多模态影像学在不同阶段阿尔茨海默病中应用研究

曹 慧， 李月春

阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)是目前老年期痴呆的主要原因，疾病早期仅表现为轻度的记忆力减退，易被忽视；随着病程进展，逐渐至痴呆阶段，日常生活能力下降至生活不能自理，出现失语、失用、失认等，晚期伴发精神行为异常，影响社交、工作以及日常生活能力。由于目前没有特效治愈疾病药物，因此迫切需要在早期发现及诊断疾病，提早进行干预，来达到延缓疾病发展的目的。

弥散张量成像是一种采用非侵入性手段就可观察及追踪脑白质纤维束变化的影像学方法。白质纤维束病变在AD发病过程中具有重要意义，而使用弥散张量成像观察白质纤维束的损伤，可作为AD早期纤维束断开的标志。DTI技术以及后处理纤维束成像和网络分析方法的发展，使我们能够在大脑内构建脑网络，观察其功能连接。迄今为止，功能连接功能、神经解剖学和神经病理学研究证实AD中存在网络连接损伤，支持白质变性在疾病中的作用，以及部分症状是由于远端皮质区域连接受损所致[1～6]。本文采用图论分析方法，来观察认知正常、轻度认知功能障碍期患者(aMCI)及痴呆阶段阿尔茨海默病患者中，白质纤维束变化与认知程度的关系。影像学技术的再次飞跃是正电子发射计算机断层显像技术(PET/CT)的应用，其可采用18氟标记的PET/CT，更可直观的观察到脑内葡萄糖代谢变化，为阿尔茨海默病的诊断及分期提供客观的检查依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

募集2016年12月1日至2018年11月30日就诊包头市中心医院神经内科门诊及病房患者，以Petersen等和2011年美国国立老化研究院(NIA)和阿尔茨海默病协会(AA)提出的诊断标准[7]为入组标准，共纳入56例：其中符合轻度认知功能障碍期患者18例，痴呆阶段阿尔茨海默病患者18例，正常对照组20例。并询问受试者的一般资料，包括：年龄、性别、文化程度等，既往史(包括高血压和糖尿病等)。记录生化实验室结果(包括同型半胱氨酸、血脂等结果)。病例组与对照组均为右利手，具有良好的视听功能和语言功能或经矫正后可完成神经心理学检查及配合影像学检查。

1.2 研究方法及后处理方法

1.2.1 弥散张量成像 由VERIO 3.0T磁共振(德国西门子)扫描，4 通道相控阵头正交线圈。嘱受检者静息闭目平卧，固定头部，使用橡皮耳塞降低噪音。行头部磁共振，包括轴位T1WI及FLAIR，排除病变后，选用平面回波脉冲(Echo Planar Imaging，EPI) 序列行头部轴位弥散张量(DTI)扫描。参数：头部磁共振序列：轴位T1WI：重复时间(Repeatition time，TR)：1900 ms；回波时间(Echo time，TE)：2.22 ms；层厚1.0 mm，层间距0.5 mm，视野(Field of View，FOV)256 mm×256 mm；FLAIR序列参数：TR：8000 ms，TE：94 ms，层厚：5.0 mm，层间距：1.5 mm，FOV：240 mm×240 mm。(2)DTI序列：TR：11000 ms，TE：98 ms，层厚：2.0 mm，层间距：0 ms，FOV：256 mm×256 mm。

所有影像数据均由北京师范大学信号与信息处理专业人员进行处理。DTI数据的预处理流程：包括对原始数据涡流和运动伪影校正，弥散张量使用部分各向异性(FA)的计算。首先，通过应用弥散加权图像与弥散敏感系数为0图像的仿射对准来校正DTI数据集中的涡流失真和运动伪影[8]。因此，基于变换矩阵重新定向弥散敏感系数矩阵。在此过程之后，通过求解Stejskal和Tanner方程来计算弥散张量，并且将重构的张量矩阵对角化以获得3个特征值(λ1，λ2，λ3)及其对应的特征向量，并计算每个白质纤维束的FA值[9]，将图像匹配到标准模板上，采用自动解剖标记图谱将整个大脑划分为90个区域(每个半球45个)，是由Gong等提出的程序[10]，是在每个个体的大脑中定义节点，使用这种程序，我们为白质网络获得了90个节点，使用DTI-studio软件(H. Jiang，S. Mori，Johns Hopkins University)使用“纤维跟踪”进行纤维分配[11]。结合脑模板分区进行连接矩阵构建，构建纤维各项异性、纤维长度、纤维数目不同属性的连接矩阵，具体方法参考图1。然后进行图论分析，通过测量全局属性和节点属性，其中全局属性包括：全脑网络效率、全脑局部效率和小世界属性；节点属性包括：节点介数中心属性、节点聚集系数、节点度中心性、节点网络效率、节点局部效率和节点最短路径长度，具体使用方法及解释参考既往文献[8，9，12，13]。使用FSL中的FMRIB扩散工具箱(FDT)(fsl. fmrib. ox. ac. uk/fsl/fslwiki/FDT)进行DTI数据的预处理[14]。

1.2.2 PET/CT 使用SIEMENS Biogragh mCT 64s PET/CT 仪，即所用的仪器为54环、锗酸铋晶体的探测器；同时配有64层螺旋CT，并将18F-FDG作为检查时的跟踪试剂，放射化学纯度大于95.0%；患者在空腹4～6 h后对其进行检查，在对其实施检查前进行血糖测定得到血糖范围在8.4 mmol/L以内，封闭患者视听安静休息30 min后，根据患者的体质量为其静脉注射0.1～0.15 mCi/kg体重的18F-FDG，在静脉注射药物40 min～1 h后对其行PET/CT显像。将CT旋转速度设为0.8 s/r，床速则设为20.5 mm/s，接上120 kV的电压和80 mA的电流，每次扫描时间大概在15 s左右。随后自患者颅底至颅顶部行PET发射扫描，在扫描期间保持患者初始体位不变，通过3D采集模式，将矩阵设置为128×128，对每一个床位进行15 min的采集。并且每个床位其断层面皆为21层，而两个相邻的床位之间又包含1个层面叠代。采用高清HD-PET法(TrueX+TOF)进行图像的重组，通过Syngo MI工作站对图像进行融合，并收集横断面、矢状面以及冠状面PET图像和CT图像，并获取两者融合后的图像。处理使用Scenium PET-FDG软件，应用Scenium软件对所得脑PET图像进行归化并勾画脑区，获得各脑区标准化摄取值(Standardized Uptake Values，SUV)的平均值。对比不同认知程度损害患者各脑区葡萄糖代谢水平的差异。

1.3 统计方法

2 结果与结论

2.1 AD组、MCI组、正常组构建DTI模板 图2分别为AD组、MCI组、正常组三组的FA(各向异性连接矩阵)，AD组连接明显稀疏于MCI组和正常组，且对应自动解剖标记图谱模板中海马、海马旁回(35-40)等记忆标志性脑区的连接模块化明显稀疏于其他两组；MCI组和正常组的连接无显著性差异，总体上相似。分别计算了AD组、MCI组和正常对照组三组受试者的小世界属性指标，全脑网络效率以及全脑局部效率等指标，在回归了年龄与性别等协变量后进行了双本t检验，在全局属性结果中，AD组与正常对照组，AD组与MCI组，MCI组与正常对照组，这三组数据的小世界属性指标在P<0.05时，均没有显著差异；其中t值在以上三个指标中均为负值。全局属性结果中，AD与正常对照组，AD组与MCI组，MCI组与正常对照组，这三组数据的全局效率和全局局部效率指标在P<0.05时，均没有显著差异；其中，t值在以上三个指标中均为正值。

2.2 AD组和MCI组，AD组与正常组，MCI组和正常对照组三组间脑网络连接比较 分别计算AD组、MCI组和正常组三组受试者的节点属性指标；在回归了年龄与性别等协变量后，进行了双样本t检验，并在此基础上进行了FDR多重比较分析(90个脑区数值的置换检验)。节点属性分区模板选用自动解剖图谱标准脑模板(90个脑区)；以下脑网络连接图中，节点的大小由显著性T值来表示，标明标签并且为红色的节点表示在当前P值(P<0.05，P<0.001，P<0.0001)情境下，两组比较中具有显著性差异的脑区。其中各脑区中英文对照参考：https：//www. cnblogs. com/minks/p/5480818.html。

2.2.1 AD组与MCI组的节点属性比较 MCI组与AD组相比较，节点属性的介数中心性、度中心性和节点效率三个指标存在显著差异。分别表现为介数中心性属性在右侧的嗅皮质(Olfactory cortex，OLF. R)和颞上回(Temporal pole：superior temporal gyrus，TPOsup. R)；度中心性属性在左侧枕上回(Superior occipital gyrus，SOG. R)和距状裂周围皮质(Calcarine fissure and surrounding cortex，CAL. L)以及右侧的三角部额下回(Inferior frontal gyrus，triangular part，IFGtriang. R)和颞上回(TPOsup. R)；节点局部效率在右侧三角部额下回(IFGtriang. R)中均有统计学差异(P<0.05)，其余节点指标不存在显著差异。

2.2.2 正常组与AD组节点属性比较 正常组与AD组相比较，节点属性的介数中心性、集聚系数、度中心性、节点效率和最短路径长度五个指标存在显著差异。分别表现在介数中心性属性的左侧三角部额下回(IFGtriang. L)、距状裂周围皮质(CAL. L)和内侧额上回(Superior frontal gyrus，medial，SFGmed. L)以及右侧补充运动区(Supplementary motor area，SMA. R)和颞上回(Superior temporal gyrus，STG，R)；集聚系数属性的左侧缘上回(Supramarginal gyrus，SMG. L)和三角部额下回(IFGtriang. L)以及右侧三角部额下回(IFGtriang. R)和回直肌(Gyrus rectus，REC. R)；度中心性的左侧三角部额下回(IFGtriang. L)和距状裂周围皮质(CAL. L)以及右侧的杏仁核(Amygdala，AMYG. R)和三角部额下回(IFGtriang. L)；节点效率属性的左侧距状裂周围皮质(CAL. L)和右侧三角部额下回(IFGtriang. R)；最短路径长度属性的左侧距状裂周围皮质(CAL. L)均有统计学意义(P<0.05)，其余节点指标不存在显著差异。

2.2.3 正常对照组与MCI组节点属性比较 正常组与MCI组相比较，节点属性的介数中心性、集聚系数和度中心性三个指标存在显著差异。表现为介数中心性属性的左侧顶下缘角回(Inferior parietal，but supramarginal and angular gyri，IPL. L)以及右侧楔前叶(Precuneus，PCUN. R)、楔叶(Cuneus，CUN. R)、颞上回(Superior temporal gyrus，STG. R)和颞中回(Middle temporal gyrus，MTG. R)；聚集系数属性的左侧背外侧额上回(Superior frontal gyrus，dorsolateral，SFGdor. L)、中央前回(Precentral gyrus，PreCG. L)、顶上回(Superior parietal gyrus，SPG. L)、额中回(Middle frontal gyrus，MFG. L)、缘上回(Supramarginal gyrus，SMG. L)、后扣带回(Posterior cingulate gyrus，PCG. L)、中央沟盖(Rolandic operculum，ROL. L)和眶部额上回(Superior frontal gyrus，orbital part，ORBsup. L)以及右侧顶上回(SPG. R)、楔前叶(PCUN. R)、楔叶(CUN. R)、舌回(Lingual gyrus，LING. R)和眶内额上回(Superior frontal gyrus，medial orbital，ORBsupmed. R)；度中心性属性在右侧缘上回(SMG. R)和颞中回(Middle temporal gyrus，MTG. R)均有统计学意义(P<0.05)，其余节点指标不存在显著差异。

2.3 MCI组及AD组PET/CT检查的临床资料及影像学结果 见表1，表2。

注：A：T1图像与DTI图像的校正配准(T1)；B：T1图像与DTI图像的校正配准(DTI)；C：纤维追踪；D：T1图像配准到标准模板；E：脑膜版的ROI分区；F：结合脑模板分区进行连接矩阵构建；G：G，H，I分别为不同属性连接矩阵(纤维各向异性，纤维长度，纤维数目)

图2 AD组、MCI组、正常对照组的FA矩阵图

注：P<0.05

注：P<0.05

注：P<0.05

表1 行PET/CT检查的轻度认知功能障碍及阿尔茨海默病患者临床资料及认知功能情况

表2 行PET/CT检查的轻度认知功能障碍及阿尔茨海默病患者经Scenium处理后的标准化摄取值的平均值

本研究共5例受试者进一步行PET/CT检查，其中男1例，女4例。均有临床症状，存在不同程度的认知功能障碍，符合轻度认知功能障碍期者1例，符合痴呆阶段阿尔茨海默病患者4例，其中CDR得1分者2例，CDR得2分者2例。受教育平均年限为(5.6±2.93) y。1例患者合并糖尿病，1例患者合并高血压病(见表1)。相较与轻度认知功能障碍组，阿尔茨海默病组各项认知得分明显减低；随着CDR得分的增高，波及更多认知域，对应相认知域的神经心理量表得分逐渐锐减，这种表现与患者认知功能损伤程度密切相关。PET/CT提示所有患者均存在不同脑区葡萄糖代谢减低，随着认知障碍的进一步加重，出现葡萄糖糖代谢减低的脑区有所增加。其中1例轻度认知功能障碍者仅表现为右侧颞中回葡萄糖代谢略低于正常；4例阿尔茨海默病患者中，2例CDR为1分患者表现为双侧颞中回、双侧海马旁回、双侧杏仁核存在葡萄糖代谢减低，2例CDR为2分患者因认知功能损害较严重，表现为双侧额颞顶叶均呈现弥漫性、对称性葡萄糖代谢减低，而以双侧角回、海马旁回、海马、颞中回、杏仁核为著。随着认知障碍程度的增加，不同脑区的标准化摄取值的平均值逐渐减低，提示相应脑区的葡萄糖代谢率随之减低(见表2)。

3 讨 论

本研究通过对AD组、MCI组和正常组分别基于DTI技术重新构建脑网络，利用图论分析方法进行对比分析，从局部及全局来评估网络拓扑结构的差异，发现随着痴呆程度的增加，越来越多脑区白质网络出现差异。功能连接的破坏机制可能是由于皮质淀粉样蛋白沉积、神经功能障碍、血管损伤以及脱髓鞘损害，以致白质网络结构的拓扑结构改变相关[15～17]。而在AD早期，弥散张量成像即可检测到白质纤维束变化[18]；AD组各项异性矩阵连接明显稀疏于MCI和正常组，且对应自动解剖标记图谱模板中海马、海马旁回等记忆标志性脑区的连接模块化明显稀疏于其他两组；有学者提出AD患者的拓扑效率低于健康对照组，AD组与正常对照组相比，AD组的脑网络显节示点效率属性降低，记忆和执行功能衰退与节点局部效率、节点最短路径长度及全脑网络效率降低相关，这些图论指标的降低与认知功能障碍程度相关[19，20]。不同脑白质网络属性的变化与行为表现显著相关，AD患者发现主要位于前额叶的节点网络效率减低。AD组与正常组间局部节点效率差异主要集中在默认模式网络结构及额颞顶叶中，其中双侧海马、扣带回中部、扣带回后部、颞上回及颞中回，这些区域被认为是AD的特征性区域[21]。海马旁回的皮质区域容易受到阿尔茨海默病病理变化的影响，其内嗅皮质和周围分支是受损最严重的皮质区域和疾病发病的焦点[22]。这些区域的局部节点效率降低可能反映了情景记忆功能分离的局部损害，这可能与以海马体为中心的记忆网络内的最短路径长度的变化有关[23～25]。但本研究中以上学者所提供的特征区域内，AD组仅在海马、海马旁回等脑区的各项异性矩阵连接存在变化，而其他特征性区域无明显变化；在AD组与正常对照组间进行节点属性比较，也仅在颞上回发现节点属性存在变化，而其他特征区域未发现明显差异，考虑与受试者样本量较少相关，不能更好的反映总体变化趋势。MCI及AD作为一种功能连接破坏疾病，较低的全脑网络效率和节点局部效率与节点最短路径长度的损害广泛有关，表现为在AD早期的白质纤维束的退行性病变，随着疾病的进展，脑网络演变过程[26]。本研究在AD组、MCI组和正常组间分别进行比较，在全局属性结果中，小世界属性指标没有显著差异，这个发现与之前学者对MCI患者脑网络的图论分析结果一致[9，27，28]。

无论是在临床诊断还是在科研中，在出现明显的AD相关的神经生物标志物改变或痴呆症状之前，早期诊断认知障碍及预测演变的标志至关重要。在预测方面，使用FDG-PET作为预测神经损伤的进展的工具是基于它与认知功能恶化程度的较强关联，与神经生物标志物相比，后者在出现症状时已经升高，在症状明显加重时含量可能无明显指示性意义。另外，无症状受试者的淀粉样变性生物标志物在八到十年前已经有所提高[29]。而本研究所纳入5例患者中，随着认知障碍严重程度的增加，以双侧颞中回、海马、海马旁回及双侧杏仁核的葡萄糖代谢减低，进展为双侧额颞顶叶弥漫性、对称性葡萄糖代谢减低，提示认知功能严重程度的增加；损伤多个认知域后，相对应脑区可出现葡萄糖代谢减低。在大样本研究中，在已知与AD病理学相关区域，如双侧楔叶/梭状回/楔前叶，后扣带回，甚至顶叶和颞叶均出现代谢减低，认知障碍明显突出的阿尔茨海默病患者不仅与认知功能正常患者相比，即使与认知损伤程度轻微的轻度认知功能障碍者相比，均会出现以上区域的葡萄糖摄取明显减少[30]。在临床过程中，是否可观察不同脑区的葡萄糖代谢变化，来达到预知疾病转归的目的，也有学者做了相应的研究。在轻度认知功能障碍转变成阿尔茨海默病患者与认知功能正常者相比，大多数相关联皮质中发现显著的葡萄糖代谢变化；而由轻度认知功能障碍转变成阿尔茨海默病患者与无转变的轻度认知功能障碍患者相比，差异集中在较少的一组区域[31]；轻度认知功能障碍者较认知正常的受试者之间无明显差异。剪切掉由轻度认知功能障碍期转变为痴呆阶段阿尔茨海默病患者与无转变的轻度认知功能障碍期者相重叠区域，剩余区域为最强有力的转换预测区域，包括：顶叶、后扣带回、颞叶、楔叶、梭状回及楔前叶。其他区域代谢值的差异，不足以区分轻度认知功能障碍期是否会进一步转化为痴呆阶段阿尔茨海默病，包括内侧颞叶(海马旁回、杏仁核、海马及岛叶)[30]。这种变化在辅助临床诊断中起重要作用，因为其他疾病也会出现轻度认知功能障碍，包括抑郁症和血管性认知障碍[32]，可能会影响这些非特异区域的代谢[30]。如果在早期，FDG-PET检查发现在这些特定区域葡萄糖代谢减低，提早进行干预治疗，是否能完全延缓疾病进展，有待进一步研究证实。当然不能说生物标志物在诊断疾病中不重要[33]，倘若我们在临床发现患者出现认知功能障碍之前，在生物标志物及FDG-PET检查中，发现淀粉样变性生物标志物的含量及不同脑区的葡萄糖代谢值，不仅能对我们确诊疾病有所帮助，更有助于预测疾病的转归，从而进行早期治疗及判断疾病预后。

阿尔茨海默病可导致多个认知域受损，早期易被忽视，症状不突出时即使有经验的医生也可能漏诊，临床上缺乏特异性的确诊依据。本研究对所有受教育程度不同患者均采用统一量表，但由于患者工作、生活环境的不同，认知储备量不同，评价认知域的特异度与敏感度可能会下降；由于时间关系，未募集更多受试者，所得结果不够全面；受本地区经济水平所限，完善相关辅助检查需要资金较高，患者家庭不能承受疾病检查所需费用，完善FDG-PET受试者较少，不能观察到疾病的演变趋势；以上问题均需逐步解决。