應用基于體素的形態學測量在不同程度OSAHS 腦灰質密度變化的研究

拉周措毛 關 巍 秦棕園 王麗飛 馮喜英

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（obstructive sleep apnea hypopnea，OSAHS）是一種常見的睡眠呼吸障礙性疾病，是多種全身疾患的獨立危險因素［1］。OSAHS 患者夜間反復出現間歇性低氧及低氧后再氧合，遠比持續性缺氧危害大，若長時間的間歇性低氧得不到就診，易產生高碳酸血癥、交感神經異常興奮及血管持續的收縮，最終損害對缺氧、缺血極為敏感的大腦。研究表明OSAHS 引起腦結構改變研究較少，OSAHS 慢性間歇低氧下的腦結構及功能改變與慢性持續性低氧腦損害是否有差異目前尚不清楚。本文對比分析不同程度OSAHS 患者腦灰質差異。

MRI 等成像技術的出現，通過提高分辨率和高對比度的解剖圖像而成為針對人腦結構研究的最為有效的實驗手段之一，為腦結構和功能的研究開辟了更為廣闊的天地。其中體素形態學分析（voxelbased morphometry，VBM）是可以用來反映不同組群間特定腦組織（灰質、白質、腦脊液等）的濃度或體積差異。VBM 是一種基于體素對全腦結構磁共振成像自動、全面、客觀的分析技術，可以定量計算分析腦部MRI 圖像中每個體素的腦灰、白質密度或體積的變化，以此來反映相應解剖結構的差異。是客觀評價大腦局部組織差異的一種重要方法，具有較高的客觀性和準確性。VBM 在病理學、解剖學等關注腦結構研究的學科領域更為常用。相比感興趣區（region of interest，ROI）分析方法，此技術可以消除人為主觀因素的影響，具有客觀性好、操作簡便、可重復操作等優點，因而在臨床得到廣泛應用。目前采用VBM 對不同程度的OSAHS 引起腦結構的改變的相關性研究極少且結果。

對象與方法

一、研究對象

選擇2016 年1 月至2017 年12 月在青海大學附屬醫院呼吸內科經多導睡眠監測（polysomnography，PSG）確診來自兩代以上出生并長期居住于青海西寧市的OSAHS 患者55 例，均為漢族男性，所有患者均符合中華醫學會呼吸病學會2011 年修訂的OSAHS 診斷標準［2］，根據PSG 的睡眠呼吸暫停低通氣指數（apnea hypopnea index，AHI）結果分為重度組34 例，平均年齡47.5 歲；中度組11 例，平均年齡48.5 歲；輕度組10 例，平均年齡45.0 歲?；颊呔鶠槟行?，并經PSG 監測為AHI＜5。

納入標準：①符合中華醫學會呼吸病學會2011 年修訂的OSAHS 診斷標準［2］；②受試者為新近診斷，既往未接受過任何藥物治療及手術治療或持續氣道正壓通氣（CPAP）治療；③所有的參與者均為漢族；④通過病史與體格檢查，無明顯中樞神經系統疾病如腦出血、腦梗死、腦腫瘤等疾病，無精神性疾??；⑤無嚴重的心腦血管疾?。▏乐匦募」Ｈ?、心律失常、腦卒中）及肺部疾病。

排除標準：①非OSAHS 的其他睡眠呼吸障礙等疾??；②精神或神經系統疾??；③常規MRI 掃描發現的腦梗死、腦出血和腦腫瘤等結構性病變；④酗酒、服用精神類藥物病史；⑤有MRI 檢查禁忌證或不能耐受MRI 檢查者。在進行研究以前以書面形式告知受試者本文內容，受試者簽署知情同意書。所有受檢者在檢查前均知道此次檢查的內容及意義，并簽署了知情同意書，本文經我院倫理委員會批準。

二、研究方法

1.高危人群的選擇：選擇肥胖、具有鼾癥、睡眠障礙病史或臨床表現擬診OSAHS 2.OSAHS 患者的確診：對高危人群進行PSG 檢查，整夜檢查（大于7 h）并確診OSAHS，均在青海大學附屬醫院呼吸科睡眠實驗室進行，結果由2 名有經驗醫師根據睡眠技術雙盲法分析。

2.MRI-VBM 成像及成像圖像分析：PSG 檢查確診OSAHS 的患者，根據AHI 指數分為輕度、中度、重度，采用腦MRI-VBM 對納入的每例OSAHS患者進行腦灰質變化情況觀察并比較各組間各腦區的灰質體積差異。

3.MRI 掃描方法：應用Philips Achieva 3.0 T TX 多源發射MR 成像系統，標準頭顱8 通道相控陣線圈，向所有受檢者詳細說明檢查的全部過程以取得其更好的配合，囑受檢者平臥于檢床上，保持靜息狀態。先行T1WI 和T2WI 序列掃描，確定腦實質無異常者再行VBM 掃描。應用超快速場回波序列獲得3D-T1 結構像，掃描參數：TR ＝7.5 ms，TE ＝3.7 ms，矩陣256×256，層厚2 mm，激發角度7°，全腦掃描共獲取176 幅圖像。所有的病例組和對照組均由同一名的優秀影像科技師完成掃描。

三、統計學方法

首先應用Dcm2AsiszImg 軟件對原始的DICOM數據進行分類整理，然后采用統計參數圖（statistical parametric mapping， SPM8）的 嵌 套 軟 件 VBM8 toolbox 進行數據處理，最后在MATLAB 平臺上進行計算和圖像處理。數據處理的具體步驟包括：①原始數據分類整理；②頭動較正；③分割3D-T1 結構像，獲得灰質、白質及腦脊液圖像，在圖像模板上進行圖像配準，然后空間標準化；④采用半高全寬為8 mm的三維高斯核進行圖像空間平滑。最后采用兩樣本t 檢驗進行比較（P＜0.05；Alphasim 校正）。

結 果

一、患者一般資料的比較

所有研究對象均為漢族男性，確診的OSAHS 患者依據AHI 指數將其分為輕度組、中度組和重度組，各組間年齡、性別及海拔無明顯差異（均P ＞0.05）。 輕 度 組 平 均 血 氧 飽 和 度（mean oxygen saturation，MSpO2）、最低氧飽和度（lowest oxygen saturation，LSpO2）均明顯高于中度、重度組（P ＜0.05），重度OSAHS 組AHI 顯著高于輕度、中度組（P ＝0.000）；中度組與重度組MSpO2無顯著性差異（P＞0.05），見表1。

表1 OSAHS 患者一般資料及PSG 參數比較

二、各病例組組間的腦MRI-VBM 比較

1.中度組OSAHS 患者與輕度OSAHS 患者相比，左側杏仁核、左側海馬、左側腦島腦灰質體積減少，見表2、圖1。

2.重度OSAHS 患者與輕度OSAHS 患者VBMMRI 相比較，右側海馬旁回腦灰質體積減少，見表3、圖2。

表2 中度組與輕度組患者腦灰質體積變化

表3 重度組與輕度組患者腦灰質體積變化

圖1 中度OSAHS 組與輕度OSAHS 組相比灰質體積有差異的腦區統計參數圖1；注：藍色代表中度OSAHS 患者較輕度OSAHS 患者灰質體積減少的腦區，包括左側杏仁核、左側海馬、左側腦島腦灰質體積減少。（統計閾值設為P＜0.05，cluster size＞389，Alphasim 校正）

圖2 重度OSAHS 組與輕度OSAHS 組相比灰質體積有差異的腦區統計參數圖；注：藍色代表重度OSAHS 患者較輕度OSAHS 患者灰質體積減少的腦區，主要以右側海馬旁回腦灰質體積減少為著，（統計閾值設為P＜0.05，cluster size ＞389，Alphasim 校正）

3.重度OSAHS 患者與中度OSAHS 患者VBMMRI 相比較，包括左側腦島、左側尾狀核、左側豆狀殼核腦灰質體積增加；左側丘腦、右側丘腦腦灰質體積減少，見表4、圖3。

表4 重度組與中度組患者腦灰質體積變化

圖3 重度OSAHS 組與中度OSAHS 組相比灰質體積有差異的腦區統計參數；注：紅色代表重度OSAHSA 組較中度OSAHS 組灰質體積增加的腦區，包括左側腦島、左側尾狀核、左側豆狀殼核；藍色代表重度OSAHS 患者較中度OSAHS 患者灰質體積減少的腦區，包括左側丘腦、右側丘腦。（統計閾值設為P＜0.05，cluster size＞389，Alphasim 校正）

討 論

OSAHS 導致夜間間歇低氧、睡眠片段化、睡眠結構紊亂及日間嗜睡，其特點是睡眠期間上呼吸道部分阻塞反復發作，造成睡眠障礙、血流動力學波動、慢性間歇性低氧血癥［3］。所有上述原因有可能對大腦灰質造成一定的損傷。大腦灰質的變化可以通過神經影像學間接評估，因此本文旨在研究不同程度的OSAHS 患者的嚴重程度是否與大腦灰質變化存在密切關聯。 體素形態學分析（voxel-based morphometry，VBM）可以用來反映不同組群間特定腦組織（灰質、白質、腦脊液等）的濃度或體積差異。VBM 是一種基于體素對全腦結構磁共振成像自動、全面、客觀的分析技術，可以定量計算分析腦部MRI 圖像中每個體素的腦灰、白質密度或體積的變化，以此來反映相應解剖結構的差異。是客觀評價大腦局部組織差異的一種重要方法，具有較高的客觀性和準確性。目前對OSAHS 的研究主要集中于臨床表型上，采用VBM 對不同程度的OSAHS 引起腦結構的改變的相關性研究極少。

一、中度OSAHS 患者與輕度OSAHS 患者腦區差異區的討論

邊緣葉由半球內側面位于胼胝體周圍和側腦室下角底壁的一圓弧形結構構成，包括扣帶回、海馬回、海馬旁回和鉤回。邊緣葉與杏仁核、丘腦前核、下丘腦、中腦被覆、島葉前部等結構共同組成邊緣系統［4］。腦島又稱為島葉，呈三角形島狀，位于外側裂深面，被額、頂、顳葉所覆蓋。島葉的功能與內臟感覺和運動有關。島葉的前部系邊緣系統的結構之一。邊緣系統位于位于顳葉的內側面，海馬、海馬旁回、杏仁核是其中的重要結構。邊緣系統與網狀結構和大腦皮質有廣泛聯系，參與高級神經、精神（情緒、記憶等）和內臟的活動。邊緣系統的作用是使中腦、間腦和新皮層結構之間發生信息交換。通過與下丘腦及植物神經系統的聯系，邊緣系統參與調解本能和情感行為。此外，海馬結構還對學習過程和記憶發揮著突出的作用。因此如果海馬結構或與之功能聯系的結構受損，則導致遺忘綜合征。其病變部位不同，產生的記憶障礙形式也不同。邊緣系統損傷是可出現情緒和障礙、行為異常、幻覺、反應遲鈍等精神障礙及內臟活動障礙［4］。本文發現，中度OSAHS 組MSpO2、LSpO2均明顯低于輕度組（P＜0.05），中度組的AHI 高于輕度組（P＜0.05），即中度組的夜間間歇缺氧的程度重于輕度組，而中度與輕度OSAHS 患者腦VBM-MRI 相比較發現，中度組OSAHS 患者的左側杏仁核、左側海馬、左側腦島腦灰質體積減少，即中度組OSAHS 患者較輕度組相比明顯的間歇性缺氧導致了局部腦灰質體積的降低，這些神經元丟失的區域主要集中在邊緣系統。神經細胞的損害可能與低氧的程度引起的細胞代謝下降［5］和局部腦血流灌注降低［6］有關。邊緣系統在進化上屬于比較古老的區域，其血液供應易受低氧的影響［7］。與Joo 等［8］對睡眠呼吸暫停綜合征的觀察類似，他們的研究也觀察到海馬、杏仁復合體、島葉和丘腦等的灰質密度降低。中度組OSAHS 患者邊緣系統腦灰質體積的減少考慮與其平均MSpO2、LSpO2均明顯低于輕度組（P＜0.05）有關，即中度組的夜間間歇缺氧的程度重于輕度組，從而使之邊緣系統腦灰質體積減少，通過間歇性低氧而改變了認知功能相關的大腦結構-邊緣系統，進而影響認知功能［9］。中度組OSAHS 患者長期明顯的間歇低氧引起繼發性紅細胞增多，血液粘稠度增高，改變腦組織的血流灌注，導致缺血、缺氧后的損傷，也可能是OSAHS 患者大腦認知功能相關結構病變的機制之一［10］。同時可以解釋中度組OSAHS 患者較輕度組容易出現相應的一些臨床癥狀，例如注意力不集中、精細操作能力下降，記憶力、判斷力和反應能力下降等認知行為功能及情緒障礙。癥狀嚴重時不能勝任工作，可加重老年癡呆癥狀。

二、重度OSAHS 患者與輕度OSAHS 患者腦區差異區的討論

重度組MSpO2、LSpO2均明顯低于輕度組（P＜0.000），重度組的AHI 明顯高于輕度組（P＜0.000），即重度組的夜間間歇缺氧的程度明顯重于輕度組。重度與輕度OSAHS 患者腦VBM-MRI 相比較發現右側海馬旁回腦灰質體積減少，即重度的間歇低氧主要影響了邊緣系統中的重要結構：海馬、海馬旁回。在功能分區上，海馬旁回區域主要與認知功能相關，其內灰質萎縮可引起患者認知功能障礙，記憶障礙、行為異常、反應遲鈍等精神障礙。部分患者出現癡呆等癥狀，海馬區域萎縮是引起癡呆的常見部位。有學者發現，OSAHS 患者的海馬有萎縮表現［11］。在本文中，海馬旁回灰質體積減少，與上述研究基本相符。重度OSAHS 患者與輕度OSAHS 患者相比主要影響了邊緣系統中的重要結構及海馬及海馬旁回，從而使患者的記憶及認知功能障礙。

三、重度OSAHS 患者與中度OSAHS 患者腦區差異區的討論

人腦皮層解剖結構具有可塑性［12］，可在結構和功能上修改自身以適應客觀事實改變?；屹|的顯微結構為神經細胞、纖維、神經膠質和血管錯綜復雜的混合，灰質體積的增加從解剖角度來看，可能與神經細胞增生、突觸增多或者血管改變相關。大腦皮質分為新皮質和古老的異生皮質，人類的新皮質約占全部皮質的96%。新皮質具有神經再生的能力，缺氧能夠誘導這種神經的再生［13］?；缀酥兄饕獮榧y狀體。紋狀體由尾狀核和豆狀核組成。尾狀核彎曲并環繞丘腦；豆狀核位于尾狀核與丘腦的外側，又分為蒼白球與殼核。紋狀體的主要功能是使肌肉的運動協調，維持軀體一定的姿勢［14］。本項研究的一般資料比較，重度OSAHS 組AHI 顯著高于中度組（P＜0.000），LSpO2明顯低于中度組（P＜0.000），即重度組的夜間最低氧飽和度低于中度組。 重度OSAHS 患者與中度OSAHS 患者VBM-MRI 相比較：重度組OSAHS 患者左側腦島、左側尾狀核、左側豆狀殼核腦灰質體積增加，即主要是基底核的灰質體積增加，缺氧改變了基底核的微觀結構，考慮與缺氧誘導大腦皮質代償性增生。

丘腦是間腦中最大的卵圓形灰質團塊，對稱分布于第三腦室兩側。是各種感覺（嗅覺除外）傳導的皮質下中樞和中繼站，其對運動系統、感覺系統、邊緣系統、上行網狀系統和大腦皮質的活動發生著重要影響。丘腦受損時可有情感與記憶障礙［14］。本項研究的一般資料比較，重度OSAHS 患者LSpO2明顯低于中度組（P＜0.000），即重度組的夜間最低氧飽和度低于中度組。本文顯示，重度OSAHS 患者與中度OSAHS 患者VBM-MRI 相比較，重度組OSAHS 患者左側丘腦、右側丘腦腦灰質體積減少。本文與Joo 等［8］對睡眠呼吸暫停綜合征的觀察類似，他們的研究也觀察到海馬、杏仁復合體、島葉和丘腦等的灰質密度降低。而丘腦受損時可有情感與記憶障礙。重度組OSAHS 患者左側丘腦、右側丘腦腦灰質體積較中度組OSAHS 減少，即重度組的OSAHS 與中度組的OSAHS 相比出現記憶和情感的障礙。

本文顯示，重度OSAHS 患者與中度OSAHS 患者相比主要影響了紋狀體及丘腦，從而影響了患者的記憶及認知功能。本文發現重度OSAHS 中發現的灰質體積變化的區域為紋狀體-丘腦-大腦皮質環路的組成部分，該環路對認知功能的調節起重要作用，與張勇等［15］研究發現吸煙者腦灰質結構的改變主要集中在紋狀體-丘腦-大腦皮質環路通路及邊緣系統相似，我們考慮間歇缺氧也對該環路存在影響，且重度OSAHS 較中度OSAHS 相比對上述環路的影響更為明顯，更能解釋臨床上重度的OSAHS 患者的記憶及認知功能障礙的臨床機理。

本文用VBM 技術對不同程度OSAHS 腦灰質進行了初步的研究，不同程度的OSAHS 患者間歇缺氧下導致腦灰質有不同程度的變化，說明了OSAHS 對患者的腦結構有著一定程度的影響。本文用VBM技術對不同程度OSAHS 腦灰質進行了初步的研究，OSAHS 患者間歇缺氧下導致腦灰質有不同程度的變化，說明了OSAHS 對患者的腦結構有著一定程度的影響。分析OSAHS 患者在間歇性低氧下腦灰質灰質體積差異，評估VBM-MRI 在評價不同程度OSAHS 患者腦結構變化中提供了一定臨床價值。