对比QBrain与FreeSurfer软件自动测量海马体积

王 颖，钱天翼，苏壮志，张泽寅，4，李坤成，5*

(1.首都医科大学宣武医院放射与核医学科，北京 100053；2.北京市健宫医院放射科，北京 100054；3.北京量健智能科技有限公司，北京 100037；4.北京市监狱管理中心医院放射科，北京 100054；5.磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，北京 100053)

海马位于颞叶内侧，在学习、记忆、空间定位和导航中发挥重要作用。阿尔茨海默病(Alzheimer diseaes， AD)和癫痫等疾病可能引起海马萎缩[1-3]，通过体积测量显示海马萎缩是早期诊断AD的重要指标[4-5]。MRI以其无创伤、无辐射危害、软组织对比度高及直接三维成像等显著优点成为测量脑结构的最佳影像学方法之一，测量主要依赖手动勾画和软件自动分割边界。手动勾画可精准勾勒脑结构边界，是公认的“金标准”，但耗时且具有操作者依赖性；软件自动分割边界则以手动勾画测量值为验证基础自动分割脑结构，可缩短测量时间，但其准确性欠佳。目前已开发出多种自动分割测量软件(如SPM、FreeSurfer和FSL-first等)用于该领域[6]，其中FreeSurfer应用较为广泛。我国学者基于2个中国汉族成人标准脑MRI数据库(Chinese 3000和Chinese 1000)，运用人工智能技术开发了QBrain脑影像量化分析软件。本研究对比观察QBrain与FreeSurfer测量海马体积的效果。

1 资料与方法

1.1 研究对象 自健康中国成人头颅高场强(3.0T)MRI高分辨数据库(Chinese 1000)中随机提取100名志愿者的数据，男50名，女50名，年龄19～69岁，平均(40.9±14.8)岁，均为右利手。纳入标准：无临床症状，全身查体未见明显异常。排除标准：①合并中枢神经系统或精神疾病；②吸毒、酗酒或家族遗传病史；③心血管及神经系统手术史；④存在MR检查禁忌证，如体内有心脏起搏器、金属假体或铁磁性异物等。本研究经医院伦理委员会审查批准，并经“中国注册流程试验伦理委员”审核通过(伦理编号：ChiECRCT20190197)。

1.2 仪器与方法 Chinese 1000数据库的数据来自10个研究中心，均采用Siemens Magnetom Prisma 3.0T MR扫描仪，配置相同的Syngo MR VD13D操作版本和80/200梯度系统，以磁化准备双快速梯度回波(magnetization-prepared 2 rapid gradient echo， MP2RAGE)脉冲序列进行采集，获取覆盖全脑的矢状位T1WI，扫描参数：TR 5 000 ms，TE 2.88 ms，双反转时间700 ms/2 500 ms，FOV 240 mm×256 mm，体素1.0 mm×1.0 mm×1.2 mm，带宽为240 Hz/Px，并行采集因子为3，扫描时间约为8 min 22 s。

1.3 测量海马体积 分割及配准高分辨头颅MRI数据，获取三维联动的矢状位、冠状位和轴位重建图像；分别以手动勾画、QBrain和FreeSurfer软件3种方式分割并测量海马体积。

1.3.1 手动测量 由2名具有5年以上工作经验影像科医师在神经影像学和解剖学专家指导下，参照欧洲阿尔茨海默病协会及阿尔茨海默病神经影像学行动计划联合开发的海马分割协议[7-8]，主要采用冠状位、参考其他图像勾画海马，以海马槽下方首先出现的灰质为海马前界，自前向后逐层勾画，直至出现侧脑室下角内侧卵圆形灰质结节，即海马后界；内侧界自前向后依次为环池和胼胝体压部外侧，排除大脑后动脉、脑膜/小脑幕等；外侧界为侧脑室颞角；上界为海马槽、海马伞、脉络膜裂或侧脑室颞角；下界为海马旁回白质(包括下托)。海马紧邻杏仁核、丘脑及内嗅皮层等重要灰质核团，本研究勾画海马结构灰白质均包括在内。由1名医师勾画海马边界，另1名进行校正，在2名医师达成一致的前提下获得海马体积测量值。

1.3.2 FreeSurfer软件测量 采用FreeSurfer 6.0软件进行基于个体空间的自动分割，得到海马区域标注标签结果。应用intel Xeon E5-2680v4工作站，测量每名志愿者海马体积耗时8～12 h，可同时并行处理28组数据。

1.3.3 QBrain软件测量 通过图像存储与传输系统(picture archiving and communication systems， PACS)将数据推送至QBrain脑影像量化分析评价系统数据分析模块，软件自动测量主要脑结构体积。测量每名志愿者全脑结构体积时间<3 min。见图1。

1.4 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件。以±s表示计量资料，采用配对t检验分别对比FreeSurfer、QBrain与手动测量海马体积的差异。以Pearson相关分析和组内相关系数(intra-class correlation coefficient， ICC)评估2种自动测量方法与手动测量的相关性，r<0.40为相关性较差，0.40≤r≤0.75为相关性一般，r>0.75为相关性较好；ICC<0.50为相关性差，0.50≤ICC≤0.75为相关性尚可，0.750.90为相关性极好；采用Bland-Altman分析法进行一致性分析，计算95%置信区间；采用戴斯系数(Dice similarity coefficient， DSC)分析相似程度，DSC>0.7为分割的重叠效果较好。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 海马体积 手动测量、QBrain和FreeSurfer软件测得右侧海马体积测值均大于左侧(P<0.05)。FreeSurfer软件右侧海马测值明显小于手动测值(t=7.504，P<0.05)；左侧测值大于手动测值，但差异无统计学意义(t=-0.701，P=0.485)。QBrain软件右侧海马测值明显小于手动测值(t=4.550，P<0.05)；左侧测值虽小于手动测值，但差异无统计学意义(t=1.184，P=0.239)。见表1。

2.2 测量方法相关性分析 FreeSurfer和QBrain软件海马体积测量值均与手动测值显著相关(ICC>0.75，r>0.75)，QBrain与手动测量的相关性高于FreeSurfer，见表2。

2.3 测量方法一致性分析 FreeSurfer与QBrain软件左、右侧海马体积测量值与手动勾画测值的一致性均较好，见图2。

图1 志愿者男，65岁 A、B.手动于矢状位(A)及冠状位(B)图像上勾画海马轮廓； C、D.以QBrain软件矢状位(C)及冠状位(D)图像上自动勾画海马轮廓； E、F.以FreeSurfer于矢状位(E)及冠状位(F)图像上自动勾画海马轮廓 (颜色标记为勾画区域)

表1 海马体积测值比较(±s，mm3)

表1 海马体积测值比较(±s，mm3)

测量方法左侧海马右侧海马t值P值手动3 911.79±412.764 196.18±424.22-4.30<0.001Freesurfer软件3 927.69±363.004 019.74±372.21*-15.74<0.001QBrain软件3 890.80±339.684 105.17±344.91*-16.67<0.001 注:*:与手动测量比较P<0.05

图2 测量方法的一致性分析Bland-Altman图 A、B.FreeSurfer软件与手动测量左(A)、右侧(B)海马体积； C、D.分QBrain软件与手动测量左(C)、右侧(D)海马体积

2.4 测量方法相似度分析 FreeSurfer软件海马体积测值与手动测值的DSC为0.73±0.93，QBrain为0.95±0.91(P=0.907)。

表2 FreeSurfer、QBrain软件与手动测量海马体积的相关性分析

3 讨论

海马紧邻杏仁核、丘脑及内嗅皮层等重要灰质核团。手动测量是海马等脑结构体积测量的“金标准”，但较耗时，且勾画解剖边界时易受操作者主观因素影响。为减少测量用时，现已开发出多种自动分割软件，以FreeSurfer软件应用最为广泛，其测量准确度已可满足临床应用[9]。FreeSurfer软件通过传统图像分割方法分析MRI，处理过程包括去头骨、B1偏差场校正、体数据配准、灰白质分割及面数据配准等[10]，但耗时过长，难以用于临床。QBrain软件基于高分辨力中国汉族成人数据库(Chinese 1000)，覆盖18～80岁成人全年龄段，是采用人工智能技术编制的脑影像量化分析评价系统，可自动精准分割96个脑区，用时<3 min即可快速测量全脑不同结构体积，显示脑体积异常改变，有助于准确判断具体脑结构的偏侧化及其异常改变。QBrain可与医院PACS自动连接，医生在撰写影像报告的同时即可获知脑结构测量值。

本研究勾画海马结构时，将其灰白质均包含在内，结果显示FreeSurfer软件海马测值与手动测量结果相似并呈显著相关，与既往研究[11-13]一致；而QBrain软件与手动测值的相关性高于FreeSurfer，提示其测量准确率更高。本研究中，FreeSurfer软件对于左侧海马的测值大于手动测值，而右侧则小于手动测值，与既往研究[14]有所不同，原因有待进一步观察；QBrain对左右侧海马的测值则均小于手动测值。右侧海马测值大于左侧，提示海马体积呈右偏侧化。本研究中，2种软件与手动测量一致性均较高，提示二者均可替代手动方法进行海马体积测量；采用DSC评估2种自动分割海马测量值的空间重叠，结果显示FreeSurfer的DSC>0.7，QBrain的DSC>0.9，提示QBrain测量准确性更高。

总之，QBrain脑影像量化分析评价系统与FreeSurfer均为测量海马体积的可靠方法，QBrain海马体积测值与手动测值的相关性更佳，且用时短，值得临床推广应用。