閻 靜，杜 偉，程敬亮，耿杰峰，郭翠萍，劉福榮

1)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院磁共振科 鄭州 450052 2)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科 鄭州 450052 3)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院病案管理科 鄭州 450052 4)杭州市兒童醫(yī)院放射科 杭州 310014

弓狀束(arcuate fasciculus, AF)是語言傳導(dǎo)通路重要的纖維束，其損傷與傳導(dǎo)性失語癥密切相關(guān)[1]。AF擴(kuò)散張量纖維束示蹤技術(shù)已經(jīng)廣泛用于指導(dǎo)語言功能區(qū)神經(jīng)外科手術(shù)[2-3]。然而傳統(tǒng)的纖維束示蹤技術(shù)基于單張量模型，即單張量線性纖維束示蹤(streamline tractography，ST)技術(shù)，該模型存在的纖維交叉效應(yīng)和部分容積效應(yīng)等因素限制了AF示蹤成像的效果。為了解決上述問題，本研究選取20例正常受試者，對(duì)比分析以雙張量無損卡爾曼濾波(unscented Kalman filter, UKF)算法模型為基礎(chǔ)的纖維束示蹤(UKF tractography, UKFT)技術(shù)和單張量ST技術(shù)對(duì)AF的成像效果，探討雙張量UKFT技術(shù)AF顯像的優(yōu)勢。

1 對(duì)象與方法

1研究對(duì)象20例正常受試者，愛丁堡利手量表評(píng)估為右利手。既往無任何神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無MRI掃描禁忌證。男、女各10例，年齡22～57(35.4±10.3)歲。

1.2MRI采集方案采用3.0 T術(shù)中磁共振(MAGNETOM Verio，Siemens AG，Germany)，配備8通道頭部線圈進(jìn)行掃描。所有受試者均行T1結(jié)構(gòu)像和擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)。T1結(jié)構(gòu)像采用三維磁化強(qiáng)度預(yù)備快速成像梯度回波序列(3D MPRAGE)，TR 1 900 ms，TE 2.93 ms，反轉(zhuǎn)角9°，矩陣256×215，層厚1 mm。DTI采用單次激發(fā)平面回波序列，擴(kuò)散敏感梯度方向數(shù)為30，b值為0和1 000 s/mm2，TR 9 900 ms，TE 90 ms，激勵(lì)次數(shù)2，矩陣128×128，體素大小2.0×2.0×2.0 mm3，層厚2 mm，層間距0 mm。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析①將采集到的DTI數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Slicer軟件進(jìn)行預(yù)處理，包括：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、質(zhì)量控制、全腦蒙板創(chuàng)建、FA彩色編碼圖創(chuàng)建和FA灰度圖生成。②設(shè)置FA閾值0.15，分別應(yīng)用單張量ST技術(shù)和雙張量UKFT技術(shù)進(jìn)行全腦白質(zhì)纖維束的追蹤重建。UKFT技術(shù)同時(shí)引入對(duì)纖維交叉存在敏感的總體各項(xiàng)異性值，閾值0.1。③以全腦白質(zhì)纖維束數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用雙ROI追蹤法重建左側(cè)AF，包括直接通路“顳-額”段(深支)，間接通路“額-頂”段(前支)和“顳-頂”段(后支)。ROI的選擇參考Catani等[4]的方案，由1名具有人腦白質(zhì)纖維束解剖及影像學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)的MRI診斷醫(yī)師基于FA彩色編碼圖確定，位置如圖1。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用配對(duì)資料的t檢驗(yàn)比較兩種技術(shù)顯示的左側(cè)大腦半球AF各分支的纖維體積和條數(shù)的差異，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

A、B：重建深支時(shí)，ROI 1置于軸面經(jīng)前聯(lián)合層面的側(cè)腦室后角外側(cè)區(qū)域，ROI 2置于冠狀面經(jīng)中央前回層面的藍(lán)色放射冠的外側(cè)區(qū)域；C、D：重建前支時(shí)，ROI 1位置同深支ROI 2，ROI 2置于矢狀面頂下小葉Geschwind 區(qū)；E、F：重建后支時(shí)，ROI 1置于矢狀面顳葉Wernicke區(qū)，ROI 2位置同前支ROI 2

圖1纖維束示蹤成像重建AF時(shí)ROI放置示意圖

2 結(jié)果

2.1AF各分支的重建情況

2.1.1 單張量ST技術(shù) 見圖2A、C。3例嘴部深支顯像失敗，終端均在半卵圓中心提早終止，未延伸至額葉區(qū)域；9例深支顯像不完整，嘴部終端一部分纖維束在半卵圓中心提早終止，一部分延伸至額葉區(qū)域(圖2C淺黃色圓形)。2例前支和1例后支顯像完全失敗。對(duì)于AF顯像失敗者，進(jìn)一步降低FA值為0.05～0.10后重新進(jìn)行纖維束追蹤，仍未顯像成功。

2.1.2 雙張量UKFT技術(shù) 見圖2B、D。20例深支、前支和后支均完整顯像。

2.2AF各分支終端在大腦皮層的分布情況單張量ST技術(shù)重建時(shí)，AF各分支終端纖維多分布于單一腦回；而雙張量UKFT技術(shù)重建時(shí)，終端分支纖維顯示更完整，分布面積更廣，常分布于多個(gè)腦回。具體見表1～3。

2.3兩種纖維束示蹤技術(shù)顯示的AF各分支纖維體積和條數(shù)的比較見表4。由表4可知，與單張量ST技術(shù)相比，應(yīng)用雙張量UKFT技術(shù)重建的左側(cè)AF深支、前支和后支的纖維體積更大、條數(shù)更多，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001)。

表1兩種技術(shù)重建的AF深支在大腦皮層的分布(n=20) 個(gè)

終端單張量ST雙張量UKFT嘴部終端 前運(yùn)動(dòng)皮層95 額下回20 前運(yùn)動(dòng)皮層+額下回615 顯像失敗30尾部終端 顳中回111 顳中+顳下回41 顳上+顳中+顳下回218 顯像失敗30

表2兩種技術(shù)重建的AF前支在大腦皮層的分布(n=20) 個(gè)

終端單張量ST雙張量UKFT嘴部終端 前運(yùn)動(dòng)皮層176 額下回10 前運(yùn)動(dòng)皮層+額下回014 顯像失敗20尾部終端 緣上回122 角回42 緣上回+角回216 顯像失敗20

表3兩種技術(shù)重建的AF后支在大腦皮層的分布(n=20) 個(gè)

終端單張量ST雙張量UKFT嘴部終端 顳中回130 顳中+顳下回65 顳上+顳中+顳下回015 顯像失敗10尾部終端 緣上回30 角回134 緣上回+角回316 顯像失敗10

A：單張量ST技術(shù)重建AF各分支圖，包括深支(紅色)、前支(藍(lán)色)和后支(綠色)；B：雙張量UKFT技術(shù)重建的AF各分支圖，終端在皮層分布的范圍更廣；C：單張量ST技術(shù)重建的AF深支嘴部終端部分纖維束在半卵圓中心提早終止，未達(dá)額葉區(qū)域；D：雙張量UKFT技術(shù)重建的深支嘴部終端分支纖維顯示更完整，同時(shí)位于額下回和前運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)。A和B為同一男性受試者，36歲；C和D為同一女性受試者，35歲

圖2正常受試者左側(cè)AF重建圖

表4 兩種纖維束示蹤技術(shù)顯示的AF各分支纖維體積和條數(shù)的比較

3 討論

基于單張量模型的ST技術(shù)可以顯示腦白質(zhì)纖維束的走行及其相互之間的連接，已廣泛應(yīng)用于臨床和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的單張量模型使用Stejskal Tanner方程計(jì)算的二階張量來描述體素內(nèi)的擴(kuò)散特性，認(rèn)為體素內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)呈高斯分布，且每個(gè)體素內(nèi)只有一條神經(jīng)纖維通過[5]。由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)纖維在同一體素內(nèi)存在交叉、緊貼、分支或融合現(xiàn)象，因此單張量模型不能準(zhǔn)確估算軸突的方向，應(yīng)用此技術(shù)重建交叉纖維和分支纖維時(shí)存在一定的困難。此外，單張量模型采用體素內(nèi)不同擴(kuò)散成分的加權(quán)平均值作為纖維追蹤的擴(kuò)散張量，無法有效區(qū)分每個(gè)體素內(nèi)的不均質(zhì)擴(kuò)散成分，即部分容積效應(yīng)。此效應(yīng)可導(dǎo)致白質(zhì)纖維束5%～7%的追蹤誤差，F(xiàn)A值10%～20%的差異[6]。Kinoshita等[7]對(duì)膠質(zhì)瘤患者應(yīng)用DTI和術(shù)中電刺激定位纖維束的對(duì)比研究顯示，ST技術(shù)重建的圖像不能代表纖維束真實(shí)的大小，和術(shù)中電刺激的匹配度僅80%。這些缺陷在一定程度上限制了單張量ST技術(shù)的臨床應(yīng)用。

為解決上述問題，學(xué)者們不斷探索新的方法來提高追蹤復(fù)雜區(qū)域白質(zhì)纖維束的能力。常用的方法有高角分辨率擴(kuò)散成像[8]、Q球成像[9]和擴(kuò)散頻譜成像[10]。但這些方法掃描時(shí)間過長，臨床應(yīng)用受限。2010年Malcolm等[11]首次提出雙張量UKF算法模型，對(duì)一例正常受試者分別應(yīng)用雙張量UKF算法模型、單張量模型和球諧函數(shù)模型的纖維束示蹤技術(shù)重建胼胝體、扣帶、上縱束和下額-枕束，將上述纖維束對(duì)比發(fā)現(xiàn)雙張量UKFT技術(shù)在顯像交叉纖維和分支纖維方面具有明顯的優(yōu)勢。

雙張量UKF算法模型將體素內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)過程描述呈混合高斯分布，可以識(shí)別多種纖維的方向，進(jìn)行纖維跟蹤時(shí)還可將腦脊液的信號(hào)分離，減少部分容積效應(yīng)。以該模型為基礎(chǔ)的UKFT技術(shù)采用遞歸估計(jì)：以原始的DWI信號(hào)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)非線性構(gòu)建一個(gè)雙張量模型，采用無損卡爾曼濾波器對(duì)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，沿著擴(kuò)散最一致的方向追蹤一小步，到達(dá)一個(gè)新的位置，然后以先前的追蹤信息為基礎(chǔ)，將目前所在位置的局部信號(hào)重新構(gòu)建雙張量模型。這種遞歸估計(jì)的纖維束成像方式，提高了追蹤方向的準(zhǔn)確性，可以在交叉角度上精確分辨纖維束的方向，產(chǎn)生固有的光滑的纖維束。Rathi等[12]應(yīng)用雙張量UKFT技術(shù)在20例首發(fā)精神分裂癥患者中追蹤穿過交叉區(qū)域連接105個(gè)不同皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域的神經(jīng)纖維束，結(jié)果顯示良好。

本研究分別應(yīng)用單張量ST技術(shù)和雙張量UKFT技術(shù)對(duì)正常人群左側(cè)大腦半球的AF進(jìn)行追蹤重建。結(jié)果顯示，應(yīng)用單張量ST技術(shù)重建左側(cè)AF時(shí)，12例AF深支嘴部終端的全部或部分纖維在半卵圓中心提早終止，未延伸至前運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)和額下回，2例前支和1例后支完全顯像失敗，降低FA值重新進(jìn)行纖維束追蹤仍無法解決交叉纖維的問題。應(yīng)用雙張量UKFT技術(shù)重建左側(cè)AF時(shí)，20例AF深支、前支和后支均成功完整顯像，終端達(dá)到已知的解剖學(xué)部位，這表明雙張量UKFT技術(shù)能夠在復(fù)雜的纖維交叉的解剖區(qū)域精確分辨纖維束的方向，追蹤到更完整的AF。本研究同時(shí)應(yīng)用大腦白質(zhì)纖維體積和條數(shù)這兩個(gè)解剖學(xué)度量參數(shù)進(jìn)一步量化腦白質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)，證實(shí)了與單張量ST技術(shù)相比，雙張量UKFT技術(shù)顯像AF的效果更佳。

作者的研究結(jié)果還顯示，應(yīng)用雙張量UKFT技術(shù)可以成功顯像AF的三個(gè)分支，終端分支纖維顯示更完整，皮層分布范圍更廣，其中額葉終端主要同時(shí)位于額下回和前運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)，顳葉終端主要同時(shí)位于顳上回、顳中回和顳下回，頂葉終端主要同時(shí)位于緣上回和角回。

總之，本研究結(jié)果表明雙張量UKFT技術(shù)在顯像交叉纖維和分支纖維方面較單張量ST技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢；但由于纖維束示蹤技術(shù)本身存在重復(fù)性差的缺陷，雙張量UKFT技術(shù)顯像存在假陽性的可能，因此，其在神經(jīng)外科術(shù)中語言功能保護(hù)的價(jià)值還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。