呂艷秋 鄭丹丹 胡迪 程華 胡格麗 彭蕓

功能性腦成像是神經(jīng)科學(xué)研究中常用的一種技術(shù)，在識(shí)別大腦中負(fù)責(zé)感覺、運(yùn)動(dòng)控制和認(rèn)知等功能的區(qū)域［1］及發(fā)現(xiàn)由疾病引起的腦功能的改變發(fā)揮了重要的價(jià)值［2-3］。由于長(zhǎng)時(shí)間和多中心方法在臨床研究中的應(yīng)用越來(lái)越多，縱向MR研究對(duì)于研究病理生理?xiàng)l件或治療后大腦的結(jié)構(gòu)和功能變化越來(lái)越重要，因此，不論是橫向多參與單位聯(lián)合的多中心研究項(xiàng)目，還是縱向長(zhǎng)時(shí)間對(duì)比的研究項(xiàng)目，都對(duì)檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性有強(qiáng)依賴性。本研究通過(guò)計(jì)算在神經(jīng)退行性疾病中常用且特別重要的7個(gè)皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的體積［4］、5個(gè)常用靜息態(tài)功能磁共振成像（rest state functional magnetic resonance imaging， rs-fMRI）腦網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間信噪比（temporal signal-to-noise ratio，tSNR）及彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）的各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy， FA）值，探討正常成人腦部結(jié)構(gòu)像、rs-fMRI和DTI采用同一掃描儀和不同掃描儀的可重復(fù)性。

方法

1. 臨床資料

招募健康志愿者6名（男：4名；女：2名），年齡為24～32歲。所有受試者均為右利手，均受過(guò)高等教育，既往體健。排除標(biāo)準(zhǔn)：顱腦外傷，腦部器質(zhì)性病變，精神類疾病史，近期服用過(guò)精神類藥物或激素。所有受試者均在2臺(tái)掃描儀上各進(jìn)行2次采集；不同掃描儀上同一天進(jìn)行，同一掃描儀上隔1周進(jìn)行，用以評(píng)估不同掃描儀的和同一掃描儀的可重復(fù)性。對(duì)于每個(gè)受試者，2臺(tái)掃描儀的掃描時(shí)間大致相同。研究人員建議受試者在掃描當(dāng)天禁止劇烈運(yùn)動(dòng)和飲用含咖啡因類飲料［5］。掃描前，所有受試者均獲得書面知情同意。

2. MR檢查方法

所有數(shù)據(jù)均采用Philips Achieva TX 3.0 T和Philips Ingenia CX 3.0 T磁共振掃描儀進(jìn)行采集，對(duì)應(yīng)的采集線圈分別為8通道顱腦線圈和15通道dstream顱腦線圈。掃描序列包括高分辨率腦容積結(jié)構(gòu)3D T1W序列、靜息態(tài)腦功能成像序列rs-fMRI及單次激發(fā)自旋回波平面成像（SE-EPI）的DTI序列。掃描參數(shù)如下：

（1）矢狀位3D T1W：TR/TE= 8.3 ms/3.8 ms（Ingenia CX）、7.3 ms/3.4 ms（Achieva TX），翻轉(zhuǎn)角=80°，體素=1 mm×1 mm×1 mm，信號(hào)平均次數(shù)（NSA）為1，層數(shù)為170。

（2）軸位rs-fMRI：TR/TE=2000 ms/24 ms，翻轉(zhuǎn)角=60°，體素=3.44 mm×3.44 mm，層厚3 mm，層間距1 mm，層數(shù)為40，NSA為1，每次采集200個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

（3）軸位DTI：TR/TE=9000 ms/85 ms，翻轉(zhuǎn)角=90°，體素=2 mm×2 mm，層厚2 mm，層間距1 mm，30個(gè)彌散敏感梯度方向，b值為0、1000 s/mm2，NSA為1，層數(shù)為74。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，被試頭部用海綿墊固定來(lái)減少頭動(dòng)，整個(gè)掃描過(guò)程中，要求閉上眼睛并保持清醒放松狀態(tài)，不思考事情。

3. 數(shù)據(jù)處理

在分析之前，所有MR圖像都經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的影像科醫(yī)師閱讀，所有受試者均未發(fā)現(xiàn)任何形態(tài)學(xué)異常，同時(shí)，確定信號(hào)均勻性和排除偽影干擾，包括奈奎斯特重影，運(yùn)動(dòng)和渦流偽影。

3.1 3D T1W結(jié)構(gòu)像處理

采用開源工具FreeSurfer V6.0 （Martinos Center for Biomedical Imaging， Harvard-MIT， Boston-USA）軟件分析健康志愿者的高分辨率3D T1W結(jié)構(gòu)像，首先經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、顱骨剝離、空間配比，然后進(jìn)行分割。FreeSurfer自動(dòng)識(shí)別丘腦（右）、豆?fàn)詈耍ㄓ遥?、海馬（右）、杏仁核（右）、腦干、白質(zhì)（white matter， WM）和腦脊液（cerebrospinal fluid， CSF）作為感興趣區(qū)（regions of interest，ROI），最后分別獲得7個(gè)ROI的體積數(shù)據(jù)。

3.2 rs-fMRI數(shù)據(jù)處理

通過(guò)rs-fMRI數(shù)據(jù)處理助手DPARSFA（Data Processing Assistant For Resting-State fMRI Advanced Edition；http：//rfmri.org/DPABI）軟件包進(jìn)行預(yù)處理。先將DICOM格式數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換為NIFTI（神經(jīng)影像技術(shù)方案）格式。預(yù)處理步驟如下：

（1）去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，在掃描初始階段，考慮磁化矢量不穩(wěn)定及受試不適應(yīng)等影響，去掉前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（2）頭動(dòng)校正。不同圖像對(duì)齊，所有受試者在X，Y，Z任一坐標(biāo)軸方向頭動(dòng)平移小于2 mm且圍繞任一坐標(biāo)軸方向旋轉(zhuǎn)小于2°。

（3）空間標(biāo)準(zhǔn)化。借助3D T1W結(jié)構(gòu)像將功能數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化至MNI空間，以便進(jìn)行組水平統(tǒng)計(jì)分析。

（4）空間平滑。對(duì)數(shù)據(jù)采用8 mm×8 mm×8 mm全寬半高的高斯平滑核進(jìn)行空間平滑提高信噪比并減少配準(zhǔn)誤差。

對(duì)于靜息態(tài)功能數(shù)據(jù)，ROI內(nèi)的tSNR被估計(jì)為ROI內(nèi)所有體素的平均信號(hào)除以時(shí)間上的標(biāo)準(zhǔn)偏差的比率［6］。此次分析了5個(gè)功能網(wǎng)的tSNR，即灰質(zhì)（grey matter， GM）、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（default mode network， DMN）、腹側(cè)注意力網(wǎng)絡(luò)（ventral attention network， VAN）、視覺網(wǎng)絡(luò)（visual network， VIS）和感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（somatomotor network， SM）。

3.3 DTI數(shù)據(jù)處理

對(duì)于DTI數(shù)據(jù)，由于胼胝體是衰老中研究最多的白質(zhì)結(jié)構(gòu)之一，且其不同節(jié)段受衰老的影響并不均勻［7］，所以本研究利用FSL（FMRIB Software Library，http：//www.fmrib.ox.ac.uk/fsl）軟件，經(jīng)過(guò)渦流矯正，去除非腦組織以及擬合等預(yù)處理后［8］，并擬合DTI模型，最后提取FA值、MD值；然后使用FSL中的‘flirt’和‘fnirt’將原始的FA值和MD值轉(zhuǎn)化到JHU-ICBM-FA-1 mm模板；使用JHU-ICBM-1 mm圖譜自動(dòng)分割胼胝體的3個(gè)代表性區(qū)域，即胼胝體膝部（genu of corpus callosum， GCC）、胼胝體體部（body of corpus callosum， BCC）和胼胝體壓部（splenium of corpus callosum， SCC），并分別標(biāo)記為3、4、5索引（圖1）。然后計(jì)算GCC、BCC、SCC和全腦的FA值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖1 轉(zhuǎn)換為U-ICBM-FA-1 mm模板后胼胝體區(qū)域的自動(dòng)劃分通過(guò)軟件配準(zhǔn)分割完成的胼胝體分區(qū)，分別標(biāo)記為3、4、5索引，3～5分別代表胼胝體膝部、胼胝體體部及胼胝體壓部

4. 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intra-class correlation coefficient， ICC）測(cè)量數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。ICC采用絕對(duì)一致且單一度量的雙向隨機(jī)模型評(píng)估測(cè)量值之間的絕對(duì)一致性。ICC＜0.20為重復(fù)性較差，0.21～0.40為重復(fù)性一般，0.41～0.60為重復(fù)性中等，0.61～0.80為重復(fù)性好，0.81～1.0為重復(fù)性非常好。

結(jié)果

1. 3D T1W結(jié)構(gòu)像不同腦區(qū)體積一致性分析

對(duì)于3D T1W結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)，同臺(tái)掃描儀在各個(gè)腦區(qū)測(cè)量體積中均具有較好至非常好的可重復(fù)性（表1），其中掃描儀1在右側(cè)海馬、腦干和白質(zhì)的ICC分別為0.90、0.94和0.98，掃描儀2在腦干和白質(zhì)的ICC分別為0.91和0.98。掃描儀1在右側(cè)杏仁核的ICC為0.71，低于其他腦區(qū)，而掃描儀2在右側(cè)海馬的ICC為0.81，低于其他腦區(qū)。對(duì)于3D T1W結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)，2臺(tái)掃描儀在各個(gè)腦區(qū)測(cè)量體積中除了右側(cè)杏仁核重復(fù)性為較好外（ICC=0.73），在其余6個(gè)腦區(qū)的可重復(fù)性均為非常好（表2），其中腦干和白質(zhì)的ICC值均為0.98，右側(cè)豆?fàn)詈说腎CC值為0.97，右側(cè)海馬的ICC值為0.96。

表1 同臺(tái)掃描儀測(cè)量的不同腦區(qū)體積的時(shí)間一致性比較

表2 2臺(tái)掃描儀在不同腦區(qū)測(cè)量體積的機(jī)器間一致性比較

2. rs-fMRI不同網(wǎng)絡(luò)的tSNR一致性分析

對(duì)rs-fMRI，分析了5個(gè)常見的功能網(wǎng)絡(luò)的tSNR。計(jì)算了2臺(tái)掃描儀的不同時(shí)間的不同網(wǎng)絡(luò)的tSNR的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行同臺(tái)掃描儀及不同掃描儀間的ICC值評(píng)估。同臺(tái)掃描儀，在感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（SM）中的tSNR均表現(xiàn)出最高的可重復(fù)性（掃描儀1：ICC=0.85；掃描儀2：ICC=0.87），而在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（DMN）中，只獲得較好的可重復(fù)性（ICC=0.67和ICC=0.68），詳見圖2。2臺(tái)掃描儀在不同功能網(wǎng)絡(luò)的tSNR機(jī)器間可重復(fù)性分布在中等到較好的區(qū)間（表3）。

表3 2臺(tái)掃描儀在不同功能網(wǎng)絡(luò)的tSNR機(jī)器間一致性比較

圖2 同臺(tái)掃描儀不同時(shí)間點(diǎn)的5個(gè)功能網(wǎng)絡(luò)tSNR的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差及相應(yīng)的ICC值

3. DTI數(shù)據(jù)FA的一致性分析

在DTI中，同臺(tái)掃描儀在GCC和BCC區(qū)域，F(xiàn)A值具有較好的可重復(fù)性，而在SCC和全腦分析中，F(xiàn)A值均有非常好的可重復(fù)性，其中在全腦分別達(dá)到0.91和0.90（表4）。在不同掃描儀間的可重復(fù)分析中，全腦、BCC和SCC中FA值的ICC分別為0.92、0.98和0.81。然而，GCC區(qū)域FA值的ICC值僅為0.45（表5）。

表4 同臺(tái)掃描儀測(cè)量的不同腦區(qū)FA值的時(shí)間一致性比較

表5 2臺(tái)掃描儀測(cè)量的不同腦區(qū)FA值機(jī)器間一致性比較

討論

本研究報(bào)告了一組用于量化結(jié)構(gòu)像、rs-fMRI和DTI的可重復(fù)性的指標(biāo)，無(wú)論是在2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的同一掃描儀之間還是在2個(gè)不同的掃描儀之間，對(duì)于體積數(shù)據(jù)的度量都是高度可重復(fù)的。rs-fMRI數(shù)據(jù)分析顯示受試者網(wǎng)絡(luò)在除DMN以外均具有較穩(wěn)定的時(shí)間信噪比。全腦各向異性分析時(shí)，在不同掃描儀和同一掃描儀中，F(xiàn)A的測(cè)量值差異很小，然而，當(dāng)進(jìn)一步分析時(shí)，GCC中FA的可重復(fù)性在不同掃描儀上表現(xiàn)一般，這可能受到配準(zhǔn)和分割的影響。在分析數(shù)據(jù)時(shí)，特別是涉及DMN和GCC分析時(shí)，需考慮rs-fMRI和DTI成像相關(guān)研究中不同掃描儀的影響。這些發(fā)現(xiàn)為跨機(jī)型設(shè)備的縱向工作，特別是腦結(jié)構(gòu)定量研究提供了統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，為多中心和縱向功能性腦成像的研究提供了參考。

通過(guò)研究得出，在相同場(chǎng)強(qiáng)情況下，即使采用不同掃描儀，在不同的掃描時(shí)間，使用FreeSurfer自動(dòng)分割軟件從大腦結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù)得出的人類皮質(zhì)下定量體積，依然具有顯著的可重復(fù)性，該結(jié)論與Jovicich等［9］的研究結(jié)果基本一致。相對(duì)而言，杏仁核的一致性低于其他區(qū)域，可能由于其解剖結(jié)構(gòu)較小，更易受誤差影響。

在靜息態(tài)研究中，tSNR是影響rs-fMRI可靠性的一個(gè)重要因素，可以很好地衡量功能圖像質(zhì)量［10］。此次研究選擇多個(gè)常用靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)而不是解剖ROI來(lái)計(jì)算tSNR，主要考慮網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出相似或相干的自發(fā)波動(dòng)，而小的解剖ROI由于配準(zhǔn)問(wèn)題可能會(huì)引入額外的誤差。Huang等［11］的研究中，DMN網(wǎng)絡(luò)的可重復(fù)性低于與ATT網(wǎng)絡(luò)，與本文結(jié)果中DMN網(wǎng)絡(luò)可重復(fù)性較差類似。然而，與T1和DTI測(cè)量不同，連接強(qiáng)度在很大程度上取決于數(shù)據(jù)收集期間受試者的生理認(rèn)知狀態(tài)，因此它可能不是測(cè)試成像硬件可靠性和環(huán)境變化的合適度量。

使用基于ROI的分析，Vollmar等［11］的研究表明，使用2臺(tái)相同的3T掃描儀，在設(shè)備內(nèi)和設(shè)備間重新掃描之間，F(xiàn)A測(cè)量值的變化始終很低。本研究結(jié)果顯示，在不同掃描儀之間的比較中，GCC的可重復(fù)性相對(duì)其他區(qū)域較差，這與Huang等［10］的研究中，SCC表現(xiàn)差于其他腦區(qū)的結(jié)果比較接近。這可能是由于ROI選擇、掃描儀類型、場(chǎng)強(qiáng)、線圈、方向數(shù)量、數(shù)據(jù)分析和個(gè)體差異的不同所帶來(lái)的結(jié)果偏差，尤其是胼胝體進(jìn)行亞分區(qū)之后，更易受到配準(zhǔn)和分割方案的影響。

國(guó)內(nèi)外已有不少研究對(duì)功能性磁共振腦成像的質(zhì)量控制方法或者可重復(fù)性評(píng)價(jià)進(jìn)行了探討［13-15］。相比以往研究，此次研究在2臺(tái)不同的掃描儀上進(jìn)行，且對(duì)于結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模板配準(zhǔn)和自動(dòng)分割，進(jìn)行了更多腦區(qū)的細(xì)致分析；分析了rs-fMRI中多個(gè)常見網(wǎng)絡(luò)，并指出不同網(wǎng)絡(luò)中存在的時(shí)間信噪比差異；而在DTI分析中，重點(diǎn)分析了胼胝體的FA值可重復(fù)性。此次研究存在以下不足：首先，由于沒有ACR標(biāo)準(zhǔn)水膜，無(wú)法計(jì)算相應(yīng)的ACR標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，因此未進(jìn)行膜體實(shí)驗(yàn)；其次，本研究為樣本量較少的單中心研究，且涉及機(jī)型不夠豐富，建議未來(lái)進(jìn)行大規(guī)模的多站點(diǎn)重復(fù)性研究。