【论著】基于7. 0 T磁共振成像及体素形态学测量对脑小血管病灰质体积变化及其与认知障碍的相关性研究

摘要：目的 应用7. 0T MRI及基于体素的形态学测量(VBM)探索脑小血管病(CSVD)认知障碍患者灰质体积改变脑区及与其相关的受损认知域｡ 方法 本研究回顾性连续纳入2021年9月至2023 年6 月“脑深部髓静脉形态与脑小血管病认知障碍的相关性研究”(注册号:ChiCTR2100045136)中数据,按照纳入与排除标准将CSVD伴认知障碍患者作为CSVD组,与CSVD组年龄､性别､受教育年限相匹配的健康者作为对照组｡蒙特利尔认知评估(MoCA)量表(北京版)评分< 26分为认知功能障碍｡使用MoCA量表､数字广度测验(DST)､数字符号转换测验(DSST)､连线测试(TMT)A 部分､词语流畅性测验(VFT)､波士顿命名测验(BNT)及听觉词语学习测验(AVLT)对所有受试者进行认知功能评估｡采用7. 0T MR系统对受试者进行全脑多模态图像采集,采集T1加权三维磁化强度预备梯度双回波序列(T1WI-MP2RAGE)数据用于VBM分析｡比较两组受试者一般资料､认知功能评分､脑结构相关指标的差异｡使用VBM分析两组灰质体积的差异,并提取CSVD组差异脑区的灰质体积与认知功能评分进行相关性分析｡ 结果 (1)对照组18例,年龄55 ~ 70岁;CSVD组19例,年龄57 ~ 70岁｡两组受试者年龄､性别､受教育程度､体质量指数､冠心病史､高脂血症病史､吸烟史､饮酒史､总胆固醇､三酰甘油､低密度脂蛋白胆固醇､高密度脂蛋白胆固醇的差异均无统计学意义(均P > 0. 05);CSVD组高血压病史及糖尿病史占比高于对照组,组间差异均有统计学意义(12 / 19 比5 / 18,7 / 19 比0;均P < 0.05)｡(2)CSVD 组MoCA 量表[22. 0(20. 0,23. 0)分比27.0(26. 0,28. 0)分,Z = - 5. 242]､DSST[(18 ± 9)分比(40 ± 4)分,t = 5. 212]､DST[(10. 6 ± 2. 5)分比(13. 9 ± 2. 0)分,t = 4. 364]､VFT[(38 ±11)分比(47 ± 8)分,t = 3. 224]､AVLT-即刻记忆[(13 ± 3)分比(21 ± 4)分,t = 6. 877]､AVLT-短延迟回忆[(3. 4 ± 2. 5)分比(6. 9 ± 2. 2)分,t = 4. 555]､BNT[(22. 7 ± 3. 6)分比(27. 0 ± 2. 1)分,t = 4. 357]评分均低于对照组,执行能力测试耗时长于对照组[93. 00(76. 04,125. 69)s比29. 77(25. 75,40. 97)s,Z = - 4. 832],组间差异均有统计学意义(均P < 0. 01)｡(3)CSVD组脑实质分数低于对照组,组间差异有统计学意义[(78. 2 ±4. 3)%比(80. 9 ± 3. 7)%,t = 2. 079,P < 0. 05],总颅内体积､灰质体积分数､白质体积分数的组间差异均无统计学意义(均P > 0. 05)｡VBM分析显示,与对照组相比,CSVD组患者右侧颞下回及右侧小脑半球Crus2区灰质体积减少,差异均具有统计学意义(均P < 0. 05,经错误发现率校正)｡(4)相关性分析显示,仅CSVD组右侧颞下回灰质体积与AVLT-短延迟回忆评分呈正相关(r = 0. 543,P =0. 036)｡ 结论 CSVD伴认知功能障碍患者右侧颞下回及右侧小脑半球Crus2区灰质萎缩,且右侧颞下回灰质萎缩与短延迟记忆损害存在相关性｡本研究结果有待进一步验证｡

脑小血管病(cerebral small vessel disease,CSVD)是指各种病因影响脑小动脉､微动脉､毛细血管､微静脉和小静脉所导致的一系列临床､影像､病理综合征｡认知功能障碍是CSVD 常见临床表现之一,脑萎缩是CSVD 的影像学标志物之一｡既往关于CSVD 认知障碍影响因素的研究多集中在脑白质高信号(white matter hyperintensity, WMH)､腔隙､血管周围间隙､脑微出血(cerebral microbleed,CMB)等常见影像学征象,与脑萎缩的相关研究报道较少,二者的关系尚不清楚｡随着神经影像学技术的发展,脑萎缩评估方法已逐渐由视觉半定量评估转向基于自动化容积测量的定量级别评估｡基于体素的形态学测量(voxel-based morphometry,VBM)技术通过高分辨率MR扫描的三维T1加权成像序列可自动分割脑灰､白质及脑脊液结构,从而实现对全脑体积､脑灰质体积的高精度测量,可对脑萎缩程度进行量化｡相较于1. 5T MR或3. 0T MR,7. 0T MR的超高场强具备了更高的空间分辨率和信噪比,对组织变化和解剖细节具有更高的敏感度,使其在分割脑组织(灰质､白质等)方面更准确,同时在皮质病变和脑萎缩方面具有更高的分辨率｡本研究应用7. 0T MRI及VBM技术,探索CSVD认知障碍患者灰质体积改变脑区及与其相关的受损认知域｡

1 对象与方法

1. 1 对象

本研究受试者资料来自“脑深部髓静脉形态与脑小血管病认知障碍的相关性研究”(注册登记号:ChiCTR2100045136),该项研究采用非匹配､成组设计,招募2021年9月至2023年6月CSVD伴认知障碍患者及健康对照者(健康体检者或健康的CSVD患者配偶)｡本研究回顾性连续纳入该项研究数据,按照纳入与排除标准将CSVD伴认知障碍患者作为CSVD组,与CSVD组年龄､性别､受教育年限相匹配的健康者作为对照组｡

1. 2 纳入与排除标准

CSVD组纳入标准:(1)年龄55 ~ 70 岁;(2)具有至少1个心脑血管疾病危险因素,包括吸烟史､饮酒史､体质量指数(body mass index,BMI)>24 kg / m2､糖尿病､冠心病､高血压病､高脂血症;(3)既往头部MRI存在符合神经影像学血管性改变报道标准1(standards for reporting vascular changes on neuroimaging 1,STRIVE-1)中CSVD影像学特征,且至少满足以下标准中的任一项,即近期皮质下梗死(轴面直径< 20 mm),脑室周围或深部WMH Fazekas量表评分> 1分,脑微出血≥ 1个,腔隙≥1个;(4)蒙特利尔认知评估(Montreal cognitive assessment,MoCA)量表(北京版)评分< 26 分,若受教育年限≤ 12 年,总分加1 分;(5)7. 0T 头部MRI图像质量满足判读与分析的要求｡

CSVD组排除标准:(1)遗传性CSVD 患者;(2)头部CT 血管成像(CTA)或MR 血管成像(MRA)提示颈内或颅内大动脉中度以上狭窄(狭窄率> 50%);(3)既往头部MRI 具有以下≥ 1 项者,即皮质下梗死灶直径≥ 15 mm,急性或大面积脑出血;(4)存在其他中枢神经系统病因导致的认知功能障碍;(5)存在严重焦虑､抑郁等神经心理问题或精神类疾病;(6)存在颅内占位､全身其他系统恶性肿瘤或自身免疫性疾病｡对照组纳入标准:(1)年龄､性别及受教育年限与CSVD组相匹配;(2)既往头部MRI 无明显异常改变或仅有深部或脑室周围WMH Fazekas 量表评分≤1分;(3)入组时或入组前1月内无中枢神经系统急性病变;(4)既往至入组时无严重焦虑､抑郁等神经心理问题或精神类疾病;(5)MoCA量表(北京版)评分≥26分(受教育年限≤12年,总分加1分);(6)7. 0T头部MRI图像质量满足判读与分析的要求｡

本研究方案经解放军总医院第六医学中心医学伦理委员会批准(伦理号:HZKY-PJ-2020-44),受试者或其家属签署了本研究方案的知情同意书｡

1. 3 研究方法及评价

1. 3. 1 一般资料收集:记录所有受试者的年龄､性别､受教育年限､心脑血管疾病危险因素及近3个月血脂检测结果,包括总胆固醇､三酰甘油､低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)､高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)｡

1. 3. 2 认知功能的评价:对所有受试者的总体认知功能､注意功能､执行功能､语言功能､记忆功能进行评估｡(1)总体认知功能采用MoCA 量表(北京版)进行评估,总分30 分,评分越低代表认知功能越差,评分< 26分为认知功能障碍,受教育年限≤12年评分需加1分以校正教育偏倚｡(2)注意功能采用数字广度测验(digit span test,DST)进行评估,该测验包括顺背和倒背2 个测试,每个测试均从第1 项开始复述,每项2试(即2个数字串),2试均复述失败则停止测试;第1 试复述失败则缩短位数再次测试,2 试均复述成功则加位进入下一项测试｡按2个测验最后所通过的正确数字串位数之和计分,分数越高代表注意功能越好｡(3)执行功能采用数字符号转换测验(digit symbol substitution test,DSST)和连线测试(trail making test,TMT)A部分进行评价,其中DSST最高得分为90 分,得分越高代表执行功能越好;TMT的A部分测试过程耗时越短代表执行功能越好｡(4)语言功能采用词语流畅性测验(verbal fluency test,VFT)和波士顿命名测验(Boston naming test,BNT)进行评价,VFT､BNT评分越高代表语言功能越好｡(5)记忆功能采用听觉词语学习测验(auditory verbal learning test,AVLT)进行评估｡AVLT共12个词汇,受试者首先重复学习-回忆过程3 次,并记录正确回忆个数为即刻记忆;5 min后再次回忆,记录正确回忆个数为短延迟回忆;20 min后再次回忆,记录正确回忆个数为长延迟回忆,此项之后即刻进行再认,包括12个已记忆词汇和12 个未学习词汇,并记录再认的正确个数｡上述每正确回忆､再认1 个词汇计1 分｡根据患者配合度及测试耐受性,为缩短测试时长,本研究仅进行即刻记忆及短延迟回忆的测试｡

1. 4 7. 0T头部MRI的采集与分析

1. 4. 1 图像采集:采用7. 0T MR系统(西门子,德国)对受试者进行全脑多模态图像采集｡使用32通道头部线圈,扫描序列包括T1加权三维磁化强度预备梯度双回波序列(T1-weighted three dimensional magnetization prepared 2 rapid gradient echo, T1WI-MP2RAGE)､多梯度回波类序列(gradient recalled echo,GRE)､液体衰减反转恢复(FLAIR)序列等｡

T1WI-MP2RAGE扫描参数:分辨率为0. 7 mm ×0. 7 mm × 0. 7 mm,采集矩阵256 × 320 × 320,重复时间为4 000 ms,回波时间为3. 05 ms,翻转角4°和5°,矢状面扫描,共256层｡

1. 4. 2 数据处理及分析:基于Matlab R2017(MathWorks,Natick,MA,美国)数据处理平台,使用统计参数图软件(statistical parametric mapping software,SPM12;https:/ / www. fil. ion. ucl. ac. uk / spm /)中的计算解剖学工具箱CAT12(https:/ / www. fil. ion. ucl.ac. uk / spm /)对T1WI-MP2RAGE 图像进行VBM 分析｡主要处理流程:(1)图像格式转换,即将DICOM格式转换为NII格式｡(2)图像分割,即将原始图像分割成灰质､白质和脑脊液｡(3)空间标准化及调制,即使用李代数微分同胚配准算法(diffeomorphic anatomical registration through exponentiated lie algebra,DARTEL)将受试者图像配准到蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)152 标准空间,并在配准过程中对空间变形进行调制,得到灰质体积图｡(4)空间平滑处理,即应用全宽半高值(full width half maximum,FWHM)为8 mm的高斯平滑核对分割后的灰质图像进行平滑处理,以提高信噪比｡(5)脑结构相关指标提取与计算,即使用CAT12 提取每位受试者的总颅内体积､总灰质体积､总白质体积及脑脊液体积(cerebrospinal fluid volume,CSFV),计算相应脑组织体积分数,以降低个体化总颅内体积的影响｡灰质体积分数(%)=(总灰质体积/总颅内体积)× 100%,白质体积分数(%)=(总白质体积/总颅内体积)× 100 %,脑实质分数(brain parenchymal fraction,BPF;%)=[(总灰质体积+总脑白质体积)/总颅内体积]× 100%｡(6)灰质分区及体积提取,即根据第三版自动解剖标记(automated anatomical labelling,AAL)图谱将全脑灰质分为170个感兴趣区,并计算各脑区灰质体积｡

1. 4. 3 CSVD 组WMH 评分:基于7. 0T 头部MRFLAIR序列采用Fazekas量表对CSVD组患者的WMH进行评分,将总WMH评分作为协变量在后续CSVD患者脑萎缩与认知障碍关系的统计分析中进行控制｡分别对侧脑室周围WMH和深部WMH进行评分,各0 ~ 3 分,二者得分总和为总WMH 评分(0 ~ 6分)｡

1. 5 统计学分析

使用SPSS 26. 0 软件对数据进行统计学分析｡计量资料采用Shapiro-Wilk 检验进行正态性检验,符合正态分布的计量资料采用x- ± s表示,组间比较采用两独立样本t检验;非正态分布的计量资料采用中位数和四分位数[M(P25,P75)]表示,组间比较采用Mann-Whitney U 检验;计数资料以例数表示,组间比较采用Fisher确切概率法｡以P < 0. 05为差异具有统计学意义｡

VBM分析:采用SPM 12 软件基于全脑体素水平对两组灰质体积进行两独立样本t检验,以年龄､性别､受教育年限及总颅内体积为协变量,结果以体素水平未校正P < 0. 001,团块水平通过错误发现率(false discovery rate,FDR)多重对比校正且P < 0. 05为差异有统计学意义｡基于全脑体素水平分析后,进一步使用CAT 12工具包基于第三版ALL图谱对各脑区灰质体积进行感兴趣区分析,通过FDR多重对比校正,P < 0. 05为差异有统计学意义,以获取灰质体积差异的脑区｡

相关性分析:提取CSVD 组存在差异脑区所有体素的灰质体积平均值,即平均灰质体积,使用SPSS 26. 0 统计软件对差异脑区的灰质体积平均值与各项认知功能评分进行相关性分析,自变量及因变量均符合正态分布则使用偏相关分析法(同时以年龄､性别､受教育年限及总WMH评分为协变量);非正态分布则使用Spearman秩相关分析法｡以P <0. 05为差异具有统计学意义｡

2 结果

2. 1 一般资料比较

按纳入与排除标准,对照组18例,年龄55 ~70岁;CSVD组19 例,年龄57 ~ 70 岁｡两组受试者年龄､性别､受教育程度､BMI､冠心病史､高脂血症病史､吸烟史､饮酒史､总胆固醇､三酰甘油､LDL-C､HDL-C的差异均无统计学意义(均P > 0.05);CSVD 组高血压病史及糖尿病史占比高于对照组,组间差异均有统计学意义(均P < 0. 05)｡见表1｡

2. 2 认知功能评分比较

CSVD组总体认知功能､注意功能､执行功能(DSST)､语言功能及记忆功能评分均低于对照组,执行功能(TMT-A)测试耗时长于对照组,组间差异均有统计学意义(均P < 0. 01)｡见表2｡

2. 3 脑结构相关指标及VBM分析的灰质体积比较

CSVD组BPF低于对照组,组间差异有统计学意义(P < 0. 05),总颅内体积､灰质体积分数､白质体积分数的组间差异均无统计学意义(均P > 0. 05)｡见表3｡

基于全脑体素水平分析,结果显示,两组灰质体积的差异无统计学意义(团块水平未通过FDR多重对比校正)｡

基于全脑体素水平分析后进一步基于第三版AAL图谱对各脑区灰质体积的感兴趣区进行分析,结果显示,CSVD 组右侧颞下回及右侧小脑半球Crus2区灰质体积较对照组减少(FDR 校正,P <0.05),未发现灰质体积增加的脑区｡见表4,图1｡

2. 4 CSVD组灰质体积减少脑区与认知功能障碍的相关性分析

CSVD组灰质体积减少脑区与认知功能障碍相关分析结果显示,右侧颞下回灰质体积与AVLT-短延迟回忆评分呈正相关(P < 0. 05),与认知功能其余7项评分无相关性(均P > 0. 05);右侧小脑半球Crus2区灰质体积与8 项认知功能评分均无相关性(均P > 0. 05)｡见表5｡

3 讨论

CSVD是导致血管性认知障碍的主要原因,随着疾病进展,影像负荷逐渐加重,认知功能损害亦日趋明显｡一项针对散发性CSVD认知障碍的荟萃分析结果表明,CSVD 对认知功能的主要领域均有影响,包括执行功能､延迟记忆､处理速度､语言､视空间能力､推理和注意力｡本研究结果显示,CSVD 组总体认知功能､注意功能､执行功能(DSST)､语言及记忆功能评分均低于对照组,执行功能(TMT-A)测试耗时长于对照组,组间差异均有统计学意义(均P < 0. 01),提示CSVD患者多个认知领域均受损,与既往研究报道相符｡

CSVD致脑萎缩的发生机制尚未完全明确,可能与CSVD皮质下缺血性病灶(如WMH､腔隙等)所致的继发性神经变性相关,且CSVD所致脑萎缩又可发挥中介作用而加速认知功能的下降｡在一项探索CSVD大脑改变与认知功能关系的纵向研究中,线性混合模型分析结果提示,CSVD灰质体积减少是认知能力下降的独立预测因子之一｡目前,CSVD的脑萎缩,尤其局灶区域萎缩,与认知功能障碍的关系尚未明确｡Nitkunan等研究显示,与年龄､性别匹配的对照组比较,CSVD组脑体积缩小(P = 0. 019)并与执行功能相关(r =0.501,P < 0. 05),随访结果提示CSVD患者年脑萎缩率高于对照组(P = 0. 017)｡对于伴脑微出血的CSVD患者,其右额上回､右额下回､左额上回及左侧扣带回灰质体积比健康对照者减少,血管性轻度认知障碍者右中央前回及右颞下回灰质体积相比于健康对照者减少｡一项关于CSVD患者WMH严重程度与脑萎缩关系的研究报道表明,高WMH评分(基于Fazekas量表评分)组额叶､颞叶､海马旁回及丘脑等脑区灰质体积相较于低评分组明显减少(FDR 校正,P < 0. 05),且多个脑区灰质体积与MoCA量表和(或)简易精神状态(mini-mental state examination, MMSE)量表评分相关,其中右侧颞下回灰质体积与MoCA量表及MMSE量表评分均呈正相关(r 值分别为0. 275､0. 256,P 值分别为0. 035､0. 050),提示脑萎缩可能介导了WMH 与认知功能下降的间接影响｡但该项研究未设立健康对照组,故难以鉴别脑萎缩的原因是年龄还是CSVD病变本身｡上述研究结果显示,CSVD 相关萎缩脑区主要集中在额､颞叶,且萎缩脑区与认知功能下降的相关性并不一致｡由于上述研究均非针对CSVD伴认知障碍患者,因此,与CSVD伴认知障碍相关的脑萎缩区域有待明确｡

本研究针对伴认知障碍的CSVD患者进行脑灰质体积改变的研究,与年龄､性别及受教育年限相匹配的对照组比较,CSVD组BPF减低,与既往研究相符｡VBM 分析显示,在控制年龄､性别､受教育年限及总颅内体积后,CSVD 组右侧颞下回及右侧小脑半球Crus2 区灰质体积较对照组减少,且右侧颞下回灰质体积与AVLT-短延迟回忆评分呈正相关(均P < 0. 05)｡CSVD患者右侧颞下回灰质萎缩在既往研究中已被证实｡颞下回位于颞叶的外侧和下表面,在三维物体识别､二维图像鉴别､颜色匹配和延迟记忆方面有重要作用｡本研究结果提示右侧颞下回灰质萎缩与延迟记忆相关,可能CSVD认知障碍患者脑萎缩主要集中在记忆力领域,但需进一步验证｡右侧小脑半球Crus2 区参与大脑多个静息网络的连接,如默认模式网络､额顶叶网络及语言网络等,特别是右侧小脑半球Crus2 区与语言功能密切相关｡Zhang等研究显示,右侧小脑半球Crus2区功能连接的损害与轻度认知障碍患者的严重程度及MMSE 量表评分相关｡但本研究CSVD伴认知障碍患者右侧小脑半球Crus2 区灰质体积与语言功能或其他认知功能评分均无相关性,可能该区灰质萎缩继发于CSVD其他病变的影响｡

相比于传统1. 5T或3. 0T MR,7. 0T MR具有更高的信噪比､超高的空间分辨率及组织对比度,减少了部分容积效益并提高了脑皮质测量的精确度｡高质量的T1 加权成像序列提供的解剖学参考是脑灰质分割必不可少的条件,具有优越灰-白质对比度的T1 加权成像磁化强度预备梯度回波序列最常用于采集结构像,广泛用于脑结构分割,但该序列在超高场强下易受场强不均匀性影响而导致数据不准确,而T1WI-MP2RAGE序列针对上述问题进行了自偏置场校正,使得在7. 0T条件下具有更高的灰-白质对比度和信噪比｡既往相关研究表明,相比于3. 0T MRI,7. 0T MRI可以发现更多的灰质病灶,并且提供更精准的皮质厚度及灰质体积的测量条件｡

本研究存在一定局限性:(1)本研究VBM分析获得的CSVD组灰质体积减少的脑区数量较少,考虑与纳入的CSVD患者病情相对较轻､年龄跨度稍大(55 ~ 70岁)有关｡(2)本研究仅提示CSVD伴认知功能障碍患者右侧颞下回灰质萎缩与延迟记忆功能相关,可能与本研究样本量较少有关｡(3)本研究未开展多因素回归分析,不能推断CSVD 伴认知功能障碍与脑萎缩的因果关系｡(4)本研究样本量受限于原登记注册研究样本量及纳入标准,未来可扩大样本量进行探讨｡综上,CSVD 伴认知功能障碍患者右侧颞下回及右侧小脑半球Crus2 区灰质萎缩,且右侧颞下回灰质萎缩与延迟记忆损害存在相关性｡本研究结果有待进一步验证｡