湯嵐鳳，王安琴，王　敏，姜　曼，武紅利，李傳富

（1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，安徽 合肥 230000；2.安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像中心，安徽 合肥 230000）

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論著

基于體素分析技術(shù)在肝豆狀核變性MRI研究中的應(yīng)用價值

湯嵐鳳1，王安琴1，王敏1，姜曼1，武紅利1，李傳富2

（1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，安徽 合肥 230000；2.安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像中心，安徽 合肥 230000）

目的：探討基于體素分析（voxel-based analysis，VBA）圖像方法在肝豆狀核變性（Wilson's disease，WD）MRI研究中的應(yīng)用價值。方法：通過34例WD患者和30例健康志愿者的定量磁化率成像（quantitative susceptibility mapping，QSM）和DTI數(shù)據(jù)的VBA組間比較，檢出WD患者大腦鐵沉積及各向異性指數(shù)（FA）值異常的腦區(qū)，分析這種方法與常規(guī)基于ROI方法研究的優(yōu)勢與不足。結(jié)果：WD患者較正常人，雙側(cè)丘腦、雙側(cè)豆狀核、雙側(cè)尾狀核、雙側(cè)紅核、雙側(cè)黑質(zhì)、雙側(cè)顳葉、右側(cè)島葉和左側(cè)頂下小葉等腦區(qū)的鐵沉積含量增加，部分白質(zhì)等腦區(qū)的鐵沉積含量減少；雙側(cè)丘腦的背外側(cè)核和腹外側(cè)核、雙側(cè)豆狀核、雙側(cè)尾狀核及雙側(cè)紅核等腦區(qū)的FA值升高，雙側(cè)丘腦內(nèi)側(cè)核及白質(zhì)等腦區(qū)的FA值降低。結(jié)論：VBA圖像方法具有能夠發(fā)現(xiàn)未知區(qū)域病變、病變區(qū)域精確定位，以及研究客觀等方面的優(yōu)勢，是一種很有價值的WD的MRI研究方法。

基于體素分析；肝豆狀核變性；磁共振成像

［Abstract］Objective：To explore the application value of voxel-based analysis（VBA）in MRI study of Wilson's disease. Methods：34 patients with WD and 30 cases of healthy controls were recruited for the QSM study and DTI study.With voxel-based analysis，the iron deposition and FA value of WD patients were compared with the control group in order to find the changed brain areas in patient group.These areas were further compared with common ROIs used in conventional MRI studies to investigate the VBA efficiency of pathology detection.Results：Compared with the control group，the patient group demonstrated significantly increased iron deposition in bilateral thalamus，lentiform nucleus，caudate nucleus，red nuclears，substantia nigra，temporal lobe，as well as right insula and left inferior parietal lobule，while decreased iron deposition was found in some white matter areas.The patient group showed significantly increased FA value in bilateral dorsal lateral and ventral lateral nucleus of thalamus，lentiform nucleus，caudate nucleus and bilateral red nucleus.while significantly decreased FA value was demonstrated in bilateral medial thalamic nucleus and widespread areas of white matter.Conclusion：With the method of voxel-based analysis，not only the conventional lesion areas are detected，but some brand new areas of abnormality are also found.Futhermore，this method could provide more detailed and precise anatomical information and overcome the weakness of conventional method of manually drawing ROI.Therefore，it is concluded that VBA is a valuable method in Wilson's disease study of MRI.

［Key words］Voxel-based analysis；Hepatolenticular degeneration；Magnetic resonance imaging

常規(guī)的顱腦MRI研究方法多手工繪制ROI以確定相應(yīng)ROI在患者與正常人之間是否存在差異。但手工繪制ROI易受主觀因素及先驗知識的影響，重復(fù)性較低，且難以全面分析病變的細節(jié)特征，特別是對一些常規(guī)影像學(xué)表現(xiàn)不明顯且可能累及全腦的非局灶性病變。基于體素分析（voxel-based analysis，VBA）圖像方法是一種基于圖像配準技術(shù)的全腦分析方法，目前多用于fMRI研究中。該方法無需先驗假設(shè)條件，將全腦作為一個整體，通過圖像配準對2組數(shù)據(jù)進行逐一體素比較，從而得出客觀且全面的分析結(jié)果［1］。本文以肝豆狀核變性（Wilson's disease，WD）患者的定量磁化率成像（quantitative susceptibility mapping，QSM）和DTI數(shù)據(jù)為研究對象，介紹VBA的處理方法與步驟，并探討該方法在WD的MRI研究中的優(yōu)勢及不足。

1　資料與方法

1.1一般資料選取安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院WD患者34例作為研究組，男21例，女14例，年齡17～45歲，平均（26.94±6.98）歲；選取年齡匹配的健康志愿者30例作為對照組，男15例，女15例，年齡19～48歲，平均（26.2±5.62）歲。所有受試者均為右利手且無WD之外的其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無幽閉恐懼癥及其他MRI禁忌證并簽署知情同意書。

1.2儀器與方法實驗在安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像中心MRI室完成，使用GE MR750 3.0 T超導(dǎo)型MRI掃描儀和8通道頭部線圈進行掃描。掃描數(shù)據(jù)包括3D解剖數(shù)據(jù)、QSM數(shù)據(jù)及DTI數(shù)據(jù)。3D解剖數(shù)據(jù)采用T1-3D BRAVO序列，掃描范圍覆蓋全腦，掃描參數(shù)：TR/TE 8.2 ms/3.2 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，分辨率256×256，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，層厚1 mm，層數(shù)166層。QSM采用ESWAN序列掃描，掃描參數(shù)：TR/TE 53.1 ms/4.5 ms，翻轉(zhuǎn)角15°，分辨率 416×320，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚2 mm，層數(shù)70層。DTI采用SESS-EPI序列掃描，掃描參數(shù)：TR/TE 4 800 ms/ Minimum，分辨率128×128，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚3 mm，層數(shù)45層，掃描包括3個b值（0、1 000、2 000 s/mm2），15個方向，僅對b值為0和1 000 s/mm2的數(shù)據(jù)進行處理。

1.3數(shù)據(jù)處理

1.3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理采用MDEI（http：//weill.cornell. edu/mri/pages/qsm.html）軟件包對ESWAN序列采集的數(shù)據(jù)進行處理得到QSM數(shù)據(jù)［2］。采用DKE軟件包（http：//www.nitrc.org/projects/dke）對SESS-EPI序列掃描得到的數(shù)據(jù)進行處理得到DTI的各向異性指數(shù)（FA）數(shù)據(jù)［3］。

1.3.2空間標準化為了實現(xiàn)不同個體數(shù)據(jù)之間體素的比較，首先需將每一個體的數(shù)據(jù)“空間標準化”，即把每一個體MRI數(shù)據(jù)通過幾何變換，映射到一個標準的立體空間（標準模板空間：基于多位人腦數(shù)據(jù)所構(gòu)建的平均信號強度圖像空間），使這些數(shù)據(jù)相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)在空間上一一對應(yīng)。常用的空間標準化模板包括 Talairach空間的 TT模板、MNI空間的MNI模板等。用于QSM和DTI圖像數(shù)據(jù)的分辨力較低，不能直接與模板進行數(shù)據(jù)標準化。本文先將3D解剖圖像配準到MNI模板，使得3D圖像標準化，再將這一標準化參數(shù)應(yīng)用到QSM和DTI圖像數(shù)據(jù)。本文采用1 mm MNI152模板。

1.3.3數(shù)據(jù)平滑為盡量降低圖像噪聲或偽影對VBA處理結(jié)果的影響，一般在2組數(shù)據(jù)比較之前進行數(shù)據(jù)平滑。常見的數(shù)據(jù)平滑方法包括均值濾波、中值濾波、高斯濾波等，其中高斯濾波較為常用。本研究采用高斯濾波，濾波核大小為1.8。

1.3.4組間比較預(yù)處理及空間標準化之后，分別對2組數(shù)據(jù)進行逐體素的雙獨立樣本t檢驗，分別得出WD患者與正常人大腦每個體素QSM、FA組間統(tǒng)計學(xué)差異結(jié)果。

1.3.5閾值校正由于VBA需同時對大腦內(nèi)多達10多萬個體素進行比較，統(tǒng)計學(xué)上存在多重比較問題，因此在得出最后研究結(jié)果之前，須采用多重比較校正的方法進行閾值校正，在保證病變檢查敏感度的同時，最大程度地降低假陽性率［4］。常見的閾值校正方法有錯誤發(fā)現(xiàn)率（FDR）校正、簇錯誤率（FWE）校正、Monte carlo校正等。本研究采用Monte carlo校正，閾值選定為P=0.005，α≤0.05，QSM數(shù)據(jù)的Cluster Size=424，DTI數(shù)據(jù)的Cluster Size=326。

2　結(jié)果

2.1QSM數(shù)據(jù)VBA分析結(jié)果VBA分析結(jié)果顯示，WD患者的雙側(cè)丘腦、雙側(cè)豆狀核、雙側(cè)尾狀核、雙側(cè)紅核、雙側(cè)黑質(zhì)、雙側(cè)顳葉、右側(cè)島葉和左側(cè)頂下小葉等腦區(qū)的鐵沉積含量較正常人明顯增加，半卵圓中心部分白質(zhì)的鐵沉積含量較正常人減少（圖1）。

2.2FA的VBA分析結(jié)果VBA分析結(jié)果顯示，WD患者雙側(cè)丘腦的背外側(cè)核和腹外側(cè)核、雙側(cè)豆狀核、雙側(cè)尾狀核和雙側(cè)紅核等腦區(qū)的FA值較正常人明顯升高，雙側(cè)丘腦內(nèi)側(cè)核及廣泛白質(zhì)區(qū)域的FA值較正常人降低（圖2）。

3　討論

VBA作為一種基于體素的全腦分析方法，在無先驗假設(shè)的條件下將全腦作為一個整體，將不同受試者的大腦圖像數(shù)據(jù)與標準大腦模板圖像進行配準，使所有數(shù)據(jù)都映射到統(tǒng)一的標準空間中，然后進行體素比較。目前這種方法主要用于各種腦功能成像數(shù)據(jù)的研究分析，包括任務(wù)態(tài)fMRI、各種靜息態(tài)fMRI研究［5-7］，以及用于分析大腦形態(tài)結(jié)構(gòu)細微變化的形態(tài)測量術(shù)［8-9］。該技術(shù)不僅可用于fMRI和形態(tài)測量術(shù)的分析，還可用于更廣泛的顱腦MRI數(shù)據(jù)分析中［10-12］。本文以WD的QSM和DTI數(shù)據(jù)為例，探討VBA方法在WD病變MRI研究中的優(yōu)勢及不足。

3.1VBA的優(yōu)勢①發(fā)現(xiàn)未知病變區(qū)域。常規(guī)WD的影像學(xué)研究多采用手工繪制ROI的方法，選擇的ROI主要局限在雙側(cè)豆狀核、丘腦、紅核等腦區(qū)［13-15］。本文利用VBA技術(shù)的分析結(jié)果，無論是QSM還是DTI的FA值，均成功檢出這些區(qū)域的異常，除此之外，QSM的VBA分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)了顳葉、島葉、頂下小葉大腦皮層，以及半卵圓中心腦白質(zhì)等腦區(qū)的異常（圖1）；DTI的VBA分析結(jié)果顯示，WD不僅這些腦區(qū)的FA值升高，同時還存在FA值降低的廣泛腦白質(zhì)區(qū)域（圖2）。說明利用VBA技術(shù)不僅可發(fā)現(xiàn)常規(guī)研究方法發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域，還能發(fā)現(xiàn)常規(guī)手工繪制ROI方法難以發(fā)現(xiàn)的異常腦區(qū)，如顳葉、島葉、頂下小葉等腦區(qū)的鐵沉積異常和廣泛腦白質(zhì)區(qū)域的FA值異常等。②定位更加精確。隨著腦科學(xué)研究的深入，人們對大腦結(jié)構(gòu)和功能的認識也不斷加深，病變區(qū)域的精確定位顯得尤其重要。本文QSM的VBA分析發(fā)現(xiàn)，WD患者的尾狀核鐵沉積異常主要集中在尾狀核頭部的區(qū)域，尾狀核體部和尾部無明顯異常；DTI的VBA分析發(fā)現(xiàn)，丘腦的不同神經(jīng)核團FA值變化不同，丘腦背內(nèi)側(cè)核FA值降低，而丘腦的腹外側(cè)核及底丘腦核FA值升高?？紤]到丘腦的不同神經(jīng)核團具有不同解剖結(jié)構(gòu)和功能，精確定位這些病變區(qū)域?qū)ι钊敕治鲈摬〉陌l(fā)病及演變規(guī)律具有重要價值。③結(jié)果更加客觀全面。手工繪制ROI時，ROI大小和位置缺乏統(tǒng)一標準，對操作者依賴程度大，且需在一系列的層面上手工勾畫ROI的邊界，不僅費時費力，且受人為因素影響較大，客觀性較差。而VBA是將每一個體的數(shù)據(jù)通過空間變換映射到一個相同的立體解剖空間，不受操作者主觀因素的影響，結(jié)果更加客觀，可重復(fù)性更高。由于VBA技術(shù)是基于每一個體素的全腦分析，不取決于研究者選擇的ROI，因此結(jié)果更全面。

3.2不足之處ROI的局限性多與VBA的配準技術(shù)有關(guān)。配準大體上可分為相同個體之間的剛性配準和不同個體之間的非剛性配準［16］。剛性配準一般用于相同個體不同次檢查或不同模式檢查數(shù)據(jù)之間的對齊，精確度相對較高。非剛性配準需將不同個體數(shù)據(jù)對應(yīng)的解剖細節(jié)結(jié)構(gòu)對齊，不僅算法復(fù)雜，配準精確度也不如剛性配準。VBA需將不同個體的數(shù)據(jù)配準到一個標準解剖模板，屬于非剛性配準。盡管不同個體的大體解剖結(jié)構(gòu)基本相同，但不同個體之間的細節(jié)解剖結(jié)果差異很大，如大腦溝回的多少和深淺，不同個體之間就存在很大差異。這些差異可能導(dǎo)致大腦細節(jié)結(jié)構(gòu)上的配準不夠精確，而出現(xiàn)一定程度的假陰性或假陽性結(jié)果。

此外，不同個體的大腦解剖結(jié)構(gòu)配準準確度還依賴于病變是否顯著影響到大腦的大體解剖結(jié)構(gòu)。大腦占位性病變，如腦出血和腦腫瘤，顯著影響大腦的解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)，進而導(dǎo)致配準的細節(jié)結(jié)構(gòu)的失敗。因此，在目前配準算法無法解決該問題前，VBA一般情況下不適用于這種局灶性病變的分析，僅用于常規(guī)影像學(xué)檢查病變特征不明顯的彌漫性大腦病變，如各種大腦退行性病變，以及常規(guī)影像學(xué)檢查無明顯改變的病變，如精神類疾病等。

綜上所述，與常規(guī)手工繪制ROI的研究方法比較，VBA在WD的MRI研究中具有明顯優(yōu)勢，不僅可全面、客觀地分析并檢出全腦異常，發(fā)現(xiàn)常規(guī)分析方法難以發(fā)現(xiàn)的病變區(qū)域，且不受研究者先驗知識和主觀因素的影響，同時病變區(qū)域定位更加精細。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，WD病變腦區(qū)不僅局限于基底節(jié)區(qū)，在其他以往尚未研究的腦區(qū)中也存在異常，該發(fā)現(xiàn)為進一步的相關(guān)研究提供了客觀依據(jù)。盡管由于當前配準技術(shù)的局限性，VBA也存在一些不足，但隨著圖像處理和分析技術(shù)研究的不斷深入，該方法將會發(fā)揮越來越重要的作用。

圖1　肝豆狀核變性（WD）組與健康對照組組間鐵沉積比較分析結(jié)果（橫軸位）。Monte carlo校正，P=0.005，α≤0.05，Cluster Size= 424，WD患者大腦的雙側(cè)丘腦、雙側(cè)豆狀核、雙側(cè)尾狀核、雙側(cè)紅核、雙側(cè)黑質(zhì)、雙側(cè)顳葉、右側(cè)島葉和左側(cè)頂下小葉等腦區(qū)的鐵沉積含量較正常人明顯增加，半卵圓中心部分白質(zhì)的鐵沉積含量較正常人減少（紅色代表鐵沉積增加，藍色表示鐵沉積減少；方位標記 R：右）

圖2　WD組與健康對照組組間各向異性指數(shù)（FA）值比較分析結(jié)果（橫軸位）。Monte carlo校正，P=0.005，α≤0.05，Cluster Size=424，WD患者大腦的雙側(cè)丘腦的背外側(cè)核和腹外側(cè)核、雙側(cè)豆狀核、雙側(cè)尾狀核和雙側(cè)紅核等腦區(qū)的FA值較正常人明顯升高，雙側(cè)丘腦內(nèi)側(cè)核及廣泛白質(zhì)區(qū)域的FA值較正常人降低（紅色代表FA值升高，藍色表示FA值降低；方位標記R：右）

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Evaluation of voxel-based analysis application to the MRI study of Wilson's disease

TANG Lanfeng，WANG An'qin，WANGMin，JIANG Man，WU Hongli，LI Chuanfu.Medical Imaging Center，The First Affiliated Hospital of Anhui University of Chinese Medicine，Hefei，230031，China.

10.3969/j.issn.1672-0512.2016.05.002

國家973計劃項目（2010CB530505）；國家自然科學(xué)基金項目（81202768）；安徽省自然科學(xué)基金項目（1208085MH147）。

李傳富，E-mail：13956078816@126.com。

2015-10-10）