3D-T1WI表面形态学分析在学龄前无灶性癫痫患儿脑结构评估中的应用.pdf

窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 20243D-T1WI表面形态学分析在学龄前无灶性癫痫患儿脑结构评估中的应用江建秋，张楠，张朋，边传振*（南京医科大学附属儿童医院放射科，南京210008）摘要目的院采用表面形态学分析（surface-based morphometry，SBM）技术对学龄前无灶性癫痫（non-lesional epilepsy，NLE）患儿的3D-T1WI脑结构影像进行分析，评估患儿脑结构的改变。方法院选取2021年1月至2022年9月某院神经内科确诊为无灶性癫痫的35例学龄前患儿纳入NLE组，选取同时期的35例学龄前健康儿童纳入对照组。对比2组患儿的脑皮层厚度、脑沟深度、脑回指数、脑脊液体积、脑灰质体积及脑白质体积。采用SPSS 25.0统计学软件对数据进行分析。结果院与对照组相比，NLE组患儿左侧大脑半球下侧颞叶皮层厚度变薄、右侧大脑半球后扣带回皮层厚度增厚、右侧大脑半球下侧颞叶皮层厚度变薄，差异有统计学意义（P约0.05）；与对照组相比，NLE组患儿右侧大脑半球舌回和额中回脑沟深度变浅，差异有统计学意义（P约0.05）；与对照组相比，NLE组患儿左侧大脑半球距状回皮层脑回指数增大，差异有统计学意义（P约0.05）。2组患儿在脑脊液、脑灰质及脑白质方面比较，差异无统计学意义（P跃0.05）。结论院NLE患儿的皮层结构异常可能是其致病主要因素，SBM技术对3D-T1WI脑结构影像的分析结果可以评估NLE患儿局部脑结构异常，是探索儿童NLE潜在发病机制的有效工具。关键词3D-T1WI；SBM；无灶性癫痫；脑结构中国图书资料分类号R318曰R445.2文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤02-0062-05DOI院10.19745/j.1003-8868.2024031Application of 3D-T1WI surface-based morphometry in assessment ofbrain structure in preschool children with non-lesional epilepsyJIANG Jian-qiu,ZHANG Nan,ZHANG Peng,BIAN Chuan-zhen*(Department of Radiology,Childrens Hospital of Nanjing Medical University,Nanjing 210008,China)AbstractTo evaluate the changes of brain structure in preschool children with non-lesional epilepsy(NLE)byanalyzing their 3D-T1WI brain structural images with surface-based morphometry(SBM).Thirty-five preschoolchildren with diagnosed NLE in the neurology department of some hospital from January 2021 to September 2022 wereenrolled into a NLE group,and 35 healthy preschool children from the same period were included in a control group.The twogroups were compared in terms of cortical thickness,sulcus depth,gyrus index,cerebrospinal fluid volume,gray matter volumeand white matter volume.SPSS 25.0 software was used for statistical analysis.When compared with the control group,theNLE group had the thicknesses oftemporal lobe cortex decreased at both left and right sides while the thickness of cingulatecortex increased on the right,and the differences were statistically significant(P0.05);the NLE group had the depths of sulcusin lingual gyrus and middle frontal gyrus of right cerebral hemisphere reduced,and the differences were statistically significant(P0.05);the NLE group had the gyrus index of left cerebral hemisphere talus cortex highered,and the differences werestatistically significant(P0.05).Cortical structural abnormalities in children with NLE may be a major factor inits pathogenesis.SBM can be used to evaluate localized brain structural abnormalities in NLE children by analyzing their3D-T1WI brain structural images,and thus can be an effective tool for determining the potential pathogenesis of NLE inchildren.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊2冤院62-66Key words3D-T1WI;surface-based morphometry;non-lesionalepilepsy;brain structure0引言儿童癫痫是一种在016岁时常见的反复发作的、阵发性脑功能紊乱导致的神经系统综合征，其病因复杂，常因围生期患儿缺血缺氧、外伤、脑发育不栽澡藻泽蚤泽论著江建秋，张楠，张朋，等.3D-T1WI表面形态学分析在学龄前无灶性癫痫患儿脑结构评估中的应用J.医疗卫生装备，2024，45（2）：62-66.62 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024良、胶质瘤、脑炎等引起1。脑结构塑形和功能发育贯穿整个儿童阶段，而成人脑结构和功能已经发育完善，因此，儿童癫痫病因、发病机制、临床表现及预后都有别于成人2-3。儿童癫痫病因多样，临床表现各异，应尽可能做到病因诊断及定位诊断，以便选择适宜的治疗方法4。无灶性癫痫（non-lesional epilepsy，NLE）是指通过常规影像学检查难以发现脑结构异常的一类癫痫，发病率呈逐年递增5。对于某些难治性NLE，需手术切除致痫灶，因此，对致痫灶的精确定位至关重要。MRI是评估癫痫患儿脑发育状况的重要手段，高分辨力3D-T1WI是目前较为常用的一种观察大脑形态特征的MRI序列6。基于表面的形态学分析（surface-based morphometry，SBM）通过测量皮层厚度、脑沟深度、脑回指数和分形维数等指标对脑表面形态特征进行量化评估，并可提取脑灰质、脑白质、脑脊液体积，因此可以有效地描绘癫痫患儿脑发育过程中的细微变化，并提供脑皮层病变相关的解剖结构，弥补无灶性癫痫常规检查中难以发现的脑结构细微异常信息7。本研究拟采用SBM对学龄前NEL患儿的3D-T1WI脑结构影像进行分析，以期探索该类患儿的致痫灶位置，为临床诊断、疗效监测及预后评估提供参考。1资料与方法1.1研究对象选取2021年1月至2022年9月经南京医科大学附属儿童医院神经内科确诊为无灶性癫痫的学龄前患儿35例纳入NLE组，其中男19例、女16例，年龄16岁。纳入标准：经神经内科确诊为癫痫；MRI图像符合诊断标准；脑影像学检查无异常。排除标准：先天性疾病或代谢性疾病患者；中枢神经系统疾病患者；肿瘤或创伤患者；精神病史或精神药物史者。选取同时期35例同年龄段的健康儿童纳入对照组，其中男20例、女15例，年龄16岁。对照组的招募方式：一过性发热门诊患儿（随访后健康）；在儿童保健科定期体检的儿童；社会志愿者。纳入标准：无先天性疾病或代谢性疾病；无精神病史或精神药物史；无中枢神经系统疾病。排除标准：MRI检查禁忌证者；拒绝参与本研究者；MRI图像不符合诊断标准者。2组患儿一般资料比较，差异无统计学意义（P约0.05），具有可比性（见表1）。本研究经伦理委员会批准，患儿家属均签署知情同意书。1.2研究方法1.2.1数据收集本研究采用飞利浦公司生产的3.0T Ingenia磁共振扫描仪和数字头颅线圈对患儿进行数据采集。采集前患儿需自然熟睡或口服5豫水合氯醛（1 mL/kg）（苏药制字H04000508）镇静熟睡。其中NLE组自然入睡患儿5例，对照组自然入睡患儿7例，其余均采用5豫水合氯醛使患儿镇静后入睡。采用降噪耳机、海绵软垫进行头颅固定及降噪处理。3D-T1WI序列参数：回波时间为3.5 ms，重复时间为7.9 ms，视野为200伊200，层厚为1 mm，扫描时间为4.4 min。另外常规采集FLAIR序列、T2WI序列、MRI弥散加权成像序列影像以排除肉眼可见的脑病变。由1名副主任医师和1名主治医师对患儿图像质量进行评估与诊断，以便排除图像质量不合格及肉眼可见脑病变患儿，如遇意见分歧，可通过与经验更丰富的第3名医师讨论后达成共识。1.2.2图像分析在Matlab8.2平台（R2013b）上，采用SPM12中的CAT12工具箱进行SBM分析，评估患儿的脑皮层形态。（1）将从影像归档和通信系统导出的DICOM格式的数据转换成3D NIfTI格式；（2）将转换后的数据行李代数微分同胚配准算法，分割成脑灰质区、脑白质区及脑脊液区；（3）对脑皮层厚度进行评估；（4）分别计算脑沟深度及脑回指数；（5）采用15 mm半高宽（full width at half maximum，FWHM）高斯平滑核对脑皮层厚度数据进行平滑处理，再采用20 mmFWHM高斯平滑核对脑皮层厚度、脑回指数和脑沟深度数据进行平滑处理；（6）记录患儿90个脑区的皮层厚度、脑回指数、脑沟深度、脑灰质体积、脑白质体积及脑脊液体积。1.3统计学分析采用SPSS 25.0统计学软件对数据进行分析，计表12组患儿一般资料比较NLE组（n=35）3.2依0.715.7依5.6对照组（n=35）2.9依0.817.8依6.4t/字20.060.61-0.82P0.810.550.46组别平均年龄/岁平均体质量/kg19162015性别/例男女基金项目院江苏省妇幼保健协会科研项目（FYX201918）作者简介院江建秋（1990），男，技师，主要从事儿童MRI新技术的研究及应用。通信作者院边传振，E-mail：栽澡藻泽蚤泽论著江建秋，张楠，张朋，等.3D-T1WI表面形态学分析在学龄前无灶性癫痫患儿脑结构评估中的应用J.医疗卫生装备，2024，45（2）：62-66.63 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024图2NLE组患儿脑脊液尧脑灰质及脑白质体积的分割与计算图量资料以x軃依s形式表示，采用独立样本t检验；计数资料以例和百分比表示，采用字2检验；以年龄、性别作为协变量参与统计分析，对统计结果在cluster水平上进行FWE校正，P约0.05为差异有统计学意义。2结果2.1脑皮层结构改变与对照组患儿相比，NLE组患儿左侧大脑半球下侧颞叶皮层厚度变薄、右侧大脑半球后扣带回皮层厚度增厚、右侧大脑半球下侧颞叶皮层厚度变薄，差异有统计学意义（P约0.05）；与对照组患儿相比，NLE组患儿右侧大脑半球舌回和额中回处脑沟深度变浅，差异有统计学意义（P约0.05）；与对照组患儿相比，NLE组患儿左侧大脑半球距状回皮层脑回指数增大，差异有统计学意义（P约0.05）。具体数据详见表2，形态学差异如图1所示。2.2脑体积的变化2组患儿在脑脊液、脑灰质及脑白质体积方面比较，差异无统计学意义（P跃0.05）。具体数据见表3，体积的分割与计算如图2所示。3讨论SBM是一种用于自动化分析和处理MRI神经影像数据的技术，具有良好的稳定性及可重复性，在儿童脑部占位性病变、脑瘫、先天性心脏病继发脑改变等疾病中都得到了应用。癫痫的神经病理学改变主要是由于局部神经元缺失并伴随胶质增生、感染性病变、脑皮层发育畸形等原因，形成异常传导通路造成自身放电异常激活，最终形成痫性放电。但是部分癫痫患儿常规MRI检查并无异常信号及形态学改变，因此正确识别致痫灶位置为临床面临的挑战。张玉莲等7采用静息态功能磁共振对MRI阴性颞叶癫痫患者脑功能连接研究发现，该类患者颞叶存在异常放电使大脑功能改变，这可能由大脑微观结构已经发生改变所导致。黄熠龙等8研究表明全脑及丘脑白质体积的改变可作为诊断癫痫患儿严重程度的指标。何明颖组别皮层厚度/mm脑沟深度/mm左侧大脑半球距状皮层脑回指数左侧大脑半球下侧颞叶右侧大脑半球后扣带回右侧大脑半球下侧颞叶右侧大脑半球舌回右侧大脑半球额中回NLE组（n=35）2.99依0.463.26依0.462.97依0.333.10依0.212.30依0.0929.81依1.37对照组（n=35）3.20依0.353.03依0.433.18依0.233.25依0.222.39依0.1928.68依1.28t-2.322.18-3.07-2.79-2.363.61P0.0220.0330.0030.0070.0210.001表22组患儿脑皮层结构差异比较渊x 軈 依s冤注：蓝色代表脑脊液区域，绿色代表脑灰质区域，红色代表脑白质区域。（b）扣带回皮层增厚脑区（c）右下侧颞叶皮层厚度变薄的脑区（d）右舌回和右额中回脑沟深度变浅的脑区（e）左距状回脑回指数增大的脑区图1NEL组患儿脑皮层经SBM分析的形态学图像注：采用FWE校正，P约0.05；白色箭头指向的彩色区域为异常脑区；色条代表P值，颜色越浅P值越小。（a）左下侧颞叶皮层厚度变薄的脑区组别脑脊液脑白质脑灰质NLE组（n=35）272.8依55.9394.6依71.6703.1依88.5对照组（n=35）251.1依46.4385.8依72.1670.8依60.9t1.880.521.76P0.0650.6060.083表32组患儿脑组织体积比较渊x 軈 依s冤单位：cm3栽澡藻泽蚤泽论著江建秋，张楠，张朋，等.3D-T1WI表面形态学分析在学龄前无灶性癫痫患儿脑结构评估中的应用J.医疗卫生装备，2024，45（2）：62-66.64 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024等9研究表明MRI阴性癫痫患者颞叶灰质体积减小。还有研究表明脑皮层结构异常是癫痫发作的主要诱因，因此深入分析脑皮层细微结构的改变有助于更深入了解癫痫患儿脑发育状态，为癫痫患儿的临床治疗提供依据10。本研究中NLE患儿脑灰、白质体积及脑脊液体积与对照组患儿比较，差异无统计学意义（P跃0.05），说明NLE患儿的脑整体结构保持在相对稳定的状态。但是通过SBM技术对详细的脑区结构进行分析发现，NLE患儿的部分脑区在皮层厚度、脑回指数、脑沟深度等结构方面仍存在异常改变，这说明SBM技术可以作为分析NLE患儿脑结构细微变化的方法11。脑沟深度可以用来评估脑皮层发育的状态12。本研究中，NLE患儿右侧大脑半球舌回和额中回处脑沟深度变浅，提示NLE组患儿可能存在该脑区皮层发育延迟的现象。舌回又称枕颞叶内侧回，颞叶癫痫是难治性癫痫中常见的一种；额中回位于额上沟和额下沟之间，额叶癫痫也较常见，这2个脑区皮层的发育延迟可能会导致大脑神经元突发异常放电，从而引发癫痫，这与相关研究中对功能磁共振研究颞叶异常活动的报道相一致13。皮层厚度用于评估脑体积发育情况14，关于正常儿童MRI研究表明，儿童大脑皮层厚度及脑回指数会随着年龄增长而规律性增大，而异常地增大或减小就会引起一系列的脑病变15，其中癫痫是常见的病变16。本研究中NEL患儿左侧大脑半球下侧颞叶皮层厚度变薄，右侧大脑半球后扣带回皮层厚度增厚，且右侧大脑半球下侧颞叶皮层厚度变薄（P约0.05），这种异常的脑皮层厚度变化也可能是引起大脑异常放电而导致癫痫的原因。目前大多数关于癫痫患者皮层厚度的报道均为皮层厚度变薄，而本研究中发现右侧大脑半球后扣带回皮层厚度增厚（P约0.05），这可能是由于儿童癫痫的病理结构特征有别于成人，还可能是由于样本量过低引起的偏差，关于引发这种差异的具体原因后期还需要进一步探讨。脑回指数用于衡量脑发育的成熟度17，距状皮层位于枕叶内侧面，距状裂的上方和下方。本研究中NLE组患儿左侧大脑半球距状回皮层脑回指数增大（P约0.05），说明该脑区的大脑发育过快，导致该脑区活动度增强而使大脑皮层异常放电，这也可能是引发癫痫的原因之一18。本研究通过SBM技术对T1WI图像进行分析，发现了NEL患儿脑结构的细微改变，表明对T1WI图像的脑皮层形态学分析结果可以作为评估NEL患儿神经解剖学改变和探索其潜在神经病理机制的有效工具。此外，NEL患儿的脑结构异常情况可能会持续，有必要进行长期纵向MRI随访检查以确定脑结构异常是否将持续至青春期和成年。有研究者推断致痫灶中有很多能够恢复正常功能的受损神经细胞，及时治疗受损细胞后，患儿或能够恢复健康，这表明患儿在早期或轻度癫痫病变时应及时检查、诊断并积极治疗，有助于早日恢复健康19-20。本研究还存在一定的局限性：（1）本研究入组患儿的样本量中等，但癫痫可能引起不同脑区的改变，后期须增加样本量进行深入研究。（2）在图像分析中使用了成人模板进行配准，可能会造成偏差而忽略组间比较的差异，未来的研究中，本研究将进一步寻找适合的年龄特异性模板。（3）本研究为横断面研究，缺少纵向随访，后期本团队会进行进一步随访研究。参考文献1GREWAL 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2024规MR异常的颞叶癫痫的灰质改变J.实用放射学杂志，2011，27（11）：1 619-1 622.10陈涛，贾文霄，罕迦尔别克 库锟，等.颞叶癫痫脑结构改变的MRI研究J.实用放射学杂志，2022，38（7）：1 049-1 052.11 WISNOWSKI J L，WU T W，REITMAN A J，et al.The effectsoftherapeutichypothermiaoncerebralmetabolisminneonateswith hypoxic-ischemic encephalopathy：an in vivo1H-MRspectroscopy studyJ.J Cereb Blood Flow and Metab，2016，36（6）：1 075-1 086.12 HARBISON A L，VOTAVA-SMITH J K，DEL CASTILLO S，et al.Clinical factors associated with cerebral metabolism intermneonateswithcongenitalheartdiseaseJ.JPediatr，2017，183：67-73.e1.13郝思瑶，杨春兰，李志梅，等.基于局部一致性和多变量模式分析的颞叶癫痫诊断方法研究J.医疗卫生装备，2022，43（6）：1-6，17.14 ORTINAU C M，MANGIN-HEIMOS K，MOEN J，et al.Pre-natal to postnatal trajectory of brain growth in complex con-genital heart diseaseJ.Neurmage Clin，2018，20：913-922.15 NORBOM L B，FERSCHMANN L，PARKER N，et al.Newinsights into the dynamic development of the cerebral cortexin childhood and adolescence：integrating macro-and micros-tructuralMRIfindingsJ.Prog 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327.19秦炯.儿童癫痫的远期预后J.中国实用儿科杂志，2006，21（3）：226-227.20中国医师协会神经修复学分会儿童神经修复学专业委员会.婴幼儿脑损伤神经修复治疗专家共识J.中华实用儿科临床杂志，2019，34（1）：2-8.（收稿：2023-04-12修回：2023-11-30）栽澡藻泽蚤泽论著江建秋，张楠，张朋，等.3D-T1WI表面形态学分析在学龄前无灶性癫痫患儿脑结构评估中的应用J.医疗卫生装备，2024，45（2）：62-66.医疗卫生装备“论著-研究与设计”栏目征稿为促进我国生物医学工程领域的繁荣与发展，提升卫勤保障装备研发速度和质量，我刊“论著-研究与设计”栏目特面向全国征稿。该栏目主要报道生物医学工程领域最新的理论和技术研究成果、新型医疗卫生装备及器械的研制、医院数字化及智能化建设，选题包括但不限于：（1）基础研究类，如生物医学工程关键技术研究、生物系统建模及仿真研究、生物医学信号处理技术研究、生物医学成像与图像处理研究、脑机接口与神经工程研究；（2）研制设计类，如军队卫生装备创新研究、应急救援装备与战伤急救装备研制、生物医学传感与可穿戴设备研究、微纳机电系统及相关医疗仪器研发、新型生物材料研究、医用机器人研发、医疗康复装备研制、与互联网及大健康相关的仪器设备研发；（3）系统平台类，如与智慧医院相关的信息系统与平台设计欢迎向本栏目投稿，国家重点基金项目、重大科研专项及省市级重大科研项目的研究成果均可优先发表。来稿请确保版权的独立性，严禁抄袭，文责自负。（本刊编辑部）66