戴 艷，陳穎茜，蘇 舒，錢 龍，吳柳暉，張洪宇，范 淼，楊智云

（1.中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，廣東廣州 510080；2.中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院兒科，廣東廣州 510080；3.GE醫(yī)療磁共振科研部，北京 100000）

許多神經(jīng)退行性疾病或精神神經(jīng)發(fā)育異常疾病都伴隨著顱內(nèi)成分的體積改變，故腦分割及體積定量測定是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床及科研中的重要環(huán)節(jié)［1-2］。目前常用的分割方法是基于3D 薄層掃描所得到的T1WI（T1 weighted image）結(jié)構(gòu)像，借助FSL、FreeSurfer 等軟件，基于灰白質(zhì)信號對比及預(yù)設(shè)的腦結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行分割測定。但此類分割方法無法對灰白質(zhì)信號對比不明顯的區(qū)域進(jìn)行分割，如腦干，且會受到形態(tài)變異、灰白質(zhì)對比度欠佳等因素的影響，在部分人群如中樞神經(jīng)系統(tǒng)尚在發(fā)育中的兒童中，有出現(xiàn)計算誤差的可能［3］。隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的磁共振序列及后處理方法可以實現(xiàn)顱內(nèi)組織分割及定量測量，如近年來發(fā)展的集成磁共振成像（SyMRI，synthetic magnetic resonance imaging）技術(shù)，不僅可在一次掃描內(nèi)獲得T1、T2、PD的定量圖像，且其根據(jù)白質(zhì)、灰質(zhì)的信號模板，可將每個體素內(nèi)的信號分成白質(zhì)、灰質(zhì)和其它成分（NON，即non-WM，GM，CSF），以此對腦組織進(jìn)行分割及體積測定［4］。該分割方法雖然是基于組織信號推論的算法，其衍生方法也在體外組織學(xué)層面通過了驗證［5-6］，但在腦組織分割的臨床實踐中，該方法是否準(zhǔn)確可靠，與傳統(tǒng)的基于T1 圖像腦分割的一致性是否良好，目前尚未有文獻(xiàn)報道。本研究擬以基于傳統(tǒng)的T1 圖像分割為標(biāo)準(zhǔn)，研究基于SyMRI 在正常兒童及青年的腦結(jié)構(gòu)分割中的一致性。本研究可為集成磁共振的臨床應(yīng)用及腦功能研究提供參考，具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性研究，通過中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)（批準(zhǔn)文號：【2019】328）及中國臨床試驗中心注冊號（Identifier：ChiCTR2100048109），所有受檢者檢查前均簽署了知情同意書，未成年志愿者由其法定監(jiān)護(hù)人簽署知情同意書。本研究于2019 年4 月至2020 年3 月在中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院采集50名健康兒童志愿者及30名成年人的圖像。

由于FreeSurfer 軟件無法分析5 歲以下兒童的腦結(jié)構(gòu)相，故本研究的納入標(biāo)準(zhǔn)為：①兒童年齡介于6～14 歲之間，青年人年齡介于15～45 歲之間（世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)）；②既往無任何顱腦相關(guān)疾病病史，無任何精神發(fā)育相關(guān)疾病病史；③在常規(guī)MRI序列中無肉眼可見腦結(jié)構(gòu)性病變者。

排除標(biāo)準(zhǔn)為：①有因幽閉恐懼癥等無法堅持MRI掃描者；②既往有任何已知的可能導(dǎo)致腦結(jié)構(gòu)發(fā)育異常的相關(guān)病史者；③在常規(guī)MRI序列中發(fā)現(xiàn)有腦結(jié)構(gòu)像病變者。

在對原始圖像進(jìn)行回顧分析后，兒童受試者中剔除因T1WI 結(jié)構(gòu)相或SyMRI 頭動偽影較大影響后處理分析的圖像各6例，最終納入38例兒童受試者及全部30 例青年受試者的T1-FSPGR 圖像及集成磁共振圖像。兒童受試者年齡均在6～13 歲之間，中位年齡8 歲，其中包括6 例女性及32 例男性。成年受試者年齡均在22～26 歲之間，中位年齡25歲，包括15例女性及15例男性。

1.2 MRI檢查方法

所有受試者均采用美國GE Pioneer 3.0T MR掃描儀進(jìn)行頭部MRI 檢查，采用32 通道頭部相控陣線圈。T1 成像使用3D 快速擾相梯度回波序列（FSPGR），F(xiàn)OV=256 mm×256 mm，1 mm 等體素，層數(shù)192，TR=8.6 ms，TE=13 ms，采集時間4 min 16 s。SyMRI 成像采用多延遲多回波（MDME）序列，TR=10 205.0 ms，TE=21 及95 ms，F(xiàn)OV=25.6 cm，F(xiàn)OV=256 mm×256 mm，2 mm 等體素，無層間距，ETL 16，掃描方向：橫斷位，采集時間5 min 28 s。同時采集常規(guī)T2WI 及T2-FLAIR 序列圖像以供臨床診斷。

1.3 圖像處理與圖像分析

1.3.1 T1-FSPGR 數(shù)據(jù)處理 使用dcm2nii 軟件將T1-FSPGR 掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為NIFTI 格式，隨后導(dǎo)入FreeSurfer 軟 件（https：//surfer.nmr.mgh.harvard.edu/，V7.1.0），軟件包自動進(jìn)行去皮、標(biāo)準(zhǔn)化校正等過程，輸出腦組織分割測量后的結(jié)果。計算耗時約6 h/例。結(jié)果中可自動得到總灰質(zhì)體積（grey matter volume，GMV），顱內(nèi)體積（intracranial volume，ICV），但無法自動獲得總白質(zhì)體積（white matter volume，WMV）［7］。WMV 由大腦白質(zhì)體積、雙側(cè)小腦半球白質(zhì)體積、胼胝體體積及腦橋體積加和而得［8］。腦實質(zhì)體積（brain parenchyma volume，BPV）由以上的GMV及WMV加和而得。

1.3.2 SyMRI 數(shù)據(jù)處理 將SyMRI 的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入SyMR 后處理軟件（v11.2.2，SyntheticMR 公司），計算耗時約1 min/例，可自動分割得出ICV、GMV、WMV、腦脊液體積、其它物質(zhì)體積（即非灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液的其它物質(zhì)）。腦實質(zhì)體積由灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積及其它物質(zhì)體積加和而得。同時，SyntheticMR 軟件還可自動計算得到腦內(nèi)的總髓鞘體積（圖1）。

圖1 SyMRI數(shù)據(jù)與T1-FSPGR數(shù)據(jù)處理結(jié)果示意圖Fig.1 Segmentation results of SyMRI and T1-FSPGR images

1.4 統(tǒng)計方法

本研究對兩種分割方法在兒童組及青年組中所獲得的GMV、WMV、BPV、ICV 四個參數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。本研究數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 進(jìn)行分析。由于兩種分割方法的具體算法及對組分的具體定義存在差異，兩種方法的結(jié)果存在系統(tǒng)性誤差，故本研究參考Lee 等研究［9］，使用了以下3 種統(tǒng)計學(xué)方法：①使用配對t檢驗以檢驗2 種分割方法所得的GMV、WMV、BPV、ICV 四個參數(shù)的值是否一致。②使用Pearson 相關(guān)性分析檢測2 種方法所得的值的相關(guān)性。③使用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（interclass correlation coefficient，ICC）一致性檢驗評價2 種不同分割方法的一致性。P＜0.05視為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

在兒童組中，通過SyMRI 分割得到的GMV、WMV、BPV、ICV 的值分別為：762.8±67.5（mL）、421.4±56.0（mL）、1 294.2±111.6（mL）、1 451.8 mL±132.0（mL）；基于T1-FSPGR 序列圖像分割得到的GMV、WMV、BPV、ICV 的值（表1）分別為：734.8 ±63.4（mL）、491.0 ±57.4（mL）、1 225.8 ±117.0（mL）、1 375.3 ±117.0（mL）。采取配對t檢驗檢查兩組數(shù)據(jù)的一致性，結(jié)果顯示兩個序列分割所得的GM、WM、BPV、ICV 四個參數(shù)的數(shù)值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。Pearson相關(guān)性分析提示兩種方法的結(jié)果具有較強的相關(guān)性（r值分別為0.691、0.577、0.938、0.796，P＜0.001），其中通過兩種方式得到的BPV 的值相關(guān)性最強（圖2）。進(jìn)一步的ICC一致性檢驗結(jié)果表明，在兒童組中基于T1-FSPGR及SyMRI 圖像分割所得的GM、WM、BPV、ICV 四個參數(shù)的ICC95%CI相關(guān)系數(shù)值分別為0.816（0.647，0.905 ），0.732（0.484，0.861），0.968（0.938，0.983），及0.880（0.770，0.938），均表現(xiàn)出良好的一致性。

表1 兒童組中基于SyMRI及T1-FSPGR測定的腦體積對比Table 1 Comparison of brain segmentation results based on SyMRI and T1-FSPGR images in the children group

圖2 兒童組基于SyMRI圖像及T1-FSPGR分割所得到的腦體積對比Fig.2 Scatter diagrams of brain segmentation results in the children group based on SyMRI and T1-FSPGR images

青年組中通過SyMRI分割得到的GMV、WMV、BPV、ICV 的值分別為：688.1±65.1（mL）、458.9 ±37.9（mL）、1 269.3 ±92.8（mL）、1502.4 ±130.3（mL）；基于T1-FSPGR 序列分割得到的GMV、WMV、BPV、ICV 的值（表2）分別為：714.7±42.2（mL）、513.6 ±45.4（mL）、1 228.3 ±82.0（mL）、1 576.1 ±135.9（mL）。在青年組中基于T1-FSPGR及SyMRI 圖像分割所得的GMV、WMV、BPV、ICV四個參數(shù)的數(shù)值在配對t檢驗具有統(tǒng)計學(xué)顯著性差異，在Pearson 相關(guān)性分析中表現(xiàn)出較強的相關(guān)性（r值分別為0.657、0.623、0.933、0.881，P＜0.001），其中相比于其它參數(shù)，BPV的值相關(guān)性最強（圖3）。在青年組中基于T1-FSPGR 及SyMRI 圖像分割所得的GMV、WMV、BPV、ICV 四個參數(shù)的ICC95%CI相關(guān)系數(shù)值分別為0.751（0.476，0.881），0.760（0.496，0.886），0.962（0.920，0.982），及0.936（0.866，0.970），提示兩組數(shù)據(jù)一致性良好。

表2 青年組中基于SyMRI及T1-FSPGR測定的腦體積對比Table 2 Comparison of brain segmentation results based on SyMRI and T1-FSPGR images in the youth group

圖3 青年組基于SyMRI圖像及T1-FSPGR分割所得到的腦體積對比Fig.3 Scatter diagrams of brain segmentation results in the youth group based on SyMRI and T1-FSPGR images

3 討論

3.1 概述

腦組織分割及體積定量測量計算量巨大，人工手動分割測量難以進(jìn)行，一般均需借助計算機。目前腦科學(xué)研究領(lǐng)域中較為公認(rèn)的腦組織體積分割方式均基于T1WI 結(jié)構(gòu)相（如T1-FSPGR 序列等）進(jìn)行［8］。傳統(tǒng)的T1WI 結(jié)構(gòu)像并無定量數(shù)據(jù)，進(jìn)行腦組織成分分割需借助預(yù)設(shè)腦結(jié)構(gòu)模板，僅靠相對信號差以鑒別顱內(nèi)成分，對于信號差較小的灰白質(zhì)區(qū)域的鑒別能力較差，如無法對腦干內(nèi)的灰白質(zhì)成分進(jìn)行分割。且傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)像獲得的圖像與序列參數(shù)及機型高度相關(guān)，無法取得定量數(shù)據(jù)使之與正常參考值做比較，難以進(jìn)行進(jìn)一步的信號分析，故難以用于隨訪觀察及進(jìn)行多中心的研究［10-11］。由于基于傳統(tǒng)的T1WI 結(jié)構(gòu)像進(jìn)行腦結(jié)構(gòu)分割的精度不足，導(dǎo)致在不同的研究中所采用的灰白質(zhì)體積計算公式不同，導(dǎo)致傳統(tǒng)圖像分割方法在不同研究中可重復(fù)性不足。本研究中采用了Guo 等［8］發(fā)表的研究中的計算方式，但與解剖學(xué)上灰白質(zhì)的劃分仍有一定差距。此外，由于計算模型復(fù)雜，計算量大，耗時較長（6 h/例），不利于該方法在臨床應(yīng)用上的推廣。

單獨的定量磁共振序列如T1-mapping、T2-mapping 序列可以解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)像無法定量的問題，然而傳統(tǒng)的定量圖譜序列掃描時間長，嬰幼兒及依從性差的精神神經(jīng)疾病患者掃描成功率低。且不同參數(shù)的定量序列分別掃描會由于頭部位置的變換導(dǎo)致序列間存在圖像匹配的問題。而SyMRI 可以在一個序列中同時采集多個延遲及多個回波時間的信號，并以此一次性算出T1、T2、PD 及射頻場B1 值［5］，耗時短，1 例僅需1 min，從而解決以上問題。

3.2 基于SyMRI的腦組織分割方法原理

基于SyMRI對腦組織體積進(jìn)行分割的原理為：在獲得的每一個體素內(nèi)生成一個T1-T2-PD 的三維矩陣，基于先期研究的不同的腦組織的T1、T2、PD 信號定量，解析出每個體素內(nèi)的白質(zhì)、灰質(zhì)、腦脊液及其它成分（非白質(zhì)、灰質(zhì)、腦脊液成分）的占比，綜合所有頭顱掃描所得體素信息，即可得到顱內(nèi)體積及灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液及其它成分的總體積［12］。該模型使用的參數(shù)更多，理論上其腦分割更為精細(xì)及準(zhǔn)確。其計算模型相對簡單，可減少計算負(fù)荷，縮短計算時間。

并且，使用SyMRI技術(shù)可以在較短的時間內(nèi)通過一次掃描內(nèi)同時獲得T1、T2 及PD 的定量圖譜成像，提高了掃描的成功率［13-14］，SyMRI 獲得的定量圖像為所采集得信號的定量解析解，理論上不受硬件和具體采集參數(shù)的影響，在不同設(shè)備上采集的圖像均具有良好的可對比性及可重復(fù)性，擴大了數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍［15-16］。

3.3 基于SyMRI的腦分割與傳統(tǒng)方法的一致性分析

本研究的結(jié)果表明，在兒童組或青年組中，配對t檢驗的結(jié)果均顯示使用SyMRI與T1-FSPGR 序列兩種分割方法所得的值具有統(tǒng)計學(xué)的顯著性差異，分析其原因如下：由于兩種分割方法的原理完全不同，將不可避免地導(dǎo)致兩種方法的結(jié)果存在一定的系統(tǒng)誤差。由于SyMRI 可對不同信號進(jìn)行精確解讀，其對大腦的深部核團(tuán)及腦干的灰白質(zhì)的區(qū)分更佳，因此，其計算出的灰質(zhì)、白質(zhì)所包含的范圍與使用T1-FSPGR 圖像經(jīng)FreeSurfer 處理得到的灰質(zhì)及白質(zhì)的內(nèi)容存在一定的差別，這也可能是造成GMV、WMV 在兩種方法間的相關(guān)性較BPV、IVC 稍低的原因。同時本研究實驗結(jié)果表明，相比于青年組，兒童組中通過兩種方法測量的WMV 的值的一致性更低，這可能是由于兒童白質(zhì)髓鞘化程度不完全，被SyMRI后處理模型誤判所致。

基于以上原因，僅依賴配對t檢驗以評價兩種分割方法的一致性是不全面的，故本研究進(jìn)一步進(jìn)行了Pearson 相關(guān)性分析及ICC 一致性檢驗，結(jié)果表明，Pearson 相關(guān)性分析的r值絕大多數(shù)均大于0.6，ICC一致性檢驗的值均大于0.7，在BPV、ICV上大于0.8，顯示兩種方法在兒童組及青年組中均有較好的相關(guān)性和一致性，表明SyMRI具有替代傳統(tǒng)的T1-FSPGR 進(jìn)行腦組織結(jié)構(gòu)分割的可行性。由于以往多數(shù)腦結(jié)構(gòu)分析實驗已經(jīng)證明了基于T1-FSPGR 圖像FreeSurfer 分割結(jié)果的可信度，本實驗結(jié)果亦提示，若以傳統(tǒng)T1 結(jié)構(gòu)相分析方法作為標(biāo)準(zhǔn)，通過SyMRI 得到的BPV、ICV 的值具有較高的科研及臨床使用價值，但所得GMV、WMV 的值的臨床及科研價值及可重復(fù)性仍需更多的研究去證實。此外，基于SyMRI 的腦組織體積分割僅需要1分鐘左右，相比于基于傳統(tǒng)T1 結(jié)構(gòu)像需要耗費數(shù)個小時的分割方法，具有顯著的時間優(yōu)勢。

SyMRI 可以獲得較傳統(tǒng)的T1 結(jié)構(gòu)像更多的定量信息，以其獲得的數(shù)據(jù)可以對腦組織作更深入的解析?；赪arntjes 等［6］的模型，將每一個體素內(nèi)成分分解為髓鞘成分、細(xì)胞成分、自由水成分及間質(zhì)水成分。通過這個模型可以得到顱內(nèi)的髓鞘總體積，進(jìn)而對髓鞘化程度進(jìn)行定量評估，因此其在神經(jīng)發(fā)育類疾病的應(yīng)用可能存在較大的科研價值和臨床價值。此外，SyMRI 還能在生成T1WI、T2WI圖像上調(diào)節(jié)T1及T2的權(quán)重，以獲得較好的對比，有助于病灶的檢出［17］，或生成相位敏感翻轉(zhuǎn)恢復(fù)成像（phase sensitive inversion recovery，PSIR）、單純灰質(zhì)成像等傳統(tǒng)方法難以生成的對比圖像，以對某些特定疾病進(jìn)行更好的診斷［18］。

SyMRI 也有其不足之處：①在進(jìn)行腦組織分割時，由于其分割原理完全依賴于物質(zhì)的信號區(qū)別，導(dǎo)致部分信號類似的物質(zhì)難以被區(qū)別開；病理或生理原因?qū)е滦盘栍胁顒e的同一組織無法正確歸類，如兒童腦組織中髓鞘化不完全的白質(zhì)部分會被劃歸于NON。②據(jù)文獻(xiàn)報道，在較小的兒童中，受灰白質(zhì)發(fā)育不全的影響，現(xiàn)有的后處理方法無法正確地基于SyMRI 圖像區(qū)分灰白質(zhì)及髓鞘［19］。③SyMRI 采集的圖像對頭動較為敏感，頭動偽影會極大地影像腦組織分割的準(zhǔn)確性［15］。④SyMRI 重建所得的T1WI、T2WI 等圖像的信噪比低于傳統(tǒng)的T1WI 及T2WI 圖像。⑤SyMRI 重建所得的FLAIR圖像上，腦實質(zhì)與腦脊液交界處會有偽影，故仍需要采集傳統(tǒng)的FLAIR序列進(jìn)行補充［20］。

本研究的不足之處如下：①本實驗僅對比了6歲以上兒童及青年人中基于SyMRI 技術(shù)與基于T1-FSPGR 圖像的腦組織分割結(jié)果，6 歲以下兒童及正常中老年人的腦結(jié)構(gòu)分割的比較尚待進(jìn)一步研究。②綜合考慮掃描時間及信噪比，SyMRI 在頭顱掃描中一般設(shè)定為2 mm 等體素采集，故其獲得的圖像的分辨率較一般設(shè)置為1 mm 等體素采集的T1-FSPGR 圖像稍低，也可能對腦組織分割的結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

綜上所述，本研究結(jié)果表明基于SyMRI技術(shù)的腦組織分割方法，在6～14 歲兒童及青年內(nèi)，雖然腦體積測量參數(shù)絕對值與基于傳統(tǒng)T1 圖像的腦分割方法不同，但是兩組數(shù)據(jù)有良好的相關(guān)性及一致性，其中BPV、ICV 的相關(guān)性、一致性最高，可以替代基于傳統(tǒng)T1 圖像的腦分割技術(shù)，而且因其掃描時間短、一次掃描可以獲得多個定量參數(shù)，具有廣闊的臨床應(yīng)用和科研前景。