基于自动脑分割技术分析中国正常中老年人群脑结构体积

张春艳，程敬亮，陈 晨，赵瑞琛，彭媛媛

(郑州大学第一附属医院磁共振科，河南 郑州 450052)

自动脑分割技术将测量分析脑形态整合到磁化强度预备梯度回波序列(magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo, MPRAGE)中，扫描结束直接自动生成脑内各结构的形态学体积测量报告[1]，直观快速，无需后处理，可用于研究帕金森病[2-3]、阿尔兹海默病[1]等常见中老年疾病脑体积改变。目前该技术所用体积标准参考值是依据国外正常人群的脑结构制定。本研究采用自动脑分割技术观察中国正常中老年人群脑结构体积，分析年龄对脑内各组织结构体积的影响，以期为制定中国正常中老年人群脑结构体积标准值提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2018年4—11月96名健康中老年志愿者，男、女各48名，年龄40～79岁，平均(60±9.9)岁；均为右利手；将其按年龄分为40～49、50～59、60～69、70～79岁(第1、2、3、4组)，各含18、19、42、17名志愿者。纳入标准：①脑部无外伤史和器质性病变；②无相关家族病史及精神神经系统相关疾病；③近期无服用特殊药物史；④无药物及毒品滥用和依赖史；⑤无过度饮酒史；⑥颅脑MRI未见异常。本研究经郑州大学第一附属医院伦理委员会批准(批准号：SS-2018-10)，检查前志愿者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Prisma 3.0T MR扫描仪，64通道头部相控阵线圈。T2WI： R/TE 4 000/95 ms、层厚 4 mm，层间距 1 mm，FOV 240 mm×240 mm，层数 45；全脑矢状位MPRAGE TR/TE 2 300/2.9 ms，层厚 1.2 mm，层间距 0 mm，TI 900 ms，FOV 256 mm×256 mm，反转角9°，iPAT因子2，扫描时间 5 min 12 s。扫描结束获得原始图像(图1A)、脑体积分割图像(图1B、1C)和脑结构体积报告，包括全脑、灰质、皮层灰质、白质、脑脊液、丘脑、壳核、尾状核、苍白球、海马、脑室、额叶、顶叶、枕叶、颞叶、扣带回、岛叶、小脑及脑干(中脑、桥脑、延髓)的绝对体积值和标准体积值。标准体积值=绝对体积值/颅脑总体积×100%。

1.3 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件。以±s表示计量资料。采用双因素方差分析性别和年龄对脑结构体积的影响；以独立样本t检验比较不同性别脑内各结构体积差异，以配对t检验比较脑内各结构左右侧体积差异，计算t检验的效应值：效应值=2组均值之差/标准差；采用单因素方差分析比较各年龄组脑内各结构体积差异，以LSD检验行两两比较，采用FDR方法对结果进行校正，计算方差分析效应值：效应值采用Pearson相关分析观察脑内各结构体积与年龄的关系。P<0.05为差异有统计学意义。

图1 患者女，61岁，MPRAGE序列扫描图像 A.原始正中矢状位图像；B、C.正中矢状面脑内各结构自动体积分割图像

2 结果

2.1 正常中老年人群脑内各结构标准体积值 颅脑总体积(绝对体积值)为(1 343.97±129.12)ml，脑内各结构标准体积值见表1。

2.2 不同性别脑内各结构体积比较 性别及年龄对脑内所有结构的影响不存在交互作用(P均>0.05)。不同性别之间，颅脑总体积绝对值及右侧壳核、左、右侧尾状核、尾状核、右侧苍白球、右侧额叶灰质、左侧顶叶灰质标准体积值差异均有统计学意义(P均<0.05，表2)，余各结构标准体积值差异无统计学意义(P均>0.05)。

2.3 脑内各结构左右侧标准体积值比较 丘脑、壳核、尾狀核、额叶、顶叶、枕叶、颞叶、岛叶、扣带回灰质及侧脑室左右侧标准体积值差异均有统计学意义(P均<0.05)，余结构左右侧差异无统计学意义(P均>0.05，表3)。

表1 正常中老年人群脑内各结构标准体积值(%，±s)

表1 正常中老年人群脑内各结构标准体积值(%，±s)

脑结构体积值脑结构体积值脑结构体积值灰质46.08±2.10左侧额叶灰质6.76±0.43左侧颞叶白质2.14±0.23皮层灰质35.87±1.74右侧额叶灰质6.33±0.76右侧颞叶白质2.26±0.25白质31.81±2.29左侧额叶白质5.64±0.54左侧扣带回灰质0.45±0.05脑脊液22.11±2.94右侧额叶白质5.41±0.52右侧扣带回灰质0.62±0.06左侧丘脑0.50±0.04左侧顶叶灰质4.56±0.31左侧岛叶0.40±0.04右侧丘脑0.52±0.04右侧顶叶灰质4.43±0.29右侧岛叶0.45±0.04左侧壳核0.55±0.04左侧顶叶白质3.43±0.04小脑8.32±0.67右侧壳核0.49±0.06右侧顶叶白质3.32±0.34中脑0.72±0.05左侧尾状核0.32±0.03左侧枕叶灰质1.93±0.20桥脑1.12±0.15右侧尾状核0.34±0.03右侧枕叶灰质2.15±0.24延髓0.39±0.03左侧苍白球0.15±0.01左侧枕叶白质1.00±0.16第三脑室0.14±0.04右侧苍白球0.15±0.02右侧枕叶白质1.18±0.18第四脑室0.16±0.04左侧海马0.26±0.03左侧颞叶灰质4.23±0.34右侧侧脑室0.84±0.44右侧海马0.25±0.02右侧颞叶灰质4.51±0.40左侧侧脑室0.92±0.53

表2 不同性别中老年人群脑内各结构体积比较(±s)

表2 不同性别中老年人群脑内各结构体积比较(±s)

组别颅脑总体积(ml)右侧壳核(%)左侧尾状核(%)右侧尾状核(%)尾状核(%)右侧苍白球(%)右侧额叶灰质(%)左侧顶叶灰质(%)男性1 421.84±115.590.48±0.080.31±0.030.33±0.030.64±0.060.14±0.0126.16±0.954.48±0.29女性1 266.09±89.160.51±0.040.33±0.030.34±0.030.67±0.060.15±0.016.50±0.474.64±0.31t值7.39-2.61-2.31-2.21-2.46-2.36-2.18-2.56效应值1.750.930.440.430.480.520.700.50P值<0.050.010.020.030.020.020.030.01

表3 中老年人群脑内各结构左右侧标准体积值比较(%，±s)

表3 中老年人群脑内各结构左右侧标准体积值比较(%，±s)

组别丘脑壳核尾状核侧脑室额叶灰质额叶白质顶叶灰质左侧0.50±0.040.55±0.040.32±0.030.92±0.536.76±0.435.64±0.544.56±0.31右侧0.52±0.040.49±0.060.34±0.030.84±0.446.33±0.765.41±0.524.43±0.29t值-6.2610.31-9.823.626.249.775.73效应值0.390.840.540.160.570.460.46P值<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05组别顶叶白质枕叶灰质枕叶白质颞叶灰质颞叶白质扣带回灰质岛叶左侧3.43±0.401.93±0.200.99±0.164.23±0.352.14±0.230.45±0.050.40±0.04右侧3.32±0.342.15±0.241.18±0.184.51±0.402.26±0.250.62±0.060.45±0.04t值3.95-12.62-12.52-14.10-10.41-43.00-15.58效应值0.320.931.060.710.492.801.08P值<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05<0.05

注：效应值不受样本容量影响，值越大表明效应越明显、组间差异越大，更具临床意义

2.4 不同年龄脑内各结构标准体积值差异 不同年龄标准体积值差异有统计学意义的脑内结构及其多重两两比较见表4。脑脊液、右侧侧脑室、第三脑室标准体积值与年龄呈正相关(r=0.60、0.51、0.57，P均<0.05)，皮层灰质、双侧额叶灰质、双侧额叶白质、双侧顶叶灰质、左侧枕、岛叶灰质、双侧颞叶灰质标准体积值与年龄均呈负相关(r=-0.62、-0.46、-0.36、-0.36、-0.37、-0.38、-0.37、-0.30、-0.43、-0.35、-0.32，P均<0.05)。

3 讨论

正常人大脑发育、成熟及老化过程中其各结构的体积不断发生变化，一般表现为生长发育期和成熟初期脑结构体积逐渐增大，之后随老化进展而不断减小[4]。本研究采用Siemens自动脑分割技术观察正常中老年人脑内各结构体积改变，分析其与性别、年龄、左右大脑半球等因素的关系，并对脑结构绝对体积值进行标准化，以去除个体差异，获得健康中老年人脑内各结构体积参考值，为研究中老年人群常见脑疾病提供参考。

本研究结果显示中国正常中老年男性颅脑总体积大于女性[5-6]，女性脑内右侧壳核、苍白球及额叶灰质、左侧顶叶灰质及尾状核体积大于男性。中老年人脑结构体积存在性别差异，通常随年龄增大，男性脑结构体积萎缩程度较女性更显著[7-8]，可能是生活习惯、思维方式、激素水平、自然社会环境等多方面因素共同作用导致[9-10]。

既往研究[11-13]表明人类大脑具有不对称性，左右侧大脑半球结构存在明显差异。大多数右利手者大脑左半球的优势表现在语言、运动及逻辑分析等方面，壳核与执行运动计划有关，额顶叶是大脑的语言运动中枢，而大脑右半球的优势表现在非语言的、视听觉及空间知觉等方面，丘脑、岛叶、扣带回等与记忆、情感等功能相关，枕颞叶与视听觉密切相关。本组所有志愿者均为右利手，左侧壳核、侧脑室及额顶叶灰白质体积大于右侧，可能与左半球优势相关；左侧丘脑、尾状核、枕颞叶灰白质、扣带回灰质及岛叶体积小于右侧，可能与右半球的非语言及情感记忆功能等优势有关。

文献[14-16]指出中老年人脑内广泛存在增龄性萎缩，主要包括脑室扩大、脑沟增宽及脑实质减轻等。SALAT等[14]和WALHOVD等[15]研究均证实额叶、岛颞叶等脑区体积随年龄增大而减小。本研究不同年龄组间脑脊液、侧脑室及第三脑室体积存在差异，且与年龄呈正相关；皮层灰质、额叶灰白质、顶枕颞叶灰质及岛叶体积亦存在差异，与年龄呈负相关，表明中老年人脑结构体积随年龄增长而发生广泛改变，且60岁后脑体积萎缩较明显，与既往研究[16-17]结果相符。

表4 不同年龄中老年人群脑内各结构标准体积值比较的统计学结果

综上所述，自动脑分割技术可直观快速有效分析脑内各结构体积；不同性别健康中老年人脑内结构体积存在差异，脑脊液、侧脑室及第三脑室体积随年龄增加而增大，皮层灰质、额叶灰白质、顶枕颞叶灰质及岛叶体积则随之缩小。本研究样本量较少，有待扩大样本量进一步研究。