿者作为健康对照(healthy control, HC)，男、女各11名，年龄18～46岁、平均(28.3±6.74)岁。HC组纳入标准：①汉族、右利手，相互无血缘关系；②无颅脑损伤、昏迷及心脑血管疾病、糖尿病等慢性病史；③三代以内亲属无癫痫、精神和神经疾病；④头颅MRI未见明显异常；⑤无酒精、毒品或药物依赖史；⑥无服用精神疾病类药物史。排除标准：①全身性疾病、精神障碍及药物成瘾等；②颅内占位性病变，脑外伤、脑梗死、脑出血及颅内感染等脑部疾病史；③植入金属支架、金属牙齿、金属瓣膜等易产生伪影的外物；④扫描时头部移动距离大于3 mm。本研究经医院伦理委员会批准(审查编号：2019-KY-232)；受试者签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Magnetom Prisma 3.0T MR扫描仪，64通道头颅线圈。嘱受试者平卧、睁眼、平静呼吸，尽量避免自主思维活动；行常规头颅MRI，包括T2W、液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)序列、MPRAGE序列及弥散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)，具体参数见表1。

表1 头颅MR扫描参数

1.3 图像处理 完成MPRAGE序列扫描后，系统自动生成原始图像(图1A)、MorphoBox脑体积分割图像(图1B)及全脑结构体积报告。采用Freesurfer 图像分析套件进行皮质重建和体积分割，并于云平台(http://www.humanbrain.cn, Beijing Intelligent Brain Cloud, Inc.)经过程加速和简化后得到分割图像(图1C)和体积报告。从以上两种报告中各提取5对基底核团，即丘脑、壳核、尾状核、苍白球即海马的体积。

图1 TLE患者，男，36岁 A. 原始正中矢状面MPRAGE图； B.正中矢状面MorphoBox脑体积分割图； C.正中矢状面Freesurfer脑体积分割图

1.4 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料，采用配对t检验进行2组间比较；以中位数(上、下四分位数)表示不符合正态分布者，以Wilcoxon检验行2组间比较、Kruskal-WallisH检验行3组间比较。以χ2检验比较计数资料。行Pearson相关分析；采用组内相关系数(intra-class correlation efficient, ICC)评估2种算法的一致性。以效应值评价2种算法所测平均值的差异，效应值其中，M1为样本1均值，M2为样本2均值，SD1为样本1标准差，SD2为样本2标准差。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料 LTLE组、RTLE组及HC组年龄、性别及病程差异无统计学意义(P均>0.05)，见表2。

表2 LTLE、RTLE患者及健康人一般资料比较

2.2 灰质核团体积 MorphoBox与Freesurfer所测双侧壳核和尾状核、右侧苍白球及双侧海马体积差异均有统计学意义(P均<0.05)。Freesurfer所测双侧海马体积均大于MorphoBox(P均<0.05)、双侧壳核体积均小于MorphoBox(P均<0.05)，LTLE和RTLE

组双侧尾状核体积均大于MorphoBox(P均<0.05)，而HC组双侧尾状核体积则小于MorphoBox(P均<0.05)。MorphoBox所测LTLE和RTLE组两侧壳核、尾状核及海马体积差异均有统计学意义(P均<0.05)，Freesurfer所测RTLE组两侧丘脑及LTLE、RTLE组两侧壳核、尾状核、苍白球及海马体积差异均有统计学意义(P均<0.05)。见表3。

表3 MorphoBox和Freesurfer所测灰质核团体积比较(cm3)

2.3 相关性、一致性分析及效应值 除HC组双侧海马外(P均>0.05)，MorphoBox与Freesurfer所测其余基底核团体积结果均相关(r=0.471～0.850，P均<0.05)。

除HC组右侧苍白球及双侧海马外，MorphoBox与Freesurfer所测其余基底核团体积结果均具有一致性(ICC=0.392～0.818，P均<0.05)。

MorphoBox与Freesurfer测量壳核体积的效应值较大，为1.66～5.33。见表4。

表4 MorphoBox与Freesurfer测量5对基底核团的相关性、一致性分析及效应值

3 讨论

已有研究[4-5]证实，脑萎缩相关体积测量结果与神经退行性疾病实际脑萎缩程度、神经病理学变化和认知障碍密切相关，且具有良好的可重复性、可靠性和客观性。测量海马体积有助于诊断TLE。海马硬化是TLE最常见病理类型，表现为海马体积缩小、神经元细胞丢失和神经胶质细胞增生；经手术切除后，治愈率可达70%以上[6]。由于海马体积较小且解剖较为复杂，手工测量耗时较长；采用脑容积自动分割软件可提高医师工作效率和诊断准确性。

MorphoBox和Freesurfer两种方法所用模板的脑图谱不同[7-8]；Freesurfer基于局部而非全局强度分布建模，用于分割海马等混合灰/白质结构更具优势。本研究发现MorphoBox与Freesurfer所测双侧壳核、尾状核，右侧苍白球及双侧海马体积差异均有统计学意义，与既往研究[9]结果基本一致；MorphoBox和Freesurfer所测量部分核团左、右侧体积差异有统计学意义，主要原因在于TLE患者存在双侧大脑半球广泛结构损伤，而患侧损伤更为严重[10]，导致双侧灰质核团体积出现差异。本研究MorphoBox与Freesurfer所测LTLE组和RTLE组患侧海马体积均小于健侧，Freesurfer所测RTLE组患侧丘脑体积小于健侧，与文献[11]报道TLE海马硬化患者出现海马萎缩及同侧丘脑萎缩一致，提示其为 TLE颞叶外异常表现之一[12]。

除HC组双侧海马外，MorphoBox与Freesurfer所测其余基底核团体积结果均相关，且HC组除双侧海马外的r值均较高；分析原因，可能在于致痫灶或长期异常放电刺激致脑组织受损而使灰质-白质模糊[13]，造成脑分割数值差异。MorphoBox与Freesurfer所测基底核团体积结果均具有一致性，但跨度较大(ICC=0.392～0.818)，主要与分割苍白球、壳核和海马等难度较高和2种方法基于不同图谱有关[14]。

综上，MorphoBox可快速有效地自动分割脑内皮层下各灰质核团，值得临床推广应用。但本研究样本量小，且仅针对5对基底核团进行分析，有待后续进一步完善。