利用脑局部一致性算法对原发性复杂部分性发作癫痫的磁共振研究

内蒙古医学院附属医院MRI室（内蒙古 呼和浩特 010050）

乔鹏飞 牛广明 韩晓东

利用脑局部一致性算法对原发性复杂部分性发作癫痫的磁共振研究

内蒙古医学院附属医院MRI室（内蒙古 呼和浩特 010050）

乔鹏飞 牛广明 韩晓东

目的 采用静息态功能磁共振成像(rfMRI)技术，通过与正常人对比，观察原发性癫痫复杂部分性发作患者脑局部一致性(ReHo）的改变情况，探讨其脑活动的神经机制。方法对20例复杂部分性发作癫痫患者与20例年龄、受教育程度相匹配的健康志愿者进行静息态磁共振扫描，使用ReHo算法对比分析MRI数据，观察两组被试血氧水平依赖(BOLD)信号局部一致性不同的区域。 结果 病人大脑的左右内侧颞叶、顶叶局部一致性较正常人高；另外在双侧楔前叶、小脑半球及左内侧前额叶的局部一致性较正常人低。结论ReHo 方法可以有效地用于癫痫基础和临床研究。

静息态功能磁共振成像;原发性复杂部分性发作癫痫;局部一致性

癫痫（Epilepsy）是由于多种病因引起的慢性脑部疾病，以脑神经元过度放电所致的突然、反复和短暂的中枢神经系统功能失常为特征。癫痫的发病率在发达国家、经济转轨国家、发展中国家、不发达国家分别为0.5%、0.6l%、0.72%、1.12%，以此估计，全球大约有5000万癫痫病人，我国癫痫病人总数约900万，这是一个非常惊人的数字。目前认为，癫痫已经成为神经系统疾病中仅次于脑卒中的第二大常见病，癫痫性猝死也日益引起研究者的关注[1]，其病因复杂，临床表现多样性，治疗效果及预后受众多因素的影响[2]。近年来MRI技术发展迅速,对癫痫的研究不再只局限于对形态学应用研究,已拓展到脑功能成像等更广阔的领域[3]。复杂部分性发作是原发性癫痫的一个亚型，为常见的癫痫发作形式。本文采用一种基于局部一致性（regional homogeneity，ReHo）算法的fMRI技术，利用静息态功能磁共振成像(resting-state functional MRI, rfMRI)技术对其脑活动情况进行观察，并与正常人作对比研究，探索其病理生理机制，讨论局部一致性算法在癫痫研究中的应用价值。

材料与方法

1.1 研究对象从2010年3月至2011年4月来自内蒙古自治区的原发性复杂部分性发作癫痫患者20例（根据临床诊断、MRI检测结果及国际抗癫痫联盟2001年诊断标准筛选），其中男11例，年龄17-45岁，平均34.2岁，女9例，年龄14-41岁，平均32.9岁（病例组）；同时选择在性别、年龄、受教育年限上相匹配的健康志愿者20例（对照组）。受试者均为右利手，视力、听力正常，无MRI扫描禁忌；无严重躯体疾病，利用神经症筛选表及精神卫生筛选表排除个人精神疾病史，扫描前利用焦虑自评量表及抑郁自评量表排除焦虑及抑郁情绪状态，排除药物、酒精依赖者、近期内有过严重感染或经历手术者、妊娠或哺乳期妇女及参加其他临床药物研究者。本实验得到了内蒙古医学院医学伦理委员会的批准，所有受试者均签署知情同意书。

图1-2 病例组ReHo值升高(图1)及降低(图2)的区域（单样本t检验，暖色代表ReHo值增强的脑区）.

表1 病例组较对照组ReHo值增高的脑区

表2 病例组较对照组ReHo值降低的脑区

1.2 数据采集使用美国GE公司3.0T Signa HDx超导型MR扫描仪(GE-Signa HDx, Milwaukee, US.)，8NV－Head线圈，以头部线圈作为发射和接受线圈。扫描时受试者清醒、闭眼、头部固定、安静平卧于检查床，不执行特定的认知任务。相关扫描序列及参数如下：

1.2.1 常规检查序列包括轴位T2加权成像（T2WI）和轴位弥散加权成像（DWI），以排除颅内器质性病变。

（1）T2WI扫描参数：TR/TE=6280/104ms，层厚:5mm，间隔:l.5mm，NEX:1，FOV:24x24cm，Matrix:320x320，扫描层数为19层，扫描时间为82秒。

（2）DWI扫描参数：TR/TE=4450/72.9ms，层厚:5mm，间隔:1.5mm，NEX:2，FOV:24x24cm，Matrix:128xl28，扫描层数为19层，扫描时间为40秒。

1.2.2 T1-3D BRAVO序列扫描，参数：TR/TE=7.8/3.0ms，层厚:lmm，间隔:0，NEX:0.5，FOV:24x24cm，Matrix:256x256，FA（Flip Angle）:13°。从右向左采集，采集层数为176层，扫描时间为209秒。

1.2.3 静息态参数：采用梯度回波（GRE）单次激发回波平面成像（EPI）技术，TR/TE=2000/30ms，层厚:4mm，间隔:0mm，FOV=24x24cm，Matrix：64x64，FA（Flip Angle）：90°，层数:38，采集256个时间点，扫描时间为512秒，共获得9728幅图像。

1.3 数据预处理采集到的静息态数据使用SPM8(statistical parametric mapping, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)进行预处理。对每个被试对象的fMRI数据首先进行时间校正，接着进行头动校正，排除头部平动大于2.5mm，转动大于2.5°的被试对象；而后将校正后的图像进行标准化，采用SPM自带EPI模板，归一化到标准的MNI（Montreal Neurological Institute)系统，并将每个体素重采样至3mm*3mm*3mm;最后使用高斯核函数进行平滑(smooth)，降低空间噪声，全宽半高值（FWHM）为4mm。对处理后的数据,采用基于窗函数的自编滤波软件行0.01-0.08Hz带通滤波,去除高频呼吸心跳及低频噪声。所有受试者均未被排除。

图3 病例组与对照组的ReHo值对比（双样本t检验，暖色代表ReHo值增强的脑区）：ReHo值增强的脑区主要位于双侧内侧颞叶、双侧顶叶；ReHo值减弱的脑区主要位于前扣带回、双侧楔前叶、小脑半球。

1.4 ReHo数据分析使用北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室开发的REST软件完成。计算出脑内每个体素与其周围相邻的体素在时间序列上的一致性，得出该体素的肯德尔和谐系数（Kendall's coefficient of concordance，KCC），即为该体素的ReHo值，每个体素均有一个 ReHo值，构成了受试者的ReHo脑。

一个给定点的肯德尔和谐系数KCC的计算公式如下：

其中W就是给定点的肯德尔和谐系数KCC，其取值范围在0-1之间;n是时间点数，本研究中 n=250；K是给定体素点与其邻域体素点的总数，本研究中K=27，即给定点本身及其26个邻域点，这27个体素点又称为一个簇（cluster）；Ri是第i个时间点的27个体素点的体素值的等级总数；R是Ri的平均值[2]。

1.5统计分析使用SPM8软件,（1）对病例组统计脑图进行单样本t检验（图1、2），(2）对病例组和对照组统计脑图进行双样本t检验（图3），最后结果叠加在标准avg152 T1像上进行显示。取阈值为p<0.05(未校正)，经过Alphasim校正，去除少于85个体素的区域（校正后p≤0.05），得到两组人静息状态下大脑ReHo值统计差异。

结 果

研究显示：病人大脑左右内侧颞叶(mesial temporal lobe,mTL)、顶叶(parietal lobe)区域ReHo值较正常人高；另在双侧楔前叶(precuneus,Pcu)、小脑半球（cerebrum）及左内侧前额叶(medial prefrontal cortex,MPFC)的局部一致性较正常人低。

各脑区的位置及t值大小详见表1、表2。

讨 论

rfMRI是一种无创的功能影像技术,在研究基线状态脑功能或自发神经活动方面具有优势。大多数rfMRI研究都采用功能连接的方法分析功能网络,很少直接探讨局部神经活动。功能连接表现的是两个或多个脑区之间神经活动的同步性,其异常说明患者的脑功能网络异常,但不能提供更多的信息说明在这个异常网络内某个特定脑区的活动是否异常。

在癫痫发作间期,致痫灶及其周围脑组织有癫痫样放电(interictal epileptiform discharges,IEDs),该种放电会带来功能变化,引起缺省模式脑区负激活[3],从而伴随血氧水平的改变,这为rfMRI的应用提供了条件。检测与IEDs相关的血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent,BOLD)信号变化,经数据分析处理,可得到致痫灶的三维定位[6]。Zang等[4]提出的ReHo方法就是其中之一,可了解不同任务状态下和静息状态下脑功能。该方法基于以下思路：假设功能簇内不同体素的时间序列具有相似性，KCC值(也被称为ReHo值)被用来衡量某一体素与其周围若干体素的相似性，每一体素对应有一个ReHo值，从而构成了一个全脑ReHo图。该方法可反映脑区局部时间序列的同步性，从而间接反映脑区局部神经元自发活动的同步性。ReHo方法与模型驱动方法有很好的互补性,可用于分析任务状态(如手指运动、阅读等)和静息状态下的数据及其它非线性状态(如药物应用对脑血流的影响)的数据。

在本研究中，ReHo值被用来衡量全脑每个体素与其临近的26个体素的时间序列的同步性。利用REST软件计算出全脑每个体素的ReHo值，从而每个受试者得到一个ReHo图。将每个体素的ReHo值除以全脑所有体素ReHo值的均值而使ReHo图标准化，然后对标准化后的ReHo图进行统计学分析。

研究发现，内侧颞叶区域的ReHo值较正常人变化最大，由于ReHo反映的是局部脑区的同步性，具有检测异常脑活动区域的能力[7]，因此该处较高的ReHo值表明癫痫患者在该脑区的同步性较正常人高，印证了目前认为内侧颞叶是原发性复杂部分性发作癫痫最主要起源灶的理论。本研究还发现ReHo值的升高同时发生在双侧顶叶区域，该现象与脑电联合同步功能磁共振研究结果一致[8]。许多研究表明癫痫源不仅在于海马，其他颞叶结构，甚至更广泛脑结构网络，也参与癫痫活动的起始和易化[9]。大脑皮层中颞叶皮层及运动区的ReHo值增强，可能是受到癫痫源活动影响，异常神经电活动通过联络、连接及联合纤维激活皮层下脑区，以致同步性增强。由于颞叶皮层与听觉、语言和记忆功能有关[10]，ReHo值增强可导致幻听、幻味、幻嗅等精神症状和语言障碍；而顶叶的功能与躯体感觉有关[10]，其ReHo值增强，可能是癫痫发作时肢体抽搐、口角歪斜等行为异常的原因。

同时研究还发现了ReHo值降低的区域，主要表现在双侧小脑半球、楔前叶及左内侧前额叶等，这些脑区较常人同步性减弱，可能反映了正常脑功能遭到抑制或破坏[11]。

另Raichle等[12]用PET研究大脑血流和血氧情况发现,前扣带回(anterior cingulate cortex,ACC)、楔前叶(precuneus, Pcu)、内侧前额叶(medial prefrontal cortex,MPFC)、后扣带回(posterior cingulated cortex,PCC)及两侧顶下小叶(Inferior parietal cortex,IPC)等脑区构成一个网络系统,该系统在静息时,活动明显,保持着很强的代谢活动;而在任务状态时,网络被挂起,这些脑区的活动强度会衰减。提出了“默认网络(default mode network,DMN)”的概念。本研究显示在静息状态下左内侧前额叶和双侧楔前叶的活动减弱，可能原因是：作为一种颅内自发的异常神经电活动,当癫痫产生并传播时,抑制了DMN的活动,导致该网络活动的中断所致。

结 论

本研究采用 ReHo 方法分析静息功能磁共振数据，发现病例组较正常人局部一致性存在异常，提示该方法可检出癫痫活动造成的局部脑组织血氧水平信号同步性的改变，进而达到对癫痫活动的定位检测。这些结果从时间相似的角度更客观地反映全脑的功能状态,可以有效地用于癫痫基础和临床研究。

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MRI Study on Primary Complex Partial Epilepsy Using Regional Homogeneity Analysis

QIAO Peng-fei, NIU Guang-ming, HAN Xiao-dong. Department of Radiology, The Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical College, Inner Mongolia, Hohhot 010050, China.

ObjectiveTo observe differences of regional homogeneity (ReHo) between patients with primary complex partial epilepsy and healthy people by applying the resting state fMRI, and to investigate patients’ neuromechanism of cerebration.MethodsThe resting state fMRI were performed to 20 patients with complex partial epilepsy and 20 healthy volunteers who were age and education background matched. MRI data was compared and analyzed using ReHo analysis. The regions with different BOLD regional homogeneity in two groups were observed.ResultsThe regional homogeneity of bilateral mesial temporal lobes and parietal lobe of patients was higher than healthy people. The regional homogeneity of bilateral precuneus, cerebellar hemisphere and left medial prefrontal lobe was lower than healthy people.ConclusionReHo analysis can be used for the fundamental and clinical research of epilepsy.

resting state functional MRI; primary complex partial epilepsy; regional homogeneity

R445.2；R74

A

10.3969/j.issn.1672-5131.2011.05.010

乔鹏飞，男，专业为影像医学与核医学，医师，主要研究方向为脑功能磁共振的研究及其相关。

牛广明

2011-06-04