腦腫瘤患者手術(shù)前后腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩匝芯?/h1>
2017-06-01 12:20:41錢(qián)志余孫金洋
薛 莉 陶 玲 錢(qián)志余 俞 宙 孫金洋
(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)
腦腫瘤患者手術(shù)前后腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩匝芯?/p>
薛 莉 陶 玲*錢(qián)志余 俞 宙 孫金洋
(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)
主要研究腦腫瘤的存在及手術(shù)對(duì)患者全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘挠绊?。結(jié)合彌散張量成像技術(shù)(DTI)和圖論方法，對(duì)10例健康志愿者以及10例腦腫瘤患者進(jìn)行術(shù)前術(shù)后全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，獲得兩組受試者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)，以及反映腦認(rèn)知功能的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。結(jié)果顯示，部分局部參數(shù)(包括Ki、Li、Enodal、Ci和Eilocal)在手術(shù)前后具有明顯差異，且術(shù)前組均優(yōu)于術(shù)后組；全腦及半腦各全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)顯示，各項(xiàng)參數(shù)術(shù)前組均優(yōu)于術(shù)后組；同時(shí)半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析顯示，位于不同腦半球的腦腫瘤對(duì)患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所造成的損傷均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。腫瘤的存在以及手術(shù)均使得腦腫瘤患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變，大腦的半腦優(yōu)勢(shì)化趨勢(shì)明顯降低；手術(shù)后結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦缘母淖円约靶∈澜鐚傩缘脑鰪?qiáng)，驗(yàn)證大腦本身存在的代償機(jī)制以及功能重組現(xiàn)象。
彌散張量成像；大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；腦腫瘤；切除手術(shù)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?/p>
引言
腦腫瘤是神經(jīng)系統(tǒng)常見(jiàn)疾病之一，致死率高，發(fā)病率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)[1-2]。有研究指出，腦腫瘤會(huì)導(dǎo)致大腦中某些特定纖維束的完整性發(fā)生改變[3]，進(jìn)而影響到整個(gè)大腦的神經(jīng)代謝活動(dòng)，使患者的認(rèn)知功能下降[3-4]。目前，常見(jiàn)的腦腫瘤治療方法主要包括外科切除、放射治療、射頻消融[5-7]等，外科治療手段旨在緩解患者的腦積水、腦出血等一系列癥狀，減緩腫瘤惡化程度[8]，但是大多數(shù)針對(duì)腦腫瘤的醫(yī)學(xué)治療手段都會(huì)導(dǎo)致病人的認(rèn)知功能發(fā)生改變[9]。Tallen G等人于2015年做出一項(xiàng)研究，研究顯示腦腫瘤切除手術(shù)的成功與否與醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)、手術(shù)方案、腫瘤切除程度有著密切的聯(lián)系，且隨著年齡的增長(zhǎng)，患者會(huì)出現(xiàn)中風(fēng)、癲癇、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)失調(diào)以及視力下降等手術(shù)后遺癥[10]。相關(guān)研究表明，大腦是一個(gè)有機(jī)功能作用的整體，其局部的病變不僅僅導(dǎo)致局部功能的改變，還間接、次級(jí)地影響其他功能信息的傳遞模式，最終導(dǎo)致腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的大腦整體網(wǎng)絡(luò)存在異常模式。再加之，不同個(gè)體的大腦解剖功能也有很大的差異，某些低級(jí)別腦腫瘤患者并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知障礙，或者在手術(shù)后很快出現(xiàn)功能代償現(xiàn)象，認(rèn)知損傷在術(shù)后逐步恢復(fù)。這些問(wèn)題使得探討大腦病灶及手術(shù)對(duì)大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)影響，并分析其潛在的腦功能可塑性，具有重要的價(jià)值。
本研究結(jié)合圖論以及神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)，對(duì)腦腫瘤患者手術(shù)前后全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，探討腫瘤的存在以及手術(shù)對(duì)患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響，為探索腦腫瘤患者存在的腦功能重組和代償機(jī)制提供幫助。
1 材料和方法
1.1 數(shù)據(jù)采集
本研究的磁共振數(shù)據(jù)均來(lái)源于南京腦科醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科。共有10例腦腫瘤患者(46～67歲，平均年齡59歲，女/男=3/7)參與研究，均為右利手。另有10例健康志愿者作為正常對(duì)照組(42～61歲，平均年齡54歲，女/男=4/6)，均無(wú)顱內(nèi)病灶及神經(jīng)精神疾病史。兩組受試者均以書(shū)面或口頭形式被告知本研究?jī)?nèi)容并同意參加實(shí)驗(yàn)，研究經(jīng)南京腦科醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)通過(guò)。
1.2 影像學(xué)掃描參數(shù)
數(shù)據(jù)采集采用SIEMENS公司Verio/3.0T MR掃描儀。T1結(jié)構(gòu)像采集使用MPRAGE序列，掃描參數(shù)：TR=1 900 ms，TE=2.49 ms，層厚=1 mm，F(xiàn)A=9°，TI=900 ms，F(xiàn)OV=250 mm×250 mm，采集矩陣=256×256，體素=1 mm×1 mm×1 mm。DTI數(shù)據(jù)采集使用EPI序列，掃描參數(shù)：層厚=3 mm，掃描層數(shù)=45，TR=6 500 ms，TE=95 ms，采集矩陣=128×128，F(xiàn)OV=240 mm×240 mm，BW=1447 Hz/Px，共31個(gè)梯度方向(其中第一個(gè)方向的b值為0 s/mm2，其他方向b值為1 000 s/mm2)。
1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理
整個(gè)預(yù)處理過(guò)程在SPM8軟件下進(jìn)行，將個(gè)體DTI與AAL模板進(jìn)行配準(zhǔn)，定義每個(gè)腦區(qū)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合纖維束跟蹤結(jié)果(DTIstudio)，定義兩腦區(qū)之間的纖維束為邊，以每對(duì)腦區(qū)之間的纖維束數(shù)目為邊的權(quán)重，得到90×90的加權(quán)矩陣，再設(shè)定閾值，將該加權(quán)矩陣轉(zhuǎn)化成二值矩陣[11]，再根據(jù)此二值矩陣提取出左右兩個(gè)半腦各自的二值矩陣，這兩個(gè)二值矩陣即為左右半腦各自的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
1.4 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析
人類(lèi)大腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦钥梢杂脧?fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法進(jìn)行定量描述，定義節(jié)點(diǎn)簇系數(shù)(Ci)、網(wǎng)絡(luò)平均簇系數(shù)(Cp)、節(jié)點(diǎn)度(Ki)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均度(Kp)、最短路徑長(zhǎng)度(Li)、特征路徑長(zhǎng)度(Lp)、全局效率(Eglob)、節(jié)點(diǎn)局部效率(Eilocal)、網(wǎng)絡(luò)局部效率(Eloc)、節(jié)點(diǎn)效率(Enodal)、介數(shù)值(bi)、損傷性(Vi)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度(Sp)等參數(shù)[12]，在此基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)建的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)的對(duì)比分析。對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化簇系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化特征路徑長(zhǎng)度來(lái)度量[13]。若一真實(shí)網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足γ=Cp，real/Cp,rand?1，λ=Lp,real/Lp,rand≈1，那么該腦網(wǎng)絡(luò)就可作為小世界網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行處理。
1.5 統(tǒng)計(jì)分析
利用SPSS軟件對(duì)手術(shù)前后全腦網(wǎng)絡(luò)的局部參數(shù)做雙樣本t檢驗(yàn)，對(duì)術(shù)前術(shù)后組的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，將術(shù)前組及術(shù)后組分別與正常對(duì)照組做獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。為分析腫瘤患側(cè)及切除手術(shù)對(duì)患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)造成的影響，本研究對(duì)患側(cè)半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做雙因素方差分析(以P<0.05作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))。
2 結(jié)果
2.1 全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比較
2.1.1局部參數(shù)比較
對(duì)術(shù)前組與術(shù)后組的全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的局部參數(shù)(Ki、Li、Enodal、Ci和Eilocal)行雙樣本雙尾t檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。檢測(cè)出包括左側(cè)中央溝蓋(ROL.L)、左側(cè)楔葉(CUN.L)、右側(cè)枕上回(SOG.R)、右側(cè)頂上回(SPG.R)、左側(cè)顳中回(MTG.L)、右側(cè)角回(ANG.R)、左側(cè)楔前葉(PCUN.L)在內(nèi)的7個(gè)腦區(qū)存在著明顯的局部參數(shù)差異，且檢測(cè)到顯著差異的任意腦區(qū)的任意局部參數(shù)均顯示術(shù)前組優(yōu)于術(shù)后組，說(shuō)明手術(shù)造成了腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中局部功能的破壞。術(shù)前、術(shù)后組局部參數(shù)比較結(jié)果如圖1所示。
圖1 術(shù)前、術(shù)后組局部參數(shù)比較結(jié)果Fig.1 Comparisons of local parameter of brain network between pre-operation and post-operation
2.1.2 全局參數(shù)比較
使用SPSS軟件，對(duì)術(shù)前及術(shù)后組的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)(Cp、Eglob、Eloc、Kp、Lp、Sp、σ、γ、λ)做配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，再將術(shù)前組、術(shù)后組分別與正常組全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。
術(shù)前與術(shù)后組各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，不管是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)還是小世界特性參數(shù)，手術(shù)前后均不具有明顯差異，且各項(xiàng)參數(shù)均顯示術(shù)前優(yōu)于術(shù)后；術(shù)前組與正常組相比，平均路徑長(zhǎng)度(Lp)以及小世界特性λ均顯示出明顯差異；術(shù)后組較正常組而言，在全局效率(Eglob)、節(jié)點(diǎn)度(Kp)、特征路徑長(zhǎng)度(Lp)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度(Sp)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及小世界特性參數(shù)σ、γ、λ均顯示出差異性。
圖2 術(shù)前-正常-術(shù)后組全局參數(shù)比較結(jié)果(注：*P<0.05，**P<0.01)Fig.2 Comparisons of global parameters of brain network among pre-operation, controls and post-operation.
2.2 半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比較
為了進(jìn)一步研究手術(shù)對(duì)腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)功能的影響，對(duì)患者進(jìn)行術(shù)前術(shù)后患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的分析，雙因素方差分析結(jié)果如表1所示。其反映的是術(shù)前術(shù)后患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)的變化，可以看出手術(shù)前后“腫瘤患側(cè)”的半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的全局參數(shù)未有顯著差異。圖3所示為患側(cè)半腦手術(shù)前后全局參數(shù)均值，結(jié)果顯示術(shù)后各項(xiàng)半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均低于術(shù)前組的相應(yīng)參數(shù)。
表1 腫瘤患側(cè)、手術(shù)對(duì)全局參數(shù)影響的方差分析Tab.1 Affected side, operation effect on global parameters revealed by ANOVA
注：*P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
Note: Significant group differences at*P<0.05.
圖3 患側(cè)半腦手術(shù)前后全局腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Fig.3 Global parameters of affected side network among pre-operation and post-operation.
3 討論
3.1 全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析
本研究對(duì)腦腫瘤患者術(shù)前、術(shù)后以及正常3類(lèi)情況的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，并從全腦局部以及全局參數(shù)、半腦全局參數(shù)的角度評(píng)價(jià)腫瘤及腫瘤切除手術(shù)對(duì)患者全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響。
最短路徑長(zhǎng)度是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑中包含邊數(shù)最少的那條路徑所含邊數(shù)，最短路徑在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸和交換中起重要作用[14]。節(jié)點(diǎn)效率是衡量節(jié)點(diǎn)特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反應(yīng)某單一節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的信息傳播能力，值越大，表示在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸中的地位越高[15]。研究結(jié)果顯示，最短路徑長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)效率在多數(shù)腦區(qū)存在顯著差異，這表明手術(shù)造成了患者大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)重組，各腦區(qū)信息傳輸路徑發(fā)生變化，且這些變化是不利的。
術(shù)前、術(shù)后組與正常組行雙樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，僅平均路徑長(zhǎng)度(Lp)在手術(shù)前后與正常組之間均具有明顯差異，且在術(shù)后組與正常組行t檢驗(yàn)后的結(jié)果中顯示出差異性增強(qiáng)的趨勢(shì)，意味著腫瘤患者在進(jìn)行信息傳輸時(shí)，通道發(fā)生改變，且在手術(shù)之后變化更為明顯，說(shuō)明手術(shù)在引起患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化這方面的影響更為強(qiáng)烈。
小世界網(wǎng)絡(luò)具有較高簇系數(shù)和較短的特征路徑長(zhǎng)度，術(shù)前與術(shù)后患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都具有小世界特性(均滿(mǎn)足：γ>1，λ≈1，σ=(γ/λ)?1)，且手術(shù)前后均無(wú)明顯差異[16]。術(shù)前及術(shù)后的小世界特性較正常組均有所增強(qiáng)，且術(shù)后增強(qiáng)更為明顯。意味著手術(shù)一段時(shí)間之后，患者腦網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生一定的代償機(jī)制和功能重組，恢復(fù)到術(shù)前的水平。大腦的網(wǎng)絡(luò)重組依賴(lài)于腦的可塑性，分為功能可塑性和結(jié)構(gòu)可塑性?xún)煞N[17-19]。對(duì)全腦各項(xiàng)參數(shù)的研究，證實(shí)了腦網(wǎng)絡(luò)重組的存在。
3.2 半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析
本研究對(duì)患者的患側(cè)半腦的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，目的在于探究由于腫瘤的占位和切除手術(shù)對(duì)不同患側(cè)腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和腦認(rèn)知功能的影響。
大量研究表明，正常大腦都存在一定程度的偏側(cè)性，大腦的偏側(cè)化主要體現(xiàn)在半腦的局部腦區(qū)某些功能的優(yōu)勢(shì)化[20]。有研究指出，特定型語(yǔ)言障礙會(huì)導(dǎo)致大腦偏側(cè)化異常，患者較正常人半腦優(yōu)勢(shì)化趨勢(shì)明顯降低[21]。由雙因素方差分析結(jié)果可知，無(wú)論腫瘤位于哪側(cè)腦半球，各項(xiàng)半腦全局參數(shù)均未顯示出明顯差異，由此可以推斷，腫瘤無(wú)論位于哪一側(cè)腦半球，對(duì)患者所造成的認(rèn)知損傷是一樣的。術(shù)前組半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)均優(yōu)于術(shù)后組，這與之前的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)所得結(jié)果相一致，可知手術(shù)在一定程度上確實(shí)對(duì)患者的腦結(jié)構(gòu)造成不利影響，進(jìn)而可間接導(dǎo)致認(rèn)知能力的相應(yīng)變化。“是否手術(shù)”作為影響因子的方差分析顯示，手術(shù)前后各項(xiàng)半腦全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)無(wú)明顯差異，同樣被認(rèn)為可能是網(wǎng)絡(luò)功能重組現(xiàn)象所致。
對(duì)全腦以及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果驗(yàn)證了腦腫瘤患者出現(xiàn)的功能重組現(xiàn)象，可通過(guò)借鑒該腦腫瘤患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)變化分析方法，對(duì)手術(shù)治療效果做出一定的術(shù)后療效評(píng)估。由于數(shù)據(jù)量的限制，本研究得到的手術(shù)前后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦宰兓粔蛎黠@。后續(xù)，隨著樣本量的增多，研究將會(huì)更為全面和具體。
4 結(jié)論
本研究基于彌散張量成像技術(shù)，使用圖論對(duì)腦腫瘤患者術(shù)前術(shù)后的全腦以及半腦進(jìn)行腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。全腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩匝芯勘砻?，腦腫瘤的存在以及腦腫瘤切除手術(shù)均會(huì)使正常大腦原本的信息傳輸路徑發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)正常腦網(wǎng)絡(luò)形態(tài)造成影響。在進(jìn)行腫瘤切除手術(shù)一段時(shí)間后，可以恢復(fù)到術(shù)前水平，但是與正常人仍有一定差距，這與大多數(shù)臨床研究相符。術(shù)前與術(shù)后組局部參數(shù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)得到某些腦區(qū)存在顯著差異，但是檢測(cè)出的全局參數(shù)差異不夠明顯，驗(yàn)證了腦網(wǎng)絡(luò)重組的存在。半腦分析結(jié)果顯示，腫瘤的存在使得半腦優(yōu)勢(shì)化趨勢(shì)降低，患側(cè)半腦術(shù)前各參數(shù)均優(yōu)于術(shù)后，這些研究結(jié)果與大多數(shù)臨床表現(xiàn)一致。由此可知，通過(guò)分析患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)手術(shù)前后拓?fù)涮匦?，進(jìn)而分析腦腫瘤以及腫瘤切除手術(shù)對(duì)患者的影響，可對(duì)手術(shù)效果進(jìn)行評(píng)估，為評(píng)價(jià)患者術(shù)后生存質(zhì)量提供參考。
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Research on Cerebral Structural Network of Brain Tumor Patients before and after Surgery
Xue Li Tao Ling*Qian Zhiyu Yu Zhou Sun Jinyang
(CollegeofAutomation,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing211106,China)
diffusion tensor imaging; human brain anatomical networks; brain tumor; resective surgery; topological properties of the network
10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.014
2016-04-20，， 錄用日期:2016-10-08
國(guó)家自然科學(xué)基金(61275199)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(NS2015032)
R318
D
0258-8021(2017) 02-0228-05
*通信作者(Corresponding author)，E-mail: taoling@nuaa.edu.cn.
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薛 莉 陶 玲 錢(qián)志余 俞 宙 孫金洋
(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)
腦腫瘤患者手術(shù)前后腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩匝芯?/p>
薛 莉 陶 玲*錢(qián)志余 俞 宙 孫金洋
(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)
主要研究腦腫瘤的存在及手術(shù)對(duì)患者全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘挠绊?。結(jié)合彌散張量成像技術(shù)(DTI)和圖論方法，對(duì)10例健康志愿者以及10例腦腫瘤患者進(jìn)行術(shù)前術(shù)后全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，獲得兩組受試者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)，以及反映腦認(rèn)知功能的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。結(jié)果顯示，部分局部參數(shù)(包括Ki、Li、Enodal、Ci和Eilocal)在手術(shù)前后具有明顯差異，且術(shù)前組均優(yōu)于術(shù)后組；全腦及半腦各全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)顯示，各項(xiàng)參數(shù)術(shù)前組均優(yōu)于術(shù)后組；同時(shí)半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析顯示，位于不同腦半球的腦腫瘤對(duì)患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所造成的損傷均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。腫瘤的存在以及手術(shù)均使得腦腫瘤患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變，大腦的半腦優(yōu)勢(shì)化趨勢(shì)明顯降低；手術(shù)后結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦缘母淖円约靶∈澜鐚傩缘脑鰪?qiáng)，驗(yàn)證大腦本身存在的代償機(jī)制以及功能重組現(xiàn)象。
彌散張量成像；大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；腦腫瘤；切除手術(shù)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?/p>
引言
腦腫瘤是神經(jīng)系統(tǒng)常見(jiàn)疾病之一，致死率高，發(fā)病率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)[1-2]。有研究指出，腦腫瘤會(huì)導(dǎo)致大腦中某些特定纖維束的完整性發(fā)生改變[3]，進(jìn)而影響到整個(gè)大腦的神經(jīng)代謝活動(dòng)，使患者的認(rèn)知功能下降[3-4]。目前，常見(jiàn)的腦腫瘤治療方法主要包括外科切除、放射治療、射頻消融[5-7]等，外科治療手段旨在緩解患者的腦積水、腦出血等一系列癥狀，減緩腫瘤惡化程度[8]，但是大多數(shù)針對(duì)腦腫瘤的醫(yī)學(xué)治療手段都會(huì)導(dǎo)致病人的認(rèn)知功能發(fā)生改變[9]。Tallen G等人于2015年做出一項(xiàng)研究，研究顯示腦腫瘤切除手術(shù)的成功與否與醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)、手術(shù)方案、腫瘤切除程度有著密切的聯(lián)系，且隨著年齡的增長(zhǎng)，患者會(huì)出現(xiàn)中風(fēng)、癲癇、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)失調(diào)以及視力下降等手術(shù)后遺癥[10]。相關(guān)研究表明，大腦是一個(gè)有機(jī)功能作用的整體，其局部的病變不僅僅導(dǎo)致局部功能的改變，還間接、次級(jí)地影響其他功能信息的傳遞模式，最終導(dǎo)致腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的大腦整體網(wǎng)絡(luò)存在異常模式。再加之，不同個(gè)體的大腦解剖功能也有很大的差異，某些低級(jí)別腦腫瘤患者并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知障礙，或者在手術(shù)后很快出現(xiàn)功能代償現(xiàn)象，認(rèn)知損傷在術(shù)后逐步恢復(fù)。這些問(wèn)題使得探討大腦病灶及手術(shù)對(duì)大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)影響，并分析其潛在的腦功能可塑性，具有重要的價(jià)值。
本研究結(jié)合圖論以及神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)，對(duì)腦腫瘤患者手術(shù)前后全腦及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，探討腫瘤的存在以及手術(shù)對(duì)患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響，為探索腦腫瘤患者存在的腦功能重組和代償機(jī)制提供幫助。
1 材料和方法
1.1 數(shù)據(jù)采集
本研究的磁共振數(shù)據(jù)均來(lái)源于南京腦科醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科。共有10例腦腫瘤患者(46～67歲，平均年齡59歲，女/男=3/7)參與研究，均為右利手。另有10例健康志愿者作為正常對(duì)照組(42～61歲，平均年齡54歲，女/男=4/6)，均無(wú)顱內(nèi)病灶及神經(jīng)精神疾病史。兩組受試者均以書(shū)面或口頭形式被告知本研究?jī)?nèi)容并同意參加實(shí)驗(yàn)，研究經(jīng)南京腦科醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)通過(guò)。
1.2 影像學(xué)掃描參數(shù)
數(shù)據(jù)采集采用SIEMENS公司Verio/3.0T MR掃描儀。T1結(jié)構(gòu)像采集使用MPRAGE序列，掃描參數(shù)：TR=1 900 ms，TE=2.49 ms，層厚=1 mm，F(xiàn)A=9°，TI=900 ms，F(xiàn)OV=250 mm×250 mm，采集矩陣=256×256，體素=1 mm×1 mm×1 mm。DTI數(shù)據(jù)采集使用EPI序列，掃描參數(shù)：層厚=3 mm，掃描層數(shù)=45，TR=6 500 ms，TE=95 ms，采集矩陣=128×128，F(xiàn)OV=240 mm×240 mm，BW=1447 Hz/Px，共31個(gè)梯度方向(其中第一個(gè)方向的b值為0 s/mm2，其他方向b值為1 000 s/mm2)。
1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理
整個(gè)預(yù)處理過(guò)程在SPM8軟件下進(jìn)行，將個(gè)體DTI與AAL模板進(jìn)行配準(zhǔn)，定義每個(gè)腦區(qū)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合纖維束跟蹤結(jié)果(DTIstudio)，定義兩腦區(qū)之間的纖維束為邊，以每對(duì)腦區(qū)之間的纖維束數(shù)目為邊的權(quán)重，得到90×90的加權(quán)矩陣，再設(shè)定閾值，將該加權(quán)矩陣轉(zhuǎn)化成二值矩陣[11]，再根據(jù)此二值矩陣提取出左右兩個(gè)半腦各自的二值矩陣，這兩個(gè)二值矩陣即為左右半腦各自的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
1.4 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析
人類(lèi)大腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮匦钥梢杂脧?fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法進(jìn)行定量描述，定義節(jié)點(diǎn)簇系數(shù)(Ci)、網(wǎng)絡(luò)平均簇系數(shù)(Cp)、節(jié)點(diǎn)度(Ki)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均度(Kp)、最短路徑長(zhǎng)度(Li)、特征路徑長(zhǎng)度(Lp)、全局效率(Eglob)、節(jié)點(diǎn)局部效率(Eilocal)、網(wǎng)絡(luò)局部效率(Eloc)、節(jié)點(diǎn)效率(Enodal)、介數(shù)值(bi)、損傷性(Vi)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度(Sp)等參數(shù)[12]，在此基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)建的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)的對(duì)比分析。對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化簇系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化特征路徑長(zhǎng)度來(lái)度量[13]。若一真實(shí)網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足γ=Cp，real/Cp,rand?1，λ=Lp,real/Lp,rand≈1，那么該腦網(wǎng)絡(luò)就可作為小世界網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行處理。
1.5 統(tǒng)計(jì)分析
利用SPSS軟件對(duì)手術(shù)前后全腦網(wǎng)絡(luò)的局部參數(shù)做雙樣本t檢驗(yàn)，對(duì)術(shù)前術(shù)后組的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，將術(shù)前組及術(shù)后組分別與正常對(duì)照組做獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。為分析腫瘤患側(cè)及切除手術(shù)對(duì)患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)造成的影響，本研究對(duì)患側(cè)半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做雙因素方差分析(以P<0.05作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))。
2 結(jié)果
2.1 全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比較
2.1.1局部參數(shù)比較
對(duì)術(shù)前組與術(shù)后組的全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的局部參數(shù)(Ki、Li、Enodal、Ci和Eilocal)行雙樣本雙尾t檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。檢測(cè)出包括左側(cè)中央溝蓋(ROL.L)、左側(cè)楔葉(CUN.L)、右側(cè)枕上回(SOG.R)、右側(cè)頂上回(SPG.R)、左側(cè)顳中回(MTG.L)、右側(cè)角回(ANG.R)、左側(cè)楔前葉(PCUN.L)在內(nèi)的7個(gè)腦區(qū)存在著明顯的局部參數(shù)差異，且檢測(cè)到顯著差異的任意腦區(qū)的任意局部參數(shù)均顯示術(shù)前組優(yōu)于術(shù)后組，說(shuō)明手術(shù)造成了腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中局部功能的破壞。術(shù)前、術(shù)后組局部參數(shù)比較結(jié)果如圖1所示。
圖1 術(shù)前、術(shù)后組局部參數(shù)比較結(jié)果Fig.1 Comparisons of local parameter of brain network between pre-operation and post-operation
2.1.2 全局參數(shù)比較
使用SPSS軟件，對(duì)術(shù)前及術(shù)后組的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)(Cp、Eglob、Eloc、Kp、Lp、Sp、σ、γ、λ)做配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，再將術(shù)前組、術(shù)后組分別與正常組全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)做獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。
術(shù)前與術(shù)后組各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，不管是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)還是小世界特性參數(shù)，手術(shù)前后均不具有明顯差異，且各項(xiàng)參數(shù)均顯示術(shù)前優(yōu)于術(shù)后；術(shù)前組與正常組相比，平均路徑長(zhǎng)度(Lp)以及小世界特性λ均顯示出明顯差異；術(shù)后組較正常組而言，在全局效率(Eglob)、節(jié)點(diǎn)度(Kp)、特征路徑長(zhǎng)度(Lp)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度(Sp)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及小世界特性參數(shù)σ、γ、λ均顯示出差異性。
圖2 術(shù)前-正常-術(shù)后組全局參數(shù)比較結(jié)果(注：*P<0.05，**P<0.01)Fig.2 Comparisons of global parameters of brain network among pre-operation, controls and post-operation.
2.2 半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比較
為了進(jìn)一步研究手術(shù)對(duì)腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)功能的影響，對(duì)患者進(jìn)行術(shù)前術(shù)后患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的分析，雙因素方差分析結(jié)果如表1所示。其反映的是術(shù)前術(shù)后患側(cè)半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)的變化，可以看出手術(shù)前后“腫瘤患側(cè)”的半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的全局參數(shù)未有顯著差異。圖3所示為患側(cè)半腦手術(shù)前后全局參數(shù)均值，結(jié)果顯示術(shù)后各項(xiàng)半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均低于術(shù)前組的相應(yīng)參數(shù)。
表1 腫瘤患側(cè)、手術(shù)對(duì)全局參數(shù)影響的方差分析Tab.1 Affected side, operation effect on global parameters revealed by ANOVA
注：*P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
Note: Significant group differences at*P<0.05.
圖3 患側(cè)半腦手術(shù)前后全局腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Fig.3 Global parameters of affected side network among pre-operation and post-operation.
3 討論
3.1 全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析
本研究對(duì)腦腫瘤患者術(shù)前、術(shù)后以及正常3類(lèi)情況的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，并從全腦局部以及全局參數(shù)、半腦全局參數(shù)的角度評(píng)價(jià)腫瘤及腫瘤切除手術(shù)對(duì)患者全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響。
最短路徑長(zhǎng)度是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑中包含邊數(shù)最少的那條路徑所含邊數(shù)，最短路徑在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸和交換中起重要作用[14]。節(jié)點(diǎn)效率是衡量節(jié)點(diǎn)特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反應(yīng)某單一節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的信息傳播能力，值越大，表示在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸中的地位越高[15]。研究結(jié)果顯示，最短路徑長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)效率在多數(shù)腦區(qū)存在顯著差異，這表明手術(shù)造成了患者大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)重組，各腦區(qū)信息傳輸路徑發(fā)生變化，且這些變化是不利的。
術(shù)前、術(shù)后組與正常組行雙樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，僅平均路徑長(zhǎng)度(Lp)在手術(shù)前后與正常組之間均具有明顯差異，且在術(shù)后組與正常組行t檢驗(yàn)后的結(jié)果中顯示出差異性增強(qiáng)的趨勢(shì)，意味著腫瘤患者在進(jìn)行信息傳輸時(shí)，通道發(fā)生改變，且在手術(shù)之后變化更為明顯，說(shuō)明手術(shù)在引起患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化這方面的影響更為強(qiáng)烈。
小世界網(wǎng)絡(luò)具有較高簇系數(shù)和較短的特征路徑長(zhǎng)度，術(shù)前與術(shù)后患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都具有小世界特性(均滿(mǎn)足：γ>1，λ≈1，σ=(γ/λ)?1)，且手術(shù)前后均無(wú)明顯差異[16]。術(shù)前及術(shù)后的小世界特性較正常組均有所增強(qiáng)，且術(shù)后增強(qiáng)更為明顯。意味著手術(shù)一段時(shí)間之后，患者腦網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生一定的代償機(jī)制和功能重組，恢復(fù)到術(shù)前的水平。大腦的網(wǎng)絡(luò)重組依賴(lài)于腦的可塑性，分為功能可塑性和結(jié)構(gòu)可塑性?xún)煞N[17-19]。對(duì)全腦各項(xiàng)參數(shù)的研究，證實(shí)了腦網(wǎng)絡(luò)重組的存在。
3.2 半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析
本研究對(duì)患者的患側(cè)半腦的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，目的在于探究由于腫瘤的占位和切除手術(shù)對(duì)不同患側(cè)腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和腦認(rèn)知功能的影響。
大量研究表明，正常大腦都存在一定程度的偏側(cè)性，大腦的偏側(cè)化主要體現(xiàn)在半腦的局部腦區(qū)某些功能的優(yōu)勢(shì)化[20]。有研究指出，特定型語(yǔ)言障礙會(huì)導(dǎo)致大腦偏側(cè)化異常，患者較正常人半腦優(yōu)勢(shì)化趨勢(shì)明顯降低[21]。由雙因素方差分析結(jié)果可知，無(wú)論腫瘤位于哪側(cè)腦半球，各項(xiàng)半腦全局參數(shù)均未顯示出明顯差異，由此可以推斷，腫瘤無(wú)論位于哪一側(cè)腦半球，對(duì)患者所造成的認(rèn)知損傷是一樣的。術(shù)前組半腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)均優(yōu)于術(shù)后組，這與之前的全腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)所得結(jié)果相一致，可知手術(shù)在一定程度上確實(shí)對(duì)患者的腦結(jié)構(gòu)造成不利影響，進(jìn)而可間接導(dǎo)致認(rèn)知能力的相應(yīng)變化。“是否手術(shù)”作為影響因子的方差分析顯示，手術(shù)前后各項(xiàng)半腦全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)無(wú)明顯差異，同樣被認(rèn)為可能是網(wǎng)絡(luò)功能重組現(xiàn)象所致。
對(duì)全腦以及半腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果驗(yàn)證了腦腫瘤患者出現(xiàn)的功能重組現(xiàn)象，可通過(guò)借鑒該腦腫瘤患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)變化分析方法，對(duì)手術(shù)治療效果做出一定的術(shù)后療效評(píng)估。由于數(shù)據(jù)量的限制，本研究得到的手術(shù)前后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦宰兓粔蛎黠@。后續(xù)，隨著樣本量的增多，研究將會(huì)更為全面和具體。
4 結(jié)論
本研究基于彌散張量成像技術(shù)，使用圖論對(duì)腦腫瘤患者術(shù)前術(shù)后的全腦以及半腦進(jìn)行腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。全腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩匝芯勘砻?，腦腫瘤的存在以及腦腫瘤切除手術(shù)均會(huì)使正常大腦原本的信息傳輸路徑發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)正常腦網(wǎng)絡(luò)形態(tài)造成影響。在進(jìn)行腫瘤切除手術(shù)一段時(shí)間后，可以恢復(fù)到術(shù)前水平，但是與正常人仍有一定差距，這與大多數(shù)臨床研究相符。術(shù)前與術(shù)后組局部參數(shù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)得到某些腦區(qū)存在顯著差異，但是檢測(cè)出的全局參數(shù)差異不夠明顯，驗(yàn)證了腦網(wǎng)絡(luò)重組的存在。半腦分析結(jié)果顯示，腫瘤的存在使得半腦優(yōu)勢(shì)化趨勢(shì)降低，患側(cè)半腦術(shù)前各參數(shù)均優(yōu)于術(shù)后，這些研究結(jié)果與大多數(shù)臨床表現(xiàn)一致。由此可知，通過(guò)分析患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)手術(shù)前后拓?fù)涮匦?，進(jìn)而分析腦腫瘤以及腫瘤切除手術(shù)對(duì)患者的影響，可對(duì)手術(shù)效果進(jìn)行評(píng)估，為評(píng)價(jià)患者術(shù)后生存質(zhì)量提供參考。
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Research on Cerebral Structural Network of Brain Tumor Patients before and after Surgery
Xue Li Tao Ling*Qian Zhiyu Yu Zhou Sun Jinyang
(CollegeofAutomation,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing211106,China)
diffusion tensor imaging; human brain anatomical networks; brain tumor; resective surgery; topological properties of the network
10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 02.014
2016-04-20，， 錄用日期:2016-10-08
國(guó)家自然科學(xué)基金(61275199)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(NS2015032)
R318
D
0258-8021(2017) 02-0228-05
*通信作者(Corresponding author)，E-mail: taoling@nuaa.edu.cn.
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