基于自动脑分割技术定量分析学龄期健康人群脑体积

赵锦洪,邹飞,杨智利,陈优,程冰雪,叶印泉,龚良庚,左敏静,肖新兰,连珞

人类脑部结构被划分为多个功能区域,而每个区域对人的记忆、语言和运动等功能发挥着不同的作用。对脑部疾病进行分析时,常常需要对某个感兴趣区域的体积等特征变化进行研究。MRI因其分辨率高和图像清晰而获得医学研究者的广泛认可,尤其是在脑部自动分割技术及脑部结构体积测量方面,可得到更高的精确度。自动脑分割技术利用人工智能影像后处理软件,基于大数据处理,对MRI扫描数据进行分析,可进行脑部区域的分割并自动生成脑内各结构的体积测量数据,从而能反映脑部结构的微妙变化。

目前多数自动脑分割技术的相关研究中使用的体积标准化值是基于国外健康人群脑结构的测量数据而制定的,国内仅少数文献报道了中国健康中老年人群脑结构体积的测量结果,尚缺乏对学龄期人群脑结构体积进行测量的研究。本研究采用自动脑分割技术分析中国学龄期青少年脑内不同结构的脑体积值及其与年龄的相关性,试图建立国内学龄期人群脑结构体积的参考值,旨在为今后对学龄期人群进行脑疾病的诊断、脑功能机制及脑发育等方面的研究奠定一定的基础。

材料与方法

1.临床资料

2022年1月-7月将144例中国学龄期健康志愿者纳入研究。其中,男、女各72例,年龄6～18岁。按年龄(6～9、10～12、13～15和16～18岁)将所有受试者分为4组(A～D组),分别有39、35、35和35例。纳入标准:①无精神障碍病史及相关家族史;②脑部无外伤史和器质性病变;③近期未服用精神类药物史;④身高、体重等发育状况指标均正常;⑤颅脑常规MRI未见异常;⑥无幽闭恐惧症;⑦检查时配合良好;⑧为右利手。

本研究获得南昌大学第二附属医院伦理委员会批准(研临字[2022]034)。所有受试者及其监护人知情同意。

2.MRI检查方法

使用GE Discovery 750w 3.0T MR扫描仪和8通道头部线圈,扫描序列及参数如下。横轴面T1WI:TR 2250 ms,TE 24 ms;横轴面T2WI:TR 3400 ms,TE 110 ms;横轴面、冠状面及矢状面FLAIR序列:TR 8516 ms,TE 166 ms,视野240 mm×240 mm,层厚3 mm,层间距0 mm,激励次数1。

3.图像后处理

将所有患者的T1WI数据(图1a)统一至同一坐标系中,然后逐一与标准模板图像数据进行线性配准,进行脑部不同结构区域的分割、提取并进行标记,获得脑分割图像(图1b)和脑结构体积报告。所提取的脑结构包括全脑、脑灰质、脑白质、大脑白质、皮层下灰质、内侧颞叶、外侧颞叶、枕叶、岛叶、小脑灰质、小脑白质、额叶、顶叶、扣带回、脑室、脑脊液和脑干;提供的脑结构体积值包括体积绝对值和标准化体积值,标准化体积为脑结构体积与全脑总体积的百分比。

图1 男性受试者,10岁。a)原始(配准前)横轴面T1WI图像;b)经后处理软件获得的脑内各结构分割图像。

4.统计学分析

结 果

1.健康学龄期人群脑内各结构的标准化体积

颅脑总容积为(1461.05±136.33) mL,脑干、第三脑室、第四脑室、外周脑脊液和全部脑脊液的标准化体积分别为1.32%±0.13%、0.07%±0.01%、19.17%±2.85%和19.83%±3.59%;脑内其它结构左、右侧的标准化体积值见表1。

2.不同性别之间脑内各结构体积的比较

年龄和性别对脑内所有结构体积测量值的交互影响作用无统计学意义(P>0.05)。男性组和女性组各脑结构的标准化体积的比较结果详见表2。不同性别组之间:颅脑总容积的绝对值及左侧脑白质、全脑脑白质、左侧大脑白质、右侧大脑白质、大脑白质及皮层下灰质、内侧颞叶、外侧颞叶、枕叶、额叶、顶叶和扣带回的部分脑区的标准化体积的差异均有统计学意义(P<0.05);其它脑结构的标准化体积的差异无统计学意义(P>0.05)。

表2 不同性别学龄期人群体积有统计学差异(P<0.05)的脑内各结构的体积

3.脑内各结构左、右侧标准化体积的比较

楔叶、岛叶、小脑白质、侧脑室及皮层下灰质、内侧颞叶、外侧颞叶、额叶、顶叶和扣带回的部分脑区的左、右侧标准化体积的差异均有统计学意义(P<0.05),其它脑结构(或其相应脑区)的标准化体积在左、右侧之间的差异无统计学意义(P>0.05),详见表3。

表3 学龄期人群脑内各结构左右侧标准化体积的比较

4.不同年龄组脑内各结构标准化体积的差异

对4个年龄组脑内各结构的标准化体积进行比较,差异有统计学意义的脑区的方差分析及组间多重比较结果详见表4。在A组与D组之间有较多脑区的标准化体积值的差异有统计学意义,且差值较大;而其余各组之间仅部分脑区的标准化体积值有显著差异。

表4 标准化体积在4个年龄组之间有显著差异的脑内各结构的统计分析结果

Spearman相关性分析结果显示,脑脊液标准化体积与年龄呈负相关(r=-0.49,P<0.05),右壳核、左海马旁回、双梭状回、双颞上回、右颞下回、左额上回、双额中回前部、双额极、左顶上小叶、双顶下小叶和左楔前叶的标准化体积与年龄均呈正相关(r=0.42、0.42、0.59、0.58、0.44、0.44、0.47、0.51、0.47、0.48、0.48,P均<0.05)。

讨 论

人脑形态学一直是科学研究领域的热点,人脑的发育遵循“结构-功能”的变化模式,虽然在出生时人脑的这种变化模式已基本完成,但成年之前,尤其是学龄期,人脑还将进行复杂的生物发育,而性别、年龄、遗传、文化和环境等因素与学龄期人脑结构的发育息息相关[1-3]。本研究中使用人工智能影像处理软件(上海联影智能医疗科技有限公司开发)的自动脑分割技术,观察健康学龄期人群脑内各结构的体积改变,并对脑结构的绝对体积值进行标准化,以去除个体差异的影响,分析其与性别、年龄、左右大脑半球等因素的关系,获得健康学龄期人脑各结构体积的参考值,将该正常参考值作为基础资料,可广泛应用于科研、医疗和教学。

本研究中采用的人工智能影像处理软件的自动脑分割技术是基于图谱分割算法,其原理是利用大尺度微分同胚度量影射(large deformations diffeomorphic metric mapping,LDDMM)方法,将需要分割的影像图像映射到已分割好的模板上。而用于配准的标准脑模板采用脑成像联盟(International Consortium for Brain Mapping,ICBM)提出的ICBM152模板,此模板由英国牛津大学研发的脑功能磁共振成像软件库提供[4],其基本计算方法是通过数学逆变换算子将分割结果变换到原图空间,进而获得原始输入影像图大幅度像的分割结果。通常情况下正常脑组织的结构主要为灰质、白质和脑脊液,它们在T1WI图像上较其它序列(T2WI、FLAIR等)更易被区分,因此本研究基于T1WI序列对正常脑组织进行分割,而为了分析病变对脑白质结构的损伤进行脑结构的分割和体积测量时,则需要基于多模态MRI数据(T1WI、T2WI、FLAIR图像)对脑白质的不同灰度特性进行分析和利用。

本研究结果显示在中国正常学龄期人群中,男性的颅脑总体积、大脑白质及内侧颞叶、外侧颞叶、枕叶、额叶和扣带回的部分脑区的体积大于女性,而女性的尾状核、部分顶叶的体积大于男性,表明学龄期人群部分脑结构的体积存在性别差异,其产生的机制可能是激素水平、基因差异、自然社会环境和生活习惯等多种因素综合作用的结果[5-7]。其中,激素水平的高低及个体对激素的敏感性差异是较为肯定的影响因素,神经类固醇甾体在大脑中合成并在脑发育过程中发挥着重要作用[8-9]。有研究证明神经活性类固醇在顶叶和枕叶联合皮质的多个区域,孕烯醇酮和异丙孕酮水平与脑灰质厚度呈正相关。另外,脑结构体积的性别差异还可能受基因调控[10-11],可能与性染色体效应有关,导致男性脑结构在解剖学上表现出较大的变异性。

现阶段研究认为人脑结构体积的不对称性在健康人群中普遍存在,可能与优势肢体或优势感有关[12-15]。大多数右利手者为左侧优势大脑半球,其主要与语言、理解、逻辑、分析及运动等功能有关,又称语言脑;而右侧优势大脑半球主要与非语言的、视听觉及空间知觉等功能有关,又称艺术脑。额顶叶是大脑的语言运动中枢,尾状核和苍白球与运动计划的执行有关;颞枕叶与视听觉密切相关,岛叶和扣带回等与记忆、情感等功能相关。本研究所有志愿者均为右利手,左侧部分额顶叶、尾状核、苍白球和侧脑室的体积大于右侧,可能与左侧大脑半球优势有关;右侧颞枕叶、岛叶和扣带回的部分区域的体积大于左侧,可能与右侧大脑半球优势有关。这说明大脑半球不仅存在机能的不对称性,也存在结构的不对称性。了解颅脑体积的偏侧化有助于认识和鉴别相关疾病,如慢性精神分裂症与皮层下体积偏侧化改变有关,尤其是与苍白球的体积双侧不对称、左侧体积增加的改变有显著相关性,这可能是精神病易感性的基础[16-17]。

儿童和青少年时期大脑皮质按照从后部到前部的顺序发育,大脑皮层体积的变化规律为儿童和青少年时期呈广泛、显著增大,然后在青春期前后大脑皮层的体积出现选择性减少。本研究中不同年龄组之间右壳核、左海马旁回、双侧梭状回、双侧颞上回、右侧颞下回、左侧额上回、双侧额中回前部、双侧额极、左顶上小叶、双侧顶下小叶及左侧楔前叶的体积存在差异,且这些脑区的体积与年龄呈正相关,脑脊液的体积在不同年龄组之间亦存在差异,且其与年龄呈负相关。上述结果表明健康学龄期人群不同区域脑结构体积的发育模式不尽相同,发展趋势是脑结构的体积随年龄呈现非线性增长,部分区域的体积在达到峰值后出现下降,与既往研究结果相符[18-20]。

近年来,行为医学与脑科学领域研究的热点之一是抑郁症相关的影像学研究[21],自杀是抑郁症最危险的临床症状,而两者之间关系的神经病理学基础尚不明确,但有学者利用结构MRI和功能MRI技术研究发现与无自杀意念/行为的抑郁症患者相比,有自杀意念/行为的抑郁症患者存在明显的脑结构或功能的改变,这些改变主要集中于颞顶叶、眶额叶、扣带回、海马和纹状体等脑区以及脑核心认知网络,尤其是前额叶-边缘系统。未来的研究需考虑遗传学因素的影响,整合遗传影像学技术,探讨抑郁症伴或不伴自杀意念/行为的遗传影像特征,同时运用多模态神经影像学技术,来进一步探讨抑郁症伴或不伴自杀意念/行为的神经生物学基础,寻找可作为早期识别自杀意念/行为的生物-影像学标志物,以提高临床上对于自杀行为预测的准确性,减轻自杀所带来的巨大危害[22-24]。

本研究存在的不足是样本量较少,有待扩大样本量进一步深入研究。

综上所述,脑自动分割技术可直观、快速、有效地分析脑内各结构的体积,进一步了解健康学龄期人群脑结构的发展规律,对于检测个体的发育状态和筛选早期发育异常者具有重要意义。